Способ контроля потери герметичности трубопроводов пневмогидравлической системы

Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам контроля и диагностики неисправностей, и может быть использовано для контроля герметичности трубопроводов пневмогидравлической системы при эксплуатации в космосе. Согласно изобретению в контролируемом объекте - участке трубопровода - создают рабочее давление рабочего газа, одновременно с определением начального давления Р_н осуществляют измерение начальной температуры Т_н газа в контролируемом объекте, периодически, с периодом δτ<<Δτ и одновременно для момента времени τ_к≤Δτ измеряют давление Р_к и температуру Т_к в контролируемом объекте, после чего считают контролируемый объект пневмогидравлической системы негерметичным по истинности высказывания, полученного после подстановки значений переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к в выражение, защищаемое данным изобретением. Изобретение позволяет применить способ в условиях изменения температуры окружающей среды, использовать результаты контроля герметичности трубопроводов пневмогидравлической системы в автоматизированной системе управления подачей рабочего давления рабочего газа, использовать способ для контроля объекта, состоящего из трубопроводов различного диаметра, обнаружить как быстро развивающуюся неисправность контролируемого объекта, так и медленно развивающуюся. 1 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, к области проектирования, отработки и эксплуатации пневмогидравлических систем (ПГС) ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА), а именно к системам контроля и диагностики потери герметичности трубопроводов ПГС в условиях космического пространства.

В процессе полета КА, ПГС и ее составные части подвергаются механическим воздействиям (статическим, вибрационным и ударным нагрузкам, линейным ускорениям и акустическому шуму), которые могут приводить к неисправностям в ПГС. Причем неисправность может быть быстро и медленно развивающейся. Быстрая неисправность достаточно ярко проявляется на изменении контрольных параметров (например, давления в магистрали). Медленные неисправности в ПГС проявляются в показаниях контрольных параметров значительно слабее. Особенно слабо выражены медленные неисправности малой степени, такие как незначительные утечки компонента топлива или газа наддува при незначительных по величине повреждениях. В результате чего даже для достаточно отработанных или серийно изготовленных систем, на которых устранены основные конструктивные недоработки и дефекты, могут проявиться скрытые, редко проявляющиеся конструктивные дефекты или неисправности. Они могут быть связаны, например, с новыми условиями работы двигательной установки в составе КА, или случайными производственными дефектами, присущими данному конкретному экземпляру ПГС, или ухудшением характеристик надежности из-за изменения технологии изготовления, не улавливаемой используемыми системами контроля качества изготовления.

Так, например, возникает задача контроля потери герметичности совместного участка трубопроводов ПГС (контролируемый объект) образуемого при стыковке двух кораблей, с использованием информации о состоянии контролируемого объекта, в условиях орбитального космического полета.

Известны способы контроля потери герметичности трубопроводов ПГС, например, описанный в [1] и включающий создание в контролируемом объекте заданного давления газа, замеры давления в начале и в конце установленного промежутка времени. Контролируемый объект (участок трубопровода) заполняется газом наддува с заданным расходом до определенного давления. Большая негерметичность определяется по установившемуся показанию прибора, измеряющего расход. Если негерметичность меньше чувствительности расходомера, то она определяется за фиксированный промежуток времени, при закрытом клапане наддува, по снижению показаний прибора измерения давления, который наблюдается с помощью телевизионной установки.

Недостатками данного способа являются:

- сложность использования телевизионной установки для средств контроля показаний стрелочного прибора измерения давления;

- ненадежность способа проверки герметичности в условиях беспилотного орбитального полета, так как после открытия клапана наддува и ухода объекта из зоны связи, в случае большой негерметичности контролируемого объекта за перерыв между сеансами связи, могут отравиться все запасы газа.

Прототипом предложенного способа является способ проверки герметичности пневмогидравлических систем, описанный в [2, с.217].

