Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, СНАБЖЕННОЙ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ С ОГРАНИЧИТЕЛЬНОЙ РЕШЕТКОЙ ЖИДКОСТНОЙ ПОЛОСТИ

Изобретение относится к космической технике, а именно к способам испытаний на герметичность гидравлических систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов, снабженных гидропневматическими компенсаторами, при их наземной подготовке.

В течение последних десятилетий в отечественной космической практике созданы и успешно эксплуатируются гидравлические системы терморегулирования. Основу таких систем составляет замкнутая гидромагистраль, заполненная теплоносителем и снабженная гидропневматическим компенсатором для компенсации температурного изменения объема теплоносителя. Компенсатор представляет собой сферическую емкость, герметично разделенную подвижным разделителем сред на две полости - жидкостную и газовую. Обычно в качестве такого разделителя используют эластичную резиновую мембрану. Жидкостная полость такого компенсатора подключается к гидромагистрали системы, а газовая полость заправляется азотом или воздухом под определенным давлением. Компенсация температурного изменения объема теплоносителя обеспечивается за счет сжатия/расширения газа в газовой полости компенсатора, которое сопровождается соответствующим повышением/понижением давления в газовой полости компенсатора и в гидромагистрали. Для ограничения перемещения эластичной резиновой мембраны по направлению к входному отверстию жидкостной полости компенсатора, а именно для исключения возможности закупоривания входного отверстия жидкостной полости компенсатора эластичной резиновой мембраной, в состав компенсатора включают ограничительную решетку жидкостной полости (патент РФ №2252901, 27.05.2005). Ограничительная решетка жидкостной полости изготавливается из металла и имеет форму полусферы с отверстиями (фиг.1).

В настоящее время такие гидравлические системы терморегулирования, снабженные гидропневматическим компенсатором, используются на транспортных пилотируемых и грузовых кораблях "Союз-ТМА" и "Прогресс-М" (например, "Космические аппараты". Под общей редакцией К.П. Феоктистова. М., Военное издательство, 1983, стр.213-215).

Известен способ испытаний на герметичность гидравлических систем летательных аппаратов ("Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями". Под редакцией В.Н. Челомея. М., Машиностроение, 1978, стр.217).

Способ предусматривает заполнение газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей контрольным газом, например воздухом или азотом, до избыточного испытательного давления и выдержку газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей под избыточным давлением. Герметичность газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей гидравлической системы терморегулирования определяют по величине спада давления контрольного газа за время выдержки.

К недостаткам способа следует отнести недостаточную чувствительность испытаний, вызванную ограниченной точностью измерения избыточного давления контрольного газа при испытаниях и ограниченными возможностями термостатирования газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей при проведении испытаний. Чтобы обеспечить требуемую чувствительность испытаний, приходится увеличивать продолжительность выдержки газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей под избыточным давлением до десятков часов, что снижает производительность испытаний.

Известен также способ испытаний на герметичность систем летательных аппаратов, имеющих газовую и гидравлическую магистрали, разделенные гибкой мембраной компенсатора, по патенту РФ №2082135, 20.06.1997, принятый авторами за прототип.

Способ состоит в том, что вакуумируют газовую полость компенсатора и жидкостные магистрали гидравлической системы терморегулирования и определяют герметичность газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей гидравлической системы терморегулирования по величине газовых потоков, поступающих из газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей гидравлической системы терморегулирования при их вакуумировании.

Недостатком способа является низкая точность испытаний, являющаяся следствием их невысокой достоверности, заключающейся в существовании вероятности пропуска дефекта (течи) в стенке газовой полости компенсатора. Причина такого пропуска дефекта состоит в том, что на результат определения герметичности газовой полости компенсатора может повлиять положение эластичной мембраны компенсатора, а именно ее соприкосновение со стенками газовой полости компенсатора. Если при вакуумировании газовой полости компенсатора и жидкостных магистралей эластичная мембрана компенсатора придет в соприкосновение со стенками газовой полости компенсатора, как показано на фиг.3, то прохождение газа через возможную течь в стенке газовой полости компенсатора, которая могла бы находиться в месте соприкосновения, будет затруднено или полностью исключено, поскольку эластичная мембрана компенсатора будет прилегать к стенке газовой полости компенсатора и частично или полностью перекрывать вход в канал течи в стенке газовой полости компенсатора.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности испытаний на герметичность гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором с ограничительной решеткой жидкостной полости.

