Способ управления давлением в гидравлической системе терморегулирования пилотируемого космического объекта

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано, в частности, в системах терморегулирования (СТР) долговременных модулей орбитальных станций, в ходе проведения экипажем во время полета ремонтно-профилактических работ. Предлагаемый способ включает периодическое уравнивание давления в СТР с давлением атмосферы обитаемого отсека и последующую операцию установки рабочего давления. Перед каждой такой операцией измеряют напор, создаваемый гидронасосом СТР, и текущую среднемассовую температуру теплоносителя. Затем изменяют давление до его рабочей величины, определяемой как среднее значение взятых с поправками верхнего и нижнего допустимых давлений. Поправки учитывают измеренные напор от гидронасоса, а также рост и падение давления вследствие возможного повышения или понижения среднемассовой температуры теплоносителя в СТР. Технический результат изобретения состоит в повышении надежности эксплуатации СТР, создании оптимальных условий для работы ее элементов и повышении точности контроля герметичности.

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам управления давлением в гидравлических системах терморегулирования долговременных пилотируемых космических объектов, например модулей орбитальных станций в ходе их полета.

Изобретение может быть использовано при эксплуатации систем терморегулирования пилотируемых космических объектов в ходе проведения ремонтно-профилактических работ, выполняемых экипажем во время полета. В то же время изобретение может быть использовано соответствующими службами Центра управления полетом в процессе контроля работы системы терморегулирования и действий экипажа.

В настоящее время длительное функционирование гидравлических систем терморегулирования модулей орбитальных станций, наряду с постоянным увеличением ресурса отдельных гидравлических агрегатов, обеспечивается их прямой заменой после выработки ими гарантийного ресурса или в случае отказа. Как показывает практика, в первую очередь, это относится к гидравлическим насосам, фильтрам и элементам потокораспределения теплоносителя (клапаны, регуляторы расхода и т.п.). Однако в случае потери герметичности в результате необнаруженного заводского технологического брака, коррозии или отказа из-за неправильной эксплуатации, такой замене могут подвергаться и другие элементы гидравлических систем (теплообменники, арматура, трубопроводы и т.п.).

Каждая операция замены любого гидравлического агрегата включает выравнивание давления в системе с давлением атмосферы обитаемого отсека (для исключения пролива теплоносителя в отсек или натекания воздуха в систему в случае появления нештатных ситуаций в процессе замены) и собственно замену агрегата с последующим восстановлением оптимального рабочего давления в системе.

Как показал опыт эксплуатации модулей орбитального комплекса “Мир”, поддержание оптимального рабочего давления в системах терморегулирования модулей значительно продлевает фактический ресурс их работы, что особенно важно для систем, работающих за пределами гарантийного ресурса до отказа.

Это позволяет продолжать эксплуатацию таких систем при задержках прихода грузовых кораблей на станцию, доставляющих запасные части и сменное оборудование, или задержке при изготовлении таких частей.

Известен способ управления рабочим давлением среды в системах жизнеобеспечения космических аппаратов (см. А.С. Елисеев. Техника космических полетов, Машиностроение, М., 1983 г., стр. 130). По этому способу в шлюзовом отсеке космического аппарата при подготовке космонавтов к выходу в открытый космос поддерживается нормальное текущее давление атмосферы обитаемых отсеков аппарата. Перед выходом космонавтов из отсека люк в обитаемый отсек герметично закрывается и воздух из отсека стравливается до давления окружающей внешней среды; после возвращения космонавтов в шлюзовой отсек он вновь наддувается воздухом до давления, равного давлению атмосферы обитаемых отсеков.

К недостаткам способа следует отнести потерю воздуха при шлюзовании космонавтов, а также необходимость использования атмосферы обитаемых отсеков для контроля герметичности закрытия внешнего и внутреннего люков шлюзового отсека.

Известен также способ управления рабочим давлением в гидравлических системах летательных аппаратов, включающий последовательное изменение давления в периоды предстартовой подготовки к летной эксплуатации (см. В.М. Сапожников. Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах, М., Машиностроение, 1972 г., стр. 249-250). По этому способу при наземных испытаниях гидравлических систем самолетов и вертолетов оператор задает номиналы избыточного давления в системе в диапазоне 0-3 кгс/см² и разряжение в диапазоне 0,01-0,95 кгс/см², имитируя различные высоты и скорости полета, а также режимы работы двигателей.

