Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАПРАВКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБИТАЕМЫХ АППАРАТОВ

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам заправки гидравлических систем терморегулирования (СТР) транспортных грузовых и пилотируемых кораблей, модулей орбитальных станций и других изделий, посещаемых экипажем в ходе их эксплуатации.

Изобретение может быть использовано на предприятиях, занимающихся изготовлением и эксплуатацией космической техники или в других отраслях промышленности, где предъявляются повышенные требования по безопасности обслуживающего персонала при эксплуатации гидравлических систем охлаждения (обогрева) изолированных от внешней среды помещений.

В настоящее время в практике космических полетов широкое распространение получили гидравлические системы терморегулирования, позволяющие в большей степени обеспечивать комфортные температурно-влажностные условия атмосферы внутри обитаемых или посещаемых экипажем отсеков космических аппаратов (см., например, "Космические аппараты" М. , Военное издательство, 1983 г., с. 213-215).

В качестве теплоносителя в таких системах обычно используются водные растворы этиленгликоля или глицерина, содержащие антикоррозионные, антифрикционные и красящие присадки (иногда и люминофоры).

Обладая рядом общеизвестных преимуществ (негорючесть, взрывобезопасность паров, низкая температура замерзания, незначительная скорость коррозии металла в жидкой фазе), обеспечивающих им безусловное предпочтение перед другими типами жидкостей, эти теплоносители обладают двумя основными недостатками:
а) теплоносители электропроводны и при попадании внутрь приборов или на электроразъемы бортовой кабельной сети могут вызывать короткое замыкание в электросистемах аппаратов с аварийными последствиями;
б) теплоносители в той или иной степени относятся к вредным веществам и при попадании внутрь организма могут вызывать достаточно тяжелое отравление (см., например, справочник "Вредные вещества в промышленности, том 1. Органические вещества" изд. Химия, 1971 г., с. 302-305).

Кроме того, при истечении жидкой фазы теплоносителя в обитаемые отсеки в случае раз герметизации гидравлических магистралей атмосфера отсеков перестает удовлетворять медико-биологическим требованиям по безопасности пребывания экипажа, что, в свою очередь, требует использования экипажем средств защиты органов дыхания и глаз от паров и капель теплоносителя, создавая определенный дискомфорт для экипажа.

Известны способы заправки гидравлических систем теплоносителями или рабочими жидкостями (см. "Агрегаты технического обслуживания самолетов и вертолетов", Егорычев А.Б., Осокин Е.П., Хачикян А.Д., "Машиностроение", 1973 г., с. 101-103).

Способы предусматривают заполнение гидромагистралей рабочими жидкостями и установку в системах рабочего давления, независимого от давления атмосферы в кабинах пилотов и в салоне пассажиров. Обычно такое давление выбирают на уровне, обеспечивающем выполнение системами своих силовых функций, например на уровне 150-210 кг/см², необходимом для выпуска шасси.

Для долговременных пилотируемых КА такой уровень давления неприемлем, поскольку разгерметизация таких магистралей может привести к тяжелым последствиям, как для экипажа, так и для оборудования.

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 создание рабочего давления в системе, равного номинальному рабочему давлению в гидроаккумуляторе (определяется техническими условиями на агрегат) и позволяющего заполнять жидкость в систему, в процессе многократного срабатывания исполнительных механизмов, вплоть до полного заполнения системы. Способ также не увязывает величину устанавливаемого рабочего давления в системе с давлением атмосферы в кабине во время полета.

Известен также способ заправки гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов (см. Авторское свидетельство СССР 133286, кл. B 64 G 13/26, 1979 г.), выбранный в качестве прототипа. Способ предусматривает установку в системе рабочего давления на уровне, меньшем на 100-200 мм рт.ст. нижнего предела давления атмосферы обитаемых отсеков космического аппарата. Способ широко применялся в период 1980-2000 г. при заправке пилотируемых космических аппаратов.

