RU2324628C2 - Способ диагностики состояния разделителя топливного бака вытеснительной системы подачи топлива на космический объект - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к двигательным системам космических объектов. Согласно предлагаемому способу отсекают газовую магистраль подачи газа наддува и жидкостную магистраль подачи жидкого топлива на космический объект. Тем самым образуют с помощью разделителя два герметически замкнутых объема: газовый и жидкостный. Каждый объем включает в себя газовую (жидкостную) полость топливного бака и часть газовой (жидкостной) магистрали с нормально закрытым пускоотсечным клапаном. Создают предварительным наддувом заданное давление в газовой полости бака и однофазный состав топлива в жидкостной полости бака. Фиксируют начальные давление и температуру газа в газовой полости бака. Периодически измеряют давление и температуру в газовой полости бака и температуру в жидкостной его полости. Диагноз состояния разделителя устанавливают из анализа динамики изменения измеряемого давления в газовой полости бака. При нарушении целостности разделителя это давление будет стремиться к некоторому равновесному значению, вычисляемому по определенной зависимости. Технический результат изобретения состоит в возможности диагностировать, в том числе на ранней стадии и в автоматическом режиме, как быстро, так и медленно развивающиеся неисправности разделителя топливного бака, ведущие к нарушению его целостности. 3 ил.

Description

Изобретение относится к космической технике, к области проектирования и эксплуатации вытеснительных систем (ВС) подачи топлива двигательной установки (ДУ) космических аппаратов (КА), а именно к системам контроля и диагностики неисправностей в ВС при эксплуатации в космосе.

Рассматриваются ВС, где вытесняющий газ воздействует на жидкие компоненты топлива через разделительный элемент (далее разделитель) бака [1, с.20], что позволяет снять вопросы совместимости топлива и вытесняющего газа, ориентации жидкого компонента топлива в состоянии невесомости и надежной подачи, например, в камеру жидкостного ракетного двигателя [2, с.145].

Выход из строя (повреждения в виде трещин, микронеплотностей сквозного характера или полное разрушение) разделителя бака приводит к попаданию вытесняющего газа в компоненты топлива, что приводит к выделению в системах подачи свободного газа из топлива, попаданию газа на входы в ДУ и нарушению режимов ее работы.

В процессе полета КА разделитель бака ВС подвергается механическим воздействиям (статическим, вибрационным и ударным нагрузкам, линейным ускорениям и акустическому шуму), которые могут приводить к неисправности разделителя. Причем неисправность может быть быстро и медленно развивающейся. Быстрая неисправность, приводящая к существенному нарушению целостности разделителя, при контроле, например за перепадом давления на разделителе, может достаточно ярко проявиться. Однако в ряде случаев (для разделителей с малой жесткостью, для разделителей с переменной жесткостью или когда абсолютная погрешность измерения перепада давления на разделителе сравнима с величиной его жесткости) изменение перепада давления в баке не столь заметно и выявить нарушение целостности разделителя по этому параметру затруднительно. Кроме того, медленные неисправности разделителя бака проявляются в показаниях контрольных параметров значительно слабее. Особенно слабо выражены медленные неисправности малой степени, такие как незначительные утечки компонента топлива в газовую полость бака или газа наддува в жидкостную полость бака при незначительных по величине повреждениях разделителя. В результате чего даже для достаточно отработанных или серийно изготовленных ВС, на которых устранены основные конструктивные недоработки и дефекты, могут проявиться (особенно для такого чувствительного элемента как разделитель бака) скрытые, редко проявляющиеся конструктивные дефекты или неисправности. Они связаны с новыми условиями работы ДУ в составе КА, или случайными производственными дефектами, присущими данному конкретному экземпляру ВС, или ухудшением характеристик надежности из-за изменения технологии изготовления, не улавливаемой используемыми системами контроля качества изготовления.

Так возникает задача диагностики состояния пневмогидравлической системы (ПГС), в частности разделителя топливного бака вытеснительной системы подачи, возможного нарушения целостности разделителя на этапе предварительного наддува топливного бака и не выявленного, после механических воздействий на разделитель, на предыдущих этапах эксплуатации КА.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание надежного способа диагностики состояния разделителя топливного бака после механических воздействий на него в процессе эксплуатации КА на этапе предварительного наддува топливного бака предшествующего режиму перелива топлива из жидкостной полости бака.