Способ включает создание в контролируемом объекте избыточного давления (составляющего обычно 0,6-0,8 рабочего давления) контрольного газа, измерение давления газа в начале и в конце заданного промежутка времени Δτ. По спаду давления в контролируемом объекте объемом V за установленный промежуток времени Δτ определяют объемный расход контрольного газа через микронеплотности сквозного характера.

К недостаткам данного способа можно отнести:

1) необходимость достаточно большой выдержки для выравнивания температур контролируемого объекта и окружающей среды;

2) ограничение объема контролируемого объекта, не превышающего 0,5 л [2, с.217];

3) необходимость поддержания, во время контроля объекта на герметичность, температуры окружающей среды неизменной (изменение не более чем на ±2К [2, с.217]) с заданной точностью, что в условиях космического полета не всегда возможно.

Расположение ПГС или ее составной части в КА вне зоны, обеспечивающей заданный и контролируемый температурный режим, может приводить к температурным колебаниям в контролируемом объекте. Температурные колебания могут происходить, например, на каждом витке орбитального космического полета, и вызваны изменением освещенности контролируемого объекта Солнцем.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание надежного способа контроля потери герметичности трубопроводов ПГС в условиях космического полета.

Техническим результатом, получаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность:

- обнаружить как быстро развивающуюся неисправность контролируемого объекта, так и медленно развивающуюся;

- применить способ в условиях изменения температуры окружающей среды;

- использовать результаты контроля герметичности в автоматизированной системе управления подачей рабочей среды.

Поставленная задача достигается способом контроля потери герметичности трубопроводов пневмогидравлической системы, включающем создание в контролируемом объекте - участке трубопровода избыточного давления газа, измерение этого давления газа в начале и в конце заданного промежутка времени Δτ, после упомянутых измерений создают в контролируемом объекте рабочее давление рабочего газа, одновременно с определением начального давления Р_н измеряют начальную температуру Т_н газа в контролируемом объекте, периодически с периодом δτ<<Δτ и одновременно для момента времени τ_к≤Δτ измеряют давление Р_к и температуру Т_к газа в контролируемом объекте и считают контролируемый объект пневмогидравлической системы негерметичным по истинности высказывания, полученного после подстановки значений переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к в неравенство

где

α₁ - средний коэффициент линейного, расширения материала участка трубопровода пневмогидравлической системы;

ΔР и ΔT - абсолютные погрешности непосредственно измеряемых величин Р_н, P_к и Т_н, Т_к соответственно.

В качестве конкретного примера на чертеже приведен фрагмент ПГС, для которого реализован предлагаемый способ.

Фрагмент ПГС на чертеже состоит из: регулятора давления 1 рабочего газа наддува, регулятора расхода 2 газа наддува, являющегося частным случаем расходомера, пускоотсечного клапана 3 герметизирующего контролируемый объект 4 - участок трубопровода совместно с клапаном 5, датчика температуры 6, датчика давления 7, системы управления 8, получающей информацию с датчиков.

Способ контроля потери герметичности трубопроводов ПГС реализуется следующим образом.

