Способ испытаний на ресурс гидроаккумулятора системы терморегулирования космического аппарата

Изобретение относится к испытаниям систем терморегулирования, преимущественно телекоммуникационных спутников, с гидроаккумуляторами, газовая полость которых заправлена двухфазным рабочим телом и отделена от жидкостной полости сильфоном. Ресурсные испытания гидроаккумулятора осуществляют периодической перекладкой, с требуемым числом циклов, сильфона из одного крайнего положения в другое и обратно. Для этого периодически подают в сухую жидкостную полость сильфона сжатый воздух, а затем стравливают его в окружающую атмосферу. В заключение жидкостную полость вакуумируют. При этом соблюдают определенные ограничения на максимальную и минимальную величины давления в жидкостной полости и обеспечивают определенную скорость изменения хода сильфона. Технический результат изобретения состоит в повышении надежности результатов форсированных (с коэфф. ускорения ≈ 20) ресурсных испытаний. 4 ил.

 

Изобретение, созданное авторами в порядке выполнения служебного задания, относится к космической технике, в частности к гидроаккумуляторам систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА).

Согласно материалам патентов Российской Федерации (РФ) №2209750 [1], 2191359 [2] в жидкостных трактах систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) применяются гидроаккумуляторы (компенсаторы объема), содержащие герметизированную газовую полость, которая заправлена двухфазным рабочим телом (например, хладоном 141в), и жидкостную полость, которая сообщена с жидкостным трактом вблизи входа в электронасосный агрегат (ЭНА) и заполнена жидким теплоносителем (например, Л3-ТК-2); при этом газовая и жидкостная полости разделены сильфоном, выполненным из тарелей, которые в свою очередь изготовлены из тонких стальных листов (например, толщиной 0,1 мм) в виде колец и внутренние и внешние торцы их между собой герметично соединены сваркой.

В процессе эксплуатации КА на орбите, как показывает опыт эксплуатации КА на эллиптических, круговых и стационарных орбитах, средняя температура теплоносителя в жидкостном тракте изменяется, как показал анализ, проведенный авторами, со скоростью от 0 до 0,75°C/с, в диапазоне от 35 до минус 40°C (и наоборот) и сильфон гидроаккумулятора или компенсатора объема сжимается и растягивается между крайними положениями (упорами) хода сильфона: при максимальной температуре теплоносителя сильфон сжат (количество теплоносителя в жидкостной полости максимальное), а при минимальной температуре - сильфон растянут (количество теплоносителя в жидкостной полости минимальное).

При эксплуатации на орбите необходимое давление теплоносителя в жидкостной полости (и, следовательно, необходимое рабочее давление на входе в ЭНА) поддерживается созданием соответствующего давления паров рабочего тела газовой полости путем поддержания необходимой температуры газовой полости, управляя включением-выключением в работу электрообогревателя, установленного на корпусе гидроаккумулятора, а в случае применения на борту КА компенсатора объема на основе патентов РФ №99102571 [3], 2209751 [4] давление газа в газовой полости поддерживается равным давлению газа в полости термоконтейнера (полость термоконтейнера сообщена с газовой полостью компенсатора объема).

Таким образом, в процессе эксплуатации на орбите сильфон компенсатора совершает периодические движения - циклы движения между крайними положениями допустимого хода сильфона под воздействием давления паров рабочего тела при снижении температуры теплоносителя в жидкостном тракте и давления теплоносителя, поступающего в жидкостную полость из жидкостного тракта при повышении температуры в жидкостном тракте.

Количество циклов движения - циклов перекладок сильфона зависит от вида орбиты, циклограммы работы и срока эксплуатации КА на орбите и достигает до 11000 (с учетом необходимого запаса до 22000 циклов) в течение, например, 15 лет эксплуатации на орбите.

Как показывает многолетний опыт эксплуатации унифицированного компенсатора объема, аналога гидроаккумулятора, основным параметром, характеризующим работоспособность его на орбите, является герметичность сильфона, которая зависит от количества циклов перекладки сильфона.

Как указано выше, в настоящее время КА разрабатывают с большим сроком эксплуатации на орбите (15 лет) и в связи с этим они в основном изготавливаются в единичном экземпляре, а конструкции гидроаккумуляторов для другого типа КА, наоборот, разрабатывают различными с различными циклами и величинами хода и размерами сильфона (для обеспечения минимальной массы КА). Согласно существующему порядку для применения вновь разработанного гидроаккумулятора на борту КА его отработанный узел должен пройти ресурсные испытания для подтверждения гарантийной наработки по циклам перекладки сильфона гидроаккумулятора в условиях эксплуатации на орбите.

