Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕФЕКТАЦИИ В ПОЛЕТЕ ЗАПРАВЛЕННОЙ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАГИСТРАЛИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изобретение относится к космической технике, конкретно к устройствам для дефектации и способам дефектации в полете заправленной рабочим телом гидравлической магистрали системы терморегулирования пилотируемого космического объекта, размещенной внутри обитаемого отсека. По результатам дефектации определяется подлежащий замене (или исключению из гидравлической магистрали путем шунтирования) негерметичный участок системы.

Изобретение может быть использовано на предприятиях и в организациях, разрабатывающих и эксплуатирующих пилотируемую космическую технику, предназначенную для длительного пребывания в условиях орбитального космического полета.

Как известно, дефектация - это оценка технического состояния системы и ее отдельных элементов по результатам контроля и измерения структурных параметров. По результатам дефектации элементы системы в зависимости от их состояния делятся на три категории: годные к дальнейшей эксплуатации без ремонта; требующие ремонта; негодные, требующие замены, см., например, [1] стр.91.

Для гидравлических магистралей систем терморегулирования космических объектов главным структурным параметром является их герметичность.

Это обусловлено тем, что давление рабочего тела в гидравлических магистралях систем терморегулирования космических объектов может в несколько раз превышать давление атмосферы их обитаемых отсеков из-за значительной протяженности гидравлических магистралей и больших расходов рабочего тела в этих магистралях, вызванных высокой тепловой нагрузкой на систему терморегулирования.

Наиболее опасной аварийной ситуацией, которая может возникать в таких системах во время полета, является потеря герметичности трубопроводами и другими элементами гидравлической магистрали системы терморегулирования космического объекта, вследствие различного рода эксплуатационных причин (коррозия материала трубопроводов, проявление скрытого заводского технологического брака, неправильная эксплуатация и т.п.). В результате разгерметизации гидравлической магистрали рабочее тело системы с различной степенью интенсивности может попадать в атмосферу обитаемых отсеков и разноситься по космическому объекту средствами вентиляции, вызывая те или иные негативные последствия как для экипажа, так и для бортовых систем. Для парирования такой ситуации необходимо провести дефектацию системы, по результатам которой определить конкретное место негерметичности, провести ремонт или заменить поврежденный участок, или исключить его из гидравлической магистрали путем шунтирования.

Известен и широко применяется в промышленности из-за своей простоты гидростатический метод (способ) определения негерметичного участка гидравлических магистралей систем летательных аппаратов, см. [2], стр.196-197.

Метод предусматривает заполнение гидравлической магистрали рабочим телом и нагружение системы номинальным рабочим давлением, при этом место негерметичности определяется визуально по появлению капель рабочего тела на элементах гидравлической магистрали (так называемое «отпотевание» системы) или путем протирки элементов конструкции проверяемого участка фильтровальной бумагой с последующим контролем размера пятна следов рабочего тела.

Применительно к возможности использования этого метода на борту космического объекта он обладает следующими недостатками:

- поиск негерметичности участка гидравлической магистрали системы проводится при номинальном рабочем давлении в системе, поэтому во время поиска такого участка в обитаемый отсек будет попадать рабочее тело, что для космических объектов является недопустимым;

- метод не позволяет определять местонахождение негерметичных участков и элементов систем, покрытых теплоизоляцией или расположенных в труднодоступных местах отсека, где легко можно не заметить и не собрать на фильтровальную бумагу имеющиеся капли рабочего тела.

Известен и также широко применяется в промышленности пневматический метод контроля герметичности пневматических и гидравлических систем летательных аппаратов, позволяющий определять местонахождение негерметичного участка гидравлической магистрали, см. [2], стр.200-203.

