Патент на изобретение №2271969

(54) СПОСОБ ЗАПРАВКИ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАГИСТРАЛЕЙ ДОСТАВЛЯЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для заправки рабочими телами гидравлических магистралей доставляемого на орбитальные космические объекты оборудования. Согласно предлагаемому способу, перед заполнением гидравлической магистрали рабочим телом из бака заправщика предварительно измеряют ее объем и температуру рабочего тела в баке заправщика. Затем вакуумируют упомянутую магистраль и заполняют ее деаэрированным рабочим телом в объеме V_з. Объем V_з меньше измеренного объема гидравлической магистрали V_изм на величину расчетного объемного расширения рабочего тела в процессе хранения и доставки оборудования V_p, умноженную на коэффициент безопасности К_Б=1,1-1,15. Коэффициент безопасности учитывает точность измерений в процессе заправки, достоверность констант и общую точность способа. За исходную температуру рабочего тела принимают измеренную температуру в баке заправщика. Максимальную температуру определяют из технических условий на доставляемое оборудование. После заправки гидравлической магистрали измеряют температуру и давление среды в ней и сравнивают измеренное давление с теоретическим значением давления насыщенных паров рабочего тела, соответствующим измеренной температуре. При их совпадении, с учетом точности измерений прекращают процесс заправки. В случае их различия производят полный слив рабочего тела из гидравлической магистрали и повторяют цикл заправки до совпадения упомянутых давлений. Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности компенсации объемного расширения рабочего тела без подключения к гидравлическим магистралям технологических компенсаторов, обеспечении отсутствия в заправленных гидравлических магистралях посторонних жидкостей и газов, обеспечении отсутствия энергозатрат на охлаждение заправляемого рабочего тела.

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам заправки жидкими рабочими телами бескомпенсаторных гидравлических магистралей научно-технического оборудования и элементов конструкции, доставляемых транспортными средствами на космические объекты, находящиеся в орбитальном полете.

Изобретение может быть использовано на предприятиях авиационно-космической промышленности, занимающихся разработкой космических объектов различного назначения с применением технологии монтажа оборудования на орбите, а также на предприятиях, разрабатывающих это оборудование.

В настоящее время в космической практике России и США широкое распространение получила технология поэтапной доставки на околоземные орбиты самого разнообразного научно-технического оборудования и элементов конструкции с последующим монтажом их на космических объектах. Это позволяет, используя возможности существующих транспортных средств, создавать в космосе многотонные крупногабаритные космические объекты, развивать их архитектуру, дооснащать ранее выведенные объекты необходимым оборудованием и производить ремонт бортовых систем путем замены отказавших блоков. По такой технологии сейчас ведется сборка и дооснащение Международной космической станции.

В зависимости от своего назначения доставляемое оборудование часто имеет в своем составе элементы гидравлических систем, которые выполняют свои функции на орбите после подключения их к соответствующим системам космического объекта. Так, например, наиболее энергоемкое доставляемое оборудование содержит гидравлические магистрали средств охлаждения; доставляемые блоки системы водообеспечения содержат сепараторы, фильтры и другие агрегаты; элементы двигательных установок могут содержать емкости для топлива и транзитные магистрали системы подачи топлива. При этом гидравлические магистрали доставляемого оборудования с целью минимизации массы и занимаемого объема не содержат компенсаторы объемного расширения рабочих тел, так как масса и объем таких компенсаторов соизмерима с массой (объемом) самих гидравлических магистралей.

В настоящее время проблема компенсации объемного расширения рабочих тел, заправленных в гидравлические магистрали доставляемого оборудования, решается либо путем подключения к гидравлическим магистралям специальных технологических компенсаторов, которые сопровождают такое оборудование до момента его монтажа в гидравлический контур космического объекта, либо путем заполнения части объема гидравлических магистралей воздухом, который выполняет роль упругого элемента в системе.

Оба способа решения проблемы не являются оптимальными, так как технологические компенсаторы доставляются на космический объект в качестве дополнительного груза, который в дальнейшем не используется, а наличие воздуха в гидравлической магистрали доставляемого оборудования снижает надежность той гидравлической системы, к которой подключаются эти магистрали.