Техническим результатом, получаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность:

- по динамике изменения давления в газовой полости бака диагностировать как быстро развивающуюся неисправность разделителя бака, так и медленно развивающуюся;

- установить факт потери герметичности разделителя бака на более ранней стадии (до режима перелива топлива из бака) и таким образом предотвратить попадание газа наддува на входы в ДУ и нарушение режимов работы ДУ;

- дать прогнозную оценку ожидаемого падения давления в топливном баке при нарушении именно целостности разделителя.

Поставленная задача достигается способом диагностики состояния разделителя топливного бака вытеснительной системы подачи топлива на космический объект, заключающаяся в том, что отсекают газовую магистраль подачи газа наддува и жидкостную магистраль подачи жидкого топлива потребителю на космический объект, образуя разделителем два герметически замкнутых объема - газовый: V_г, включающий газовую полость топливного бака и часть газовой магистрали с нормально закрытым пускоотсечным клапаном, и жидкостный: V_ж, включающий жидкостную полость топливного бака и часть жидкостной магистрали с нормально закрытым пускоотсечным клапаном; измеряют начальные давление (Р_нг) и температуру (Т_нг) газа в газовой полости бака после наддува бака при однофазном составе топлива в жидкостной полости бака; периодически и одновременно измеряют суммарное давление (ΣР_кг) газа наддува и давление паров жидкого топлива и температуру (Т_кг) в газовой полости бака, температуру (Т_кж) в жидкостной полости бака и вычисляют равновесное суммарное давление (ΣР_к) газа наддува и давление насыщенных паров жидкого топлива по выражению

где А=V_г+ξ·V_ж·В·Т_кг; ξ - коэффициент Генри; В - удельная газовая постоянная газа наддува; b₁, b₂, b₃ - коэффициенты зависимости давления насыщенных паров топлива от температуры; по измеренным значениям ΣР_кг и вычисленным для тех же моментов времени значениям ΣР_к строят кривые зависимости ΣР_кг и ΣР_к от времени, а диагностику проводят по результатам сравнения этих зависимостей между собой в каждый момент времени и судят о нарушении целостности разделителя бака при выполнении условия mod(ΣР_к-ΣР_кг)≤ΔY, где ΔY определяется с учетом предельных абсолютных погрешностей Δ(ΣР_кг), ΔР_нг измерения давлений и погрешностей ΔТ_кг, ΔТ_нг, ΔТ_кж измерения температур, по выражению

В качестве конкретного примера на фиг.1 изображен фрагмент пневмогидравлической схемы, реализующей предлагаемый способ; на фиг.2 приведен возможный вариант кривых для зависимостей ΣP_кг и ΣР_к от времени, поясняющих суть способа; в таблице на фиг.3 приведены результаты примера реализации предложенного способа.

Фрагмент на фиг.1 состоит из последовательно расположенных регулятора давления 1 рабочего газа наддува, регулятора расхода 2, пускоотсечного клапана 3 на газовой магистрали 4 с установленными на ней датчиками давления 5 и температуры 6; топливного бака 7, включающего газовую полость 8, отделенную разделителем 9 от жидкостной полости 10; датчиков температуры 11 и давления 12 на жидкостной магистрали 13 с установленным на ней пускоотсечным клапаном 14.

Ставится задача диагностики состояния разделителя 9 на этапе предварительного наддува топливного бака 7, т.е. на последнем этапе до начала перелива топлива из бака 7. Поставленная задача реализуется следующим образом.

Отсекают газовую магистраль 4 подачи газа наддува и жидкостную магистраль 13 подачи жидкого топлива потребителю на космический объект, образуя разделителем 9 два герметически замкнутых объема - газовый: V_г, включающий газовую полость 8 топливного бака 7 и часть газовой магистрали 4 с нормально закрытым пускоотсечным клапаном 3, и жидкостный: V_ж, включающий жидкостную полость 10 топливного бака 7 и часть жидкостной магистрали 13 с нормально закрытым пускоотсечным клапаном 14.

Эти замкнутые объемы еще на этапе наземной подготовки вакуумируют и жидкостную полость 10 топливного бака 7 заправляют топливом, предварительно освобожденным от посторонних газовых включений, так что давление в свободной газовой подушке [3, с.18] в жидкостной полости 10 будет соответствовать давлению насыщенных паров топлива.

