СИСТЕМА ЗАПРАВКИ И ХРАНЕНИЯ КИСЛОРОДА НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Изобретение относится к космической технике, а конкретнее к области проектирования и эксплуатации средств обеспечения жизнедеятельности (СЖО) экипажей космических летательных аппаратов (КЛА).

Как показал опыт эксплуатации пилотируемых космических аппаратов (кораблей, станций), периодически возникает потребность во вне корабельной деятельности (ВКД) - выходов космонавтов в открытый космос для осуществления технических и научно-прикладных задач. Каждый выход связан с определенными массоэнергетическими затратами. В частности, для обеспечения только одного выхода в космос двух человек необходимо затратить около ˜2,5 м³ кислорода. При этом основная часть кислорода (до 75%) расходуется на подготовку к ВКД и осуществление мероприятий для ее завершения (наддувов скафандров для проверки герметичности, продувок скафандров для замены в скафандре воздушной среды на кислородную и осуществления процесса десатурации - вымывания азота из крови человека).

В настоящее время при сравнительно редких выходах (в среднем до 4-х раз в год) требуемое количество кислорода для ВКД доставляется с Земли в отдельных однотипных баллонах с сопутствующей арматурой (заправочным клапаном, редуктором, датчиками давления и клапаном подачи). Часть баллонов устанавливается на борт КЛА (бортовые запасы кислорода), другие баллоны встраиваются в автономную систему жизнеобеспечения (АСОЖ) скафандра и используются непосредственно во время выхода.

Количество выходов в космос строго регламентировано возможностями доставки с Земли потребного количества кислорода.

Известны АСОЖ (см., например, В.Н.Серебряков, «Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов», М., «Машиностроение», 1983, стр.69, Алексеев С.М., Уманский С.П. «Высотные и космические скафандры», М., «Машиностроение», 1973, стр.78-84), а также система хранения и подачи газообразного кислорода (патент RU 2248459 С1, 20.03.2003), которые содержат бортовые кислородные баллоны с датчиками давления, редукторами и клапанами подачи.

В среднем для осуществления одного выхода в космос требуется от 4 до 5 таких кислородных баллонов с суммарной массой от 24 до 30 кг. Для уменьшения объема конструкции кислород хранится в баллонах под высоким давлением порядка до 40 МПа. Основными недостатками такого способа обеспечения кислородом являются:

масса конструкции заменяемого кислородного баллона с сопутствующей арматурой примерно в пять раз превышает массу хранящегося в нем кислорода, что приводит к большим непроизводительным затратам для доставки кислорода с Земли и к очень высокой стоимости осуществления процесса ВКД. Например, по существующим расценкам стоимость доставки 1 кг груза на борт МКС составляет порядка 22000$ (на 2006 г.), следовательно, доставка только для одного выхода в космос 5 кислородных баллонов обходится в ˜660000$;

невозможность проведения дополнительных (или незапланированных) выходов в космос в нештатной ситуации при отсутствии возможности доставки с Земли кислородных баллонов;

наличие на борту гермоотсеков кислородных баллонов, хранящихся и эксплуатирующихся под очень высоким давлением, приводит к возникновению потенциальной и весьма опасной ситуации, связанной с возможностью их разгерметизации.

Указанные недостатки ограничивают функциональные возможности автономных систем жизнеобеспечения скафандров для осуществления ВКД, делают ВКД значительно затратным процессом и вносят элемент повышенной опасности в случае разгерметизации кислородных баллонов высокого давления внутри КЛА.

При наличии на борту источника кислорода, например, системы обеспечения кислородом на основе электролизной установки, разлагающей воду на кислород и водород (как на орбитальной станции «Мир» и международной космической станции), и устройств, обеспечивающих заправку кислорода в кислородные баллоны, можно существенно снизить грузопоток, связанный с доставкой кислорода на борт КЛА.