Заправка гидравлических магистралей доставляемого оборудования рабочими телами проводится в ходе наземной подготовки оборудования перед погрузкой его в транспортные средства.

Известен способ заправки гидравлической системы рабочим телом (см. В.М.Сапожников «Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах», М., Машиностроение, 1972 г., стр.153). Способ предусматривает подключение к системе наземного стенда (заправщика) и предварительное заполнение гидравлической магистрали системы рабочим телом путем подачи его из бака заправщика с одновременным вытеснением большей части воздуха из гидравлической магистрали. Окончательное заполнение гидравлической магистрали рабочим телом с одновременным удалением остатка воздуха обеспечивается путем многократного срабатывания силовыми исполнительными механизмами системы (например, гидроцилиндрами уборки и выпуска шасси).

Способ может применяться для заправки гидравлических систем, имеющих в своем составе гидроаккумулятор, который помимо своей основной функции (источник давления в системе) используется для компенсации объемного расширения рабочего тела. При отсутствии такого гидроаккумулятора способ требует применения технологического компенсатора, подключаемого к системе после заправки ее рабочим телом.

Известны способы заправки (заполнения) рабочими телами (аммиаком и хладагентами) теплообменных аппаратов, емкостей и трубопроводов холодильных установок различного класса (см. А.И.Кулаковский, В.И.Новиков, С.С.Червяков «Ремонт и эксплуатация холодильных установок», Москва, Высшая школа, 1992 г., стр.51-58).

Способ заправки аммиаком предусматривает вакуумирование внутренних полостей установок и предварительное заполнение их жидким аммиаком из баллонов. Окончательное заполнение внутренних полостей установок производится с помощью их компрессора. Масса заправленного аммиака определяется взвешиванием баллонов.

Способ заправки хладагентами аналогичен способу заправки аммиаком и содержит дополнительную операцию предварительной продувки внутренних полостей сухим инертным газом или горячим воздухом для удаления влаги.

К недостаткам обоих способов следует отнести отсутствие предварительной деаэрации рабочих тел и отсутствие контроля посторонних жидкостей и газов во внутренних полостях установок после заправки.

Известен способ заправки теплоносителем гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов, защищенный патентом Российской Федерации №2196711.

Способ предусматривает вакуумирование гидравлических магистралей системы, заполнение их деаэрированным теплоносителем, растворение остаточного воздуха в гидравлических магистралях и установку рабочего давления в системе. Способ предназначен для заправки гидравлических систем, имеющих в своем составе гидропневматический компенсатор объемного расширения заправленного теплоносителя. Для заправки бескомпенсаторных гидравлических магистралей доставляемого оборудования этот способ применяться не может.

Известен также способ заправки топливных систем транспортных средств, защищенный патентом Российской Федерации №2220062, принятый автором за прототип.

Способ предусматривает заправку рабочего тела (жидкой фазы) в емкость с одновременным вытеснением паровой фазы рабочего тела из газовой полости этой емкости. При этом вытесняемое рабочее тело (пар) охлаждают (конденсируют) до температуры заправляемого рабочего тела и смешивают с заправляемой жидкой фазой.

Применительно к заправке гидравлических бескомпенсаторных магистралей доставляемого оборудования космических объектов прототип обладает следующими недостатками:

– способ не гарантирует полную компенсацию объемного расширения рабочего тела, заправленного в емкость, при изменении его температуры, так как объем паровой фазы в емкости и ее давление в процессе заправки не регламентируются и не контролируются;

– способ не гарантирует качество заправки емкости рабочим телом (отсутствие посторонних жидкостей и газов в емкости после заправки);

– способ требует определенных энергозатрат на охлаждение паровой фазы заправляемого рабочего тела.

Указанные недостатки практически исключают возможность применения этого способа для заправки гидравлических магистралей доставляемого оборудования космических объектов.

