Патент на изобретение №2246708

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ОТСЕКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ДРЕНАЖНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области испытательной техники и предназначено для определения негерметичности натурного отсека летательного аппатата (ЛА) с дренажными устройствами (ДрУ). Преимущественно используется для контроля и регулирования аэродинамических нагрузок, действующих на отсек и объекты, размещенные в отсеке ЛА, в полетных условиях. Изобретение включает вдув термостатирующей среды (ТС), используемый в качестве рабочей среды в отсек с расходами, обеспечивающими перепады давлений снаружи и внутри отсека в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений, действующих на отсек по траектории полета ЛА. По измеренным расходам, перепадам давлений и температуре ТС в отсеке определяют негерметичность отсека и, при необходимости, принимают решение о доработке отсека либо изменении количества работающих в полете ДрУ. Изобретение позволяет повысить точность определения негерметичности, надежность эксплуатации отсека ЛА с ДрУ и сократить эксплуатационные затраты на проведение работ. 3 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической и авиационной технике, а именно к определению негерметичности отсека летательного аппарата (ЛА) с дренажными устройствами (ДрУ), обусловленной наличием несанкционированных элементов негерметичности (щелей, зазоров, уплотнений и т.п.) в его конструкции.

Изобретение предназначено для определения эффективной суммарной площади негерметичности (далее – негерметичности) натурного (штатного) отсека, например отсека ракеты-носителя (РН), непосредственно в предстартовый период подготовки РН на технической позиции и необходимо для контроля и регулирования аэродинамических нагрузок, действующих на отсек и объекты, размещенные в отсеке ЛА.

Известен и широко применяется способ определения негерметичности различных элементов конструкции ЛА, например РН, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ним согласно нормативно-технической документации (ГОСТ 26790-95), обеспечивающими их рабочее состояние [1].

Способ основан на вдуве рабочей среды в замкнутый объем, создаваемый вокруг исследуемого элемента конструкции изделия, измерении давлений снаружи и внутри замкнутого объема, по которым определяют суммарный расход рабочей среды через элементы негерметичности конструкции, по которому оценивают негерметичность.

Известны также различные модификации этого способа, разработанные применительно к определению негерметичности различных элементов конструкции РН.

По способу [2] методом накопления при атмосферном давлении вокруг фрагмента конструкции, например отсека, создают замкнутый объем накопления. Проверяемый фрагмент заполняют контрольным газом до избыточного давления по сравнению с давлением в объеме накопления, дается определенная выдержка. После чего регистрируют концентрацию рабочего тела в объеме накопления с применением специальных устройств регистрации, например щупа, соединенного с гелиевым течеискателем, по которой определяют негерметичность фрагмента отсека.

По способу [3] методом вакуумирования также осуществляют контроль негерметичности фрагмента конструкции со сложной и развитой внутренней поверхностью, который отличается от предыдущего тем, что в замкнутом объеме накопления создают разрежение над контролируемой поверхностью.

К недостаткам этих технических решений следует отнести низкую точность определения негерметичности, обусловленную применением их только к отдельным фрагментам отсека, к тому же, если вокруг них можно создать замкнутый объем накопления.

Известен также способ определения негерметичности замкнутой емкости [4], выполненной, например, в виде отсека космического аппарата.

Согласно этому техническому решению осуществляют вдув рабочей среды в замкнутую емкость. В начале и в конце выдержки в течение заданного промежутка времени измеряют давление рабочей среды в емкости, давление и температуру окружающего воздуха, по измеренным значениям которых оценивают негерметичность отсека.

Техническое решение [4] принято за прототип определения негерметичности отсека ЛА.

Недостатком этого технического решения является неточность определения негерметичности, так как негерметичность оценивают в условиях ограниченного газодинамического моделирования, поскольку в качестве рабочей среды используют воздух высокого давления или другие среды, параметры которых (газовая постоянная R и температура Т) отличаются от параметров собственной атмосферы натурного отсека в полете, а также вследствие того, что негерметичность отсека не отвечает требованию обеспечения перепада давлений, действующих на отсек по траектории полета.

Кроме того, исключается возможность определения негерметичности, собранного и предназначенного для полета крупногабаритного изделия, например космической головной части (КГЧ), выполненной в виде отсека или системы взаимосвязанных отсеков, так как требуется создание специальных стендов, привлекаемых для определения негерметичности, к тому же с существенными эксплуатационными затратами на подготовку и проведение работ на этих стендах.

Задачей изобретения является определение негерметичности собранного и предназначенного для полета отсека ЛА с повышенной точностью, необходимой для контроля и регулирования аэродинамических нагрузок, действующих на элементы отсека ЛА и объекты, размещенные в отсеке, по траектории полета ЛА.

