Способ контроля работы газожидкостной системы терморегулирования

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СТР) связных спутников. Согласно изобретению при работе СТР на орбите измеряют температуры теплоносителя в участках жидкостного тракта, давление газа в гермоконтейнере и газовой полости компенсатора объема, а также расход теплоносителя через тракт. Измеренные значения сравнивают с допустимыми. В процессе изготовления СТР измеряют компенсируемый объем газовой полости и жесткость сильфона компенсатора, полный объем и степень негерметичности жидкостного тракта, а также расстояние этого тракта между точкой его соединения с жидкостной полостью компенсатора и входом в насос. При контроле работы СТР давление теплоносителя на входе в насос определяют по специальному соотношению между рабочими параметрами жидкостного тракта. Изобретение позволяет повысить надежность и срок эксплуатации СТР, а также снизить массу системы. 2 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СTP) связных спутников.

В настоящее время в процессе испытаний и эксплуатации, в том числе в условиях орбитального функционирования космического аппарата (например, связного спутника типа "Молния"), с целью диагностики и прогнозирования нормального функционирования его проводят периодический контроль работы его систем, в том числе СТР, путем телеметрического измерения показаний соответствующих датчиков, установленных на борту (см. стр. 215 книги: Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. - М.: "Машиностроение", 1973 г, а также стр. 115 монографии: Андрейчук О.Б., Малахов Н. Н. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: "Машиностроение", 1982 г.).

Анализ источников информации по патентной и научно-технической информации показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является способ контроля работы СТР, изложенный на стр. 215 (второй абзац сверху) книги: Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. -М.: "Машиностроение", 1973 г.

По известному способу применительно к газожидкостной СТР (содержащей - см. фиг. 2 - жидкостный тракт 1 и установленные в нем электронасосный агрегат (ЭНА) 2; тракт ретранслятора 3; клапан-регулятор 4; радиатор 5; датчики расхода теплоносителя 6 в жидкостном тракте (например, турбинный датчик расхода), температуры теплоносителя t1 - t5 (например, термометры сопротивления, установленные на поверхностях участков жидкостного тракта), абсолютного давления теплоносителя 11 в жидкостном тракте на входе в ЭНА (например, датчик Вт 220, электрическая часть 11.1 которого разделена от его жидкостной полости 11.2, сообщающейся с жидкостным трактом СТР, гибкой мембраной 11.3); компенсатор объема 10, содержащий газовую полость 10.1, сообщающуюся с полостью гермоконтейнера 9, и жидкостную полость 10.2, разделенные сильфоном 10.3; газожидкостный теплообменник 7, датчики температуры t6 и абсолютного давления газа 8, установленные в гермоконтейнере 9) контроль ее работы в условиях орбитального функционирования осуществляется следующим образом (см. фиг. 2): периодически (например, один раз в течение месяца) проводят телеметрические измерения расхода теплоносителя в жидкостном тракте обеспечиваемого ЭНА, абсолютных давлений теплоносителя на входе в ЭНА и газа в гермоконтейнере, температур теплоносителя участков жидкостного тракта по показаниям соответствующих датчиков 6, 8, 11 и t1 - t6, установленных на борту; сравнивают измеренные значения с допустимыми значениями, а также проводят сравнительный анализ с данными предыдущих измерений и судят о работоспособности СТР в данный момент и в перспективе при дальнейшей эксплуатации.

Как показал анализ, проведенный авторами, известный способ в случае, когда газожидкостная СТР должна нормально работать в течение длительного срока орбитального функционирования (например, в течение 10 лет), обладает существенными недостатками, а именно: вышеуказанный способ контроля работы газожидкостной СТР обеспечивает недостаточно высокую надежность ее орбитального функционирования в течение вышеуказанного срока, а также способствует повышению массы системы; как показал анализ, это обусловлено тем, что, если отказы телеметрических датчиков расхода теплоносителя, температуры и абсолютного давления газа не влияют на работу СТР, то отказ телеметрического датчика абсолютного давления теплоносителя в жидкостном тракте может привести к отказу СТР, т.к. применяемые в настоящее время телеметрические датчики давления теплоносителя в своем составе содержат недостаточно надежный элемент - гибкую мембрану, разделяющую электрическую часть от его жидкостной полости, которая при длительном функционировании не выдерживает соответствующее повышенное количество циклических нагрузок и разрушается (согласно техническим условиям они работоспособны в течение 5 лет); в результате этого жидкостный тракт СТР теряет герметичность - теплоноситель вытекает через электрическую часть в космическое пространство (если датчик подключен к жидкостному тракту, находящемуся в гермоконтейнере, тогда - в газовую среду гермоконтейнера) и СТР, следовательно, спутник выходит из строя; в дополнение к указанному, попадание теплоносителя (например, ЛЭ-ТК-2, являющегося пожароопасной жидкостью), в находящуюся под напряжением электрическую часть вообще недопустимо, т.к. это может привести к пожару на борту; кроме того, имеющиеся датчики обладают относительно большой массой и увеличивают массу СТР (например, масса датчика типа Вт 220 равна ~ 0,5 кг); в то же время для обеспечения достоверной диагностики и прогнозирования нормального функционирования СТР необходимо обязательно знать значение давления теплоносителя в жидкостном тракте на входе в ЭНА, т.к. в момент достижения минимально допустимого значения давления (например, 0,3 кг/см²) начинается неустойчивая работа (кавитация) ЭНА и расход теплоносителя в жидкостном тракте ретранслятора уменьшится вплоть до нуля, и, следовательно, при этом не обеспечивается отвод выделяющегося при работе ретранслятора тепла и он выходит из строя; знание значения давления теплоносителя в жидкостном тракте СТР позволяет достоверно прогнозировать, в какой момент произойдет отказ СТР (спутника) и принять своевременное решение о начале подготовки и запуске работоспособного спутника на замену вышедшему из строя, тем самым обеспечивая непрерывное работоспособное состояние системы связи, например телевещания; кроме того, по результатам периодического контроля, в частности давления теплоносителя в жидкостном тракте, можно судить о качестве изготовленной (эксплуатируемой) СТР (например, в части степени герметичности) и принять, при необходимости, опережающие меры по повышению качества изготовления СТР последующих спутников.