Этот способ не позволяет с достаточной степенью точности контролировать герметичность системы, так как не учитывает изменение среднемассовой температуры рабочего тела.

Известен также способ управления рабочим давлением в системе терморегулирования космического объекта, охраняемый патентом Российской Федерации №2172280. Способ принят автором за прототип.

В этом способе, предусматривающем последовательное изменение рабочего давления в гидравлической системе терморегулирования в период ее предстартовой подготовки и в полете, перед стартом космического объекта в системе устанавливают рабочее давление, определяемое по приведенному в формуле изобретения соотношению с учетом следующих факторов:

- максимально допустимого давления в системе;

- давления кавитации гидронасосов системы;

-высоты гидростатического столба теплоносителя, воздействующего на элементы системы на участке выведения;

- плотности заправленного теплоносителя;

- осевой перегрузки, испытываемой элементами системы на участке выведения.

На участке орбитального полета в системе устанавливают давление, которое больше давления атмосферы обитаемого отсека на величину, превышающую погрешность измерения рабочего давления в системе.

Основная задача этого изобретения состояла в снижении выводимой массы системы терморегулирования за счет уменьшения динамических нагрузок на участке выведения, вызываемых гидростатическим столбом жидкого теплоносителя. Эта задача была успешно решена.

Однако более чем двухлетний опыт эксплуатации Российского служебного модуля “Звезда” в составе Международной космической станции, где впервые был использован предложенный способ управления давлением в системе терморегулирования, показал, что применительно к орбитальному полету этот способ обладает целым рядом недостатков.

К недостаткам способа относятся:

- статическое давление в системе (давление в системе при неработающем гидронасосе) в полете устанавливается на уровне, близком к давлению атмосферы обитаемого отсека. При этом динамическое давление в системе (статическое давление плюс напор, создаваемый гидронасосом) никак не ограничивается верхним пределом допустимого значения для системы. Кроме того, способ не учитывает возможное повышение статического давления а следовательно, и динамического давления за счет роста температуры теплоносителя.

В результате этого динамическое давление на отдельных участках системы может превысить верхний предел допустимого давления, установленный для системы в целом. Это в лучшем случае приведет к повышенным утечкам теплоносителя из системы, а в худшем случае может вывести из строя агрегаты, расположенные на этих участках. Особенно это опасно для гидравлических систем терморегулирования крупноразмерных космических объектов, где применяются высоконапорные гидронасосы из-за большой разветвленности, насыщенной большим количеством агрегатов сети;

- давление атмосферы обитаемого отсека в ходе полета не является постоянной величиной и может изменяться в достаточно широком диапазоне значений. Так, например, по действующей документации давление атмосферы объединенных отсеков модулей Российского сегмента Международной космической станции (МКС) может изменяться в диапазоне от 470 до 970 мм рт.ст. (0,6-1,3 ата) в зависимости от многих технических факторов (например, наддув отсеков кислородом после стыковки станции с грузовыми кораблями серии “Прогресс”, потери атмосферы во время многочисленных выходов экипажа в открытый космос, снижения парциального давления кислорода за счет дыхания экипажа, временной разгерметизации какого-либо гермоотсека и т.п.).

Поэтому в случае установки рабочего давления в системе на уровне, близком к нижнему пределу давления атмосферы обитаемых отсеков, может оказаться, что за счет снижения температуры теплоносителя рабочее давление в системе выйдет за границу нижнего предела допустимого значения.

Нижний предел допустимого рабочего давления для систем терморегулирования всех модулей Российского сегмента МКС составляет 0,5 кгс/см²;

