Устройство обнаружения места утечки воздуха из модулей космического аппарата

 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для космических исследований. Техническим результатом является упрощение поиска утечки воздуха. Устройство содержит источник ионов, вторичный электронный умножитель, датчики угловых и линейных микроускорений, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и индикатор. 4 ил.

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований.

Известен ионизационный датчик (Аш Ж. Датчики измерительных систем. - М.: Мир, 1992. - 424 с.), состоящий из источника и приемника ионов и предназначенный для измерения низких уровней давления газа.

Недостатком использования ионизационного датчика является необходимость поиска места течи в открытом космосе по всей поверхности космического аппарата и как следствие большое время и трудоемкость поиска.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ионизационный датчик, содержащий источник ионов и вторичный электронный умножитель (ВЭУ) (патент 2122257 "Пылеударный масс-спектрометр"/ Семкин Н.Д., Воронов К.Е., МПК:6 Н 01 J 49/40, опубликованный 20 ноября 1998 г.).

Недостатком является большое время и трудоемкость поиска, являющиеся следствием необходимости поиска места течи по всей поверхности космического аппарата (КА).

Поставлена задача разработать устройство поиска места течи, позволяющее сократить размеры зоны поиска. Результатом будет являться снижение времени и труда, затрачиваемых на процесс поиска.

Поставленная задача решается тем, что устройство, содержащее источник ионов и ВЭУ, согласно изобретению, снабжено датчиками угловых и линейных микроускорений, аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), микропроцессором, и индикатором, причем датчики микроускорений соединены с АЦП, выходы которых подключены ко входным портам микропроцессора, входы микропроцессора соединены с выходами ВЭУ, выходы микропроцессора подключены ко входам индикатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства поиска места утечки; на фиг.2 - внешний вид КА; на фиг.3 и на фиг.4 - поперечный и продольный разрез КА соответственно.

Устройство содержит датчики угловых 1 и линейных 2 микроускорений (фиг. 1), аналого-цифровые преобразователи 3, микропроцессор 4, источник ионов 5, ВЭУ 6 и индикатор 7.

Датчики микроускорений 1 и 2 соединены с АЦП 3, выходы АЦП 3 и вторичного электронного умножителя 6 подключены к входным портам микропроцессора 4, кроме того, на микропроцессор 4 подается информация о давлении и температуре воздуха внутри КА, выходы микропроцессора 4 подключены к входам индикатора 7.

Устройство работает следующим образом: информация с датчиков 1 и 2, преобразованная в АЦП 3, поступает в микропроцессор 4, куда также поступает информация о давлении р и температуре Т воздуха внутри КА. Затем микропроцессор производит обработку поступивших данных. Результатом чего являются координаты области возможного расположения места течи. Эти координаты выдаются на индикатор 7. Затем космонавт выходит в открытый космос и производит поиск отверстия в обшивке КА с помощью ионизационного датчика в пределах области, координаты которой представлены на индикаторе 7. Возле отверстия в обшивке образуется повышенная концентрация атомов воздуха и в источнике ионов эти атомы ионизируются. Появление ионов регистрируется ВЭУ 6. При появлении сигнала с ВЭУ 6 микропроцессор дает на индикатор 7 сигнал о том, что место утечки найдено.

Приведем расчеты для простейшего случая - КА цилиндрической формы. Ориентация осей КА показана на фиг.2. При появлении утечки давление внутри КА начинает снижаться. Микропроцессор фиксирует снижение давления и начинает вычисления. Вначале определяется эффективный размер отверстия: где р₀ - начальное давление воздуха внутри КА; р - давление на момент вычислений; р_вых - давление снаружи КА; τ - время достижения давления р; v -объем системы; М - молярная масса газа; Т - абсолютная температура, К; R - универсальная газовая постоянная, R=8.314 Дж/моль•К;
L - длина канала, образующегося после пробоя обшивки;
- средняя арифметическая скорость молекул в газе.

Затем, зная размер отверстия, можно найти скорость истечения газа V:

где k - постоянная Больцмана: k=1.38•10^-23 Дж/К;
m₀ - масса одной молекулы газа, и производную массы истекающего газа по времени dm/dt:

При пробое обшивки КА из образовавшегося отверстия начинает исходить воздух, создавая при этом реактивную силу которая начинает вращать КА. Появляющееся угловое ускорение можно найти с учетом закона сохранения импульса из формулы (4):

где - вектор углового ускорения;
- радиус-вектор отверстия;
J - матрица моментов инерции

Решением векторного уравнения (4) будет

Сделаем допущение, что вектор скорости истекающего воздуха перпендикулярен обшивке КА. В большинстве случаев это допущение верно, поскольку диаметр отверстия соизмерим с толщиной стенок обшивки. В этом случае возможны два случая, показанные на фиг.2.

