СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ДАВЛЕНИЯ В РАБОЧИХ УСТАНОВКАХ СИЛЬФОННОГО ТИПА
METHOD OF ADJUSTING AND STABILISING PRESSURE IN SILPHON-TYPE WORKING UNITS

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для стабилизации заданного уровня тяги двигателей коррекций движения центра масс (ЦМ) космического аппарата (КА), ориентации и стабилизации осей КА в пространстве. Известны два способа - две принципиальные схемы (1 и 2) рабочих установок (РУ) сильфонного типа, обуславливающих подачу рабочего тела (РТ) в двигатели. Способ 1 описывает устройство и работу двигательной установки (ДУ), имеющей в распоряжении блок стабилизации давления (БСД), способ 2 описывает устройство и работу ДУ, не имеющей БСД. На фиг.1 представлена конструктивная схема 1 РУ. На фиг.1 следующие обозначения:
1 - БХП;
2 - корпус БРТ;
3 - сильфон;
4 - горловина заправочная;
5 - нагреватели;
6 - электроклапаны;
7 - пироклапаны;
8 - термодатчики;
9 - датчики давления;
10 - основной СД (СД1);
11 - резервный СД (СД2);
12 - КУ1, КУ2;
13 - КУ3, КУ4;
14 - КУ5, КУ6;
15 - БСД;
16 - штуцер проверочный;
17 - на двигатель.
Суть способа 1, в части стабилизации давления РТ, независимо от модификаций ДУ, сводится к следующему (несущественные детали опускаются):
1. В расчетное время запускают циклограмму подачи рабочего тела (РТ) - гидразина из блока хранения и подачи 1 (БХП) (в контексте заявки БХП 1 вместе с БСД15 - РУ).
БХП содержит бак с рабочим телом 2 (БРТ) и телом наддува, систему термостатирования, датчики давления. Для хранения рабочего тела применяется БРТ с металлическим сильфоном-разделителем 3. Для вытеснения РТ из бака используется тело наддува - газ азот. По мере выработки РТ объем газовой полости БРТ будет увеличиваться, при этом соответственно увеличению объема будет уменьшаться давление.
2. РТ поступает в БСД 15.
2
2
БСД предназначен для обеспечения стабильного и постоянного на всем сроке активного существования (САС) КА давления РТ на входе в двигатели (к примеру, 1,75±0,07 кгс/см) при переменном монотонно снижающемся по мере выработки РТ из топливных баков давления (к примеру, от ~8,4 до ~3,0 кгс/см). Блок стабилизации включает в себя стабилизаторы давления 10, 11 (СД1, СД2), ответственные за расход рабочей дозы РТ. Управление заполнением рабочей дозы топлива, поступающей в расходную полость БСД, осуществляется по состоянию сочетаний (замкнуто -разомкнуто) концевых микропереключателей соответствующим включением клапанов управления 12 КУ1, КУ2 при работе на основном стабилизаторе давления 10 СД1 или 13 КУ3, КУ4 при работе на резервном стабилизаторе 11 СД2. При открытии клапанов КУ1, КУ2 полости СД1 и СД2 заполняются топливом (РТ) и сжимают подпружиненные сильфоны СД1 и СД2 до срабатывания пары концевых микропереключателей, находящихся в СД1 (размыкание). По этому сочетанию контактов клапаны 12 КУ1, КУ2 закрываются. По израсходованию рабочей дозы топлива (замыкание) производится включение КУ1, КУ2, начинается заполнение рабочей дозы топлива, при размыкании концевых микропереключателей питание с клапанов снимается, клапаны КУ1, КУ2 закрываются. При достижении давления топлива на выходе до оговоренных уровней осуществляется автоматический перевод управления на резервный СД2.
Суть способа 2, независимо от модификаций ДУ, реализуется БХП, представленным на фиг.1, и сводится к следующему (несущественные детали опускаются):
1. В расчетное время запускают циклограмму подачи РТ - гидразина из БХП 1 в двигатель. Устройство БХП то же, что и в варианте 1 (в контексте заявки БХП - РУ).
Поскольку в рабочей установке - БХП объем полости бака с вытеснителем будет увеличиваться, то пропорционально увеличению объема, в отсутствие БСД, будет уменьшаться давление и, соответственно, тяга двигателя.
Таким образом, РУ в способе 1, имеющая подпружиненные СД, а еще проще - понижающие редукторы давления, является на сегодня единственным вариантом стабилизации давления РТ, а ее работа является типичным способом стабилизации давления РТ (и тяги двигателей ДУ) в РУ, имеющей БСД. В варианте 2 реализуется типичный способ создания тяги с помощью двигателей ДУ без БСД.