- так как система терморегулирования и обитаемые отсеки станции имеют независимые друг от друга гермообъемы, то относительный способ контроля герметичности системы (сравнение давление в системе с опорной величиной - давлением атмосферы обитаемых отсеков), который предполагает рассматриваемый способ управления рабочим давлением в системе, дает большую ошибку в определении конкретной величины утечки теплоносителя из-за изменения опорного давления в больших пределах без причинной связи с изменением давления в системе. Проведенные оценки показывают, что такая ошибка может составлять ±230% от измеряемой величины.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности эксплуатации системы, создание оптимальных условий для работы ее элементов и повышение точности контроля герметичности.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления давлением в гидравлической системе терморегулирования пилотируемого космического объекта, включающем периодическое выравнивание давления в системе с давлением атмосферы обитаемого отсека на время замены гидравлических агрегатов и последующую установку давления, перед каждой операцией установки рабочего давления измеряют напор, создаваемый гидронасосом гидравлической системы, и текущую среднемассовую температуру теплоносителя, а затем повышают или понижают предварительно выравненное с давлением обитаемого отсека давление в системе до величины, определяемой из соотношения:

где Р_c - величина рабочего давления в системе;

ΔР_н - измеренный напор, создаваемый работающим гидронасосом в системе;

Р_вп - верхний предел допустимого рабочего давления в системе (максимально-допустимое рабочее давление в системе);

Р_нп - нижний предел допустимого рабочего давления в системе (минимально-допустимое рабочее давление в системе);

- величина роста давления в системе за счет возможного повышения среднемассовой температуры теплоносителя;

- величина снижения давления в системе за счет возможного понижения среднемассовой температуры теплоносителя;

к - величина изменения давления в системе при изменении на один градус среднемассовой температуры теплоносителя (“жесткость” системы);

t_см - измеренная текущая среднемассовая температура теплоносителя в системе;

- максимальная расчетная среднемассовая температура теплоносителя;

- минимальная расчетная среднемассовая температура теплоносителя.

Предложенный способ позволяет решить поставленную задачу, так как

- величина статического рабочего давления в системе, устанавливаемого после каждой операции замены агрегатов, лежит в середине диапазона значений, верхняя граница которого определяется максимально допустимой величиной для системы за вычетом измеренного напора гидронасоса и величины роста давления за счет повышения среднемассовой температуры теплоносителя до своего расчетного максимума. Нижняя граница диапазона давлений, в свою очередь, ограничена нижним пределом допустимого рабочего давления в системе, увеличенного на величину возможного снижения давления за счет понижения среднемассовой температуры до своего расчетного минимума.

Таким образом, динамическое рабочее давление на любом участке системы не может выйти за максимально допустимый для системы предел при любых колебаниях среднемассовой температуры теплоносителя и индивидуальных расходно-напорных характеристик гидронасосов. В свою очередь, статическое рабочее давление в системе не может опуститься за нижний предел допустимых значений.

Погрешность же измерений напора и среднемассовой температуры с достаточным запасом в ту или иную сторону компенсируется величиной половины диапазона устанавливаемых рабочих давлений;

- величина рабочего давления для каждого элемента системы в процессе эксплуатации будет определяться только расстоянием этого элемента от работающего гидронасоса, его индивидуальными расходно-напорными характеристиками и колебаниями среднемассовой температуры теплоносителя. Причем диапазон колебаний давления, вызванный изменением индивидуальных характеристик гидронасосов и колебаниями среднемассовой температуры, значительно (примерно в 2-3 раза) меньше, чем диапазон колебаний атмосферы обитаемых отсеков. Таким образом, каждый элемент системы будет испытывать гораздо меньшие колебания рабочего давления в системе, что благоприятно отразится на его фактическом ресурсе работы;

- как видно из предложенного математического соотношения, устанавливаемое статическое давление в системе (динамическое тоже) не зависит от давления атмосферы обитаемых отсеков и может изменяться только за счет изменения среднемассовой температуры теплоносителя и фактической величины утечки теплоносителя (натекания воздуха в систему). Так как зависимость давления от среднемассовой температуры теплоносителя при известных характеристиках системы (объем теплоносителя, объем газовой полости компенсатора системы и установленное в нем исходное давление) легко считается, то любое отклонение текущего рабочего давления от расчетной зависимости может объясняться только негерметичностью системы. Это дает возможность использовать для контроля герметичности системы классическую зависимость Р_с=f(t_c.м), где Р_с - текущее статическое давление в системе, a t_с.м - текущая среднемассовая температура теплоносителя. Такой метод в несколько раз точнее, чем контроль герметичности по опорному давлению атмосферы обитаемых отсеков.

В качестве примера практической реализации предложенного способа рассмотрим процесс управления давлением в гидравлической системе терморегулирования пилотируемого космического объекта типа служебного модуля Российского сегмента международной космической станции (МКС) в ходе замены, например, вышедшего из строя гидронасоса.