Для обеспечения заправки кислорода от бортовой системы обеспечения кислородом требуется предварительная осушка, так как получаемый в электролизной установке кислород имеет относительную влажность до 75% при температуре до 25°С, что не позволяет закачивать кислород непосредственно в баллоны без его осушки во избежание выпадения влаги в процессе сжатия.

Степень осушки кислорода диктуется тем, что заправляемый кислород должен иметь гарантированное влагосодержание, соответствующее температуре точки росы не выше минус 55°С. Это требование предъявляется с учетом использования кислорода, полученного в бортовых условиях, в автономных системах жизнеобеспечения скафандров. Например, в случае возникновения нештатной ситуации при продувке скафандра кислородом возможен переход на эжекторную подачу кислорода. В этом случае при влагосодержании кислорода, соответствующем t_p > минус 55°С, возможно замерзание эжектора, вследствие чего произойдет снижение или полное прекращение подачи кислорода.

Задачей настоящего изобретения является создание системы с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками, которая совмещает в себе функции заправки и хранения кислорода, получаемого из электролизных установок непосредственно на борту КЛА, и эксплуатация которой приведет к существенному сокращению расходов на доставку кислородных баллонов и/или к полному отказу от их доставки на проведение ВКД и к повышению надежности, безопасности и экономичности в процессе функционирования.

Технический результат достигается тем, что система заправки и хранения кислорода на борту космического аппарата, состоящая из блока приема газа, блока предварительной осушки кислорода с регулятором перепада давления, блока глубокой осушки кислорода, блока компримирования, устройства управления, распределительных клапанов, трубопроводов и датчиков давления и влажности кислорода, а также бортовых кислородных баллонов с датчиком давления, редуктором и клапанами подачи, в отличие от известной снабжена переключающим электроклапаном, установленным в магистраль, связывающую заправляемый переносной кислородный блок с бортовой системой обеспечения кислородом, а между переключающим электроклапаном и бортовой системой обеспечения кислородом введены блок предварительной осушки кислорода, датчик влажности, установленный на выходе блока предварительной осушки, электроклапан сброса кислорода в кабину, установленный перед блоком глубокой осушки, датчик давления перед компрессором, установленный в магистрали между блоком предварительной осушки и компрессором, после которого установлены датчики контроля давления на выходе компрессора, заправляемый переносной кислородный блок снабжен герметичным входным быстроразъемным и герметичным выходным быстроразъемным соединениями, а между герметичным входным быстроразъемным соединением и заправляемым баллоном установлены обратный клапан и ручной входной клапан. В блоке предварительной осушки регулятор перепада давления выполнен поддерживающим избыточное давление не менее 0,02 МПа.

Возможность заправки и хранения кислорода на борту КЛА достигается тем, что система заправки и хранения кислорода (СЗ и ХК) снабжена блоком предварительной осушки и блоком глубокой осушки кислорода, обеспечивающими подготовку кислорода с необходимыми качествами для его компримирования и дыхания, с установленным между ними датчиком влажности, датчиком давления перед компрессором и электроклапаном подачи кислорода в кабину, датчиками давления между компрессором и переключающим электроклапаном после компрессора, подсоединенным через герметичное входное быстроразъемное соединение к переносному кислородному блоку (ПКБ), в состав которого входят входной ручной и обратный клапаны, баллон, а также ручной клапан подачи и редуктор, за которым установлено герметичное выходное быстроразъемное соединение. Элементы СЗ и ХК объединены распределительными трубопроводами и имеют общее устройство управления.

