Способ определения расходных характеристик дренажных устройств отсека летательного аппарата и система для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к аэродинамическим испытаниям и может быть использовано в ракетостроении и авиации для определения и регулирования полетных аэродинамических нагрузок на отсеки летательных аппаратов и их элементы. Предлагаемый способ включает вдув в отсек термостатирующей среды, используемой в качестве рабочей. Расход этой среды выбирают так, чтобы перепады давлений снаружи и внутри отсека в наземных условиях соответствовали перепадам давлений, действующих на отсек по траектории полета. Интересующие характеристики дренажных устройств определяют по измеренным расходам при перетекании термостатирующей среды через каждое дренажное устройство, перепадам давлений и температуре среды в отсеке. При этом учитывается негерметичность отсека. По результатам испытаний может быть принято решение о доработке отсека либо изменении количества работающих в полете дренажных устройств. Технический результат изобретения состоит в повышении точности определения расходных характеристик дренажных устройств, надежности эксплуатации отсека и сокращении эксплуатационных затрат на проведение работ. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Реферат

Изобретение относится к области аэродинамических испытаний летательного аппарата (ЛА) и может быть использовано в ракетостроении и авиации при определении и регулировании аэродинамических нагрузок, действующих на отсек ЛА, его элементы (оболочку, технологические люки и др. элементы) и объекты (полезные грузы (ПГ), блоки автоматики системы управления (СУ) и др. объекты), размещенные в отсеке ЛА.

Изобретение предназначено для определения расходных характеристик (РХ) дренажных устройств (ДрУ) натурных (штатных) отсеков, например РН, а также космических головных частей (КГЧ) РН, выполненных в виде отсеков с объектами, подлежащими термостатированию непосредственно в предстартовый период подготовки РН.

Известен способ определения РХ ДрУ отсека ЛА, например РН, на модели отсека с ДрУ [1], а также при автономных испытаниях ДрУ [2] с перетеканием рабочей среды через ДрУ в атмосферу [2] или в замкнутый объем барокамеры с различными давлениями в объеме барокамеры [3].

Способ включает вдув рабочей среды (воздуха) в замкнутый объем модели отсека или фрагмент отсека с заданным расходом с перетеканием рабочей среды через ДрУ, измерение давлений внутри и вне отсека с определением перепада давлений в результате вдува, по величинам которых оценивают РХ ДрУ.

По техническим решениям [1], [2], [3] РХ ДрУ определяют с пониженной точностью, поскольку на модели отсека РН в аэродинамических трубах либо на фрагменте РН на стенде не представляется возможным в полном объеме смоделировать геометрические характеристики отсека с ДрУ. К тому же не моделируется эффективная суммарная площадь негерметичности (далее - негерметичность) отсека РН, необходимая для определения РХ ДрУ.

По техническому решению [1] при сравнении различных форм ДрУ выявляют качественное влияние аэродинамического потока на РХ ДрУ и выбирают форму ДрУ.

По техническому решению [2], в отличие от [1], при автономных испытаниях натурных ДрУ с фрагментом отсека с перетеканием рабочей среды через ДрУ в атмосферу уточняют влияние некоторых конструктивных элементов ДрУ, но РХ ДрУ получают в ограниченном диапазоне перепадов давлений на отсеке, поскольку истечение рабочей среды осуществляют в атмосферу.

По техническому решению [3], в отличие от [2], также при автономных испытаниях ДрУ с фрагментом отсека в барокамере увеличивают диапазон изменения перепадов давлений, действующих на ДрУ, за счет истечения рабочей среды в объем барокамеры с различными давлениями.

Техническое решение [3] принято авторами за прототип способа определения РХ ДрУ отсека ЛА.

Недостатком этого технического решения и аналогов является низкая точность определения РХ ДрУ, так как РХ ДрУ получают в условиях ограниченного газодинамического моделирования, поскольку в качестве рабочей среды используют воздух высокого давления, параметры которого (газовая постоянная R и температура Т) отличаются от параметров собственной атмосферы натурного отсека в полете. Это приводит к неточности определения расхода через ДрУ. Кроме того, на фрагменте отсека с ДрУ не моделируются газодинамические параметры на входе в ДрУ, поскольку не учитывается перетекание рабочей среды в отсеке, что приводит к неточности определения перепадов давлений, действующих на отсек по траектории полета.

Известно устройство для определения РХ ДрУ отсека РН на фрагменте отсека с ДрУ на стенде, содержащее источник формирования и регулирования рабочей среды, систему подачи рабочей среды в предкамеру, в которой смонтировано ДрУ, с возможностью вдува в нее рабочей среды с перетеканием через ДрУ и истечением в атмосферу.

Устройство содержит также средства измерения перепада давлений рабочей среды на фрагменте отсека перед и после ДрУ, по которому с учетом измеренного расхода рабочей среды определяют РХ отдельного ДрУ [2].

Известно также устройство для определения РХ ДрУ отсека РН на фрагменте отсека с ДрУ в барокамере, содержащее источник формирования и регулирования параметров рабочей среды, систему подачи рабочей среды в предкамеру, в которой смонтировано ДрУ. Вдув в предкамеру рабочей среды осуществляют с перетеканием через ДрУ и истечением ее в барокамеру. Устройство содержит также средства измерения перепада давлений рабочей среды на фрагменте отсека перед и после ДрУ, по которому с учетом измеренного расхода определяют РХ отдельного ДрУ [3].