После встречи и стыковки на орбите двух кораблей (не показаны), образуется совместный участок трубопровода - контролируемый объект 4. Контролируемый объект 4 ограничен клапаном 5, находящимся в положении "закрыто", и нормально закрытого пускоотсечного клапана наддува 3. На вход регулятора давления 1 газа наддува подается сжатый рабочий газ, имеющий произвольное давление, но заведомо большее уставки регулятора давления 1 газа наддува, который приобретает на выходе стабильное заданное рабочее давление. Регулятор расхода 2 газа наддува, при наличии на входе газа со стабильным давлением, обеспечивает протекание газа через себя со стабильным расходом. Система управления 10 получает информацию о положении пускоотсечного клапана наддува 3, а также показания датчика давления 7 и датчика температуры 6 газа наддува в контролируемом объекте 4 (совместном участке трубопровода ПГС двух состыкованных кораблей) и выдает, по результатам анализа поступившей информации, соответствующие команды на исполнительные органы управления клапаном наддува 3. На вход системы управления 8 подается команда, запускающая режим проверки герметичности контролируемого объекта 4, по которой формируется импульс, достаточный для открытия клапана наддува 3. После открытия клапана наддува 3 давление в контролируемом объекте 4 плавно нарастает благодаря стабильному расходу газа, задаваемому регулятором давления 1 газа наддува и регулятором расхода 2. Если величина негерметичности контролируемого объекта 4 превышает расход газа наддува или равна ему, то давление в проверяемом участке трубопровода не растет, что фиксируется показаниями датчика давления 7, т.е. контролируемый объект 4 негерметичен. Системой управления 10 подается команда исполнительным органам клапана наддува 3 на его закрытие, прекращая тем самым дальнейшую утечку газа. Если величина негерметичности контролируемого объекта 4 меньше расхода газа наддува, то, когда давление в нем достигает заданной величины уставки регулятора давления 1 газа наддува, регистрируемое датчиком давления 7, системой управления 8 подается команда исполнительным органам пускоотсечного клапана наддува 3 на его закрытие. В результате чего проверяемый участок трубопровода - контролируемый объект 4 - представляет замкнутый объем, который подлежит дальнейшему контролю на герметичность. После закрытия клапана наддува 3 и создания в замкнутом контролируемом объекте 4 заданного рабочего давления рабочего газа с этого момента времени τ_н начинается режим проверки герметичности контролируемых трубопроводов ПГС. Одновременно для момента времени τ_н измеряют датчиком давления 7 начальное давление Р_н и датчиком температуры 6 начальную температуру Т_н газа в замкнутом контролируемом объекте 4. Данная информация с датчиков 6 и 7 поступает и фиксируется в системе управления 10. Затем, в пределах заданного промежутка времени Δτ, периодически и одновременно для момента времени τ_к≤Δτ (τ_к=τ_н+k·δτ, где k=1, 2, ...) измеряют давление Р_к датчиком давления 7 и температуру Т_к датчиком температуры 6 газа в контролируемом объекте 4. Период δτ связан с частотой опроса контролируемых параметров, зависящим от свойств системы управления 8, и удовлетворяет соотношению δτ<<Δτ. Считают контролируемый объект 4 пневмогидравлической системы негерметичным по истинности высказывания, полученного после подстановки значений переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к в неравенство (1).

Неравенство (1) получено следующим образом.

Очевидно, что давление газа Р_кт в контролируемом объекте 4 для момента времени τ_к, вызванное только изменением температуры, т.е. при условии сохранения герметичности, будет отвечать в соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона [3, с.] соотношению

где V_н - объем контролируемого объекта в момент времени τ_н;

V_к - объем контролируемого объекта в момент времени τ_к.

Очевидно, с изменением температуры трубопроводов ПГС происходит тепловое расширение контролируемого объекта 4. В первом приближении будем рассматривать участки трубопроводов, составляющие контролируемый объект 4 как тонкостенные цилиндрические оболочки. Определим в первом приближении объем V_к, занимаемый газом наддува в контролируемом объекте 4, который может состоять из трубопроводов различного диаметра и выполненных из одного и того же материала.

Для тонкостенного цилиндра начальной длины l_н и начального радиуса r_н определим начальный объем V_н

При изменении температуры цилиндра от Т_н до Т_к длину l_к и радиус r_к цилиндра будем определять из [3, с.270] по соотношениям

Из (7) и (8) определяем конечный объем

Подставляя (6) и (9) в (5), получим выражение для давления газа Р_кт в контролируемом объекте 4 для момента времени τ_к