На этапе предварительного наддува топливного бака 7 сжатый газ, имеющий на входе регулятора давления 1 газа наддува произвольное давление, но заведомо большее уставки регулятора давления 1, приобретает на выходе стабильное давление. Регулятор расхода 2 газа наддува при наличии на входе газ со стабильным давлением обеспечивает протекание газа через себя со стабильным расходом. После открытия нормально закрытого пускоотсечного клапана 3 давление в газовой полости 8 плавно нарастает благодаря стабильному расходу газа, задаваемому регулятором давления 1 и регулятором расхода 2. Газ наддува, попадающий через участок газовой магистрали 4 в газовую полость 8 топливного бака 7, при давлении, превышающем жесткость разделителя 9, перемещает его в сторону жидкостной полости 10. Давление наддува топливного бака 7 подобрано так, что в результате повышения давления в газовой подушке в жидкостной полости 10 пары топлива конденсируются до исчезновения газовой подушки, в результате чего создаем заданное давление в газовой полости бака и однофазный состав топлива в жидкостной полости 10 топливного бака 7. Когда давление в контролируемом газовом объеме достигает величины уставки регулятора давления 1, что фиксирует датчик давления 5, поступает команда на закрытие пускоотсечного клапана 3. Фиксируют для начального момента времени τ=τ_н начальное давление (Р_нг) датчиком давления 5 и начальную температуру (Т_нг) газа датчиком температуры 6 в газовой полости 8 топливного бака 7. Периодически и одновременно через временной интервал Δτ, в зависимости от информативности информационно-телеметрической системы, для момента времени τ=τ_к=τ_н+к·Δτ(к=0,1,2,...) измеряют суммарное давление (ΣР_кг) газа наддува и паров жидкого топлива датчиком давления 5 и температуру (Т_кг) датчиком температуры 6 в газовой полости 8 топливного бака 7, а также температуру (Т_кж) датчиком температуры 11 в жидкостной полости 10 топливного бака 7.

Вычисляют ожидаемое равновесное суммарное давление (ΣР_к) газа наддува и насыщенных паров жидкого топлива по выражению (1).

По измеренным значениям ΣР_кг и вычисленным для тех же моментов времени значениям ΣР_к строят кривые зависимостей ΣР_кг и ΣР_к от времени, как показано на фиг.2, а диагностику проводят по результатам сравнения этих зависимостей между собой в каждый момент времени и судят о нарушении целостности разделителя бака при выполнении условия mod(ΣР_к-ΣР_кг)≤ΔY, где ΔY определяется с учетом предельных абсолютных погрешностей измерения давлений и температур по выражению (2).

При нарушении целостности разделителя на поверхности контакта газа наддува с топливом протекает процесс абсорбции газа. Скорость процесса массопереноса газа наддува из объема V_г в топливо (в объем V_ж) определяется степенью отклонения системы топливо - газ от равновесия, физическими свойствами топлива и газа, способом соприкосновения фаз [3, с.57]. Также необходимо учитывать, что процесс растворения газа жидкостью сопровождается выделением или поглощением тепла (для жидкостей органического происхождения - поглощением тепла [3, с.56]).

Зависимости (1) и (2) в предположении нарушения целостности разделителя топливного бака получены следующим образом.

Очевидно, для анализируемой системы (V_г+V_ж), по мере растворения топливом (массопереноса) газа наддува из объема V_г в объем V_ж, давление в газовой полости бака будет падать, приближаясь к равновесному давлению. На фиг.2 приведена кинетика абсорбции, т.е. скорость процесса массопередачи, представленная в виде варианта зависимости от времени t суммарного давления газа наддува и паров жидкого топлива в газовой полости бака при стремлении к равновесному давлению. Определим суммарную массу (ΣМ_г) газа наддува для τ=τ_н в объеме V_г, используя уравнение Менделеева - Клапейрона [4, с. 151] для идеального газа, по выражению

Очевидно, при периодическом контроле за изменением давления и температуры в газовой и жидкостной частях топливного бака, для любого момента времени τ=τ_к при абсорбции должно соблюдаться соотношение

где М_к и m_к - масса газа наддува, оставшегося в объеме V_г, и масса газа, растворенного в жидкости объемом V_ж.

Массу газа наддува в объеме V_г для момента времени τ=τ_к, аналогично (3), можно определить из соотношения

где Р_кг - парциальное давление газа наддува в объеме V_г.