Очевидно, что с точки зрения технической (моральное старение) и экономической (большие затраты) проведение ресурсных испытаний гидроаккумулятора (его сильфона) с существующими на орбите параметрами изменения циклов перекладки сильфона нецелесообразно. В то же время в настоящее время неизвестно и не регламентированы способы (режимы) проведения ускоренных испытаний гидроаккумулятора (работы его сильфона) в форсированном (ускоренном) режиме.

Согласно ГОСТ 23.205-79 [5] допускается проведение ускоренных ресурсных испытаний с периодическим форсированием режима испытаний - однако, ввиду того, что, как показывает опыт изготовления, испытаний и эксплуатации компенсатора объема, аналога гидроаккумулятора, потеря герметичности его сильфона в реальности происходит практически скачком в течение нескольких минут после продолжительной безотказной работы компенсатора объема (сохранения требуемой герметичности сильфона), в связи с чем способ [5] в полном объеме не может быть применен при ресурсных испытаниях гидроаккумулятора.

Таким образом, в настоящее время неизвестен надежный способ проведения ускоренных ресурсных испытаний гидроаккумулятора по подтверждению его гарантийной наработки.

Анализ, проведенный авторами данных эксплуатаций различных телекоммуникационных спутников, показал:

- скорость движения сильфона компенсатора объема, аналога гидроаккумулятора, при эксплуатации, в т.ч. на орбите, полностью определяется скоростью уменьшения или увеличения объема теплоносителя в его жидкостной полости в результате общего охлаждения или нагрева теплоносителя в жидкостном тракте и максимальные значения скоростей изменения хода сильфона реализуются на начальных участках при заходе спутника в тень Земли и выходе из тени Земли и скорость изменения средней температуры теплоносителя не превышают 0,75°C/с, что эквивалентно скорости изменения объема теплоносителя в жидкостной полости, обеспечивающей циклы перекладки сильфона из одного крайнего положения в другое со скоростью хода не более 3 мм/с, которая, как установлено авторами в результате анализа физических процессов, происходящих при работе гидроаккумулятора на орбите, определяется из следующего соотношения:

где - максимально допустимая скорость изменения хода сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое при ресурсных испытаниях, мм/с;

- максимальная скорость изменения средней температуры теплоносителя в жидкостном тракте СТР на орбите на начальных участках входа и выхода спутника из тени Земли, при максимально возможной продолжительности теневого участка орбиты, °C/с;

β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/°C;

V_СТР - объем теплоносителя в жидкостном тракте СТР, мм³;

K=2,3 - коэффициент, исключающий отрицательное влияние неучтенных факторов;

V_{компенсир} - компенсируемое изменение объема теплоносителя в жидкостной полости при ходе сильфона из одного крайнего положения в другое, мм³;

H - ход сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое, мм;

- в процессе эксплуатации на орбите и, следовательно, при ресурсных испытаниях давление паров рабочего тела изменяется в зависимости от поддерживаемой рабочей температуры газовой полости в диапазоне от минимально до максимально возможной (от 15 до 35°).

При изготовлении аналогов (см. фиг.1) гидроаккумуляторов-компенсаторов объема 6 (газовая полость 6.1 которых соединена с полостью термоконтейнера 5, а жидкостная полость 6.2 заполнена теплоносителем и сообщена с остальным жидкостным трактом 7; газовая и жидкостная полости разделены сильфоном 6.3) в условиях существовавшего производства ресурсные испытания на основе [5] проводили следующим образом (см. фиг.2):

- жидкостную полость 6.2 заправляли определенным минимально возможным количеством воздуха, достаточным для полного сжатия сильфона 6.3 при атмосферном давлении в газовой полости 6.1, и герметизировали ее, закрыв вентиль 1;

- периодически подавали (и стравливали) сжатый воздух 4 в газовую полость 6.1: закрывали вентиль 2, открывали вентиль 3, фиксировали давление по манометру 8 (которое должно быть больше давления в жидкостной полости 6.2 и достаточно для полного растяжения сильфона 6.3);

- повторяли требуемое количество циклов перекладки сильфона 6.3 компенсатора объема, которое было (не более 9000) в несколько раз меньше, чем требуемое количество циклов перекладки сильфона для гидроаккумуляторов (не менее 22000)).

