Способ контроля потери герметичности разделителя бака вытеснительной системы подачи топлива двигательной установки космических аппаратов

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для контроля потери герметичности разделителя бака в вытеснительной системе подачи топлива двигательной установки при эксплуатации в космосе. До режимов наддува топливного бака и перелива топлива из бака периодически проводят контроль потери герметичности разделителя бака после каждого механического воздействия на вытеснительную систему, измеряют перепад давления ΔР на разделителе бака и одновременно измеряют температуру Т топлива в баке и считают разделитель бака негерметичным по истинности высказывания, полученного после подстановки значений ΔР и Т в выражение, защищаемое данным изобретением. Данное изобретение позволяет применить его в условиях существенного изменения температуры топлива в жидкостной полости бака и тем самым повысить достоверность контроля потери герметичности разделителя бака; автоматизировать процесс контроля герметичности разделителя бака с помощью системы управления, используя аналоговую информацию, поступающую с соответствующих датчиков перепада давления и температуры; получить условие, достаточное для утверждения о потере герметичности разделителя бака и тем самым предотвратить, еще до режимов наддува газовой полости бака и перелива топлива из жидкостной полости бака, попадание вытесняющего газа в топливо; обнаружить быстро развивающуюся неисправность разделителя бака. 1 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, к области проектирования и эксплуатации вытеснительных систем (ВС) подачи топлива двигательной установки (ДУ) космических аппаратов (КА), а именно к системам контроля и диагноза неисправностей в ВС при эксплуатации в космосе.

Рассматриваются ВС, где вытесняющий газ воздействует на жидкие компоненты топлива через разделительный элемент (далее разделитель) бака, что позволяет снять вопросы совместимости топлива и вытесняющего газа, ориентации жидкого компонента топлива в состоянии невесомости и их надежной подачи, например, в камеру ДУ. Рассматриваются мембранные, диафрагменные и сильфонные разделители.

Выход из строя (повреждение или разрушение) разделителя бака приводит к попаданию вытесняющего газа в компоненты топлива, что представляет опасность выделения в системах подачи свободного газа из топлива, приводит к попаданию газа на входы в ДУ и нарушению режимов их работы.

В процессе полета КА разделитель бака ВС подвергается механическим воздействиям (статическим, вибрационным и ударным нагрузкам, линейным ускорениям и акустическому шуму), приводящим к неисправности разделителя. Причем неисправность может быть быстро и медленно развивающейся. Быстрая неисправность достаточно ярко проявляется на изменении перепада давления (давления) в баке. Медленные неисправности разделителя бака проявляются в показаниях контрольных параметров значительно слабее. Особенно слабо выражены медленные неисправности малой степени, такие как незначительные утечки компонента топлива в газовую полость бака или газа наддува в жидкостную полость бака при незначительных по величине повреждениях разделителя. В результате чего даже для достаточно отработанных или серийно изготовленных ВС, на которых устранены основные конструктивные недоработки и дефекты, могут проявиться (особенно для такого чувствительного элемента, как разделитель бака) скрытые, редко проявляющиеся конструктивные дефекты или неисправности. Они связаны с новыми условиями работы ДУ в составе КА или случайными производственными дефектами, присущими данному конкретному экземпляру ВС, или ухудшением характеристик надежности из-за изменения технологии изготовления, не улавливаемой используемыми системами контроля качества изготовления. Отсюда встает задача контроля потери герметичности разделителя бака с использованием информации о состоянии контролируемого объекта в условиях космического полета.

Известны способы контроля потери герметичности, применяемые для замкнутых объемов в ВС.

В способе [1] измерения герметичности трубопроводов, по которым протекает жидкость, рассматривается система, содержащая источник звуковых колебаний, датчики измерения звуковых колебаний и автоматические устройства для усиления сигналов, их интегрирования и сравнения. Сигналы регистрируются на ленте. Это позволяет автоматически и дистанционно определить утечку жидкости в трубопроводе.

Недостатком данного способа является сложность и низкая точность измерения герметичности, а также то, что герметичность измеряется уже в процессе протекания рабочей жидкости по трубопроводу.