Использование предлагаемой системы заправки и хранения кислорода на борту КЛА бортовых баллонов скафандров позволит:

иметь на борту КЛА дополнительный источник кислорода для осуществления ВКД;

многократно, по мере необходимости, перезаправлять на борту станции кислородный баллон;

осушать кислород перед заправкой в баллон до влагосодержания, исключающего конденсацию влаги при компримировании кислорода и замерзание при переходе на эжекторную подачу кислорода;

очищать кислород от вредных микропримесей, что позволит использовать его для дыхания "под маску" человеком;

повысить безопасность эксплуатации и процесса заправки за счет снижения давления в переносном кислородном блоке (ПКБ);

обеспечить полную автоматизацию процесса заправки ПКБ, позволяющую снизить до минимума нагрузку на экипаж при эксплуатации системы и исключить возможность аварии, вызванной неправильными действиями экипажа;

обеспечить значительный экономический эффект за счет снижения грузопотока на борт КЛА в части доставляемых кислородных баллонов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 приведена схема предлагаемой системы в целом, на которой показаны связи устройства управления с элементами системы (входящие стрелки - цепи сигнализации, исходящие стрелки - цепи подачи электропитания);

на фиг.2 показана структурная схема устройства управления (пунктирными линиями с точкой - цепи сигнализации и управления, сплошными линиями - цепи подачи электропитания).

Предлагаемая система заправки и хранения кислорода (СЗ и ХК) состоит из следующих основных блоков, агрегатов и аппаратуры: блока предварительной осушки 1 (БПО), на выходе которого установлен датчик влажности 2, соединенный с блоком глубокой осушки 3 (БГО), датчиком давления 4 (ДД1) и электроклапаном 5 (ЭК) подачи кислорода в кабину, к выходу блока глубокой осушки 3 подсоединен компрессор 6 (КОМ), связанный с многократно перезаправляемым переносным кислородным блоком 7 (ПКБ) трубопроводом, содержащим переключающий электроклапан 8 (ЭК) и датчики давления 9 (ДД2-ДД4).

Переносной кислородный блок (ПКБ) 7 многоразового применения содержит баллон 16 с подсоединенными к нему обратным клапаном 17 (OK), ручным входным клапаном 18 (РК1), датчиком давления 19 (ДД5), ручным клапаном подачи 20 (РК2) и редуктором 21 (Р).

На входе в ПКБ установлено герметичное входное быстроразъемное соединение 11, позволяющее многократное подсоединение к переключающему электроклапану 8. На выходе ПКБ имеется герметичное выходное быстроразъемное соединение 14, позволяющее многократное подсоединение к потребителям кислорода.

Обратный клапан 17 предназначен для перекрытия газовой магистрали при движении кислорода в обратном направлении (исключения обратного перетекания кислорода в процессе заправки и хранения баллона).

Для безопасности ручной клапан подачи 20 имеет возможность регулировки подачи кислорода. Кроме того, уплотнительный элемент редуктора 21 выполнен с дренажным каналом, с помощью которого возможные утечки кислорода высокого давления вокруг уплотнителя отводятся на выход редуктора 21.

СЗ и ХК снабжены устройством управления 10 (УУ), состоящим из блока питания 39 (БП), блока обработки сигналов 12 (БОС), логического устройства 13 (ЛУ), панели управления и сигнализации 38 (ПУС) и блока коммутации 15 (БК).

Блок предварительной осушки 1, установленный на входе в систему заправки и хранения кислорода, состоит из двух адсорберов 25 и 26 с встроенными электронагревателями 32 и 33 (ТЭН), попеременно работающих в режимах сорбции/десорбции/охлаждения, электроклапанов с ручным дублированием 23, 24 и 27-30, обеспечивающих необходимое направление газовых потоков, регулятора избыточного давления 22 для постоянного поддержания избыточного давления в БПО 1 не менее 0,02 МПа с целью повышения эффективности процессов, происходящих в адсорберах. Адсорберы 25 или 26 регенерируются нагревом с помощью нагревателей ТЭН 32 и 33 с обратной продувкой через ограничитель расхода (дроссель) 31 небольшой частью осушенного кислорода, который затем сбрасывается в кабину через электроклапаны 28 или 27.

По окончании десорбции происходит охлаждение адсорберов продувкой небольшой частью осушенного кислорода, который затем сбрасывается в кабину при выключенных нагревателях.

Блок предварительной осушки 1 обеспечивает осушку кислорода до влагосодержания, соответствующего температуре точки росы t_p от минус 50°С до минус 55°С. Кроме того, БПО 1 обеспечивает высокую чистоту осушаемого кислорода за счет поглощения вредных примесей в адсорберах 25 и 26.