При этом по вышеуказанному известному способу не оговорено, какая скорость движения сильфона должна быть обеспечена при ресурсных испытаниях, т.е. вполне возможно, если обеспечить при испытаниях на ресурс недопустимые скорости, сильфон компенсатора объема потеряет свою герметичность при количестве циклов перекладки, намного меньшем требуемого в настоящее время количества (не менее 22000).

Таким образом, существенным недостатком известного способа испытаний на ресурс гидроаккумулятора является недостаточно высокая надежность проведения ресурсных испытаний по подтверждению требуемой гарантийной наработки.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленного существенного недостатка.

Поставленная цель достигается тем, что способ испытаний на ресурс гидроаккумулятора системы терморегулирования космического аппарата с сильфоном, разделяющим герметизированную газовую полость, заправленную двухфазным рабочим телом, от жидкостной полости, заполненной теплоносителем и соединенной с остальным замкнутым жидкостным трактом, включает перекладку сильфона из одного крайнего положения в другое и наоборот с требуемым количеством циклов перекладки, при этом испытания проводят периодической подачей (и удалением) сжатого воздуха в сухую жидкостную полость с максимальным абсолютным давлением

и вакуумированием жидкостной полости до минимального абсолютного давления

где , - максимальное давление сжатого воздуха и минимальное абсолютное (вакуумметрическое) давление в жидкостной полости соответственно, Па;

p_st - упругость паров рабочего тела в газовой полости при испытаниях на ресурс при максимальной в процессе испытаний температуре газовой полости, Па;

Δp_{сильф.макс}, Δp_{сильф.мин} - минимально возможные значения перепада давлений между жидкостной и газовой полостями, при которых сильфон соответственно сжат полностью и растянут полностью, Па;

δp_техн - суммарная технологическая погрешность испытаний, Па;

p_{доп.макс}, p_{доп.мин} - максимально и минимально допустимые абсолютные давления в жидкостной полости соответственно, Па, при этом обеспечивают скорость изменения хода сильфона в циклах перекладки

где - максимально допустимая скорость изменения хода сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое при ресурсных испытаниях, мм/с;

- максимальная скорость изменения средней температуры теплоносителя в жидкостном тракте СТР на орбите на начальных участках входа и выхода спутника из тени Земли, при максимально возможной продолжительности теневого участка орбиты, °C/с;

β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/°C;

V_СТР - объем теплоносителя в жидкостном тракте СТР, мм³;

K=2,3 - коэффициент, исключающий отрицательное влияние неучтенных факторов;

V_{компенсир} - компенсируемое изменение объема теплоносителя в жидкостной полости при ходе сильфона из одного крайнего положения в другое, мм³;

H - ход сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое, мм,

что и является по мнению авторов существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе испытаний на ресурс гидроаккумулятора СТР КА.

Способ реализуется с помощью устройства, представленного на фиг.3 и 4. На фиг.1 и 2 представлено устройство, реализующее способ-прототип.

Согласно предложенному техническому решению для подтверждения гарантийной наработки испытание на ресурс гидроаккумулятора (представляющее из себя перекладку сильфона гидроаккумулятора из одного крайнего положения в другое и наоборот с периодическим контролем герметичности газовой и жидкостной полостей, сильфона) СТР КА осуществляют следующим образом (см. фиг.3 и 4, где: 1, 2, 3 - отсечные вентили; 4 - источник сжатого воздуха; 5 - вакуумный насос; 6 - гидроаккумулятор; 6.1 - газовая полость; 6.2 - жидкостная полость; 6.3 - сильфон; 6.4 - двухфазное рабочее тело; 7 - жидкостный тракт СТР; 8 - мановакуумметр; 9 и 10 - регулируемые дроссели):

- открыв и закрыв отсечные вентили 1, 2, 3 периодически подают (и удаляют) сжатый воздух 4 в сухую жидкостную полость 6.2 с максимальным абсолютным давлением (обеспечив полное сжатие сильфона 6.3)

затем стравливают сжатый воздух в атмосферу, после чего вакуумируют жидкостную полость 6.2 до абсолютного давления (достаточного для полного растяжения сильфона 6.3)

где , - максимальное абсолютное давление сжатого воздуха и минимальное абсолютное (вакуумметрическое) давление в жидкостной полости 6.2 соответственно, Па;

p_st - упругость паров рабочего тела 6.4 в газовой полости 6.1 при испытаниях на ресурс при максимальной в процессе испытаний температуре газовой полости, Па;