В ходе длительной эксплуатации космической техники выявились следующие недостатки этого способа:
- при установке рабочего давления в системе не учитывается напор, создаваемый гидронасосом в системе. Рабочее давление в гидравлической системе с насосом устанавливается в газовой полости гидропневматического компенсатора, установленного на входе в насос. Поэтому при работе системы рабочее давление в гидромагистралях системы, расположенных в обитаемых отсеках, могло быть выше, чем давление атмосферы отсека. В результате этого в случае разгерметизации системы внутрь отсека происходило истекание теплоносителя в отсек. Такие случаи имели место при эксплуатации СТР модулей станции "Мир", особенно при работе систем за пределами их расчетного ресурса;
- при установке рабочего давления не учитывалось падение напора, создаваемого гидронасосом до точки входа гидромагистрали в обитаемый отсек. Это ограничивало возможности применения высоконапорных гидронасосов, необходимых для гидросистемы орбитальной станции из-за большой разветвленности ее системы и ее большого гидравлического сопротивления;
- не учитывалось также снижение рабочего давления в системе при ее работе из-за понижения температуры теплоносителя, что ограничивало мощность применяемого гидронасоса.

Таким образом, применяемый способ заправки гарантированно обеспечивал безопасность экипажа только при выключенном состоянии системы (т.е. при ее нерабочем состоянии).

В реальных условиях полета экипаж обнаруживал теплоноситель в атмосфере отсека тогда, когда разгерметизация гидромагистрали уже произошла и в отсек попадало определенное количество жидкости.

Поэтому выключение системы только ограничивало количество жидкости, попавшей в отсек, но не предотвращало последствия аварийной ситуации.

Задачей настоящего изобретения является создание способа заправки гидравлических СТР космических аппаратов, обеспечивающего безопасность экипажа как при неработающей, так и при работающей системе, в случае аварийной разгерметизации магистралей внутрь обитаемых отсеков.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе заправки гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, включающем операции измерения гидравлических характеристик системы, заполнения ее гидравлической магистрали теплоносителем и установки статического рабочего давления, предварительно на гидравлическом аналоге заправляемой системы измеряют напор, создаваемый гидронасосом системы при максимальном бортовом напряжении электропитания, и величину падения напора от гидронасоса до точки входа гидромагистрали системы в обитаемый отсек, кроме того определяют зависимость изменения давления в системе на градус изменения температуры теплоносителя и давление кавитации гидронасоса, а затем при заправке системы каждого летательного аппарата после заполнения гидромагистрали теплоносителем измеряют среднемассовую температуру теплоносителя гидромагистрали и устанавливают статическое рабочее давление в системе в соответствии с соотношением:

где А_к = 2÷5 - "кавитационный" коэффициент запаса;
Р_к - давление, при котором начинается кавитация теплоносителя в гидронасосе системы;
P_ст - устанавливаемое статическое рабочее давление в системе;
P_атм ^min - минимальное давление атмосферы в обитаемом или посещаемом отсеке;
ΔP_н ^max - напор, создаваемый гидронасосом системы при максимальном напряжении бортового питания;
ΔР_n - величина падения напора гидронасоса до точки входа гидромагистрали в обитаемый или посещаемый отсек;
t_ср.м ^Т - среднемассовая температура теплоносителя, заправленного в систему;
t_раб. ^Т - температура теплоносителя при работе системы;
ΔP_t - величина изменения давления в системе на градус изменения температуры теплоносителя ("жесткость" системы).

Технический результат предложенного способа заправки состоит в том, что, по сравнению с известными на сегодняшний день способами заправки, он позволяет исключить истечение теплоносителя внутрь обитаемых или посещаемых экипажем отсеков при аварийной разгерметизации гидромагистралей системы, расположенных в этих отсеках, при любом состоянии системы (работает - не работает), что существенно повышает безопасность экипажа и надежность самого космического полета.

По предложенному авторами способу заправку производят следующим образом.

Предварительно в ходе экспериментальной отработки космического аппарата на изделии, имеющем штатную систему терморегулирования (гидравлический аналог: обычно, это СТР изделия для отработки теплового режима), проводят гидравлические испытания, где определяют необходимые гидравлические характеристики системы.

В первую очередь определяют напор, создаваемый гидронасосом, и величину падения напора до точки входа гидромагистрали системы в обитаемый или посещаемый отсек. Для этой цели гидросистема экспериментального изделия оснащается датчиком перепада давления, измеряющего напор насоса, и датчиком давления, установленным в районе входа гидромагистрали в обитаемый отсек.

Хотя величина напряжения бортового питания на современных космических аппаратах стабилизирована на уровне 28,5 ± 0,5 В, в аварийных ситуациях она может достигать 34 В. Поэтому гидравлические характеристики определяются при этом напряжении.