Способ 1 используется для проведения коррекций как движения ЦМ КА, так и ориентации и стабилизации осей КА в пространстве, и потому универсален. Способ 2 для коррекций движения ЦМ КА практически не используется. В отсутствие на борту КА дополнительной ДУ с высокоэффективными, как правило - электроплазменными, типами двигателей (она есть, например, на КА, базирующихся на платформе, описанной, в части подсистемы коррекции в рабочей документации предприятия) применяется только способ 1 - по соображениям экономии. Наиболее близким по конкурентоспособности и по своей сути (стабилизация тяги) к предлагаемому изобретению является первый вариант (способ 1), который и взят за прототип.
У варианта 1 есть недостатки.
1. От БСД коммуникации обслуживают как двигатели коррекции, так и двигатели ориентации. На фоне проведения коррекции движения ЦМ КА могут работать до трех двигателей коррекции ориентации КА в пространстве. Логика задействования этих двигателей остается вне поля зрения того, кто занимается расчетом параметров коррекции движения ЦМ (оператора либо бортового программного обеспечения). Кроме того, тяга двигателя, по мере выработки порции РТ от БСД, падает, поскольку падает давление в топливной магистрали от БСД к двигателю, что снижает эффективность работы двигателя. Все перечисленные обстоятельства приводят к тому, что эффективная тяга (отношение требуемого импульса к фактической длительности коррекции) заметно отличается от приборной тяги - максимальной тяги, которую двигатель может развивать при определенных условиях.
2. Даже с блоком БСД эффективная тяга нестабильна. Причиной этого является логика работы БСД:
- сильфоны в СД работают в весьма напряженном режиме, ресурс их стабильной работы не оговорен в технических условиях, однако для по-настоящему стабильной работы он невелик. Потому в БСД используют два СД. С течением времени порции РТ, выдаваемые из БСД, становятся все меньше, их массу прогнозировать не удастся, эффективная тяга двигателей падает;
- по мере выработки РТ давление в БРТ закономерно падает, что приводит к увеличению времени заполнения СД топливом, эффективная тяга двигателей падает;
- подпружиненные сильфоны, не исключено, с течением времени, потеряв упругие свойства, не обеспечат срабатывания концевых микропереключателей СД, что сравняет давление в БРТ и на входе в двигатель.
Перечисленные недостатки в итоге сказываются на точности расчета параметров коррекций движения ЦМ КА.
Наконец, БСД только стабилизирует давление, но не управляет им.
Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать данный способ с целью повышения уровня и стабильности эффективной тяги двигателей, возможности регулирования давления в РУ, повышения точности расчета параметров коррекций, уменьшения массовых характеристик РУ.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе регулирования и стабилизации давления в РУ сильфонного типа, включающем подачу РТ из РУ, БРТ с системой наддува имеет дополнительную емкость постоянного объема, примыкающую к противоположной сильфону стенке БРТ и имеющую сообщение с засильфонным пространством посредством канала, снабженного пропускными клапанами, заполненную газом наддува, создающим в этой емкости давление, имеющее в начале эксплуатации РУ номинальное превышение над рабочим давлением РТ в сильфоне; фиксируют значимое расхождение текущего и заданного рабочего давления РТ; из сеансов измерений, разнесенных равномерно на интервале времени периодичности изменений температуры и давления, определяют достоверные текущие значения температуры и давления газа наддува в средней емкости (между сильфоном и дополнительной емкостью), как средние на интервале времени периодичности изменений этих параметров; определяют массовый остаток РТ; определяют текущий объем газа наддува в средней емкости; с учетом заданного значения рабочего давления и достоверных текущих значений температуры и давления газа наддува определяют, в соответствии с уравнением состояния реального газа, требуемую для выхода на рабочее давление порцию массы газа наддува из дополнительной емкости; исходя из текущего давления в дополнительной емкости и сечения межемкостного канала, рассчитывают длительность перехода этой порции в среднюю емкость и в назначенное время проводят открытие и закрытие межемкостных клапанов.
Суть изобретения поясняется чертежом (фиг.2), где представлена конструктивная схема БРТ. На фиг.2 следующие обозначения:
1 - корпус БРТ;
2 - перегородка;
3 - электроклапаны;
4 - датчик давления;
5 - датчик давления;
6 - датчик давления;
7 - сильфон;
8 - на двигатель;
9 - газ наддува;
10 - РТ.