Δp_{сильф.макс}, Δp_{сильф.мин} - минимально возможные значения перепада давлений между жидкостной и газовой полостями, при которых сильфон 6.3 соответственно сжат полностью и растянут полностью, Па;

δp_техн - суммарная технологическая погрешность испытаний, Па;

p_{доп.макс}, p_{доп.мин} - максимально и минимально допустимые абсолютные давления в жидкостной полости 6.2, Па;

- при этом, подобрав соответствующие гидравлические сопротивления регулируемых дросселей 9 и 10, обеспечивают скорость изменения хода сильфона 6.3 в циклах перекладки

где - максимально допустимая скорость изменения хода сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое при ресурсных испытаниях, мм/с;

- максимальная скорость изменения средней температуры теплоносителя в жидкостном тракте СТР на орбите на начальных участках входа и выхода спутника из тени Земли, при максимально возможной продолжительности теневого участка орбиты, °C/с;

β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/°C;

V_СТР - объем теплоносителя в жидкостном тракте СТР, мм³;

K=2,3 - коэффициент, исключающий отрицательное влияние неучтенных факторов;

V_{компенсир} - компенсируемое изменение объема теплоносителя в жидкостной полости при ходе сильфона из одного крайнего положения в другое, мм³;

H - ход сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое, мм.

- осуществляют требуемое количество циклов перекладки сильфона 6.3, например, не менее 22000 циклов перекладок, с периодической проверкой степени герметичности газовой, жидкостной полостей и сильфона.

Проведенный анализ показал, что вышеуказанное количество циклов перекладки сильфона возможно осуществить в течение не более 200-250 суток, т.е. коэффициент ускорения ресурсных испытаний равен ≈ 20, и при этом обеспечивается высокая надежность проведения ресурсных испытаний в результате использования обоснованных ограничений по проведению форсированных ресурсных испытаний, т.е. тем самым достигается цель изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации на проведение ресурсных испытаний вновь созданного и изготавливаемого в настоящее время гидроаккумулятора, который будет применяться в составе СТР вновь разрабатываемого КА со сроком эксплуатации на орбите, равном не менее 15 лет.

Способ испытаний на ресурс гидроаккумулятора системы терморегулирования (СТР) космического аппарата с сильфоном, разделяющим герметизированную газовую полость, заправленную двухфазным рабочим телом, от жидкостной полости, заполненной теплоносителем и соединенной с остальным замкнутым жидкостным трактом, включающий перекладку сильфона из одного крайнего положения в другое и обратно с требуемым количеством циклов перекладки, отличающийся тем, что испытания проводят периодическими подачей и удалением сжатого воздуха в сухую жидкостную полость с максимальным абсолютным давлением

и вакуумированием жидкостной полости до минимального абсолютного давления

где , - максимальное абсолютное давление сжатого воздуха и минимальное абсолютное (вакуумметрическое) давление в жидкостной полости соответственно, Па;
p_st - упругость паров рабочего тела в газовой полости при испытаниях на ресурс при максимальной в процессе испытаний температуре газовой полости, Па;
Δp_{сильф.макс}, Δp_{сильф.мин} - минимально возможные значения перепада давлений между жидкостной и газовой полостями, при которых сильфон соответственно сжат полностью и растянут полностью, Па;
δp_техн. - суммарная технологическая погрешность испытаний, Па;
p_{доп.макс}, p_{доп.мин} - максимально и минимально допустимые абсолютные давления в жидкостной полости соответственно, Па, при этом обеспечивают скорость изменения хода сильфона в циклах перекладки

где - максимально допустимая скорость изменения хода сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое при ресурсных испытаниях, мм/с;
- максимальная скорость изменения средней температуры теплоносителя в жидкостном тракте СТР на орбите на начальных участках входа и выхода спутника из тени Земли при максимально возможной продолжительности теневого участка орбиты, °С/с;
β - коэффициент температурного изменения объема теплоносителя, 1/°С;
V_СТР - объем теплоносителя в жидкостном тракте СТР, мм;
K=2,3 - коэффициент, исключающий отрицательное влияние неучтенных факторов;
V_{компенсир.} - компенсируемое изменение объема теплоносителя в жидкостной полости при ходе сильфона из одного крайнего положения в другое, мм³;
Н_сильф - ход сильфона при перекладке его из одного крайнего положения в другое, мм.