Датчик влажности 2 предназначен для контроля влагосодержания в кислороде на выходе из БПО 1.

Блок глубокой осушки (БГО) 3 представляет собой адсорбер с нерегенерируемым поглотителем с комбинированной засыпкой (первый слой - силикагель, второй слой - цеолит), обеспечивающий гарантированную доосушку кислорода до влагосодержания, соответствующего температуре точки росы t_p от минус 60 до минус 70°С, в связи с большой погрешностью показаний датчиков влажности в диапазоне температур точки росы от минус 50°С до минус 70°С.

При отказе БПО 1 блок глубокой осушки 2 обеспечивает осушку ограниченного количества кислорода без БПО 1.

Датчик избыточного давления ДД1 4 обеспечивает постоянный автоматический контроль давления в магистрали от БПО 1 до компрессора 6. При повышении давления более заданной величины логическое устройство 13 формирует команду на выключение СЗ и ХК с выдачей информации на ПУС - «Отказ компрессора».

Датчики избыточного давления ДД2-ДД4 9 обеспечивают постоянный автоматический контроль давления на выходе из компрессора 6. При получении сигнала от датчиков давления ДД2-ДД4 9 о достижении заданного давления в ПКБ 7 логическое устройство 13 формирует команды на выключение СЗ и ХК с выдачей информации на ПУС - «Заправка ПКБ закончена».

Электроклапан 5 подачи кислорода в кабину, выполненный с ручным дублированием, обеспечивает автоматический сброс кислорода в кабину в случае повышенной влажности (более минус 45°С температуры точки росы), сохраняя тем самым ресурс БГО 3.

Компрессор 6 обеспечивает заправку баллона 16 кислородом до давления не более 15 МПа.

Переносной кислородный блок 7 (ПКБ) служит для хранения запасов кислорода, полученных из системы обеспечения кислородом, и обеспечения подачи его потребителям.

В ПКБ:

обратный клапан ОК 17 не допускает обратного перетекания кислорода в процессе заправки ПКБ 7;

входной ручной клапан РК1 18 предназначен для закрытия магистрали подачи кислорода в ПКБ;

датчик избыточного давления ДД5 19 обеспечивает постоянный автоматический контроль давления в баллоне 16;

ручной клапан подачи РК2 20 обеспечивает открытие магистрали подачи кислорода;

редуктор Р 21 обеспечивает снижение входного давления к потребителю до заданного (не более 0,45 МПа);

баллон 16 заправляется кислородом до давления не более 15 МПа;

герметичное входное быстроразъемное соединение 11 (на входе в ПКБ 7) и герметичное выходное быстроразъемное соединение 14 (на выходе из ПКБ 7) обеспечивают многократную подстыковку ПКБ к переключающему электроклапану 8 и к потребителям кислорода.

Переключающий электроклапан 8 обеспечивает автоматическое открытие магистрали подачи кислорода в ПКБ 7 при достижении им влагосодержания менее минус 55°С точки росы и закрытие при повышении влажности более минус 55°С точки росы.

Устройство управления 10 осуществляет автоматический режим заправки переносного кислородного блока 7.

В устройстве управления 10 блок обработки сигналов 12 (аналогово-цифровой преобразователь) получает информацию о состоянии электроклапана 5 подачи кислорода в кабину и переключающего электроклапана 8, от датчиков давления 4, 9, 19, значении тока и числа оборотов двигателя компрессора 6 от таходатчика 35, значении тока нагревателей адсорберов (от датчиков тока БК 37), а также о состоянии электроклапанов 23, 24 и 27-30 и нагревателей 32, 33 в БПО 1, переводит их в цифровой код и выводит информацию на ПУС 38 о текущем состоянии контролируемых параметров, а также направляет аналогичную информацию в логическое устройство 13.