Статика процесса абсорбции газа определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз (газа наддува и жидкого топлива) и для ракетного топлива подчиняется закону Генри, в соответствии с которым растворимость газа наддува прямо пропорциональна парциальному давлению газа наддува (р) над жидкостью

где с - равновесная концентрация газа в жидкости.

Коэффициент растворимости Генри определяется физико-химическими свойствами жидкости и в диапазоне рассматриваемых давлений является функцией температуры [5, с. 13].

Откуда для равновесного состояния жидкости и газа определяем массу (m) растворенного в топливе газа наддува

а массу газа наддува (М), оставшуюся в объеме V_г, аналогично (5), определим из соотношения

где Т - температура газа и жидкости для равновесного состояния.

Подставляя (3), (7), (8) в соотношение ΣМ_г=М+m, определим парциальное давление газа наддува (р) для равновесного состояния из выражения

Откуда суммарное давление для равновесного состояния в газовой полости топливного бака определим из выражения

где P_s(T) - давление насыщенных паров компонента топлива отвечает зависимости [3, с.18]

или в виде

где b₁, b₂, b₃ - экспериментально полученные коэффициенты для данной топливной композиции зависимости давления насыщенных паров компонента топлива от температуры топлива.

В объеме V_г для каждого момента времени τ=τ_к, принимая в первом приближении температуру газа наддува Т=Т_кг и температуру топлива Т=Т_кж, используя (9) и (10), вычислим ожидаемое при равновесии суммарное давление ΣР_к (складывается из суммы парциальных давлений: вычисленной с использованием закона Генри давления газа наддува (Р_к) и давления насыщенных паров жидкого топлива (P_s)):

Откуда с учетом (12) выражение (13) представляем в виде (1). Очевидно, с течением времени τ=τ_к=τ_н+к·Δτ(к=0,1,2,...), жидкость и газ в объеме V_г+V_ж стремятся к равновесному состоянию, при этом параметры (в том числе и периодически контролируемые) ΣР_кг, ΣР_к, Р_кг, М_к, m_к, Т_кг, Т_кж будут соответственно стремиться: ΣР_кг→ΣР_к→ΣР, Р_кг→Р_к→р, М_к→М, m_к→m, Т_кг→Т, Т_кж→Т.

Периодически измеряемое суммарное давление ΣР_кг (складывается из суммы парциальных давлений газа наддува и давления паров жидкого топлива) в объеме V_г для каждого момента времени τ=τ_к сравниваем с вычисленным (ожидаемым) суммарным давлением ΣР_к, получаемым в результате прогнозной оценки при стремлении системы жидкость - газ, в контролируемом объеме V_г+V_ж, к равновесному состоянию.

Вычисленное по (1) значение к-го параметра ΣР_к сравниваем с измеренным ΣР_кг до тех пор (в пределах планируемой продолжительности данной проверки), пока не получим следующий результат:

где ΔY - величина допустимого расхождения вычисленного и измеренного давлений для данного момента времени τ=τ_к.

Примем за величину допустимого расхождения в соответствии с теорией погрешностей [6, с.132] предельную абсолютную погрешность ΔY функции f(ΣР_кг, Р_нг, Т_кг, Т_нг, Т_кж)=ΣР_к-ΣР_кг переменных ΣР_кг, Р_нг, Т_кг, Т_нг, Т_кж, считая, что для значений переменных ΣР_кг, Р_нг, Т_кг, Т_нг, Т_кж известны предельные абсолютные погрешности, равные Δ(ΣР_кг), ΣР_нг, ΔТ_кг, ΔТ_нг, ΔТ_кж, соответственно. В первом приближении при определении ΔY в диапазоне рассматриваемых давлений будем считать ξ не зависящей от температуры.

ΔY равна сумме произведений модулей частных производных функции f(ΣР_кг, Р_нг, Т_кг, Т_нг, Т_кж) по переменным ΣР_кг, Р_нг, Т_кг, Т_нг, Т_кж на предельную абсолютную погрешность соответствующего значения переменной, откуда

Исходя из физического смысла поставленной задачи в выражении (15) слагаемые под знаком модуля могут принимать только положительные значения. Учитывая это обстоятельство, из (15) получаем (2).