Метод предусматривает заполнение гидравлических магистралей систем воздухом или азотом с давлением, равным номинальному рабочему давлению в системе, и нанесение на проверяемые участки и места пенной эмульсии с последующим визуальным наблюдением за ее состоянием. Герметичность проверяемого участка гидравлической магистрали определяется по количеству пузырьков газа, зафиксированных в эмульсии за определенное время. Если количество пузырьков в эмульсии превысит нормативную величину, предусмотренную документацией, проверяемый участок считается негерметичным и бракуется. Метод применяется при контроле герметичности гидравлических систем до их заправки рабочими телами; после заправки таких систем применяться не может.

Известны также способы контроля герметичности с применением контрольного газа гелия или смеси гелия с воздухом, см. [2], стр.203-212, с применением масс-спектрометров или галлоидных течеискателей. Эти способы предназначены для определения мест негерметичности «сухих» гидравлических систем, незаправленных рабочими телами, в процессе их изготовления; для поиска поврежденных участков заправленных систем эти способы применяться не могут.

Известен люминесцентный метод контроля герметичности заправленной гидравлической системы, позволяющий определять места негерметичности и поврежденные участки гидравлической магистрали, см. [2], стр.197-198.

Метод предусматривает предварительное заполнение гидравлической системы смесью рабочего тела (˜98%) и люминесцентного состава (˜2%), нагружение системы номинальным рабочим давлением и облучение проверяемых участков ультрафиолетовой лампой с регистрацией свечения контрольной жидкости под действием ультрафиолетовых лучей. При этом гидравлическая система считается герметичной, если на проверяемых участках не будут обнаружены светящиеся пятна и полосы.

Устройство для осуществления люминесцентного метода контроля герметичности содержит лампу, генерирующую ультрафиолетовый световой поток, приемник отраженного свечения контрольной жидкости, фотоумножитель и осциллограф.

Люминесцентный метод контроля герметичности имеет следующие недостатки:

- метод предусматривает предварительное заполнение гидравлической системы смесью рабочего тела и люминесцентного состава, которую после проведения работы необходимо слить из системы и провести ее повторную заправку чистым рабочим телом, что на борту космического объекта в полете сопряжено со значительными техническими трудностями и большими материальными затратами;

- метод малоэффективен при контроле герметичности участков гидравлической системы, расположенных в труднопросматриваемых местах или покрытых тепловой изоляцией;

- метод не обеспечивает безопасность экипажа, т.к. он основан на определении свечения рабочего тела с люминесцентным составом уже вытесненного из гидравлической магистрали в обитаемый отсек рабочим давлением в системе;

- метод предусматривает использование достаточно сложного и дорогостоящего устройства (оборудования).

Недостатки устройства вытекают из недостатков способа:

- устройство малоэффективно при обнаружении поврежденных участков гидравлической магистрали, находящихся вне зоны облучения ультрафиолетовыми лучами (например, обратная по отношению к лампе сторона трубопровода) или покрытых тепловой изоляцией;

- устройство достаточно сложно, состоит из нескольких крупногабаритных приборов и имеет относительно высокую стоимость;

- для эффективной работы устройство требует общего затемнения обитаемого отсека или местного затемнения проверяемого участка, что создает неудобства в работе для других членов экипажа, не связанных с поиском негерметичных участков гидравлической магистрали.

Известен также манометрический способ контроля герметичности заправленных рабочими телами гидравлических систем летательных аппаратов, см. [2], стр.198-200, таблица 7.2 на стр.205. Способ принят автором за прототип.

Способ предусматривает контроль герметичности систем путем измерения скорости снижения номинального давления рабочего тела в системе. При этом, если скорость снижения давления в системе за определенное время меньше или равна нормативной величине, заданной в эксплуатационной документации, система считается герметичной.

Давление рабочего тела в системе измеряется с помощью манометров и электрических датчиков давления, установленных непосредственно на гидравлической магистрали системы. Показания датчиков давления на пилотируемых космических объектах с помощью радиотехнических систем транслируются на Землю по телеметрическим каналам, а также индицируются на бортовых пультах. Кроме того, сигнал с датчиков давления поступает в бортовой компьютер, где обрабатывается по соответствующему алгоритму с учетом изменения среднемассовой температуры рабочего тела. В результате компьютер сообщает экипажу герметична система или нет.