Реализация предлагаемого способа предполагает выполнение следующей последовательности операций:
2
2
4
2
1. В БРТ 1 предлагается иметь три емкости: кроме основных двух - сильфона 7 и засильфонного пространства, еще - дополнительную емкость постоянного объема, отделенную перегородкой 2, примыкающую к противоположной сильфону стенке БРТ и имеющую сообщение с засильфонным пространством посредством канала, снабженного пропускными клапанами 3. В этой емкости под повышенным (по отношению к рабочему давлению в основных емкостях) давлением хранится газ наддува 9. В основной - средней емкости давление такое же, как и в основной емкости - сильфоне 7, и оно контролируется датчиками давления 5 и 6. Рабочее давление для существующих двигателей, согласно прототипу, составляет ~1,8 кгс/см, масса заправки РТ 10 составляет 3,67 кг, масса газа наддува ~0,038 кг, начальное давление газа наддува ~8,4 кгс/см (82,4·10 Н/м), средняя температура в БРТ 30,5°С (303,6 К), молярная масса газа наддува - азота 0,014 кг/моль, универсальная газовая постоянная 8,3143 Дж/(моль·град). Значит, для данного примера РУ начальный объем газа наддува составляет ~8 л, начальный объем РТ 36 л, соотношение объемов 2/9, и соотношение давлений 9/2 следует считать нормой. Перед началом эксплуатации КА весь газ наддува находится в дополнительной емкости, его давление >8 ат, средняя емкость имеет небольшой ненулевой объем за счет конфигурации торцевой стенки сильфона, внутри средней емкости газ наддува отсутствует. В процессе дальнейшей работы ДУ на сроке активного существования КА объем средней емкости постепенно увеличивается соответственно расходу РТ 10 за счет притока газа наддува 9 из дополнительной емкости. Следует отметить, что в средней емкости газ наддува, при любом его объеме и массе, соответствующей уравнению состояния газа, способен создавать рабочее давление в сильфоне 7 с РТ. Переход газа наддува из дополнительной емкости в основную контролируется и выполняется по алгоритму, приведенному в нижестоящих пунктах описания.
Итак, дополнительная емкость никак не увеличивает общий объем БРТ, в сравнении с прототипом. Однако отпадает необходимость в блоке стабилизации БСД 15, имеющем в своем составе (фиг.1):
- два стабилизатора давления 10, 11 (СД1, СД2), в каждый из которых входит блок микропереключателей;
- блок термодатчиков 8 с чувствительными элементами;
- три датчика 9 избыточного давления;
- два нагревателя 5;
- два штуцера проверочных 16;
- три пары клапанов управления 12, 13, 14,
плюс корпус. Масса БСД около 5 кг. Кроме того, отсутствие БСД при постоянном рабочем давлении в двигателе повышает точность исполнения коррекции за счет непрерывной и стабилизированной тяги, и тягу двигателей можно варьировать, в зависимости от выбранного значения рабочего давления в БРТ.
2. Фиксируют значимое расхождение текущего и заданного рабочего давления РТ.
Значимым следует считать двойное превышение погрешности датчиков давления.
3. Из сеансов измерений, разнесенных равномерно на интервале времени периодичности изменений температуры и давления, определяют достоверные текущие значения температуры и давления газа наддува в средней емкости (засильфонном пространстве), как средние на интервале времени периодичности изменений этих параметров.
Ввиду различной освещенности посадочных мест температуры стенок БРТ будут различны. Однако, поскольку БХП имеет надежную систему термостатирования, включающую, кроме нагревателей и датчиков температуры, экранно-вакуумную теплоизоляцию, изменения средней температуры стенок БРТ на данный час от суток к суткам невелики, и составляют, к примеру, для геостационарных КА не более ±0,5°, а изменения этой температуры от сеанса к сеансу на интервале определения остатков РТ не более ±(1-2)°С, что совпадает с погрешностью температурных датчиков. Гарантировать одну и ту же среднюю температуру БРТ в течение САС невозможно, поэтому и проверяем каждый раз уровень термостатирования. Достоверные значения температуры определяются по температурным датчикам, равномерно распределенным по поверхности БРТ, и количество которых соответствует способу-прототипу (фиг.1). Достоверное давление достаточно определить как среднее между показаниями датчиков 5 и 6 (фиг.2).
4. Определяют массовый остаток РТ в сильфоне.
PTтек
Остаток РТ (или текущая масса М) определяется расчетным путем по известным методикам. Остаток РТ определяется как функция давления в магистралях блока БСД и суммарной длительности расхода РТ. Ввиду отказа от БСД предлагается давление измерять в БРТ, как среднее между показаниями датчиков 5 и 6 (фиг.2). Точность определения остатка РТ по приведенной выше методике невелика (от -20% до +12,5%), однако на процесс стабилизации давления это никак не сказывается: добавим больше или меньше газа наддува из дополнительной емкости - получим тот или иной стабильный уровень давления РТ. Важно, что при стабильном уровне давления РТ на входе в двигатель можно быть уверенным в качественном исполнении последующих коррекций движения.