Задачей настоящего изобретения является создание способа заправки рабочими телами бескомпенсаторных гидравлических магистралей доставляемого оборудования космических объектов, обеспечивающего возможность компенсации объемного расширения рабочего тела, без подключения технологических компенсаторов, гарантирующего отсутствие в заправленных гидравлических магистралях посторонних жидкостей и газов и не требующего при своей реализации энергозатрат на охлаждение заправляемого рабочего тела.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе заправки топливных систем транспортных средств, включающем заполнение емкости рабочим телом из бака заправщика, предварительно измеряют объем заправляемой гидравлической магистрали и температуру рабочего тела в баке заправщика, а затем вакуумируют упомянутую магистраль и заполняют ее деаэрированным рабочим телом в объеме V_з, меньшем измеренного объема V_изм на величину расчетного объемного расширения рабочего тела в процессе хранения и доставки оборудования V_p, умноженной на коэффициент безопасности К_Б, при этом за исходную температуру рабочего тела принимают измеренную температуру в баке заправщика, а максимальную температуру определяют из технических условий на доставляемое оборудование, после чего измеряют температуру и давление среды в заправленной гидравлической магистрали и сравнивают измеренное давление с теоретическим значением давления насыщенных паров рабочего тела, соответствующим измеренной температуре, и при их совпадении с учетом точности измерений прекращают процесс заправки, а в случае их различия производят полный слив рабочего тела из гидравлической магистрали и повторяют цикл заправки до совпадения упомянутых давлений, где V_з – объем заправляемого рабочего тела; V_изм – измеренный объем гидравлической магистрали; V_p – величина расчетного объемного расширения рабочего тела в процессе хранения и доставки оборудования; К_Б=1,1-1,15 – коэффициент безопасности, учитывающий точность измерений в процессе заправки, достоверность констант и общую точность способа.

Технический результат при использовании предложенного способа заправки рабочим телом бескомпенсаторных гидравлических магистралей доставляемого оборудования достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время аналогичных способов он обеспечивает:

– компенсацию объемного расширения рабочего тела в гидравлической магистрали при изменении его температуры за счет создания внутри гидравлической магистрали необходимого свободного объема, заполненного насыщенными парами рабочего тела, которые играют роль упругого элемента при объемном расширении жидкой фазы рабочего тела. При этом увеличение объема жидкой фазы рабочего тела при росте температуры компенсируется конденсацией части насыщенных паров и росте их давления до уровня, соответствующего средней текущей температуре рабочего тела в гидравлической магистрали. Объем, который занимали сконденсированные пары рабочего тела, служит для компенсации объемного расширения жидкой фазы рабочего тела;

– отсутствие в заправленной гидравлической магистрали посторонних жидкостей или газов, которое определяется по совпадению измеренного давления среды с теоретическим давлением насыщенных паров рабочего тела, соответствующим измеренной температуре;

– отсутствие энергозатрат на охлаждение рабочего тела в процессе заправки.

Кроме того, предлагаемый способ не требует последующего подключения к заправленной гидравлической магистрали технологического компенсатора, что позволяет экономить значительные материальные средства.

Предложенный способ реализуется на существующем заправочном оборудовании, экономичен в части использования минимально-необходимого количества рабочего тела и содержит контрольную операцию (измерение давления среды и температуры в гидравлической магистрали), позволяющую сделать заключение о качестве заправки (по отсутствию посторонних жидкостей и газов в гидравлической магистрали после заправки) и проводить, при необходимости, коррекцию процесса заправки до достижения заданного качества.

Использование предложенного способа рассмотрим на примере заправки теплоносителем сменных панелей электронасосных агрегатов, доставляемых на служебный модуль Международной космической станции (МКС) грузовыми кораблями серии «Прогресс-М» и включаемых во внутренние гидравлические контуры системы терморегулирования взамен выработавших свой ресурс аналогичных панелей.

Каждая такая панель представляет собой автономный блок, внутри силового каркаса которого размещены два последовательно установленных электронасосных агрегата, связанных единой гидравлической магистралью.