Простейшим устройством для контроля герметичности системы по этому методу является манометр, см. [2] стр.205, таблица 7.2. Устройство принято автором за прототип.

Устройство имеет следующий недостаток - с помощью него невозможно определить конкретное местонахождение негерметичного участка (элемента) гидравлической магистрали.

Способ также имеет подобный недостаток. Определяя общую негерметичность гидравлической магистрали в целом, способ не позволяет обнаружить местонахождение негерметичного участка.

Задачей настоящего изобретения является создание простого и безопасного для экипажа устройства для дефектации в полете заправленной рабочим телом гидравлической магистрали системы терморегулирования пилотируемого космического объекта, позволяющего определять местонахождение негерметичного участка, а также создание способа его эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство, включающее манометр абсолютного давления, дополнительно содержит вакуумный насос и герметичную емкость, внутренний объем которой разделен эластичной диафрагмой на две полости - жидкостную и газовую, причем жидкостная полость емкости заполнена рабочим телом гидравлической магистрали системы терморегулирования и через первый запорный вентиль связана трубопроводом с дефектуемым участком упомянутой гидравлической магистрали, а газовая полость емкости заполнена воздухом с давлением атмосферы отсека космического объекта и непосредственно связана с манометром абсолютного давления, и кроме того, через второй и третий запорные вентили сообщена соответственно со входом вакуумного насоса и атмосферой отсека космического объекта, при этом выход вакуумного насоса также сообщен с атмосферой отсека.

Задача решается также тем, что в способе выравнивают давление и температуру рабочего тела в гидравлической магистрали соответственно с давлением и температурой атмосферы отсека космического объекта, после чего расчленяют гидравлическую магистраль на отдельные гидравлически несвязанные участки и поочередно сообщают каждый из них с заполненной рабочим телом жидкостной полостью герметичной емкости, в газовой полости которой, отделенной от жидкостной полости эластичной диафрагмой, находится воздух с давлением, равным давлению атмосферы отсека космического объекта, при этом после каждого сообщения упомянутой емкости с дефектуемым участком, гидравлически отключают жидкостную полость герметичной емкости от дефектуемого участка и вакуумируют ее газовую полость до давления насыщенных паров рабочего тела, соответствующего его температуре, а затем, поддерживая эту температуру постоянной, сообщают жидкостную полость герметичной емкости с дефектуемым участком и контролируют изменение давления воздуха в газовой полости герметичной емкости, после чего при отсутствии изменения давления делают заключение о герметичности участка, а при наличии изменения давления - бракуют этот участок.

Технический результат при использовании предложенного устройства для дефектации и способа дефектации в полете заправленной рабочим телом гидравлической магистрали системы терморегулирования космического объекта достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время аналогичных устройств и способов для дефектации, они обеспечивают:

- однозначное определение местонахождения поврежденного участка гидравлической магистрали системы терморегулирования, даже если он покрыт тепловой изоляцией или находится в труднодоступном месте;

- безопасность экипажа при проведении работ по дефектации гидравлической магистрали, т.к. сама дефектация проводится при давлении, меньшем, чем давление атмосферы обитаемых отсеков, и рабочее тело в случае негерметичности проверяемого участка может вытесняться только в жидкостную полость герметичной емкости, а не в обитаемый отсек космического объекта.