Необходимо отметить, что по динамике изменения ΣР_кг от времени и скорости сближения кривых зависимостей Р_кг и Р_к от времени можно судить о степени повреждения разделителя бака и дальнейшей корректировке планируемой продолжительности данной проверки.

Приведем конкретный пример реализации предложенного способа диагностики состояния разделителя топливного бака вытеснительной системы подачи.

При диагностике состояния разделителя топливного бака единицы измерения величин взяты в системе СИ.

В качестве примера ракетного топлива, заправленного в жидкостную полость 10 топливного бака 7, будем рассматривать компонент топлива, примерно соответствующий по своим свойствам четырехокиси азота (N₂О₄) [5, с.14-16], а в качестве газа наддува рассматриваем азот (N₂). Для азота удельная газовая постоянная В=R/μ=8,31·10³/28=297 Дж/(кг·К), где R - универсальная газовая постоянная, μ - молекулярный вес газа.

На этапе предварительного наддува топливного бака 7 сжатый газ, имеющий на входе регулятора давления 1 газа наддува произвольное давление, но заведомо большее уставки регулятора давления 1, приобретает на выходе стабильное давление (положим 2·10⁶ Па). Регулятор расхода 2 газа наддува при наличии на входе газа со стабильным давлением обеспечивает протекание газа через себя со стабильным расходом. После открытия нормально закрытого пускоотсечного клапана 3 давление в газовой полости 8 плавно нарастает благодаря стабильному расходу газа, задаваемому регулятором давления 1 и регулятором расхода 2. Газ наддува, попадающий через участок газовой магистрали 4 в газовую полость 8 топливного бака 7, при давлении, превышающем жесткость разделителя 9, перемещает его в сторону жидкостной полости 10. Давление наддува бака 7 подобрано так, что в результате повышения давления в газовой подушке в жидкостной полости 10 пары топлива в полости 10 конденсируются до исчезновения газовой подушки, в результате чего создаем заданное давление в газовой полости 8 бака 7 и однофазный состав топлива в жидкостной полости 10 бака 7. Когда давление в контролируемом газовом объеме V_г достигает величины уставки регулятора давления 1 (2·10⁶ Па), что фиксирует датчик давления 5, поступает команда на закрытие пускоотсечного клапана 3.

В результате разделителем 9 бака 7 и нормально закрытыми пускоотсечными клапанами 3 и 14 газовая и жидкостная части пневмогидравлической магистрали разделены на два герметически замкнутых объема V_г и V_ж соответственно. Полагаем объем V_г=10^-2 м³, а V_ж=2·10^-1 м³.

Фиксируем для начального момента времени τ=τ_н начальное давление (Р_нг) датчиком давления 5 (соответствующее уставке регулятора давления 1 Р_нг=2·10⁶ Па) и начальную температуру (Т_нг) газа датчиком температуры 6 (положим T_нг=293 К) в газовой полости 8 топливного бака 7.

Фиксируем также для τ=τ_н начальное давление (Р_нж) датчиком давления 12 (положим P_нж=19,25·10⁵ Па) и начальную температуру (Т_нж) топлива датчиком температуры 11 (положим Т_нж=293 К) в жидкостной полости 10 бака 7. Положим известной жесткость (J) разделителя бака J=0,75·10⁵ Па. Как видно из результатов измерения в начальный момент времени перепад давления в баке ΔР=Р_нг-Р_нж=20,00·10⁵-19,25·10⁵=0,75·10⁵ Па, что соответствует величине жесткости разделителя. Однако при всей полезности данной информации она может быть взята под сомнение, если абсолютная погрешность δ(ΔР) окажется одного порядка с искомой величиной ΔР. Так, полагая абсолютные погрешности непосредственно измеряемых величин Р_нг и Р_нж, равными, соответственно ΔР_нг=0,8·10⁵ Па и ΔР_нж=0,7·10⁵ Па, определим среднеквадратичную погрешность измерения величины ΔР [3, с. 229]

δ(ΔР)≈[(ΔР_нг)²+(ΔР_нж)²]^1/2=[(0,8·10⁵)²+(0,7·10⁵)²]^1/2=1,06·10⁵ Па,

т.е. величина погрешности δ(ΔР) оказалась даже выше величины ΔР.

Таким образом, для приведенного примера выявить нарушения в разделителе с помощью контроля за перепадом давления в баке по результатам измерения датчиками давления 5 и 12 не представляется возможным.