На входе и выходе из панели гидравлическая магистраль содержит гибкие участки, заканчивающиеся самозапирающимися гидравлическими разъемами, предназначенными для подключения панели к гидравлическому контуру системы терморегулирования служебного модуля. На входе гидравлической магистрали в первый по ходу движения теплоносителя электронасосный агрегат установлены заправочный клапан и датчик абсолютного давления; на выходе второго электронасосного агрегата установлен дренажный клапан. Для измерения температуры рабочего тела, заправленного в гидравлическую магистраль панели, используется поверхностный температурный датчик, наклеенный на трубопровод гидравлической магистрали между электронасосными агрегатами.

По предложенному способу заправку сменной панели электронасосных агрегатов проводят следующим образом. Первоначально измеряют объем гидравлической магистрали панели. Для этой цели к заправочному клапану подключают устройство для измерения объема, основанное, например, на методе эталонной емкости (описание этого метода и схема устройства для его осуществления приведены в отраслевом стандарте ОСТ 92-9470-81 «Система терморегулирования». Методика заправки теплоносителем) и производят измерение объема внутренней полости гидравлической магистрали.

Далее к заправочному клапану подсоединяют вакуумный агрегат и вакуумируют внутреннюю полость гидравлической магистрали панели до давления 10^-2÷10^-1 мм рт.ст.; в процессе вакуумирования контроль давления в гидравлической магистрали панели ведут с помощью средств, входящих в состав вакуумного агрегата.

Одновременно с работами по измерению объема внутренней полости гидравлической магистрали и ее последующего вакуумирования проводят деаэрацию теплоносителя и измерение его температуры в баке заправщика. Операция деаэрации теплоносителя проводится в баке заправщика, например, путем создания над зеркалом теплоносителя давления, соответствующего давлению насыщенных паров теплоносителя для его измеренной температуры.

После завершения деаэрации теплоносителя непосредственно перед заполнением гидравлической магистрали измеряют температуру теплоносителя, например, с помощью термометра, установленного в баке заправщика.

Затем из технических условий на доставляемое оборудование выбирают максимальную температуру оборудования, которая возможна в процессе его дальнейшего хранения, и определяют величину расчетного объемного расширения теплоносителя по формуле:

V_р=V_изм(t_max-t_изм)

где V_p – величина расчетного объемного расширения теплоносителя;

V_изм – измеренный объем гидравлической магистрали панели;

– коэффициент объемного расширения теплоносителя;

t_мах – максимально возможная температура заправленного теплоносителя в процессе его дальнейшего хранения (определяется из технических условий на сменную панель);

t_изм – измеренная температура теплоносителя в баке заправщика перед вытеснением теплоносителя в гидравлическую магистраль сменной панели, определяют величину расчетного объемного расширения теплоносителя. Затем определяют объем заправляемого теплоносителя V_з, равный измеренному объему гидравлической магистрали V_изм за вычетом величины расчетного объемного расширения теплоносителя, умноженной на коэффициент 1,1÷1,15 (коэффициент безопасности, учитывающий точность измерений в процессе заправки, достоверность констант и общую точность способа). Затем приступают к заполнению гидравлической магистрали теплоносителем.

Для этой цели к заправочному клапану через наземное устройство управления заправочным клапаном (заправочное приспособление) подключают заправочную магистраль заправщика, предварительно заполненную теплоносителем, и подают в гидравлическую магистраль панели теплоноситель в объеме, равном расчетному объему V_з. Контроль количества теплоносителя, подаваемого в гидравлическую магистраль, ведут, например, по мерному стеклу бака заправщика или с помощью весового (объемного) дозатора, входящего в состав заправочного оборудования. После подачи в гидравлическую магистраль теплоносителя в объеме V_з закрывают заправочный клапан с помощью наземного устройства управления заправочным клапаном и приступают к измерению давления и температуры среды в гидравлической магистрали.

Измерение давления и температуры среды производят с помощью датчиков давления и температуры, электрические выходы которых подключают к наземной системе измерения параметров сменной панели. Показания датчиков обычно индицируются на соответствующих измерительных приборах или распечатываются в физических величинах на принтере этой системы. Если измеренное давление соответствует теоретическому давлению насыщенных паров теплоносителя для измеренной температуры, то делают заключение о нормальной (качественной) заправке по отсутствию посторонних жидкостей и газов в гидравлической магистрали.