Очевидно, что в случае потери герметичности контролируемого объекта 4 условно можно разделить эту неисправность на быстро и медленно развивающуюся. Быстрая неисправность достаточно ярко проявляется в показании датчика давления 7. Медленная неисправность проявляется в поведении контролируемого параметра (снижения давления) значительно слабее и выражена в незначительных утечках газа через сквозные микропоры и трещины в замкнутом контролируемом участке трубопровода ПГС, ограниченном пускоотсечным клапаном наддува 3 и нормально закрытым клапаном 5. Необходимо иметь в виду, что снижение давления в контролируемом объекте 4 может быть вызвано как потерей герметичности, так и колебаниями температуры газа в контролируемом объекте 4, вызванными, например, изменением освещенности контролируемого объекта 4 Солнцем на каждом витке орбитального полета космического аппарата.

Для выявления ситуации, связанной именно с потерей герметичности контролируемого объекта 4, необходимо, в пределах заданного на проверку герметичности промежутка времени Δτ, периодически измерять давление Р_к датчиком давления 7 с одновременным измерением температуры Т_к датчиком температуры 6 и сравнивать измеренное давление Р_к с вычисленным Р_кт по выражению (10).

Искомая величина Y=Р_кт-Р_к определяется в результате косвенного измерения и является функцией переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к

а абсолютная погрешность ΔY косвенного измерения находится из выражения [4, с.229]

где ΔР_н, ΔР_к, ΔТ_н, ΔТ_к - абсолютные погрешности непосредственно измеряемых величин Р_н, Р_к, Т_н, Т_к, соответственно.

Поскольку измерение давления и температуры в контролируемом объекте 4 в начале (τ_н) и в конце (τ_к) временного интервала выполняют теми же датчиками, то можно считать

Подставляя частные производные функции f (P_н, Р_к, Т_н, Т_к) из (11), с учетом (13), в выражение (12), получим

Очевидно, исходя из физического смысла поставленной задачи, при исключении попадания газа в замкнутый контролируемый объект 4 из вне в условиях космического полета, для функции f (Р_н, Р_к, Т_н, Т_к) всегда должно соблюдаться условие

Причем равенство в выражении (15) соответствует ситуации, когда контролируемый объект герметичен.

Используя известные абсолютные погрешности непосредственно измеряемых величин Р_н, Р_к, Т_н, Т_к, учитывая (13), (14) и (15), можно заключить следующее.

Если за установленный промежуток времени Δτ (для момента времени τ_к=Δτ) для значений переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к:

то можно считать, что условие герметичности контролируемого объекта 4 выполнено.

Если для момента времени τ_к≤Δτ, в результате периодического контроля герметичности с периодом δτ, для значений переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к

то можно утверждать, что в результате контроля выявлена потеря герметичности контролируемого объекта - участка трубопровода ПГС.

Если для момента времени τ_к≤Δτ, в результате периодического контроля герметичности с периодом δτ, для значений переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к

то можно предположить неисправность датчиков контролируемых параметров или каналов передачи информации.

Подставляя в (17), с учетом (11), выражение для ΔY из (14), получим неравенство (1).

Приведем конкретный пример реализации предложенного способа контроля потери герметичности трубопроводов ПГС.

При расчетах примем следующие размерности контролируемых параметров: ΔР, Р_н, Р_к [Па]; ΔТ, Т_н, Т_к [К]; α₁ [К^-1].

Полагаем абсолютную погрешность непосредственно измеряемого давления (Р_н и Р_к) рабочего газа в контролируемом объекте датчиком давления 7ΔР=0,5·10⁵ Па, а абсолютную погрешность непосредственно измеряемой температуры (Т_н и Т_к) рабочего газа в контролируемом объекте датчиком температуры 6ΔT=2К. Примем средний коэффициент линейного расширения материала контролируемого участка трубопровода α₁=10^-5 К^-1.

После получения от системы управления команды на наддув контролируемого объекта 4 открывают пускоотсечной клапан наддува 3, наддувают рабочим газом контролируемый объект 4 до заданного уставкой рабочего давления и затем закрывают пускоотсечной клапан 3. Таким образом, получаем замкнутый участок трубопровода ПГС, герметичность которого подлежит контролю за заданный промежуток времени Δτ.