Периодически и одновременно с интервалом Δτ, в зависимости от информативности информационно-телеметрической системы, для каждого момента времени τ=τ_к=τ_н+к·Δτ(к=0,1,2,...), измеряем давление (ΣР_кг) датчиком давления 5 и температуру (Т_кг) датчиком температуры 6 в газовой полости 8 бака 7, а также температуру (Т_кж) датчиком температуры 11 в жидкостной полости 10 бака 7 и находим прогнозируемое по зависимости (1) в первом приближении равновесное давление ΣР_к, корректируя его по (1) на каждом временном шаге. В выражении (1) принимаем коэффициенты b₁, b₂, b₃ для выбранной топливной композиции по данным [5, с.15-16] зависимости упругости пара от температуры, равными: b₁=56,6064; b₂=-5405,09; b₃=-4,6977.

По измеренным значениям ΣР_кг и вычисленным для тех же моментов времени значениям ΣР_к строим кривые зависимости ΣР_кг и ΣР_к от времени, как показано на фиг.2, а диагностику проводим по результатам сравнения этих зависимостей между собой в каждый момент времени и судим о нарушении целостности разделителя бака при выполнении условия (14). ΔY определяем с учетом предельных абсолютных погрешностей измерения давлений (полагаем Δ(ΣР_кг)=0,8·10⁵ Па, ΔР_нг=0,8·10⁵ Па) и температур (полагаем ΔТ_кг=2 К, ΔТ_нг=2 К, ΔТ_кж=1,5 К) по выражению (2).

Предположим получили следующие результаты измерений контролируемых параметров (ΣР_кг, Р_кж, Т_кг, Т_кж), а также прогнозируемого по зависимости (1) равновесного давления ΣР_к, которые сведены в таблицу на фиг.3.

Например, для к=1, измерили ΣР_кг=1,3·10⁶ Па и Т_кг и Т_кж, равными 292 К и 294 К, соответственно. Коэффициент Генри будем принимать для температуры в первом приближении, равной средней арифметической Т_кг и Т_кж. Тогда коэффициент Генри с учетом [5, с.16] предположим принимает значение ξ=21,1·10^-7 кг/м³·Па). Откуда по зависимости (1)

А=V_г+ξ·V_ж·В·Т_кг=10^-2+21,1·10^-7·2·10^-1·297·292=4,66·10^-2 м³ и

ΣР_к=Р_нг·V_г·Т_кг/Т_нг/А+exp(b₁+b₂/Т_кж+b₃·lnT_кж)=2·10⁶·10^-2·292/292/4,66·10^-2+ехр(56,6064-5405,09/294-4,6977·ln294)=4,28·10⁵+1,01·10⁵=5,29·10⁵ Па.

Определим по зависимости (2)

ΔY=Δ(ΣР_кг)+ΔР_нг·V_г·Т_кг/Т_нг/А+ΔТ_кг·(Р_нг·V_нг/Т_г/А-Р_нг·V_г·Т_кг·ξ·V_ж·В/Т_нг/А²)+ΔТ_нг·Р_нг·V_г·Т_кг/Т_нг ²/А+ΔТ_кж·exp(b₁+b₂/Т_кж+b₃·lnT_кж)·(-b₂/Т_кж ²+b₃/Т_кж)=0,8·10⁵+0,8·10⁵·10^-2·292/293/4,66·10^-2+2·(2·10⁶·10^-2/293/4,66·10^-2-2·10⁶·10^-2·292 21,1·10^-7·2·10^-1·297/293/(4,66·10^-2)²)+22·10⁶·10^-2·292/293²/4,66·10^-2+1,5ехр(56,6064-5405,09/294-4,6977·ln294)(5405,09/294²-4,6977/294)=1,08·10⁵ Па.

Откуда mod(ΣР_к-ΣР_кг)=mod(5,3·10⁵-1,3·10⁶)=7,7·10⁵ Па, что больше соответствующего ΔY=1,08·10⁵ Па.

Продолжаем диагностику состояния разделителя для к=2, 3 и т.д. до получения верности условия mod(ΣР_к-ΣР_кг)≤ΔY. Как видно из результатов примера на фиг.3, для к=4 mod(ΣР_к-ΣР_кг)=mod(5,3·10⁵-6,0·10⁵)=0,7·10⁵ Па, что меньше соответствующего ΔY=1,08·10⁵ Па. Таким образом, условие (14), начиная с к=4, выполнено, т.е. система жидкость - газ в объеме V_г+V_ж стремится к равновесному состоянию, а именно к ожидаемому равновесному давлению ΣР_к согласно закону Генри, что позволяет утверждать о нарушении именно целостности разделителя бака.