Действительно, измеренное давление среды в заправленной гидравлической магистрали теоретически равно сумме парциальных давлений насыщенных паров рабочего тела, а также насыщенных паров посторонних жидкостей и газов (если они случайно попали в гидравлическую магистраль до/или в процессе ее заполнения). Поэтому когда измеренное давление среды совпадает с достаточной точностью с теоретическим давлением насыщенных паров рабочего тела для измеренной температуры, то это говорит о том, что посторонние жидкости и газы в гидравлической магистрали отсутствуют.

На этом процесс заправки прекращают и сменную панель передают для укладки в транспортное средство (в рассматриваемом случае транспортный грузовой корабль «Прогресс-М»), которое доставит ее на МКС.

После того, как сменная панель электронасосных агрегатов будет доставлена на служебный модуль МКС и включена в гидравлический контур системы терморегулирования, под давлением теплоносителя, поступившего в панель из компенсатора системы, насыщенные пары сконденсируются и занимаемый ими объем будет заполнен теплоносителем.

Если измеренное давление не совпадает с теоретическим давлением насыщенных паров теплоносителя, то к дренажному клапану сменной панели подсоединяют дренажную магистраль заправщика и производят полный слив рабочего тела в дренажный бак заправщика. Затем проверяют герметичность всех соединений системы заправки, устраняют обнаруженные места попадания воздуха в гидравлическую магистраль и повторяют цикл заправки до совпадения упомянутых давлений.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, дает возможность создать способ заправки, позволяющий:

– обеспечить заправку бескомпенсаторных гидравлических магистралей доставляемого оборудования самой широкой номенклатуры с организацией внутри гидравлических магистралей газовой полости необходимого объема, заполненной насыщенными парами рабочего тела и служащей для компенсации объемного расширения рабочего тела;

– контролировать в процессе заправки отсутствие посторонних жидкостей и газов внутри гидравлической магистрали и в случае их наличия проводить их полное удаление из заправляемой гидравлической магистрали;

– в случае нормального протекания технологического процесса минимизировать количество используемого для заправки рабочего тела за счет исключения операции дренирования рабочего тела из гидравлических магистралей доставляемого оборудования;

– повысить безопасность процесса за счет исключения контакта заправленного рабочего тела с окружающей атмосферой и исключением возможности пролива рабочего тела (в случае негерметичности заправочной системы, возникшей при заправке, возможно только натекание воздуха внутрь заправляемой гидравлической магистрали). Это позволяет улучшить условия труда для персонала, производящего заправку.

Кроме того, предложенный способ заправки не требует создания нового заправочного оборудования и не требует специально оборудованных помещений для проведения работ, что позволяет экономить определенные финансовые средства.

Предложенный способ разработан в порядке выполнения служебного задания по модернизации наземных технологий, используемых при подготовке доставляемого оборудования для модулей Российского сегмента Международной космической станции.

Формула изобретения

Способ заправки рабочим телом гидравлических магистралей доставляемого оборудования космических объектов, включающий заполнение гидравлической магистрали рабочим телом из бака заправщика, отличающийся тем, что предварительно измеряют объем заправляемой гидравлической магистрали и температуру рабочего тела в баке заправщика, а затем вакуумируют упомянутую магистраль и заполняют ее деаэрированным рабочим телом в объеме V_з, меньшем измеренного объема гидравлической магистрали V_изм, на величину расчетного объемного расширения рабочего тела в процессе хранения и доставки оборудования V_p, умноженную на коэффициент безопасности К_Б=1,1-1,15, учитывающий точность измерений в процессе заправки, достоверность констант и общую точность способа, при этом за исходную температуру рабочего тела принимают измеренную температуру в баке заправщика, а максимальную температуру определяют из технических условий на доставляемое оборудование, после чего измеряют температуру и давление среды в заправленной гидравлической магистрали и сравнивают измеренное давление с теоретическим значением давления насыщенных паров рабочего тела, соответствующим измеренной температуре, и при их совпадении, с учетом точности измерений, прекращают процесс заправки, а в случае их различия производят полный слив рабочего тела из гидравлической магистрали и повторяют цикл заправки до совпадения упомянутых давлений.