Задача решается таким образом, что в известном способе определения негерметичности отсека ЛА с ДрУ, включающем вдув рабочей среды в отсек, измерение давлений внутри и вне отсека при вдуве, согласно изобретению в качестве рабочей среды используют ТС с температурой на входе в отсек, соответствующей температуре термостатирования отсека в предстартовый период подготовки ЛА, а ее вдув в отсек осуществляют с герметично закрытыми ДрУ с расходами, обеспечивающими перепады давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений внутри и вне отсека по траектории полета, после чего при вышеупомянутых расходах ТС производят измерения перепадов давлений и температур в наземных условиях, по которым определяют негерметичность отсека по формуле:

где

– коэффициент расхода суммарной негерметичности отсека;

S – суммарная площадь негерметичности отсека;

G – расход термостатирующей среды;

Р₁, P₂ – давления внутри и вне отсека;

Р_кр – критическое давление;

T₁ – температура в отсеке;

k – показатель адиабаты;

R – газовая постоянная;

g – ускорение в поле тяготения Земли (g=9,8).

Техническим результатом изобретения является:

– использование в качестве рабочей среды термостатирующей среды, генерируемой воздушной системой обеспечения теплового режима (ВСОТР) отсека;

– обеспечение перепадов давлений, действующих на отсек в наземных условиях, соответствующих перепадам давлений по траектории полета;

– обеспечение полномасштабного геометрического моделирования отсека, в том числе объектов, смонтированных в отсеке ЛА.

Кроме того, исключается необходимость создания специальных стендов с системой подачи, регулирования и контроля давлений рабочей среды для определения негерметичности за счет использования штатной ВСОТР для термостатирования объектов, размещенных в отсеке ЛА, что приводит к уменьшению эксплуатационных затрат на проведение работ.

Сущность изобретения иллюстрируется на примере решения поставленной задачи применительно к собранной и предназначенной для полета космической головной части (КГЧ) РН, выполненной в виде отсека. На боковой поверхности КГЧ выполнены ДрУ, а также отверстия вдува и истечения с клапанами для перетекания ТС. В объеме КГЧ размещены объекты функционирования КГЧ.

На фиг.1 иллюстрируется система с основными ее элементами для определения суммарной негерметичности КГЧ. На этом же чертеже иллюстрируется схема перетекания ТС в объеме КГЧ.

На фиг.2 приведена расчетная зависимость негерметичности S КГЧ от перепада давлений Р, снаружи и внутри КГЧ, и расхода G, вдуваемого в объем КГЧ рабочей среды, определенная с учетом газодинамических параметров ТС.

На фиг.3 приведена экспериментальная зависимость негерметичности S КГЧ РН от перепада давлений Р, внутри и вне КГЧ, полученная в предполетный период подготовки КГЧ с использованием ТС.

На этих чертежах:

1 – оболочка космическая головной части;

2 – отверстие дренажного устройства;

3 – клапан дренажного устройства;

4 – средство локального отрыва аэродинамического потока;

5 – источник формирования и регулирования параметров рабочей среды;

6 – трубопровод;

7 – отверстие вдува;

8 – датчик перепада давлений;

9 – средства обеспечения локальной герметичности дренажных устройств;

10 – отверстие в крышке;

11 – пневмотрасса;

12 – отверстие истечения;

13 – клапан отверстия вдува;

14 – клапан отверстия истечения;

15 – объекты (показаны условно в габаритах);

16 – датчик температуры;

17 – экспериментальные данные;

18 – допустимые значения.

Определение суммарной негерметичности (S) осуществляют на собранной и готовой к полету КГЧ (фиг.1) с герметично закрытыми всеми ДрУ средствами обеспечения локальной герметичности ДрУ 9, например, по техническому решению [2].

ДрУ могут быть выполнены в виде отверстий ДрУ 2 в оболочке КГЧ 1, либо отверстий ДрУ 2 с клапанами ДрУ 3, либо со средствами локального отрыва аэродинамического потока 4.

Система содержит источник формирования и регулирования параметров рабочей среды 5 (показан условно), выполненной в виде ВСОТР (см, например, [5]) объектов 15, подлежащих термостатированию в предстартовый период подготовки КГЧ с трубопроводом 6 подачи ТС в КГЧ к отверстию вдува 7 ТС, выполненном в оболочке КГЧ 1. Система содержит также датчик перепада давлений 8, съемные средства обеспечения локальной герметичности ДрУ 9, выполненные в виде крышек с прижимными элементами. Причем одна из этих крышек выполнена с отверстием в крышке 10, сообщенным пневмотрассой 11 с датчиком перепада давлений 8. В объеме КГЧ установлен также датчик температуры 16 ТС. Отверстие истечения ТС 12, выполненное в оболочке КГЧ 1, перекрывают клапаном отверстия истечения 14 ТС.

В качестве рабочей среды используют ТС с температурой на входе в КГЧ, соответствующей температуре термостатирования КГЧ в предстартовый период ее подготовки.

Предварительно трубопровод 6 подачи ТС ВСОТР сообщают с отверстием вдува 7 ТС, открыв клапан отверстия вдува 13 ТС. Перекрывают также отверстие истечения 12 ТС клапаном отверстия истечения 14.

В объем КГЧ через отверстие вдува 7 вдувают ТС, которая перетекает через элементы негерметичности в атмосферу (направление течения ТС показано стрелками).