Давление теплоносителя в жидкостном тракте в условиях орбитального функционирования с течением времени уменьшается в результате воздействия в совокупности следующих факторов: 1) уменьшения давления газа в гермоконтейнере из-за существующей его некоторой негерметичности; 2) в результате утечек теплоносителя из жидкостного тракта из-за существующей его некоторой негерметичности и уменьшения средней температуры теплоносителя на теневых участках орбиты в результате деградации оптических коэффициентов поверхности радиатора запас теплоносителя в жидкостной полости компенсатора объема уменьшается, а объем газовой полости растет и давление теплоносителя, когда газовая полость увеличится до максимально возможного значения, уменьшится до значения, равного упругости паров теплоносителя (0,05 кг/см²).

Таким образом, существенными недостатками известного способа контроля работы газожидкостной СТР является то, что он снижает надежность ее работы, не обеспечивает увеличения срока орбитального функционирования с 5 до 10 лет, а также увеличивает массу системы.

Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что предварительно в процессе изготовления измеряют компенсируемый объем газовой полости и жесткость сильфона компенсатора, полный объем и степень негерметичности жидкостного тракта, расстояние жидкостного тракта между точкой соединения его с жидкостной полостью компенсатора и входом в насос и при контроле работы давление теплоносителя в жидкостном тракте на входе в насос определяют по соотношению где P_т - давление теплоносителя в жидкостном тракте на входе в насос, Па; P_гк- давление газа в гермоконтейнере и газовой полости компенсатора, Па; P_с - жесткость сильфона компенсатора, Па; ΔU_к - компенсируемый объем газовой полости компенсатора, дм³; - температурное изменение объема теплоносителя в жидкостном тракте СТР, дм³; U - полный объем жидкостного тракта, дм³; β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/^oC; t_м - максимально допустимая средняя температура теплоносителя в жидкостном тракте системы, ^oC;
U_i - объемы теплоносителя участков жидкостного тракта, дм³;
t_i - средние температуры теплоносителя участков жидкостного тракта, ^oC;
U_н - степень негерметичности жидкостного тракта за заданный срок орбитального функционирования, дм³;
T, T_з - текущее время, начиная с момента запуска на орбиту, и заданный срок орбитального функционирования, сутки;
ΔP_г - гидравлическое сопротивление одного метра жидкостного тракта при номинальном расходе теплоносителя, Па/м;
L - расстояние жидкостного тракта между точкой соединения его с жидкостной полостью компенсатора и входом в насос, м;
- измеренный и номинальный расходы теплоносителя, м³/с,
и сравнивают с допустимым значением, что и является, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами, известной патентной и научно-технической литературы предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в предлагаемом способе.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого технического решения (где поз.1 - жидкостный тракт и установленные в нем: электронасосный агрегат (ЭНА) 2; тракт ретранслятора 3; клапан- регулятор 4; радиатор 5; датчики расхода теплоносителя в жидкостном тракте 6 (например, турбинный датчик расхода), температуры теплоносителя t1 - t5 (например, термометры сопротивления, установленные на поверхностях участков жидкостного тракта); компенсатор объема 10, содержащий газовую полость 10.1, сообщающуюся с полостью гермоконтейнера 9, и жидкостную полость 10.2, разделенные сильфоном 10.3; газожидкостный теплообменник 7, датчики температуры t6 и абсолютного давления газа 8, установленные в гермоконтейнере 9).