Как известно, система терморегулирования этого космического объекта имеет дублированный комплект гидравлических контуров, состоящий из двух контуров охлаждения и двух контуров обогрева. Гидронасосы обоих контуров обогрева размещены внутри обитаемого отсека в составе специальных панелей и снабжены необходимой арматурой, обеспечивающей быструю, удобную для экипажа, безпроливную замену гидронасосов (самозапирающиеся гидроразъемы, запорные вентили и т.п.). Статическое давление теплоносителя в каждом контуре системы (основном и резервном) поддерживается с помощью гидропневматического компенсатора, подключенного к контуру перед гидронасосом. Для управления давлением в контуре газовая полость компенсатора через систему ручных запорных клапанов связана с бортовыми источниками высокого и низкого давления, а также имеет выход на атмосферу обитаемого отсека. Управление электрически действующими агрегатами системы ведется бортовым вычислительным комплексом (БВК) по специальным алгоритмам. Управляющие воздействия на агрегаты, помимо алгоритмов БВК, могут выдаваться с системного Lap-top'a, подключаемого для этой цели к БВК.

После отказа гидронасоса, например, в основном гидравлическом контуре обогрева БВК автоматически снимает с него электропитание, включает резервный контур и передает по телеметрическому каналу соответствующую информацию (блок необходимых параметров и результат проведенного им анализа) в Центр управления полетом (ЦУП). Соответствующие службы ЦУП’а проводят дополнительный комплексный анализ и планируют экипажу работу по замене гидронасоса (порядок действий экипажа при выполнении этой операции приведен в бортовой инструкции).

В назначенное службами управления ЦУП’а время для замены гидронасоса экипаж выполняет следующие работы:

- подключает системный Lap-top к БВК, инициирует на его дисплее мнемосхему контура с отказавшим гидронасосом и таблицу контролируемых параметров; контролирует параметры контура, включая статическое давление теплоносителя и температуры его теплоносителя на различных участках контура;

- подключает образцовый мановакуумметр типа ВК-316М к газовой полости компенсатора контура, контролирует давление в ней и сообщает газовую полость компенсатора с атмосферой обитаемого отсека, контролируя процесс выравнивания давления на Lap-top и по мановакуумметру;

- достает с места хранения запасной гидронасос, проводит его внешний осмотр и подготовку к монтажу в контур (снимает технологические крышки с гидроразъемов и электрических соединителей (кабелей);

- проводит демонтаж отказавшего гидронасоса из контура и укладывает его на место временного хранения (до утилизации);

- проводит монтаж в контур запасного гидронасоса с подключением его к системе электропитания, управления и контроля;

- с помощью магистральных запорных вентилей гидравлически отключает гидронасос от контура и подключает вместо контура гидравлическую закольцовку, снабженную дросселем, имитирующим гидравлическое сопротивление контура, и проводит проверку функционирования гидронасоса с регистрацией создаваемого им напора. Управление работой гидронасоса ведется с Lap-top'a, регистрация параметров осуществляется на его дисплее.

Пока один из членов экипажа занимается проверкой функционирования гидронасоса, второй член экипажа проводит измерение свободного объема газовой полости гидропневматического компенсатора с помощью “эталонной” емкости, входящей в состав пневмомагистрали системы. Знание этого параметра необходимо для расчета уточненной зависимости изменения установленного давления от среднемассовой температуры теплоносителя, которая потребуется в дальнейшем для контроля герметичности этого гидравлического контура;

- вводит в БВК полученные значения напора гидронасоса, температур теплоносителя на участках контура и свободного объема газовой полости компенсатора, запускает программу расчета рабочего давления в соответствии с приведенным выше соотношением. БВК производит расчет среднемассовой температуры теплоносителя по заданному алгоритму, определяет величину статического давления, которое необходимо установить в контуре, а также проводит расчет зависимости статического давления в системе от среднемассовой температуры теплоносителя. Эта зависимость в дальнейшем используется для контроля герметичности системы;

- повышает или понижает давление воздуха в газовой полости компенсатора системы до определенной БВК величины. Если давление необходимо повысить, то к газовой полости компенсатора подключают источник высокого давления или бортовой компрессор. Если давление необходимо понизить - подключают источник низкого давления (отвакуумированная емкость) или вакуумнасос (ручной или с электроприводом);

Контроль устанавливаемого давления ведется по образцовому мановакуумметру и с помощью бортового телеметрического датчика давления (через БВК и Lap-top);

- после установки необходимого давления проводит заключительные работы с системой (отключает источники высокого и низкого давления, приводит систему в исходное состояние и т.п.) и через Lap-top передает управление системой БВК.