Логическое устройство 13 получает управляющие воздействия с пульта управления и сигнализации 38, вводимые космонавтом, и выполняет следующие функции:

постоянно анализирует текущее состояние системы по следующим параметрам:

влагосодержание кислорода после БПО 1 (по информации от датчика влажности 2);

ток и обороты двигателя компрессора 6 (по сигналу от таходатчика двигателя компрессора 35);

давление перед компрессором 6 (от датчика давления ДД1 4);

давление за компрессором 6 (от датчиков давления ДД2-ДД4 9);

положение электроклапанов 5, 8, 23; 24, 27-30 (по информации от сигнализаторов положения клапанов 34);

ток в цепи нагревателей 32 и 33 (от датчиков тока 37);

температура внутри адсорберов 25 и 26 (от датчиков температуры 36);

выдает информацию о состоянии системы на пульт управления и сигнализации 38, а также, в случае отклонения параметров от допустимых значений, выдает рекомендации оператору (космонавту) о дальнейшей работе с системой;

обеспечивает заданную последовательность выдачи команд в блок коммутации 15 в процессе запуска системы, ее функционирования и приведения в исходное состояние после завершения процесса заправки;

формирует и выдает команды на перекладку электроклапанов 23, 24 и 27-30 в БПО 1 и переключение электронагревателей 32, 33 в адсорберах 25, 26 в соответствии с временными циклами, задаваемыми оператором с пульта управления и сигнализации 38 для осуществления процессов сорбции/десорбции/ охлаждения в БПО 1;

выдает команды на выключение системы при:

а) появлении сигналов от датчиков температуры 36 в адсорберах 25 или 26 об отклонении от допустимых значений и формирует сообщение «Отказ БПО»;

б) получении сигнала от датчика давления 4 об увеличении давления перед компрессором 6 более давления настройки регулятора давления 22 и формирует сообщение «Отказ компрессора»;

в) несоответствии положения клапанов заданному состоянию (по данным от сигнализаторов положения клапанов 34);

г) повышении токопотребления выше заданной величины (от датчиков тока в БК 37);

выдает команды на открытие электроклапана 5 подачи кислорода в кабину, выключение компрессора 6 и закрытие переключающего электроклапана 8 при получении сигнала от датчика влажности 2 об увеличении влагосодержания более температуры точки росы минус 45°С с выдачей сообщения на пульт управления и сигнализации - «Влагосодержание кислорода выше нормы»;

выдает команды в БК на приведение системы в исходное состояние, при получении сигнала от датчиков давления 9 о достижении заданного давления в ПКБ 7 выдает сообщение на пульт 38 «Заправка ПКБ закончена».

Блок питания 39 устройства управления 10 обеспечивает подачу электропитания на блок обработки сигналов 12, логическое устройство 13, панель управления и сигнализации 38 и блок коммутации 15.

На панели сигнализации и управления 38 отображается текущее состояние контролируемых параметров, получаемых от блока обработки сигналов 12. Имеется сигнальное табло, на котором отображается обобщающая информация о состоянии системы и предупреждающая информация экипажу об отклонении параметров от допустимого диапазона и необходимости вмешательства экипажа в работу СЗ и ХК (например, отказе электропривода компрессора 6 по сигналам с таходатчика 35, отказе электронагревателей 32, 33 и т.д.).

Кроме того, с панели управления выдаются отдельные команды (в случае сбоя в выполнении алгоритма работы) на управление работой электроклапанов и компрессора.

СЗ и ХК работает следующим образом. Космонавт включает устройство управления 10, которое опрашивает исходное состояние всех параметров и агрегатов СЗ и ХК. При соответствии параметров системы исходному состоянию и выдачи управляющего воздействия с пульта управления и сигнализации 38 логическое устройство 13 выдает команду в бортовую систему обеспечения кислородом (СКО) на открытие клапана подачи кислорода в СЗ и ХК (на схеме не показан), а затем на открытие электроклапанов 5, 29, 27, 23 и включение электронагревателя 32 адсорбера 26 для одновременного осуществления начала сорбции влаги в адсорбере 25 и десорбции влаги в адсорбере 26.

