Способ заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов

 

Изобретение относится к космической технике, а именно к способам заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования широкого класса космических аппаратов (транспортные и грузовые корабли, модули орбитальных станций, разгонные ракетные блоки и т.п.). Способ включает в себя операции вакуумирования системы, заполнения ее деаэрированным теплоносителем, растворения остаточного воздуха и установки рабочего давления в системе. После заполнения системы производят предварительный слив теплоносителя из системы в объеме, равном термическому изменению объема заправленного теплоносителя в диапазоне температур, при котором проводится операция растворения воздуха, а затем нагружают и проводят операцию растворения воздуха с измерением среднемассовой температуры теплоносителя. Затем измеряют установившийся объем газовой полости компенсатора системы и производят окончательной слив теплоносителя из системы и устанавливают рабочее давление в системе, соответствующее измеренной среднемассовой температуре теплоносителя. Изобретение позволяет сократить время на операцию растворения остаточного воздуха в системе, снизить время на весь процесс заправки и снизить стоимость технологического процесса.

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования (СТР) широкого класса космических аппаратов (транспортные и грузовые корабли, модули орбитальных станций, разгонные ракетные блоки и т.п.) при их наземной подготовке.

Изобретение может быть использовано на предприятиях, занимающихся изготовлением и эксплуатацией космической техники или в других отраслях промышленности, где предъявляются повышенные требования к качеству заправки гидравлических систем рабочими телами.

В течение последних десятилетий в отечественной космической практике созданы и успешно эксплуатируются гидравлические системы терморегулирования. Основу таких систем составляет замкнутый гидравлический контур, заправленный жидким теплоносителем и снабженный гидропневматическим компенсатором для компенсации термического изменения объема теплоносителя.

В настоящее время такие системы используются на служебном модуле "Звезда", функциональном грузовом блоке "Заря" Российского сегмента международной космической станции (МКС). Транспортные пилотируемые и грузовые корабли "Союз-ТМ" и "Прогресс-М" также оснащены СТР подобного типа (см., например, "Космические аппараты", М. , Военное издательство, 1983 г., с. 213-215).

Заправка СТР теплоносителем производится, как правило, на техническом комплексе космодрома в период заключительного этапа наземной подготовки изделий (СТР, например, кораблей "Союз-ТМ" и "Прогресс-М" заправляются за 2-3 недели до даты старта).

В связи с тем, что в наружных контурах СТР в качестве теплоносителя используются замерзающие при низкой температуре (до минус 100^oС) жидкости на основе изооктана (бензина) или полиметилсилоксана (кремнийорганика), которые сами по себе являются пожароопасними жидкостями, при подготовке изделий процесс заправки относится к особо опасным операциям.

Известен способ заправки гидравлических систем (см. "Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах", Сапожников В.М., М., Машиностроение, 1972 г., с. 152-165).

Способ предусматривает предварительное заполнение гидромагистрали рабочей жидкостью с последующим созданием рабочего давления в системе, равного номинальному рабочему давлению в гидроаккумуляторе (определяется техническими условиями на агрегат) и позволяющего прокачивать жидкость через систему, многократно срабатывая исполнительными механизмами, до полного заполнения системы.

Известен также способ заправки гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов по авторскому свидетельству СССР 111376 от 07.12.1977 г., выбранный в качестве прототипа.

Способ предусматривает операции по вакуумированию системы, заполнению ее деаэрированным теплоносителем, раствореннию остаточного воздуха из невентилируемых при вакуумировании участков гидромагистрали путем создания циркуляции теплоносителя в системе, тарированного слива и установке рабочего давления в системе.

Разработанный в конце семидесятых годов этот способ широко применялся в период последнего двадцатилетия для заправки СТР изделий отечественного производства. Годовые программы пусков, располагаемое время подготовки каждого космического аппарата, а также получаемое качество заправки делали этот способ практически безальтернативным.