Расчленение гидравлической магистрали системы на гидравлически несвязанные участки проводится путем перекрытия запорных вентилей и гидравлических кранов, находящихся в гидравлической магистрали системы, а также путем механической разборки резьбо-штуцерных соединений. При этом даже последняя операция не представляет опасности для экипажа, т.к. проводится после выравнивания давления и температуры рабочего тела в гидравлической магистрали с давлением и температурой атмосферы отсека. Поэтому пролив рабочего тела в отсек исключен;

- устройство для дефектации простое, недорогостоящее, не требует проведения во время дефектации системы дополнительных технологических мероприятий (например, затемнения отсека или проверяемого участка гидравлической магистрали).

Практическую реализацию предложенного устройства для дефектации и способа дефектации в полете заправленной рабочим телом гидравлической магистрали системы терморегулирования космического объекта рассмотрим на примере дефектации гидравлической магистрали системы терморегулирования одного из перспективных модулей Российского сегмента Международной космической станции, предназначенного для длительной эксплуатации в условиях орбитального полета.

Система терморегулирования этого модуля представляет собой замкнутую гидравлическую магистраль, объединяющую теплообменные агрегаты различного назначения (в том числе и для передачи тепла к излучательному радиатору, расположенному снаружи модуля), регуляторы расхода рабочего тела, датчиковую аппаратуру и соответствующую запорно-вентильную арматуру. Циркуляция рабочего тела в гидравлической магистрали производится гидравлическими насосами. Компенсация температурного расширения рабочего тела и поддержание давления рабочего тела в заданном диапазоне обеспечивается гидропневматическим компенсатором. Контроль температуры и давления рабочего тела в системе производится с помощью соответствующих датчиков, установленных в гидравлической магистрали. При этом показания датчиков индицируются на бортовом пульте модуля и транслируются на Землю по телеметрическим каналам. Давление атмосферы в отсеке модуля контролируется экипажем с помощью манометра абсолютного давления (однотипный прибор используется и в устройстве для дефектации). Температура атмосферы (воздуха) в отсеке контролируется воздушными температурными датчиками, показания которых индицируются на бортовом пульте и транслируются на Землю по телеметрическим каналам.

Принципиальная пневмогидравлическая схема устройства для дефектации по предложенному способу, подключенного к дефектуемому участку гидравлической магистрали системы терморегулирования, приведена на чертеже, где обозначены:

1 - устройство для дефектации;

2 - герметичная емкость;

3 - жидкостная полость герметичной емкости;

4 - эластичная диафрагма;

5 - газовая полость герметичной емкости;

6 - вакуумный насос;

7 - штуцер;

8 - запорный вентиль;

9 - штуцер;

10 - запорный вентиль;

11 - манометр абсолютного давления;

12 - запорный вентиль;

13 - гибкий металлорукав;

14 - штуцер;

15 - заправочный клапан;

16 - штуцер;

17 - дефектуемый участок гидравлической магистрали;

18 - место негерметичности;

19 - герметичная заглушка.

Основными элементами устройства для дефектации 1 являются: герметичная емкость 2, вакуумный насос 6 и манометр абсолютного давления 11.

Герметичная емкость 2 представляет собой сферический или цилиндрический баллон низкого давления, внутренний объем которого герметично разделен на две полости - жидкостную полость герметичной емкости 3 и газовую полость герметичной емкости 5 - эластичный диафрагмой 4, при этом материал и конструктивные параметры последней выбраны таким образом, чтобы ее собственная жесткость была значительно меньше, чем давление насыщенных паров рабочего тела гидравлической магистрали и находилась на уровне 2-3 мм рт.ст. Жидкостная полость герметичной емкости 3 заправлена рабочим телом гидравлической магистрали системы терморегулирования через штуцер 16, заправочный клапан 15 и запорный вентиль 12. Заправка производится во время наземной подготовки транспортного грузового корабля, который в числе прочих грузов и доставляет устройство для дефектации 1 на орбитальный модуль.

Газовая полость герметичной емкости 5 через запорный вентиль 8 связана со входом вакуумного насоса 6, выход которого через штуцер 7 сообщен с атмосферой отсека модуля. Кроме того, газовая полость герметичной емкости 5 через запорный вентиль 10 и штуцер 9 также сообщена с атмосферой отсека модуля.