Данная операция использует известное техническое решение, однако она никогда не применялась для создания стабильной тяги, и потому, отвечая критерию «изобретательский уровень», входит в отличительную часть формулы изобретения.
5. Определяют текущий объем газа наддува в средней емкости.
тек
Поскольку можно считать, что РТ в БРТ несжимаемая жидкость, текущий объем V газа наддува в средней емкости определяют из соотношения:
БРТ
где V - объем БРТ, л;
доп
V - объем дополнительной емкости, л;
PТо
V - начальный (заправочный) объем РТ (сильфона), л;
PTтек
М - текущая масса РТ, кг;
PTо
М - начальная (заправочная) масса РТ, кг.
6. Определяют требуемую для выхода на рабочее давление порцию массы газа наддува из дополнительной емкости.
2
Поскольку рабочий уровень давления в БРТ невелик и составляет порядка 2 кгс/см, добавочную массу газа наддува из дополнительной емкости можно определять без особого ущерба из уравнения состояния идеального газа, но для большей точности применим классическую форму уравнения Ван-дер-Ваальса, которая для такого давления дает вполне удовлетворительные результаты. Из уравнения Ван-дер-Ваальса для произвольной массы газа найдем соответствующую требуемому рабочему давлению массу газа наддува в средней емкости - емкости вытеснения. Запишем:
раб
тек
тек
треб
2
3
где Р, Т, V, М - соответственно рабочие давление, достоверная текущая температура (см. п.3), текущий объем и требуемая масса газа [наддува в средней емкости], соответственно в СИ н/м, м, кг, К;
крит
крит
a=1,12·R·T·V;
крит
b=V/3;
µ - молекулярный вес РТ, кг/моль;
R - универсальная газовая постоянная, 8,3143 Дж/(моль·град);
крит
0 крит
V=V·М/µ;
0 крит
3
V - объем одного моля РТ в критическом состоянии, м;
крит
крит
Т, V - абсолютная температура и объем критического состояния РТ,
0 крит
крит
(µ, V, Т - справочные физические характеристики), откуда следует
и
и
тек
где М - текущее значение массы газа наддува в средней емкости, кг;
раб
тек
ΔP=P-Р;
тек
2
Р - достоверное текущее значение давления газа наддува в средней емкости (см. п.3), н/м.
7. Определяют длительность перехода расчетной порции газа наддува в среднюю емкость.
Данная операция проводится, исходя из текущего давления в дополнительной емкости и сечения межемкостного канала. Эта задача из области гидроаэродинамики. Длительность τ перехода расчетной порции газа наддува в среднюю емкость - засильфонное пространство можно определить, используя, например, формулу Пуайзеля. Тогда
3
где  и  - соответственно секундные массовые и объемные расходы из дополнительной емкости, кг/с, м/с;
ГН
тек
доп
3
ρ=(М-М)/V - плотность газа наддува в дополнительной емкости, кг/м;
ГН
М - общая (заправочная) масса газа наддува, кг;
- формула Пуазейля:
R, l - радиус и длина трубки сообщения, м;
1
2
ΔР - падение давления - разность давлений в дополнительной и средней емкости БРТ, определяемая по датчикам 4 и 5, н/м;
2
η - динамическая вязкость, н·с/м.
Динамическая вязкость газов (или коэффициент внутреннего трения) слабо зависит от температуры, она пропорциональна , и в нашем случае - величина постоянная.
8. В назначенное время проводят открытие и закрытие межемкостных клапанов.
Если планируется коррекция движения ЦМ КА, то срабатывание клапанов 3 (фиг.2) для перекачки газа наддува проводят в сеансах связи в промежутках между этими коррекциями. Для целей ориентации и стабилизации КА в пространстве никаких действий предпринимать не надо.
Эту операцию следует делать регулярно, иначе тяга двигателей начнет уменьшаться.
9. В расчетное время запускают циклограмму открытия клапанов с целью подачи РТ из РУ в двигатель.
Подачу РТ из РУ в двигатель осуществляют аналогично п.1 прототипа.
Следует отметить, что вместо операций 3-7 возможны многократные открытия и закрытия межемкостных клапанов в «ручном» режиме, пока показание датчика 5 (фиг.3) не совпадет с выбранным рабочим давлением.
Предлагаемый способ регулирования и стабилизации давления в РУ сильфонного типа позволяет:
1) регулировать и стабилизировать давление РТ;
2) повысить уровень и стабильность эффективной тяги двигателей;
3) повысить точность расчета параметров коррекций;
4) уменьшить массу РУ.
На предприятии вышеприведенный способ создания тяги двигателей КА предполагается использовать на геостационарных КА.