Для обеспечения предварительной проверки герметичности пневмогидравлической магистрали ВС перед подачей в нее рабочей среды существуют другие способы контроля потери герметичности разделителя бака (замкнутого объема) вытеснительной системы подачи топлива двигательной установки космических аппаратов, например, способ, описанный в патенте [2], взятом за прототип. Способ включает измерение давления в замкнутом объеме и поддержание температуры окружающей среды в период контроля герметичности на постоянном уровне.

Способ заключается в определении расхода газа через негерметичности в замкнутом объеме. При большой негерметичности утечку определяют по установившемуся показанию расходомера. А при негерметичности меньшей, чем чувствительность расходомера по снижению показаний за фиксированный промежуток времени прибора измерения давления.

Недостатки прототипа следующие:

- не позволяет применить данный способ контроля герметичности для жидкостной полости бака, уже заполненной топливом, по спаду давления, поскольку давление в жидкостной полости бака при небольших утечках будет практически неизменным и определяться давлением в газовой подушке;

- необходимость поддержания температуры окружающей среды в период контроля герметичности на постоянном уровне (изменение не более чем на ±2 К) с заданной точностью [3, с.217], что в условиях космического полета не всегда возможно.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание надежного способа контроля потери герметичности разделителя бака, позволяющего фиксировать неисправность в вытеснительной системе на более ранней стадии, т.е. перед режимами наддува газа в газовую полость бака и перелива топлива из жидкостной полости бака.

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

- применить способ контроля потери герметичности разделителя бака ВС подачи топлива КА в условиях существенного изменения температуры, контролируемой в объеме бака, и тем самым повысить качество и достоверность контроля;

- обнаружить как быстро развивающуюся неисправность разделителя бака, так и медленно развивающуюся;

- установить момент возникновения потери герметичности разделителя бака на более ранней стадии (до режима наддува бака и перелива топлива из бака) и таким образом предотвратить попадание газа наддува в жидкостную полость бака.

Поставленная задача достигается способом контроля потери герметичности разделителя бака вытеснительной системы подачи топлива двигательной установки космических аппаратов, включающим измерение температуры топлива в баке, периодически, после каждого механического воздействия на вытеснительную систему, измеряют перепад давления ΔР на разделителе бака и одновременно измеряют температуру Т топлива в баке и считают разделитель бака негерметичным по истинности высказывания, полученного после подстановки значений ΔР и Т в неравенство

где b₁, b₂, b₃ - коэффициенты в температурной зависимости упругости насыщенных паров топлива;

δТ и δ(ΔР) - предельные абсолютные погрешности измерений температуры топлива в баке и перепада давления на разделителе бака.

В качестве конкретного примера на чертеже изображен фрагмент пневмогидравлической схемы, реализующей предлагаемый способ.

В схему на чертеже входят: нормально закрытый пироклапан 1, установленный на газовой магистрали 2; топливный бак 3, состоящий из газовой полости 4, отделенной разделителем 5 от жидкостной полости 6; установленные на баке датчики перепада давления 7 и температуры 8; жидкостная магистраль 9 с установленным на магистрали нормально закрытым пироклапаном 10.

Способ контроля потери герметичности разделителя бака вытеснительной системы подачи топлива космических аппаратов реализуется следующим образом.

Пневмогидравлическая магистраль разделителем 5 и нормально закрытыми пироклапанами 1 и 10 фактически разделена на два герметически замкнутых объема. Эти замкнутые объемы еще на этапе наземной подготовки ВС вакуумируют и жидкостную полость 6 топливного бака 3 заправляют топливом, предварительно освобожденным от посторонних газовых включений. Таким образом, давление посторонних газов (Р_пг) в свободной подушке топливного бака 3 в жидкостной полости 6 намного меньше давления упругости паров топлива (P_S), т.е. Р_пг<<P_S, а давление в газовой полости 4 (Р_г) намного меньше давления в жидкостной полости 6 (Р_б), т.е. Р_г<<Р_б. После старта КА разделитель 5 топливного бака 3 подвергается комплексу механических воздействий, что может привести к нарушению герметичности разделителя 5 топливного бака 3. Периодически, в зависимости от информативности информационно-телеметрической системы, после каждого механического воздействия на ВС производят опрос контролируемых параметров (измеряют перепад давления ΔР на разделителе 5 топливного бака 3 датчиком перепада давления 7 и одновременно измеряют температуру Т топлива в жидкостной полости 6 топливного бака 3 датчиком температуры 8). Подставляют значения ΔР и Т в неравенство (1) и считают, что разделитель 5 топливного бака 3 негерметичен по истинности полученного высказывания.