Техническим результатом изобретения является повышение качества испытаний за счет увеличения точности испытаний на герметичность изделий, повышения надежности и долговечности изделий при эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в способе испытаний на герметичность гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором с ограничительной решеткой жидкостной полости компенсатора, состоящем в том, что сначала вакуумируют жидкостную магистраль и жидкостную полость компенсатора гидравлической системы терморегулирования, а затем - газовую магистраль и газовую полость компенсатора, при этом герметичность газовой магистрали с газовой полостью компенсатора и жидкостной магистрали с жидкостной полостью компенсатора гидравлической системы терморегулирования определяют по величине газовых потоков, поступающих из газовой магистрали с газовой полостью компенсатора и жидкостной магистрали с жидкостной полостью компенсатора гидравлической системы терморегулирования при их вакуумировании, перед вакуумированием жидкостной магистрали с жидкостной полостью компенсатора гидравлической системы терморегулирования и газовой магистрали с газовой полостью компенсатора выравнивают давления в жидкостной магистрали с жидкостной полостью компенсатора и в газовой магистрали с газовой полостью компенсатора с атмосферным давлением, вакуумирование осуществляют в два этапа, причем вначале вакуумируют форвакуумным насосом жидкостную магистраль с жидкостной полостью компенсатора и газовую магистраль с газовой полостью компенсатора до установившихся значений равновесного давления, достигаемых с помощью форвакуумного насоса, после чего продолжают их вакуумирование высоковакуумным насосом до установившихся значений равновесного давления, достигаемых с помощью высоковакуумного насоса, а герметичность жидкостной магистрали с жидкостной полостью компенсатора гидравлической системы терморегулирования и газовой магистрали с газовой полостью компенсатора определяют при их вакуумировании высоковакуумным насосом.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-3), на которых представлен гидропневматический компенсатор гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, имеющий ограничительную решетку жидкостной полости, при различных положениях эластичной мембраны: в промежуточном положении между своими крайними положениями (фиг.1); в положении размещения на ограничительной решетке жидкостной полости компенсатора (фиг.2); в положении на стенках газовой полости компенсатора (фиг.3).

На фиг.1-3 обозначено: 1 - корпус гидропневматического компенсатора, включающий в себя герметично соединенные между собой полусферу газовой полости и полусферу жидкостной полости; 2 - эластичная резиновая мембрана, разделяющая газовую и жидкостную полости компенсатора и герметично закрепленная по своему периметру в корпусе компенсатора; 3 - ограничительная решетка жидкостной полости; 4 - жидкостная полость; 5 - газовая полость; 6 - жидкостная магистраль СТР, сообщающаяся с жидкостной полостью компенсатора; 7 - газовая магистраль СТР, сообщающаяся с газовой полостью компенсатора.

Предлагаемый способ испытаний на герметичность гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором с ограничительной решеткой жидкостной полости, осуществляется следующим образом.

Перед началом испытаний система терморегулирования находится в законсервированном состоянии, т.е. в жидкостной и газовой полостях 4 и 5 корпуса компенсатора 1, в жидкостной и газовой магистралях 6 и 7 находится газ (азот или воздух) под избыточным давлением около 1 кгс/см². Положение эластичной резиновой мембраны 2 при консервации системы терморегулирования не регламентируется, т.е. мембрана 2 может находиться как в двух своих крайних положениях, так и в некоторой средней позиции между своими крайними положениями (фиг.1). Чтобы обеспечить возможность дальнейшего вакуумирования жидкостной магистрали 6 с жидкостной полостью 4 компенсатора 1 и газовой магистрали 7 с газовой полостью 5 компенсатора 1, а также чтобы исключить возможность возникновения недопустимого перепада давлений на эластичной резиновой мембране 2 при вакуумировании, выравнивают давления в жидкостной магистрали 6 с жидкостной полостью 4, газовой магистрали 7 с газовой полостью 5 с атмосферным давлением. Это осуществляют, открывая заправочно-дренажные клапана (на фиг.1-3 не показаны), установленные на жидкостной магистрали 6 и газовой магистрали 7, и выпуская через них в атмосферу сжатый газ, использовавшийся для консервации СТР.