Вакуумный насос 6 предназначен для вакуумирования газовой полости герметичной емкости 5 в ходе дефектации гидравлической магистрали. Он представляет собой малогабаритный агрегат с электроприводом, монтируется на раме устройства для дефектации 1 и запитывается от бортовой розетки системы электропитания модуля.

Измерение давления в газовой полости герметичной емкости 5 проводится манометром абсолютного давления 11. Он представляет собой образцовый прибор с диапазоном измерения от 0 до 960 мм рт.ст., с ценой деления 0,5 мм рт.ст.

На чертеже устройство для дефектации 1 показано подключенным с помощью гибкого металлорукава 13 и штуцера 14 к дефектуемому участку гидравлической магистрали 17, механически отключенного от гидравлической магистрали, условно имеющему место негерметичности 18. На свободный конец дефектуемого участка гидравлической магистрали 17 установлена герметичная заглушка 19.

Дефектация системы (определение негерметичного участка гидравлической магистрали) проводится следующим образом. Экипаж предварительно выравнивает давление и температуру рабочего тела в гидравлической магистрали системы соответственно с давлением и температурой атмосферы отсека модуля. Эта операция проводится с целью исключения пролива рабочего тела в отсек при механическом расчленении гидравлической магистрали на отдельные гидравлически несвязанные участки путем разборки разъемных резьбо-штуцерных соединений. Для этого газовую полость гидропневматического компенсатора системы сообщают с атмосферой отсека, выключают гидравлические насосы системы, прекращая тем самым циркуляцию рабочего тела в гидравлической магистрали, и выдерживают гидравлическую магистраль в нерабочем состоянии в течение определенного времени, пока температура рабочего тела не сравняется с температурой окружающей атмосферы. При этом контроль температуры рабочего тела и окружающей атмосферы проводится с помощью датчиков температуры, установленных в гидравлической магистрали, и воздушных температурных датчиков (с индикацией показаний на бортовом пульте). Далее экипаж расчленяет гидравлическую магистраль на отдельные гидравлически несвязанные участки путем расстыковки разъемных соединений, включая резьбо-штуцерные соединения, и перекрытия отдельных участков гидравлической магистрали с помощью запорных вентилей и кранов, имеющихся в магистрали. Так как давление в гидравлической магистрали равно давлению атмосферы отсека, пролив рабочего тела в отсек не происходит. Если расчленение гидравлической магистрали осуществляют механически, на концы каждого расчлененного участка гидравлической магистрали устанавливают герметичные заглушки.

Затем экипаж достает с места хранения устройство для дефектации 1, проверяет исходное состояние элементов устройства (запорные вентили 8, 10, 12 закрыты, на штуцеры 7, 9, 14, 16 установлены герметичные заглушки), снимает заглушки со штуцеров 7 и 9, открывает запорный вентиль 10 и контролирует давление воздуха в газовой полости герметичной емкости 5 манометром абсолютного давления 11; давление воздуха должно быть равно давлению атмосферы отсека. После этого снимают герметичные заглушки со штуцера 14 и с одного конца дефектуемого участка гидравлической магистрали 17 открывают запорный вентиль 12 и с помощью гибкого металлорукава 13 подключают к дефектуемому участку гидравлической магистрали 17 устройство для дефектации 1. Далее закрывают запорные вентили 10, 12, открывают запорный вентиль 8, включают вакуумный насос 6 и вакуумируют газовую полость герметичной емкости 5 до давления насыщенных паров рабочего тела, соответствующего температуре рабочего тела, равной температуре атмосферы отсека (соответствующая таблица приведена в бортовой инструкции). Контроль давления ведут с помощью манометра абсолютного давления 11. После достижения этого давления закрывают запорный вентиль 8, открывают запорный вентиль 12 и в течение 5-10 мин (зависит от объема дефектуемого участка гидромагистрали и сообщается экипажу специалистами, контролирующими работу экипажа на Земле) контролируют установившееся давление в газовой полости герметичной емкости 5, при этом одновременно контролируют температуру атмосферы отсека и поддерживают ее на постоянном уровне, например, изменением режима работы бортового кондиционера.