Однако в настоящее время способ перестал удовлетворять новым требованиям из-за относительной длительности технологического процесса. Так, например, операция растворения остаточного воздуха в системе занимает при заправке СТР транспортного корабля "Союз-ТМ" примерно 24 ч, а общая длительность процесса заправки составляет примерно 42 ч.

Необходимость сокращения времени заправки СТР обусловлена общими требованиями к снижению времени подготовки каждого изделия из-за увеличения числа пусков в год и ограниченным числом рабочих мест подготовки изделий на космодроме, находящимся на территории иностранного государства.

Кроме того, учитывая, что заправка СТР относится к особо опасным операциям при подготовке изделий, снижение общего времени ее проведения повышает безопасность и надежность процесса при одновременном снижении его стоимости.

Поэтому потребовалось создание способа заправки, качество которого было бы не хуже, чем у прототипа, но обладающего сокращенным временным циклом.

Задачей настоящего изобретения является создание способа заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, обладающего сокращенным временным циклом и, как следствие, более низкой стоимостью.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, включающем операции вакуумирования системы, снабженной гидропневматическим компенсатором, заполнения ее деаэрированным теплоносителем, растворения остаточного воздуха из невентилируемых при вакуумировании участков гидромагистрали путем создания циркуляции теплоносителя, тарированного слива теплоносителя и установки рабочего давления в системе, после заполнения системы теплоносителем производят предварительный слив теплоносителя из системы в объеме, равном термическому изменению объема заправленного теплоносителя в диапазоне температур, при котором проводится операция растворения воздуха, а затем нагружают систему максимально-допустимым по условиям прочности технологическим давлением и проводят операцию растворения воздуха с измерением среднемассовой температуры теплоносителя, а после ее завершения измеряют объем газовой полости компенсатора системы и проводят окончательный слив теплоносителя из системы, объем которого выбирают, исходя из соотношения V_сл = V_p-[V^к_изм-V^min_гпк],, где V_сл - объем окончательного слива теплоносителя; V_p - теоретический (расчетный) объем теплоносителя, который нужно слить из системы для измеренной среднемассовой температуры теплоносителя; V^к_изм - измеренный объем газовой полости компенсатора системы; V^min_гпк - минимальный (по паспорту) объем газовой полости компенсатора, и устанавливают рабочее давление в системе, соответствующее измеренной среднемассовой температуре теплоносителя.

Технический результат предложенного способа заправки состоит в том, что он позволяет резко (в четыре-шесть раз) сократить время на операцию растворения остаточного воздуха в системе и в 2-2,5 раза снизить время на весь процесс заправки в целом и, следовательно, снизить стоимость технологии.

По предложенному авторами способу укрупненная технология заправки СТР транспортного корабля "Союз-ТМ", имеющей в своем составе два связанных через теплообменник гидравлических контура - контур жилых отсеков (КЖО) и контур навесного радиатора (КНР), реализуется следующим образом.

1. За несколько дней до начала заправки СТР в специальном помещении проводится подготовка двух заправщиков к работе, один заправщик готовится под заправку контура КЖО теплоносителем "Триол", второй готовится под заправку контура КНР теплоносителем ЛЗТК-2. Подготовка заправщиков предусматривает как работы собственно с материальной частью заправщиков (проверка герметичности, комплектации, чистоты и т.п.), так и с теплоносителями (получение со склада, проведение химического анализа).

Заканчивается подготовка заправщиков заливкой в заправочные баки каждого из заправщиков необходимого количества теплоносителя и проведением операции деаэрации теплоносителей путем вакуумирования свободного объема каждого из баков до уровня давления насыщенных паров теплоносителей для температуры воздуха в помещении и выдержки баков под этим давлением ~20-24 ч.

2. К началу операции заправки заправщики передислоцируются на рабочую площадку изделия и гидравлически подключаются к каждому контуру. Далее проводится проверка герметичности собранной схемы "заправщик - борт" методом "опрессовки" и методом "натекания" в отвакуумированную систему.