В процессе сорбции кислород подается на вход БПО 1 от СКО под избыточным давлением, поддерживаемым регулятором давления 22, через клапан 29 в адсорбер 25, где осушается до влагосодержания, соответствующего температуре точки росы t_p от минус 50 до минус 55°С, и очищается от вредных микропримесей до чистоты, позволяющей использовать его для дыхания.

Основная часть кислорода, подсушенного в адсорбере 25, проходит через датчик влажности 2. В начале процесса сорбции до тех пор, пока влагосодержание кислорода соответствует температуре точки росы t_p более минус 45°С, логическое устройство 13 формирует команду в блок коммутации 15 на открытие клапана 5 подачи кислорода в кабину и кислород поступает в кабину. При достижении влагосодержания, соответствующего точке росы t_p менее минус 45°С, логическое устройство 13 формирует команду на закрытие клапана 5 подачи кислорода в кабину и открытие переключающего электроклапана 8, затем - на включение компрессора 6 и открытие переключающего электроклапана 8.

Эффективность процесса осушки (сорбции) выше, чем больше избыточное давление. Величина избыточного давления в БПО 1 определяется возможностями бортовой системы обеспечения кислородом.

Кислород, прокачиваемый компрессором 6, проходит через блок глубокой осушки 3, где он осушается до влагосодержания, соответствующего температуре t_p от минус 60 до минус 70°С, и дополнительно очищается от вредных микропримесей. После БГО 3 осушенный кислород поступает на вход компрессора 6, который закачивает его в баллон 16 через открытый переключающий электроклапан 8, обратный клапан 17 и ручной входной клапан 18.

В процессе десорбции адсорбера 26 часть осушенного кислорода поступает через ограничитель расхода 31 в адсорбер 26, где участвует в качестве газа-носителя в процессе десорбции влаги из адсорбера 26 при включенном электронагревателе 32. Затем увлажненный кислород через открытый электроклапан 27 сбрасывается в кабину КЛА.

По окончании десорбции логическое устройство 13 выдает команду в БК 15 на выключение электронагревателя 32 (включение режима охлаждения адсорбера 26) для охлаждения адсорбера 26 за счет продолжающейся продувки его частью осушенного кислорода.

При завершении продувки адсорбера 26 заканчивается цикл сорбции в адсорбере 25. По временной метке, заложенной в алгоритм работы БПО 1, логическое устройство 13 выдает команды на перекладку электроклапанов 29, 23, 27 в закрытое положение, а электроклапанов 30, 24, 28 в открытое положение и выключение электронагревателя 32 и включение электронагревателя 33 для обеспечения процесса десорбции в адсорбере 25 и сорбции в адсорбере 26.

Затем циклы сорбции и десорбции повторяются, обеспечивая непрерывное поступление сухого кислорода в компрессор 6 и далее в баллон 16.

Если в процессе заправки давление перед компрессором 6 превысит давление настройки регулятора давления 22 более чем на 0,03 МПа (по сигналу с датчика давления 4), логическое устройство 13 выдаст команды на открытие электроклапана 5 подачи кислорода в кабину, закрытие переключающего электроклапана 8, выключение компрессора 6 и сформирует сообщение об отказе СЗ и ХК с соответствующей сигнализацией на панели управления и сигнализации 38.

При достижении за компрессором 6 (в баллоне 16) избыточного давления 13 МПа логическое устройство 13 выдает команды на выключение компрессора 6 и открытие электроклапана 5 подачи кислорода в кабину, закрытие переключающего электроклапана 8, выключение работающего электронагревателя в блоке предварительной осушки 1. Затем БПО 1 согласно алгоритму работы продувается кислородом в течение 30 минут для охлаждения адсорбера, который находился в режиме десорбции. Затем логическое устройство 13 выдает команду на приведение СЗ и ХК в исходное состояние с выдачей информации на ПУС - «Заправка ПКБ закончена».