Затем начинают вакуумирование жидкостных магистралей 6 с жидкостной полостью 4, газовых магистралей 7 с газовой полостью 5 с помощью вакуумной установки (на фиг.1-3 не показана), подсоединенной к заправочно-дренажным клапанам жидкостной магистрали 6 и газовой магистрали 7 и включающей в себя форвакуумный и высоковакуумный насосы, а также вакуумметры для измерения низкого и высокого вакуума. Вакуумирование осуществляют в два этапа.

Вначале вакуумируют жидкостную магистраль 6 с жидкостной полостью 4 форвакуумным насосом вакуумной установки до установившегося значения равновесного давления, достигаемого с помощью форвакуумного насоса. Под установившимся равновесным давлением может пониматься, например, давление, которое в процессе вакуумирования не меняет свое значение в течение 10-15 мин более чем на 5%. Давление измеряют при помощи низковакуумного, например термопарного, вакуумметра вакуумной установки.

Вакуумирование жидкостной магистрали 6 и жидкостной полости 4 создает перепад давления на их стенках. Если герметичность жидкостной магистрали 6 и жидкостной полости 4 нарушена, то через течь в жидкостную магистраль 6 и жидкостную полость 4 из атмосферы под действием перепада давления будет поступать поток воздуха. Вакуумирование жидкостной магистрали 6 и жидкостной полости 4 форвакуумным, а затем высоковакуумным насосом позволяет как удалить из внутреннего объема жидкостной магистрали 6 и жидкостной полости 4 воздух, первоначально там находившийся, а также постоянно удалять поток воздуха, поступающего через течь, так и удалить газы, адсорбированные на внутренних стенках жидкостной магистрали 6 и жидкостной полости 4. Использование высоковакуумного насоса, помимо форвакуумного, необходимо, поскольку при удалении газов, адсорбированных на внутренних стенках магистралей, при помощи форвакуумного насоса давление в магистралях постоянно понижается и приближается к предельному остаточному давлению форвакуумного насоса, т.е. к такому давлению, при котором быстрота откачки форвакуумного насоса стремится к нулю, или, иными словами, к давлению, при котором форвакуумный насос уже перестает откачивать газ из вакуумируемого объема. Например, для спиральных форвакуумных насосов предельное остаточное давление составляет около 7·10^-2 мбар. В то же время высоковакуумный насос действует при предельном остаточном давлении форвакуумного насоса и более низких давлениях и позволяет продолжать откачку газа из вакуумируемого объема. Например, высоковакуумный турбомолекулярный насос обладает практически постоянной скоростью откачки в диапазоне давлений от 10^-2 до 10^-6 мбар.

В результате описанного удаления адсорбированных газов из жидкостной магистрали 6 и жидкостной полости 4 откачиваемый газовый поток приближается по своему значению к газовому потоку, поступающему во внутренний объем жидкостной магистрали через имеющуюся в магистралях течь. Данная картина вакуумирования справедлива и для вакуумирования газовой магистрали 7 и газовой полости 5, которое описано ниже.

При вакуумировании жидкостной магистрали 6 и жидкостной полости 4 форвакуумным насосом эластичная мембрана 2 под действием атмосферного давления переместится таким образом, что расположится на ограничительной решетке 3 жидкостной полости 4 и не будет при этом соприкасаться со стенкой полусферы газовой полости 5 компенсатора 1 (фиг.2).