При положительных результатах проверки герметичности собранной схемы каждого заправщика начинается вакуумирование каждого контура до устойчивого давления ~ 1 мм рт.ст. Вакуумирование проводится совместно с дренажными баками заправщиков. Заправочные баки, хотя и связаны гидромагистралями с заправочными клапанами каждого контура, но отключены от схемы вакуумирования отсечными вентилями заправщиков.

Обычно необходимое время для сборки заправочной схемы, проверки герметичности и вакуумирования контуров составляет 4-5 ч.

3. После достижения устойчивого вакуума 1 мм рт.ст. в процессе вакуумирования контуров (после "отсечения" вакуумной установки давление в контуре в течение 10 мин не превышает величину 1 мм рт.ст.) проводят поочередное заполнение гидромагистрали каждого контура соответствующим теплоносителем.

Для этой цели в заправочные баки заправщиков подается газообразный азот и над зеркалом теплоносителя создается избыточное давление на уровне, достаточном для передавливания теплоносителя в систему. Обычно эта величина составляет 0,3÷0,4 кгс/см².

Далее включают вакуумную установку на вакуумирование каждого контура (вакуумирование ведется через дренажный бак заправщика в ходе всего процесса заполнения контура теплоносителем) и открывают вентиль подачи теплоносителя в систему. Избыточным давлением азота теплоноситель передавливается в контур. В процессе заполнения системы теплоносителем с помощью газового редуктора давление над зеркалом теплоносителя поддерживают на вышеуказанном уровне. В процессе заполнения системы теплоносителем газовая полость компенсатора каждого контура сообщена с атмосферой.

После того, как из всех дренажей каждого контура теплоноситель "прольется" в дренажный бак заправщика, закрывают дренажные клапаны борта, вентили подачи теплоносителя на заправщиках и бортовые заправочные клапаны. Этим заканчивается операция заполнения контуров теплоносителями. Общее время на заполнение теплоносителями двух контуров составляет ~2 ч.

4. Далее производят предварительный слив теплоносителя из системы. Эта операция является страховочной и предназначена для того, чтобы в процессе растворения воздуха в системе при повышении температуры окружающего изделие воздуха не разорвало систему. Заправка СТР обычно проводится в помещении с кондиционированным воздухом при температуре 18-20^oС, однако при нештатной работе системы кондиционирования температура воздуха может достигать 28-31^oС.

На этот перепад температур рассчитывается объем теплоносителя, который необходимо предварительно слить из каждого контура. Величина сливаемого объема приводится в инструкции на заправку и для объемов контуров, характеристик для СТР корабля "Союз-ТМ" составляет ~0,5 л.

Для гидравлических контуров обогрева служебного модуля "Звезда", объем которых составляет ~120 л, величина предварительного слива равна 1 литру.

Для обеспечения слива теплоносителя в газовую полость компенсатора каждого контура подается избыточное давление азота ~0,5 кгс/см² и через один из дренажных клапанов контура через сливную гидромагистраль заправщика в специальную мензурку производится слив необходимого объема теплоносителя.

Время, необходимое на эту операцию, для двух контуров составит ~2 ч.

5. После завершения операции слива систему нагружают повышенным технологическим давлением. Для этой цели в газовую полость компенсатора каждого контура подается азот с соответствующим давлением, величина которого является максимально допустимой по условиям прочности системы. Обычно эта величина составляет 2,5-3 кгс/см² (избыточных).

Как известно скорость растворения и количество растворенного воздуха в жидкости до ее полного насыщения прямо пропорционально величине давления жидкости. Поэтому, увеличивая давление жидкости, можно значительно снизить время растворения остаточного воздуха. Этот физический принцип и положен в основу предлагаемого способа.

