СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА НОРМАЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF DIAGNOSIS AND SPACECRAFT NORMAL FUNCTIONING DURATION PREDICTION

Изобретение относится к управлению полетом космического аппарата (КА), в частности телекоммуникационного спутника, в составе которого установлены герметичные емкости с рабочим газом, например в составе системы ориентации и стабилизации (СОС) согласно материалам книги: «Каргу Л.И. Системы угловой стабилизации космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1980, §5.1 - стр. 118-120» [1], и в составе системы терморегулирования (СТР) согласно патенту Российской Федерации (РФ) №2151721 [2] - авторами принят за прототип, в котором давление газа в герметичной емкости – гермоконтейнере - контролируется датчиком давления, а температура газа - датчиками температуры.
Для обеспечения нормального функционирования КА на орбите рабочее давление газа в герметичной емкости СОС или СТР должно изменяться таким образом, чтобы оно было не менее требуемой величины. Например, рабочее давление газа - азота в герметичной емкости - гермоконтейнере СТР [2] для обеспечения требуемого температурного режима приборов КА в течение срока эксплуатации на орбите (например, не менее 15 лет), установленного в гермоконтейнере, должно быть не менее 10 кПа. С учетом того, что реальная конструкция гермоконтейнера имеет некоторую технологическую негерметичность, гермоконтейнер СТР заправляют газом с запасом - величиной, максимально допустимой, обеспечивающей его прочность (например, заправляют газом давлением 120 кПа при температуре газа 293 К). Как показывает анализ данных длительной эксплуатации телекоммуникационных спутников (в течение более 10-15 лет), давление газа в гермоконтейнере СТР в процессе эксплуатации на орбите не снижается ниже 90 кПа при изменении рабочей температуры газа от 273 до 313 К.
В то же время анализ внешних условий эксплуатации телекоммуникационных спутников, например на геостационарной орбите, показывает, что не исключена вероятность повреждения гермоконтейнера техногенной или метеорной частицей. В этом случае степень негерметичности гермоконтейнера может быть нарушена, и утечки газа из него будут выше технологической нормы негерметичности, и давление газа в нем будет постепенно снижаться до и ниже минимально допустимой величины (10 кПа), и приборы, установленные в гермоконтейнере, выйдут из строя, то есть выйдет из строя космический аппарат.
Согласно требованиям ГОСТ Р 52.925 - 2008 неработоспособные космические аппараты не должны находиться на геостационарной орбите - до выхода их из строя они должны быть переведены на орбиту захоронения (выше геостационарной орбиты на ≈230 км).
Таким образом, в процессе эксплуатации космического аппарата, содержащего в своем составе герметичную емкость с газом, необходимо на орбите периодически контролировать давление газа, а также его температуру с целью предсказания, когда (в какой момент времени) образовалась недопустимая течь из емкости, и достоверного прогнозирования, когда в этом случае давление в емкости уменьшится до минимально допустимого значения.
Как показал анализ известной патентной и научно-технической литературы, из них неизвестен способ, решающий вышеуказанную задачу достоверного анализа и достоверного прогнозирования, в течение которого космический аппарат функционирует нормально, что является существенным недостатком.
Известный способ контроля работы СТР на основе [2], принятый за прототип, включает в себя периодические телеметрические измерения значений температуры газа в районе установки различных приборов (по показаниям датчиков температур) и давления газа в гермоконтейнере (например, по показанию датчика давления) и в случае, если измеренные значения температур и давления в допуске, то обеспечивается достоверный контроль нормального функционирования СТР только в данный момент времени измерения температур и давления газа.
Целью предлагаемого технического решения является устранение вышеуказанного существенного недостатка.
Поставленная цель достигается тем, что в способе диагностики и прогнозирования срока нормального функционирования космического аппарата, содержащего герметичную емкость с газом, например гермоконтейнер с азотом, включающем периодические измерения значений температуры и давления газа в емкости с известным объемом ее внутренней полости, на основе данных периодических телеметрических измерений температуры и давления газа в емкости на орбите, сначала определяют значение эквивалентной площади проходного сечения течи, внезапно образовавшейся из-за повреждения емкости - гермоконтейнера, используя формулу (1)
затем, используя вышеопределенное значение эквивалентной площади выходного сечения течи, определяют период времени до момента образования течи, используя формулу (2)
и период времени, в течение которого после последнего телеметрического контроля температуры и давления газа давление в гермоконтейнере достигнет значения минимально допустимого, используя формулу (3)
i+1
i
j+1
где , ,  - измеренные телеметрические значения давления газа (в Па) в емкости – гермоконтейнере - после образования течи в текущие моменты времени (в секундах) τ, τ, τ, Па;
0
- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере перед моментом образования течи τ;
j
- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере в момент телеметрического измерения τ перед определением периода времени до достижения минимально допустимого давления в гермоконтейнере ;
k - показатель адиабаты (для азота k=1,4);
кр
ω - критическая скорость истечения газа в выходном сечении, равная местной скорости звука, м/с;
ГК
3
V - объем внутренней полости гермоконтейнера по данным изготовления, м;
течи
2
F - эквивалентная площадь выходного сечения течи, м,
что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками представленного авторами технического решения.
В результате проведенного авторами анализа известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных признаков заявляемого технического решения в известных источниках не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе диагностики и прогнозирования нормального функционирования космического аппарата.