Неравенство (1) получено следующим образом. Очевидно, учитывая условия, выполненные при наземной подготовке ВС Р_пг<<P_S и Р_г<<Р_б, в случае герметичности двух замкнутых объемов, отделенных разделителем бака, в любой момент времени τ=τ_к с достаточной степенью точности можно считать справедливым равенство

P_S отвечает зависимости [3, с.73]

где b₁, b₂, b₃ - коэффициенты.

Очевидно, что в случае потери герметичности разделителя бака условно можно разделить эту неисправность на быстро и медленно развивающуюся. Быстрая неисправность достаточно ярко проявляется в показании датчика перепада давления на разделителе бака и при полном разрушении разделителя очевидно ΔР=0. Медленная неисправность проявляется в поведении контролируемого параметра (снижения перепада давления на разделителе) значительно слабее и выражена в незначительных утечках топлива из жидкостной полости бака в газовую полость.

Необходимо различать, что снижение перепада давления в баке может быть вызвано как негерметичностью разделителя бака, так и температурными колебаниями топлива, вызванными, например, изменением освещенности топливного бака солнцем на каждом витке орбитального полета КА.

Для выявления ситуации, связанной именно с потерей герметичности разделителя бака, необходимо одновременно с измерением перепада давления АР в баке измерять температуру Т топлива в баке и сравнивать измеренный перепад давления с вычисленным по выражению (3) давлением упругих паров топлива P_s при температуре Т.

Проанализируем функцию

В соответствии с теорией погрешностей [4, с.132], считая известными предельные абсолютные погрешности для значений переменных ΔР(τ) и Т(τ), малых по сравнению с соответствующими переменными и соответственно равных δ(ΔР) и δТ, определим предельную абсолютную погрешность δf

Очевидно, исходя из физического смысла поставленной задачи, для функции f(ΔP, Т, τ) всегда должно соблюдаться условие

Причем равенство в выражении (6) соответствует ситуации, когда разделитель бака герметичен.

Учитывая известные предельные абсолютные погрешности для значений переменных Р и Т, используя (5) и (6), можно заключить следующее.

Если для значений переменных ΔР, Т и τ:

то можно считать, что выполнено необходимое условие герметичности разделителя бака.

Если для значений переменных ΔР, Т и τ:

то данное условие достаточно, чтобы считать разделитель бака негерметичным.

Если для значений переменных ΔР, Т и τ:

что может быть вызвано неисправностью датчиков контролируемых параметров или каналов передачи информации.

Преобразуем выражение (3) для упругости паров топлива в виде

Подставляя (10) в (5), получим

Подставляя в (8), с учетом (4) и (10), выражение для δf из (11), получим неравенство (1).

Приведем конкретный пример реализации предложенного способа контроля потери герметичности разделителя бака ВС подачи топлива ДУ КА.

При расчетах примем следующие размерности контролируемых параметров: ΔР, P_S, Р_б, δ(ΔР) [бар]; Т, δТ [К].

В качестве примера ракетного топлива, заправленного в жидкостную полость 6 топливного бака 3, будем рассматривать аммиак (NH₃) [3, с.104]. Пользуясь табличными значениями упругости пара NH₃ из [5, с.464], определяем коэффициенты для зависимости (10): b₁=11,37; b₂=- 1,47·10³; b₃=-2,2. Подставляя b₁, b₂, b₃ в (10), получаем зависимость давления упругости насыщенных паров NH₃ от температуры

Полагаем, что перепад давления на разделителе 5 топливного бака 3 и температура топлива в жидкостной полости 6 определены с известной предельной абсолютной погрешностью: δ(ΔР)=0,25 бар; δT=2К.