В способе заправки по прототипу этот процесс проводился при атмосферном давлении, поэтому время операции составляет ~24 ч. Если же процесс вести при избыточном давлении 2,5÷3,0 кгс/см², то по проведенным экспериментам на гидравлическом макете СТР корабля "Союз-ТМ", время растворения может быть уменьшено до 2-4 ч, а сама операция фактически превращена в операцию обкатки системы.

6. Таким образом, после установки в каждом контуре избыточного давления 2,5-3 кгс/см², организуют циркуляцию теплоносителя путем включения на 2 ч основных гидронасосов и на 2 ч резервных гидронасосов.

7. В процессе работы гидронасосов теплоноситель в каждом контуре хорошо перемешивается, поэтому в это время измеряют его среднемассовую температуру, по которой в дальнейшем будет определен окончательный слив теплоносителя из системы и установлено рабочее давление.

8. После завершения операции растворения воздуха производят измерение свободного объема газовой полости компенсатора каждого контура и выбирают, исходя из приведенного в формуле изобретения соотношения, объем окончательного слива теплоносителя для каждого контура и устанавливают рабочее давление в каждом контуре системы, соответствующее измеренной среднемассовой температуре теплоносителя, путем заправки газовых полостей компенсаторов азотом с необходимым давлением.

Общее время на заключительную операцию слива и установки рабочего давления для двух контуров составляет ~3 ч.

Общее время заправки СТР транспортного корабля "Союз-ТМ" по старой технологии составляло ~ 41-42 ч. По предлагаемому способу заправки это время составляет около 17 ч.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: сократить общее время заправки гидравлических СТР транспортных кораблей, например, типа "Союз-ТМ" и "Прогресс-М" примерно в 2-2,5 раза при сохранении достигнутого уровня качества, надежности и безопасности технологического процесса.

Для контура КНР СТР корабля "Союз-ТМ" теоретический объем слива, обеспечивающий работу контура в диапазоне температур от минус 50 до 50^oС (при температуре теплоносителя минус 50^oС в компенсаторе должен находиться определенный объем жидкости, а давление в контуре должно превышать давление кавитации гидронасоса; при температуре 50^oС давление в контуре не должно превышать разрушающего значения), составляет ~ 1,6 л. Зависимость сливаемого объема V^сл_p от среднемассовой температуры теплоносителя V^мас_ср приводится в инструкции на заправку.

Величина объема окончательного слива теплоносителя из контура КЖО будет равна 0,8-1,1 (в зависимости от объема растворенного воздуха).

Учитывая, что заправка СТР относится к особо опасным операциям сокращение времени на ее проведение вдвое, позволит заметно повысить уровень безопасности подготовки изделий.

Формула изобретения

Способ заправки гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, включающий операции вакуумирования системы, снабженной гидропневматическим компенсатором, заполнения ее деаэрированным теплоносителем, растворения остаточного воздуха из невентилируемых при вакуумировании участков гидромагистрали путем создания циркуляции теплоносителя, тарированного слива теплоносителя и установки рабочего давления в системе, отличающийся тем, что после заполнения системы теплоносителем производят предварительный слив теплоносителя из системы в объеме, равном термическому изменению объема заправленного теплоносителя в диапазоне температур, при котором проводится операция растворения воздуха, а затем нагружают систему максимально допустимым по условиям прочности технологическим давлением и проводят операцию растворения воздуха с измерением среднемассовой температуры теплоносителя, а после ее завершения измеряют установившийся объем газовой полости компенсатора системы и производят окончательный слив теплоносителя из системы, объем которого выбирают, исходя из соотношения v_сл = v_p-[v^к_изм-v^min_гпк], где V_сл - объем окончательного слива теплоносителя;
V_p - теоретический (расчетный) объем теплоносителя, который нужно слить из системы для измеренной среднемассовой температуры теплоносителя;
v^к_изм - измеренный объем газовой полости компенсатора системы;
v^min_гпк - минимальный (по паспорту) объем газовой полости компенсатора,
и устанавливают рабочее давление в системе, соответствующее измеренной среднемассовой температуре теплоносителя.