Если в течение установленного времени контролируемое давление не изменилось, то проверяемый участок считается герметичным; экипаж приводит устройство для дефектации 1 и прошедший дефектацию участок гидравлической магистрали в исходное состояние. Вначале открывают запорный вентиль 10 и устанавливают в газовой полости герметичной емкости 5 и в прошедшем дефектацию участке гидравлической магистрали давление атмосферы отсека. После этого отстыковывают устройство для дефектации 1 от прошедшего дефектацию участка, устанавливают на свободный конец этого участка герметичную заглушку и приступают к проверке герметичности следующего участка.

Если дефектуемый участок гидравлической магистрали негерметичен, то после открытия запорного вентиля 12 давлением атмосферы отсека рабочее тело из дефектуемого участка будет вытесняться в жидкостную полость двухполостной емкости 3. При этом объем газовой полости двухполостной емкости 5 начнет уменьшаться, давление воздуха начнет возрастать и перестанет соответствовать давлению насыщенных паров рабочего тела. В этом случае дефектуемый участок гидравлической магистрали признается негерметичным (бракуется) и подлежит ремонту (или исключению из гидравлической магистрали).

Выбор давления насыщенных паров рабочего тела в качестве нижней границы контрольного уровня давления обусловлен следующими соображениями.

Для сокращения времени контроля герметичности поврежденных (имеющих повышенную негерметичность) участков гидравлической магистрали необходимо обеспечить максимальный перепад давления между давлением атмосферы отсека космического объекта и давлением воздуха в газовой полости герметичной емкости устройства, так как в этом случае скорость изменения давления в газовой полости герметичной емкости устройства будет максимальной. В то же время необходимо исключить вскипание рабочего тела в жидкостной полости герметичной емкости устройства и герметичном участке гидравлической магистрали, которое наступает при понижении давления в газовой полости герметичной емкости устройства ниже уровня давления насыщенных паров рабочего тела. Поэтому в качестве нижней границы контрольного давления целесообразно выбирать давление насыщенных паров рабочего тела.

После завершения дефектации гидравлической магистрали экипаж проводит сборку автономных участков в единую систему путем соединения разъемных элементов и открытия запорных вентилей, при этом на поврежденном участке определяется и устраняется конкретное место негерметичности. Если негерметичность в условиях полета устранить невозможно, вместо поврежденного участка устанавливается гидравлический шунт.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, дают возможность создать устройство и способ, позволяющие:

- обеспечить однозначное определение местонахождения поврежденного (негерметичного) участка гидравлической магистрали системы, даже если этот участок находится в труднодоступном месте или покрыт тепловой изоляцией;

- обеспечить безопасность экипажа при проведении работ по дефектации гидравлической магистрали, т.к. расчленение магистрали проводится при давлении и температуре рабочего тела, равных соответственно давлению и температуре атмосферы отсека космического объекта, т.е. пролив рабочего тела в отсек произойти не может. Проверка же герметичности каждого участка гидравлической магистрали вообще проводится при давлении, меньшем, чем давление атмосферы отсека, и в случае негерметичности дефектуемого участка магистрали рабочее тело может вытесняться только в жидкостную полость устройства, а не в отсек. Устройство для дефектации отличается конструктивной простотой, компактностью и малой массой.

Литература

1. А.И.Кулаковский, В.И.Новиков, С.С.Червяков "Ремонт и эксплуатация холодильных установок", Москва, "Высшая школа", 1992 г.

2. В.М.Сапожников "Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах", Москва, изд. Машиностроение, 1977 г.