Т. е. в первом случае вектор лежит в плоскости YZ и проекция V_1X=0. Для второго случая справедливо равенство V_2Y=V_2Z=0.

Уравнения (4) и (5) в проекциях на оси координат имеют следующий вид для первого случая:


а для второго случая:

R_{x max} в (7б) равен половине длины КА.

Для начала рассмотрим первый случай: частица пробивает боковую стенку КА
Выделив R_x из второго и третьего уравнений системы (6а) и приравняв полученные значения друг другу, можем найти:

Поскольку V_x=0, то V_y ²+V_z ²=V² и используя (8), можно найти V_y и V_z. А на фиг.3 можно видеть, что R_y/V_y=R/V и R_z/V_z=R/V. Следовательно, можем найти R_y и R_z:

Однако при вычислении по этим формулам из-за неопределенности знака в знаменателе появляется два возможных варианта расположения места пробоя. Затем определяется R_x из первого уравнения системы (7а).

Теперь рассмотрим второй случай: R_x, R_y и R_z находятся из системы (7б), найдем, учитывая, что величина V_x и ее направление совпадают с модулем и направлением вектора скорости V, потому что V_y=V_z=0.

Следует отметить, что на реальном КА положение центра масс непостоянно и зависит от перемещений людей, аппаратуры, и т.д. Поэтому центр масс будет смещен относительно центра аппарата на некоторые величины dR_x, dR_y, dR_z, которые будут меняться с течением времени. Поэтому в уравнениях (4) и (5) необходимо заменить на Это приведет к тому, что результатом работы микропроцессора будут не точные координаты места утечки, а координаты области его возможного расположения. Размеры этой области будут зависеть от dR_x, dR_y, dR_z.

Различить первый и второй варианты пробоя можно, измеряя проекции линейного ускорения на оси.

Поясним это с помощью фиг.4. При появлении газового потока, истекающего со скоростью V, появляется реактивная сила, создающая линейное ускорение . При первом варианте пробоя проекцию этого ускорения на ось ОХ можно вычислить из выражения:

где m_ка - масса КА.

Угол α можно определить из формулы tg(α)=D/21, где D - диаметр КА, а l - расстояние от места пробоя до оси Z.

Выражение (10) имеет максимальное значение при α=45^o, а поскольку диаметр цилиндрического КА обычно меньше его длины, то (D/21)_min<1 и, следовательно, α_min<45°, а α_max/= 90°. Поэтому a_x1 меняется в пределах
Теперь перейдем ко второму случаю. Аналогично находим:

Применяя известную формулу 1/Cos²(ϕ) = 1+tg²(ϕ) и заменяя tg(β) = 2r/L, где r - расстояние от места пробоя до оси X, a L - длина КА, преобразуем (11) в выражение

Величина а_x2 меняется в пределах
Для того чтобы система распознавала случаи 1 и 2, необходимо, чтобы пределы изменения a_x1 и а_х2 не перекрывались, т.е. должно выполняться условие или L>2R_ка. Это условие справедливо для большинства случаев. Таким образом, при выполнении условия L>2R_ка определить вариант пробоя можно из условия:

Преимуществом разрабатываемого устройства является сокращение зоны поиска и как следствие снижение трудоемкости процесса поиска места течи.

Формула изобретения

Устройство обнаружения места утечки воздуха из модулей космического аппарата, содержащее источник ионов, выполненный с возможностью ионизации атомов воздуха, повышенная концентрация которых образуется возле отверстия в обшивке космического аппарата, и вторичный электронный умножитель, отличающееся тем, что оно снабжено датчиками угловых и линейных микроускорений, возникающих при пробое обшивки космического аппарата, аналого-цифровым преобразователем, микропроцессором и индикатором, причем датчики микроускорений соединены с аналого-цифровым преобразователем, выходы которого подключены к входным портам микропроцессора, предназначенного для фиксирования снижения давления и температуры воздуха внутри космического аппарата, входы микропроцессора соединены с выходами вторичного электронного умножителя, а выходы микропроцессора подключены ко входам индикатора координат области расположения течи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4