В процессе эксплуатации КА периодически, после каждого механического воздействия на ВС, положим, измерили для момента времени τ=τ_к перепад давления на разделителе 5 топливного бака 3 ΔР=4 бар по датчику перепада давления 7 и температуру топлива в топливном баке 3 Т=273 К по датчику температуры 8.

По известным значениям ΔР и Т находим соответственно левую и правую части неравенства (1):

exp(26,18-3,38·10³/273-2,2·ln273)-4=4,225-4=0,225 бар;

2mod[(3,38·10³/273²-2,2/273)·exp(26,18-3,38·10³/273-2,2·ln273)]+0,25=0,57 бар.

Таким образом, из (1) следует, что высказывание 0,225>0,57 принимает ложное значение и можно считать, что на момент времени τ_к выполнено необходимое условие герметичности разделителя 5, после чего продолжаем контроль за герметичностью разделителя 5 бака 3.

Положим, что для момента времени τ=τ_к измерили перепад давления ΔР=4 бар на разделителе 5 топливного бака 3 по датчику перепада давления 7 и температуру Т=280 К топлива в жидкостной полости 6 топливного бака 3 по датчику температуры 8. По известным значениям ΔР и Т находим соответственно левую и правую части неравенства (1):

ехр(26,18-3,38·10³/280-2,2·ln280)-4=5,5-4=1,5 бар;

2mod[(3,38·10³/280²-2,2/280)·exp(26,18-3,38·10³/280-2,2·ln280)]+0,25=0,64 бар.

Из (1) следует, что высказывание 1,5>0,64 принимает истинное значение, что достаточно для утверждения о потере герметичности разделителя 6 топливного бака 3.

Таким образом, предлагаемый способ контроля потери герметичности разделителя бака вытеснительной системы подачи топлива двигательной установки космических аппаратов позволяет:

1) применить его в условиях существенного изменения температуры топлива в жидкостной полости бака и тем самым повысить достоверность контроля потери герметичности разделителя бака;

2) автоматизировать процесс контроля герметичности разделителя бака с помощью системы управления, используя аналоговую информацию, поступающую с соответствующих датчиков перепада давления и температуры;

3) получить условие, достаточное для утверждения о потере герметичности разделителя бака и тем самым предотвратить, еще до режимов наддува газовой полости бака и перелива топлива из жидкостной полости бака, попадание вытесняющего газа в топливо;

4) обнаружить как быстро развивающуюся неисправность разделителя бака, так и медленно развивающуюся.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент Великобритании №1149284, кл. G01S 3/02, 1966.

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

3. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями /Под ред. академика В.Н.Челомея. - М.: Машиностроение, 1978, 240 с.

4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит.,1986. - 544 с.

5. Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Изд. второе, дополненное и переработанное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1972. - 720 с.

Способ контроля потери герметичности разделителя бака вытеснительной системы подачи топлива двигательной установки космических аппаратов, включающий измерение температуры топлива в баке, отличающийся тем, что периодически, после каждого механического воздействия на вытеснительную систему, измеряют перепад давления ΔР на разделителе бака и одновременно измеряют температуру Т топлива в баке и считают разделитель бака негерметичным по истинности высказывания полученного после подстановки значений ΔР и Т в неравенство

[exp(2,3·b₁+2,3·b₂/T+b₃·lnT)-ΔP]>

>{δT·mod[(-2,3·b₂/T²+b₃/T)·exp(2,3·b₁+2,3·b₂/T+b₃·lnT)]+δ(ΔP)},

где b₁, b₂, b₃ - коэффициенты в температурной зависимости упругости насыщенных паров топлива;

δТ и δ(ΔР) - предельные абсолютные погрешности измерений температуры топлива в баке и перепада давления на разделителе бака.