В реальных физических величинах это выглядит следующим образом. Диапазон допустимых рабочих давлений в гидравлических контурах системы терморегулирования, например, служебного модуля “Звезда” Российского сегмента МКС составляет 0,5-2,5 кгс/см², нижний и верхний пределы изменения среднемассовой температуры теплоносителя соответственно равны 5 и 25°С, а “жесткость” контуров составляет ~ 0,01 кгс/см² на 1°С. Пусть давление внутри обитаемого отсека на время замены гидронасоса составляло ~ 800 мм рт.ст. или 1,09 кг/см². Измеренный напор гидронасоса составил 1,2 кгс/см², а определенная БВК среднемассовая температура равна 15°С. Тогда, в соответствии с приведенным выше соотношением, величина устанавливаемого давления будет равна ~ 0,9 кгс/см² или ~ 690 м рт.ст.

Эта величина лежит в середине диапазона возможных значений 0,6-1,2 кгс/см², половина этого диапазона составляет 0,3 кгс/см², что с достаточным запасом компенсирует погрешность измерения напора гидронасоса (~ 3% от измеряемой величины).

Процедура управления рабочим давлением в гидравлическом контуре при замене какого-либо другого агрегата, например, теплообменника, совершенно одинакова с описанной выше, за исключением ряда вспомогательных операций (не требуется, например, подключать к контуру гидравлическую закольцовку с дросселем). Измерять же напор гидронасоса необходимо всегда, так как при замене любого агрегата меняется гидравлическая характеристика сети, а следовательно, и расходно-напорная характеристика гидронасоса.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, дает возможность создать способ позволяющий

- исключить возможность выхода за границы верхнего и нижнего пределов допустимых значений для динамического и статического рабочего давления в системе с учетом возможного изменения среднемассовой температуры теплоносителя и индивидуальных характеристик гидронасосов;

- стабилизировать индивидуальное рабочее давление для каждого агрегата в более узком диапазоне, что благоприятно сказывается на их ресурсе;

- значительно повысить точность контроля герметичности системы путем использования зависимости установленного давления от среднемассовой температуры теплоносителя.

Это позволяет отказаться от использования давления атмосферы обитаемого отсека в качестве опорной величины для контроля герметичности как от метода, дающего большую ошибку.

Предложенный способ разработан в порядке выполнения служебного задания для системы терморегулирования модуля “Звезда” Российского сегмента Международной космической станции.

Формула изобретения

Способ управления давлением в гидравлической системе терморегулирования пилотируемого космического объекта, включающий периодическое выравнивание давления в системе с давлением атмосферы обитаемого отсека на время замены гидравлических агрегатов и последующую операцию установки рабочего давления, отличающийся тем, что перед каждой операцией установки рабочего давления измеряют напор, создаваемый гидронасосом гидравлической системы, и текущую среднемассовую температуру теплоносителя, а затем повышают или понижают выравненное указанным образом давление до величины рабочего давления (P_С), определяемой из соотношения

где ΔP_Н - измеренный напор, создаваемый работающим гидронасосом в системе;

P_ВП - верхний предел допустимого рабочего давления в системе;

P_НП - нижний предел допустимого рабочего давления в системе;

ΔP_tB=k(t^в_см-t_см) - величина роста давления в системе за счет возможного повышения среднемассовой температуры теплоносителя;

ΔP_tH=k(t_см-t^н_см) - величина падения давления в системе за счет возможного понижения среднемассовой температуры теплоносителя;

k - величина изменения давления в системе при изменении на один градус среднемассовой температуры теплоносителя;

t_см - измеренная текущая среднемассовая температура теплоносителя в системе;

t^в_см - максимальная расчетная среднемассовая температура теплоносителя;

t^н_см - минимальная расчетная среднемассовая температура теплоносителя.