Вдув рабочей среды осуществляют с расходами G, обеспечивающими перепады давлений Р(Р=Р₁-Р₂) внутри и вне КГЧ в наземных условиях, соотвествующие перепадам давлений внутри и вне КГЧ по траектории полета РН. В качестве модельной среды используют штатную ТС ВСОТР, которая является рабочей средой для термостатирования объектов в предстартовый период подготовки КГЧ. Это повышает точность определения негерметичности, поскольку используется одна и та же физическая среда при функционировании объектов КГЧ в наземных и полетных условиях, и, следовательно, однозначное соответствие расхода G и перепада давлений Р.

При установившемся режиме ТС, соответствующем фиксированному расходу ТС, измеряют перепад давлений Р датчиком перепада давлений 8 и температуру T₁ в КГЧ датчиком температуры 16 ТС. Повторяют эксперимент при различных расходах ТС.

По измеренным перепадам давлений Р, температуре T₁ в КГЧ и соответствующим им расходам G по приведенной формуле или с использованием расчетной сетки (фиг.2), полученной с учетом влияния параметров ТС, определяют зависимость негерметичности КГЧ от перепада давлений АР (фиг.3), которую сравнивают с допустимой, заданной в документации характеристикой.

По окончании работы средства обеспечения локальной герметичности ДрУ 9 снимают с КГЧ. Закрывают клапан отверстия вдува 13 ТС. Освобождают также клапан отверстия истечения 14 ТС.

С использованием технического решения для отсека КГЧ с объемом газовой среды V=155 м³ на фиг.3 иллюстрируется экспериментальная зависимость негерметичности S (поз. 17) от перепада давлений Р по сравнению с полосой допустимых значений (поз. 18), из которой следует, что полученные величины в данном случае являются допустимыми для КГЧ. В случае аномальных отклонений значений (S) от допустимых принимают решение о доработке КГЧ или об изменении количества работающих в полете ДрУ, обеспечивающих заданные аэродинамические нагрузки.

Таким образом, решение задачи осуществляют на натурной КГЧ РН с присущей ей негерметичностью конструкции. При этом вдув ТС осуществляют с расходами, обеспечивающими перепады давлений внутри и вне КГЧ в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений внутри и вне КГЧ по траектории полета. Тем самым повышают точность определения негерметичности КГЧ РН, а также надежность эксплуатации РН, что приводит к решению поставленной задачи.

Вместе с тем, использование ВСОТР, работа с которой входит в предстартовый цикл проверки работоспособности объектов, размещенных в КГЧ, приводит к существенному сокращению эксплуатационных затрат на заключительном этапе отработки КГЧ РН.

Изобретение может быть использовано для определения негерметичности, кроме КГЧ, также штатных переходных (межблочных, межбаковых) отсеков и двигательных отсеков РН, отсеки которых выполнены по каркасной схеме. Причем из-за значительных габаритов некоторых отсеков РН, а также невозможности обеспечения полного геометрического моделирования отсека и объектов, размещенных в отсеке ЛА, в настоящее время не существует альтернативного решения поставленной задачи.

В космонавтике и авиации изобретение может быть использовано при определении негерметичности натурных отсеков, например, грузового отсека космического аппарата или отсека самолета.

В настоящее время предлагаемое техническое решение апробировано на одном из вариантов КГЧ РН, прошедшей испытания в полетных условиях. Внедряется на разрабатываемых предприятием ЛА и является составной частью технологического цикла работ в период предполетной подготовки натурных отсеков ЛА.

Литература

1. Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов. Под ред. акад. В.П.Мишина и проф. В.К.Карраска. М.: Машиностроение, 1991. стр.180-191.

2. Там же, стр.204.

3. Там же, стр.204-205.

4. ОСТ 92-4291-75. Методы гидравлических и пневматических испытаний изделий на прочность и герметичность.

5. Космодром. Под ред. проф. А.П.Вольского. М.: ВИ МО СССР. 1977, стр.208-213.

Формула изобретения

Способ определения негерметичности отсека летательного аппарата с дренажными устройствами, включающий вдув рабочей среды в отсек, измерение давлений внутри и вне отсека при вдуве, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют термостатирующую среду с температурой на входе в отсек, соответствующей температуре термостатирования отсека в предстартовый период подготовки летательного аппарата, а ее вдув в отсек осуществляют с герметично закрытыми дренажными устройствами с расходами, обеспечивающими перепады давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений внутри и вне отсека по траектории полета, после чего при вышеупомянутых расходах термостатирующей среды производят измерения перепадов давлений и температур в наземных условиях, по которым определяют негерметичность отсека по формуле

где

– коэффициент расхода суммарной негерметичности отсека;

S – суммарная площадь негерметичности отсека;

G – расход термостатирующей среды;

Р₁, P₂ – давления внутри и вне отсека;

Р_кр – критическое давление;

Т₁ – температура в отсеке;

k – показатель адиабаты;

R – газовая постоянная.

g – ускорение в поле тяготения Земли.

РИСУНКИ