Предлагаемый способ контроля работы газожидкостной СТР включает в себя нижеуказанные операции, выполняемые в следующей последовательности (см. фиг. 1):
1. До запуска спутника на орбиту в процессе изготовления СТР измеряют компенсируемый объем газовой полости (ΔU_к) и жесткость сильфона компенсатора (P_с), полный объем (U), объемы участков (U_i) и степень негерметичности жидкостного тракта (U_н), расстояние жидкостного тракта между точкой соединения его с жидкостной полостью компенсатора и входом в насос (L),
2. Во время орбитального функционирования периодически (например, один раз в течение месяца) проводят телеметрические измерения температур теплоносителя участков жидкостного тракта (t1 -t5), давления газа в гермоконтейнере и газовой полости компенсатора объема (P_гк) и обеспечиваемого электронасосным агрегатом расхода теплоносителя в жидкостном тракте
3. Определяют давление теплоносителя в жидкостном тракте на входе в ЭНА по соотношению, полученному авторами на основе анализа физических процессов, происходящих в жидкостном тракте в момент контроля работы газожидкостной СТР:

где P_т - давление теплоносителя в жидкостном тракте на входе в насос, Па;
P_гк - давление газа в гермоконтейнере и газовой полости компенсатора, Па;
P_c - жесткость сильфона компенсатора, Па;
ΔU_к - компенсируемый объем газовой полости компенсатора, дм³;
-температурное изменение объема теплоносителя в жидкостном тракте СТР, дм³;
U - полный объем жидкостного тракта, дм³;
β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/^oC;
t_м - максимально допустимая средняя температура теплоносителя в жидкостном тракте системы, ^oC;
U_i - объемы теплоносителя участков жидкостного тракта, дм³;
t_i - средние температуры теплоносителя участков жидкостного тракта, ^oC;
U_н - степень негерметичности жидкостного тракта за заданный срок орбитального функционирования, дм³;
T, T_з - текущее время, начиная с момента запуска на орбиту, и заданный срок орбитального функционирования, сутки;
ΔP_г - гидравлическое сопротивление одного метра жидкостного тракта при номинальном расходе теплоносителя, Па/м;
L - расстояние жидкостного тракта между точкой соединения его с жидкостной полостью компенсатора и входом в насос, м;
- измеренный и номинальный расходы теплоносителя, м³/с.

4. Сравнивают значения параметров СТР по вышеуказанным пунктам 2 и 3, в том числе значение давления теплоносителя на входе в ЭНА, с соответствующими допустимыми значениями, а также проводят сравнительный анализ с данными предыдущих измерений и судят о работоспособности СТР в данный момент и в перспективе при дальнейшей эксплуатации; при необходимости, основываясь данными вышепроведенного анализа, принимают соответствующее решение о повышении качества изготовления последующей СТР (или о доработке ее, если она изготовлена), чтобы исключить ее преждевременный отказ и обеспечить требуемый срок эксплуатации в условиях орбитального функционирования.

Таким образом, предложенное авторами техническое решение обеспечивает телеметрический контроль давления теплоносителя в жидкостном тракте на входе в ЭНА при контроле работы газожидкостной СТР в условиях орбитального функционирования без использования показаний датчика абсолютного давления, что однозначно повышает надежность (исключается отказ СТР из-за отказа ее телеметрических датчиков), не накладывает ограничения на увеличение срока орбитального функционирования (с 5 до 10 лет) и одновременно снижает массу СТР (на ~ 0,5 кг), т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

Предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации, по которой будет изготавливаться СТР вновь создаваемого связного спутника.

Формула изобретения

Способ контроля работы газожидкостной системы терморегулирования, включающий телеметрические измерения, при орбитальном функционировании, температур теплоносителя участков жидкостного тракта, давления газа в гермоконтейнере и газовой полости компенсатора объема, а также обеспечиваемого электронасосным агрегатом расхода теплоносителя в жидкостном тракте и сравнение их с допустимыми значениями, отличающийся тем, что предварительно в процессе изготовления измеряют компенсируемый объем газовой полости и жесткость сильфона компенсатора, полный объем и степень негерметичности жидкостного тракта, расстояние жидкостного тракта между точкой его соединения с жидкостной полостью компенсатора и входом в насос, а при контроле работы давление теплоносителя в жидкостном тракте на входе в насос определяют по соотношению

где P_т - давление теплоносителя в жидкостном тракте на входе насос, Па;
P_гк - давление газа в гермоконтейнере и газовой полости компенсатора, Па;
P_с - жесткость сильфона компенсатора, Па;
ΔU_r - компенсируемый объем газовой полости компенсатора, м³;
- температурное изменение объема теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования, дм³;
U - полный объем жидкостного тракта; дм³;
β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/^oC;
t_m - максимально допустимая средняя температура теплоносителя в жидкостном тракте системы, ^oC;
U_i - объемы теплоносителя участков жидкостного тракта, дм³;
t_i - средние температуры теплоносителя участков жидкостного тракта, ^oC;
U_н - степень негерметичности жидкостного тракта за заданный срок орбитального функционирования, дм³;
T, T₂ - текущее время, начиная с момента запуска на орбиту, и заданный срок орбитального функционирования, сутки;
ΔP_г - гидравлическое сопротивление одного метра жидкостного тракта при номинальном расходе теплоносителя, Па/м;
L - расстояние жидкостного тракта между точкой его соединения с жидкостной полостью компенсатора и входом в насос, м;
- измеренный и номинальный расходы теплоносителя, м³/с,
и сравнивают с допустимым значением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2