течи
кр
кр
кр
ГК
На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого технического решения, где поз. 1 - гермоконтейнер (емкость с газом - азотом) СТР КА; 2 - вентилятор; 3 - приборы; 4 - датчик давления; 5 - датчики температуры; А - место внезапно образовавшейся течи; F - площадь сечения течи на выходе из нее; ω - критическая скорость истечения газа на выходе из течи в адиабатическом режиме истечения, равна ; ρ, Р - критические плотность и давление газа в выходном сечении из течи, R - газовая постоянная, для азота R=296,8 Дж/(кг⋅град); Т - температура газа в выходном сечении из течи для адиабатического режима истечения газа практически равна температуре газа в гермоконтейнере, Т (см. источник информации "A.M. Мхитарян: Гидравлика и основы газодинамики". Киев, Гостехиздат УССР - 1959: первый абзац сверху на стр. 232, формулы (11-32), (11-34) на стр. 236 и решение задачи 35 на стр. 237 [3]).
Для определения площади выходного сечения течи, момента времени внезапного образования течи, момента времени, когда давление газа из-за утечки уменьшится до минимально допустимого давления (например, до 10 кПа), используется формула, полученная авторами на основе анализа физических процессов, происходящих в гермоконтейнере и в выходном сечении течи при адиабатическом режиме истечения газа в космическое пространство, имеющая вид
Формула получена на основе теоретических данных [3], [4] в следующей последовательности:
- известно уравнение состояния газа в гермоконтейнере ;
- далее на основе теоретических данных (см. книгу «Болгарский А.В. и др. Термодинамика и теплопередача», М., 1975 г.; стр. 132-133 [4]) последовательно получим:
из (5) и (6) следует
допускаем, что до давления в гермоконтейнере, равного 10 кПа, реализуется адиабатический режим истечения с реализацией на выходе течи критической скорости потока .
Приращение dm имеет отрицательное значение:
Из уравнения адиабаты:
;
Подставив (11) в (8), получим:
Подставив (12) в (7), получим:
;
;
Интегрируем уравнение (14) и получим расчетную формулу (4):
,
где  - текущее давление в гермоконтейнере (после образования течи), Па;
0
- давление газа в гермоконтейнере в начальный рассматриваемый момент времени (в частности, непосредственно в момент образования течи - в момент образования течи τ=0), Па;
течи
2
F - площадь проходного сечения образовавшейся течи, м;
кр
ω - скорость потока в выходном сечении течи, м/с;
i
0
τ - текущее время после τ=0, с.
Предложенный способ диагностики и прогнозирования срока нормального функционирования космического аппарата включает в себя нижеуказанные операции, выполняемые в следующей последовательности (см. фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого авторами способа, а на фиг. 2 изображена диаграмма изменения давления газа в гермоконтейнере после внезапного образования течи в результате повреждения гермоконтейнера метеорной или техногенной частицей):
3
1. Изготавливают КА, в том числе гермоконтейнер 1 СТР с известным объемом внутренней полости (например, 3 м), заполненный газом - азотом; внутри гермоконтейнера устанавливают датчики температуры и давления.
2. Заполняют герметичный внутренний объем гермоконтейнера 1 газом – азотом - давлением, например, 120 кПа при температуре 293 К.
3. В условиях орбитального функционирования КА периодически, например один раз в сутки, телеметрическими измерениями контролируют значения температуры газа и давления, которые при нормальном функционировании СТР должны находиться в расчетных допустимых диапазонах.
i
i+1
течи
4. В случае обнаружения в очередном сеансе телеметрических измерений (момент времени τ) несоответствия измеренного значения давления газа в гермоконтейнере - ниже допустимого диапазона, означающее наличие повышенных утечек газа из гермоконтейнера в результате его повреждения, например метеорной частицей, проводят очередной сеанс (в момент времени τ) контроля величин давления и температуры газа и определяют величину эквивалентной площади - F проходного сечения внезапно образовавшейся течи по формуле (1):
.
течи
5. Затем, после выполнения пункта 4, используя вышеопределенную эквивалентную площадь проходного сечения течи F, определяют период до момента образования течи по формуле (2):
.
j
6. После этого, используя данные телеметрических измерений, например, в момент времени τ, определяют период времени и, следовательно, определяют момент времени (дату, время), когда давление газа в гермоконтейнере уменьшится до минимально допустимого значения по формуле (3) ():
7. В вышеприведенных пунктах 4, 5, 6 условные обозначения физических параметров в формулах расшифровываются согласно нижеизложенному:
i+1
i
j+1
, ,  - измеренные телеметрические значения давления газа (в Па) в гермоконтейнере после образования течи в текущие моменты времени (в секундах) τ, τ, τ, Па;
0
- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере перед моментом образования течи τ;
j
- измеренное телеметрическое значение давления газа (в Па) в гермоконтейнере в момент телеметрического измерения τ перед определением периода времени до достижения минимально допустимого давления в гермоконтейнере ;
k - показатель адиабаты (для азота k=1,4);
кр
ω - критическая скорость истечения газа в выходном сечении, равная местной скорости звука, м/с;
ГК
3
V - объем внутренней полости гермоконтейнера по данным изготовления, м;
течи
2
F - эквивалентная площадь проходного сечения течи, м.
8. После выполнения пункта 6 определяют крайнюю дату и время перевода КА на орбиту захоронения.
Как видно из вышеизложенного, предложенное авторами техническое решение обеспечивает достоверное определение времени внезапного повреждения гермоконтейнера в результате механического, ударного воздействия на него метеорной или техногенной частицы и достоверное определение времени, когда давление в гермоконтейнере уменьшится до минимального допустимого значения, что обеспечивает принятие своевременного решения о переводе КА со стационарной (рабочей) орбиты на орбиту захоронения.