Затем завершают первый этап вакуумирования тем, что вакуумируют газовую магистраль 7 и газовую полость 5 компенсатора 1 форвакуумным насосом до установившегося значения равновесного давления. При этом перепад давлений на эластичной мембране 2 становится пренебрежимо малым. Соответственно становится пренебрежимо малым поток газа, проходящий через эластичную мембрану 2 при последующем вакуумировании жидкостной магистрали 6 с жидкостной полостью 4 и газовой магистрали 7 с газовой полостью 5 компенсатора 1. Это позволяет исключить влияние перетекания газа через эластичную мембрану 2 на результаты испытаний герметичности жидкостной магистрали 6 с жидкостной полостью 4 и газовой магистрали 7 с газовой полостью 5.

После этого осуществляют второй этап вакуумирования, при этом вначале вакуумируют жидкостную магистраль 6 с жидкостной полостью 4 высоковакуумным насосом до установившегося значения равновесного давления, достигаемого с помощью высоковакуумного насоса.

После этого определяют герметичность жидкостной магистрали 6 с жидкостной полостью 4 по величине газового потока, поступающего из жидкостной магистрали 6 с жидкостной полостью 4 при вакуумировании их высоковакуумным насосом.

Затем второй этап вакуумирования завершают тем, что вакуумируют газовую магистраль 7 и газовую полость 5 компенсатора 1 высоковакуумным насосом до установившегося значения равновесного давления, достигаемого с помощью высоковакуумного насоса.

После этого определяют герметичность газовой магистрали 7 и газовой полости 5 компенсатора 1 по величине газового потока, поступающего из газовой магистрали 7 и газовой полости 5 при вакуумировании их высоковакуумным насосом.

Изложенный способ испытаний на герметичность гидравлической системы терморегулирования космического аппарата позволяет повысить точность испытаний за счет устранения опасности пропуска течи в стенках газовой полости 5 компенсатора 1. Этот пропуск течи может быть вызван соприкосновением эластичной мембраны 2 со стенками газовой полости 5, как это показано на фиг.3. При изложенном способе испытаний эластичная мембрана 2 располагается на ограничительной решетке 3 жидкостной полости 4.

В предлагаемом способе повышается точность испытаний на герметичность гидравлической системы терморегулирования космического аппарата, снабженной гидропневматическим компенсатором с ограничительной решеткой жидкостной полости.

Использование предлагаемого способа позволяет за счет повышения точности испытаний на герметичность изделий повысить качество испытаний и, как следствие, повысить надежность и долговечность изделий в эксплуатации.

Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.

Примером реализации предлагаемого способа могут служить проведенные испытания одного из контуров системы терморегулирования российского многоцелевого лабораторного модуля Международной космической станции при его подготовке в РКК «Энергия». Вначале консервационное давление из газовой и жидкостной магистралей контура и полостей компенсатора был сдренажировано до атмосферного. После этого вакуумировали жидкостную магистраль контура с жидкостной полостью компенсатора форвакуумным насосом вакуумной установки - спиральным вакуумным насосом ISP-250B производства компании «Anest Iwata» - до установившегося равновесного давления, которое составило 8·10^-3 мм рт.ст. После этого были отвакуумированы газовая магистраль контура и газовая полость компенсатора тем же форвакуумным насосом до установившегося равновесного давления, которое составило 6·10^-3 мм рт.ст.

После этого был осуществлен второй этап вакуумирования, при котором вначале отвакуумировали жидкостную магистраль контура с жидкостной полостью компенсатора, оснащенным азотной ловушкой, высоковакуумным насосом - турбомолекулярным насосом ТМН 071 производства компании «Pfeiffer» - до установившегося равновесного давления, которое составило 4,0·10^-6 мм рт.ст. Затем отвакуумировали газовую магистраль контура с газовой полостью компенсатора тем же высоковакуумным насосом до установившегося равновесного давления, которое составило в этом случае 1,4·10^-6 мм рт.ст.

После этого определили герметичность жидкостной магистрали контура с жидкостной полостью компенсатора гидравлической системы терморегулирования по величине газовых потоков, поступающих из жидкостной магистрали с жидкостной полостью компенсатора гидравлической системы терморегулирования, которая составила 0,085 л·мкм рт.ст./с. В завершение определили таким же образом герметичность газовой магистрали контура с газовой полостью компенсатора, которая составила 0,045 л·мкм рт.ст./с.