Затем определяют давление в системе, при котором начинается кавитация теплоносителя в гидронасосе. Для этой цели постепенно снижают давление в гидросистеме, одновременно измеряя напор, создаваемый гидронасосом. Когда создаваемый напор станет равным нулю и циркуляция теплоносителя прекратится, фиксируют давление кавитации. Это давление измеряют датчиком рабочего давления, установленным на входе в насос.

Далее определяют "жесткость" гидромагистрали, т.е. величину изменения давления в системе на один градус изменения температуры теплоносителя. С этой целью теплоноситель в системе охлаждают примерно до уровня ее номинальной рабочей температуры с обеспечением контроля текущего давления в системе и среднемассовой температуры теплоносителя. Обычно это производят путем подключения к бортовому теплообменнику СТР наземной термостатирующей установки и организации циркуляции теплоносителя в системе.

Минимально допустимое давление атмосферы в обитаемых или посещаемых экипажем отсеках определяют по технической документации на космический аппарат.

А_к - "кавитационный" коэффициент запаса на основании опыта работы с гидронасосами СТР выбирают в диапазоне значений 2-5. Теоретически он должен быть таким, чтобы произведение А_к • Р_к было близко к верхнему пределу устанавливаемого давления.

После определения экспериментальных параметров (констант) приведенное соотношение принимает вид зависимости устанавливаемого рабочего давления (функция) от среднемассовой температуры теплоносителя в процессе заправки (аргумент). Затем производят расчет зависимости давления от среднемассовой температуры в диапазоне температур, характерном для воздуха в помещении, где происходит заправка системы.

Эта зависимость в виде таблицы приводится в эксплуатационной документации (инструкции на проведение работ по заправке системы).

Для примера рассмотрим предлагаемый способ применительно к технологии заправки гидравлического контура жилых отсеков (КЖО) системы терморегулирования российского транспортного пилотируемого корабля "Союз-ТМ".

Полностью гидравлический аналог КЖО воспроизведен на тепловом макете этого изделия. В процессе гидравлических испытаний КЖО были определены следующие параметры:
ΔP_н ^max = 0,35 кг/см² - напор, создаваемый гидронасосом КЖО при напряжении бортового питания 34 В (максимальное значение для системы электропитания этого корабля);
ΔР_n = 0,05 кг/см² - величина падения напора гидронасоса до точки входа гидромагистрали КЖО в первый обитаемый отсек; в данном случае - спускаемый аппарат корабля;
Р_к = 80 мм рт.ст. - давление кавитации для гидронасоса;
ΔP_t == 5 мм рт.ст./град - величина изменения давления в системе на градус изменения температуры теплоносителя;
А_к - "кавитационный" коэффициент запаса гидронасосов, применяемых в ГЖО корабля "Союз-ТМ" был выбран 5.

По технической документации на космический корабль и на систему терморегулирования (контур КЖО) были выбраны:
P_атм ^min = 760 мм рт.ст. - минимальная величина давления атмосферы внутри обитаемых отсеков корабля (спускаемый аппарат и бытовой отсек), которая может быть в процессе полета (поддерживается специальными средствами);
t_раб ^Т = 7^oС - номинальная среднемассовая температура теплоносителя КЖО при работе системы в полете (обеспечивается работой регулятора расхода жидкости).

Таким образом, если заправка системы производится при среднемассовой температуре теплоносителя, равной, например, 20^oС, то рабочее давление в системе в соответствии с предложенным соотношением выбирается на уровне 400 мм рт.ст. < Pст ≤ 610 мм рт.ст.

С целью снижения темпа натекания воздуха в систему при фактической (реальной) степени герметичности системы и степени устойчивости к кавитации гидронасоса рабочее давление устанавливают на уровне, близком к верхнему пределу, полученному из соотношения давления. В данном случае давление выбирают на уровне ~ 600 мм рт.ст.

Для внутренних гидравлических контуров обогрева СТР служебного модуля "Звезда" Международной космической станции при температуре теплоносителя при заправке системы, равной 18^oС, рабочее давление было установлено на уровне 500 мм рт.ст.

Таким образом, предложенный способ заправки обеспечивает безопасность экипажа, т.к. при разгерметизации системы внутрь жилых или обитаемых отсеков во время ее работы не происходит истечение теплоносителя внутрь отсеков.