Измеряют в контролируемом объекте 4 начальное давление рабочего газа датчиком давления 7, положим получили для значения переменной Р_н=20·10⁵ Па. Одновременно с определением начального давления Р_н измеряют начальную температуру газа датчиком температуры 6 в замкнутом контролируемом объекте 4, положим получили для значения переменной Т_н=290К. После чего начинают периодический, с периодом δτ<<Δτ, контроль параметров.

Положим измерили для момента времени τ_к<Δτ, давление Р_к=19,5·10⁵ Па по датчику давления 7 и температуру Т_к=300К газа по датчику температуры 6. Подставляем значения переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к в выражения (2), (3), (4) и в левую и правую части неравенства (1), получим

А=1+10^-5·(300-290)=1,0001; В=1+10^-5·(300-4·290)=0,9914;

С=1-10^-5·(2·300+290)=0,9911;

[2·10⁶·300/290/1,0001³-19,5·10⁵]>{[1+(300/290/1.0001³)²]·(0,5·10⁵)²+[(20·10⁵·300·0,9914/290²/1.0001⁴)²+(20·10⁵·0,9911/290/1.0001⁴)²]·2²}^1/2.

Таким образом, получаем высказывание 1,18·10⁵>0,74·10⁵, которое принимает истинное значение, что позволяет утверждать о потере герметичности контролируемого участка трубопровода ПГС.

Таким образом, предлагаемый способ контроля потери герметичности составной части пневмогидравлической системы ЖРД позволяет:

1) применить способ в условиях изменения температуры окружающей среды;

2) использовать результаты контроля герметичности в автоматизированной системе управления подачей рабочего газа наддува;

3) использовать способ для контроля объекта, состоящего из трубопроводов различного диаметра;

4) обнаружить как быстро развивающуюся неисправность контролируемого объекта, так и медленно развивающуюся;

5) использовать способ в системе функционального контроля и диагностики пневмогидравлических систем и их составных частей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент Великобритании №1376236, кл. G01S 3/02, 1974.

2. Полухин Д.А., Миркин Н.Н., Орещенко В.М., Усов Г.Л. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. - М.: Машиностроение, 1978, 240 с.

3. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. - М.: Наука, 1971. 940 с.

4 Отработка пневмогидросистем двигательных установок ракет-носителей и космических аппаратов с ЖРД / Д.А.Полухин, В.М.Орещенко, В.А.Морозов. - М.: Машиностроение, 1987. 248 с.

Способ контроля потери герметичности трубопроводов пневмогидравлической системы, включающий создание в контролируемом объекте - участке трубопровода избыточного давления газа, измерение этого давления газа в начале и в конце заданного промежутка времени Δτ, отличающийся тем, что после упомянутых измерений создают в контролируемом объекте рабочее давление рабочего газа, одновременно с определением начального давления Р_н измеряют начальную температуру Т_н газа в контролируемом объекте, периодически с периодом δτ<<Δτ и одновременно для момента времени τ_к≤Δτ измеряют давление Р_к и температуру Т_к газа в контролируемом объекте и считают контролируемый объект пневмогидравлической системы негерметичным по истинности высказывания, полученного после подстановки значений переменных Р_н, Р_к, Т_н, Т_к в неравенство

где А=1+α₁·(Т_к-Т_н); В=1+α₁·(Т_к-4Т_н); С=1-α₁·(2Т_к+Т_н);

где А=1+α₁·(Т_к-Т_н); В=1+α₁·(Т_к-4Т_н); С=1-α₁·(2Т_к+Т_н);

α₁ - средний коэффициент линейного расширения материала участка трубопровода пневмогидравлической системы;

ΔР и ΔT - абсолютные погрешности непосредственно измеряемых величин Р_н, Р_к и Т_н, Т_к, соответственно.