По кинетике абсорбции, как это видно из фиг.2 и таблицы на фиг.3, возможны варианты различных скоростей падения давления ΣР_кг(τ), что позволяет судить о степени отклонения системы топливо - газ от равновесия, о влиянии физических свойств топлива и газа, о возможных способе и суммарной площади соприкосновения фаз, о скорости развития неисправности разделителя (быстрая или медленная неисправности).

Таким образом, предлагаемый способ диагноза состояния разделителя топливного бака вытеснительной системы подачи позволяет:

1) по динамике изменения давления в газовой полости бака диагностировать как быстро развивающуюся неисправность разделителя бака, так и медленно развивающуюся;

2) установить факт потери герметичности разделителя бака на более ранней стадии (до режима перелива топлива из бака) и таким образом предотвратить попадание газа наддува на входы в ДУ и нарушение их работы;

3) дать прогнозную оценку ожидаемого падения давления в топливном баке при нарушении именно целостности разделителя;

4) автоматизировать процесс диагноза состояния разделителя топливного бака с помощью системы управления, используя аналоговую информацию, поступающую с соответствующих датчиков давления и температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. /Под ред. академика В.Н.Челомея. - М.: Машиностроение, 1978, 240 с.

2. В.А.Володин, Ю.Н.Ткаченко. Конструкция и проектирование ракетных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. 272 с.

3. Отработка пневмогидросистем двигательных установок ракет-носителей и космических аппаратов с ЖРД. / Д.А.Полухин, В.М.Орещенко, В.А.Морозов. - М.: Машиностроение, 1987. - 248 с.

4. Б.М.Яворский и А.А.Детлаф. Справочник по физике. - изд. пятое, стереотипное. - М.: Наука, Гл. ред.физ.-мат. лит., 1971. - 940 с.

5. Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установок. / Э.В.Венгерский, В.А.Морозов, Г.Л.Усов. - М.: Машиностроение, 1982. - 128 с.

6. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Издание тринадцатое, исправленное. М.: Наука, 1986, 544 с.

Claims (1)

1. Способ диагностики состояния разделителя топливного бака вытеснительной системы подачи топлива на космический объект, заключающийся в том, что отсекают газовую магистраль подачи газа наддува и жидкостную магистраль подачи жидкого топлива потребителю на космический объект, образуя разделителем два герметически замкнутых объема: газовый (V_г), включающий газовую полость топливного бака и часть газовой магистрали с нормально закрытым пускоотсечным клапаном, и жидкостный (V_ж), включающий жидкостную полость топливного бака и часть жидкостной магистрали с нормально закрытым пускоотсечным клапаном, измеряют начальные давление (Р_нг) и температуру (Т_нг) газа в газовой полости бака после наддува бака при однофазном состоянии топлива в жидкостной полости бака, периодически и одновременно измеряют суммарное давление (ΣР_кг) газа наддува и паров жидкого топлива и температуру (Т_кг) в газовой полости бака, температуру (Т_кж) в жидкостной полости бака и вычисляют равновесное суммарное давление (ΣР_к) газа наддува и насыщенных паров жидкого топлива по выражению

   

   где А=V_г+ξ·V_ж·В·Т_кг; ξ - коэффициент Генри, В - удельная газовая постоянная газа наддува, b₁, b₂, b₃ - экспериментальные коэффициенты в зависимости давления насыщенных паров топлива от температуры, по измеренным значениям ΣР_кг и вычисленным для тех же моментов времени значениям ΣР_к строят кривые зависимости ΣP_кг и ΣР_к от времени, а диагностику проводят по результатам сравнения этих зависимостей между собой в каждый момент времени и судят о нарушении целостности разделителя бака при выполнении условия

   mod(ΣP_к-ΣP_кг)≤ΔY,

   где ΔY определяется с учетом предельных абсолютных погрешностей Δ(ΣР_кг), ΔР_нг измерения давлений и погрешностей ΔТ_кг, ΔТ_нг, ΔТ_кж измерения температур, выражением

   

Images