Техническое решение [3] принято авторами за прототип устройства.

Недостатками этого технического решения являются:

- низкая точность определения РХ ДрУ, поскольку РХ ДрУ получают в условиях ограниченного геометрического моделирования отсека и объектов, размещенных в отсеке (геометрические характеристики ДрУ, негерметичность отсека, канала перетекания среды и т.п.);

- использование сложных систем и оборудования стендов и аэродинамических установок, привлекаемых для определения РХ ДрУ;

- существенные эксплуатационные затраты на подготовку и проведение работ.

Задачей изобретения является определение РХ ДрУ отсека ЛА с повышенной точностью для регулирования аэродинамических нагрузок, действующих на элементы отсека ЛА и объекты, размещенные в отсеке, по траектории полета ЛА.

Задача решается таким образом, что в способе определения РХ ДрУ отсека ЛА, включающем вдув рабочей среды в отсек с перетеканием через ДрУ, измерение перепада 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 вдув ТС осуществляют в полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, как при поочередном ее перетекании через каждое ДрУ, так и с герметично закрытыми ДрУ на этом же отсеке с расходами, обеспечивающими перепады давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений внутри и вне отсека по траектории полета, при этом по замеренньм перепадам давлений при вдуве и соответствующим им расходам при перетекании ТС через каждое ДрУ определяют РХ данного ДрУ, включающую негерметичность отсека, а с герметично закрытыми ДрУ - негерметичность отсека, и по разности полученной РХ каждого ДрУ и негерметичности отсека при одних и тех же перепадах давления определяют истинную РХ данного ДрУ.

Задача решается также таким образом, что в систему для определения РХ ДрУ отсека ЛА, содержащую источник формирования и регулирования параметров рабочей среды, трубопровод подачи рабочей среды в отсек, датчик перепада давлений внутри и вне отсека, согласно изобретению, введен полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, установленные на отсеке датчики перепада давлений внутри и вне отсека, по крайней мере один, и температуры среды в отсеке, а источник формирования и регулирования параметров рабочей среды выполнен в виде воздушной системы обеспечения теплового режима (ВСОТР) объектов ЛА, при этом на отсеке установлены съемные средства обеспечения локальной герметичности ДрУ, выполненные в виде крышек с прижимными элементами, причем по крайней мере одна крышка выполнена полой с отверстием, сообщенным пневмотрассой с датчиком перепада давлений внутри и вне отсека ЛА.

Таким образом, обеспечение требуемых перепадов давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующих перепадам давлений по траектории полета, наряду с исключением влияния негерметичности на РХ ДрУ приводит к определению истинных РХ ДрУ отсека.

При этом обеспечивается полное геометрическое моделирование отсека с установленными на нем ДрУ за счет использования в качестве объекта исследования собранного и предназначенного для полета натурного отсека с размещенными в нем объектами функционирования ЛА, а также полное газодинамическое моделирование течения рабочей среды за счет использования в качестве рабочего тела ТС.

Кроме того, уменьшаются экплуатационные затраты на проведение работ за счет:

- расширения функциональных возможностей ВСОТР применительно к аэродинамическим исследованиям;

- исключения специальных стендов с системой подачи и регулирования рабочей среды с измерительными средствами, стендового оборудования и моделей отсека ЛА для определения РХ ДрУ.

Сущность изобретения иллюстрируется на примере решения поставленной задачи применительно к КГЧ РН, выполненной в виде отсека с ДрУ, снабженного отверстиями вдува и истечения с клапанами ТС. В объеме КГЧ размещены объекты функционирования КГЧ.

На фиг.1 иллюстрируется система с основными ее элементами для определения РХ ДрУ отсека, на фиг.2 - суммарной негерметичности КГЧ. На этих же чертежах иллюстрируется схема перетекания ТС в объеме КГЧ.

На фиг.3 приведена расчетная зависимость негерметичности μS КГЧ от перепада давлений ΔР внутри и вне КГЧ и расхода Q, вдуваемой в объем КГЧ ТС.

На фиг.4 и 5 приведены экспериментальные зависимости РХ μSι, ι-ого ДрУ и негерметичности μSн КГЧ РН от перепада давлений ΔР, действующих на КГЧ, полученные в предполетный период подготовки КГЧ с использованием ТС ВСОТР.

На этих фигурах:

1 - космическая головная часть;

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, 18 - экспериментальные зависимости;

19, 20 - допустимые значения.

Определение РХ μSι ДрУ натурной КГЧ 1 и суммарной ее негерметичности μSн осуществляют на собранной и готовой к полету КГЧ 1 с ДрУ, выполненными на ее боковой поверхности (фиг.1, 2). ДрУ могут быть выполнены в виде отверстий ДрУ 2, 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, [4]) объектов 15, подлежащих термостатированию в предстартовый период подготовки КГЧ, с трубопроводом 6 подачи ТС в КГЧ к отверстию вдува 7 ТС, выполненным на боковой поверхности КГЧ. Система содержит также датчик перепада давлений 8, съемные средства обеспечения локальной герметичности ДрУ 9, выполненные в виде крышек с прижимными элементами. Отверстия истечения 12 ТС снабжены клапанами отверстий истечения ТС 14. 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.

Определение РХ μSι, ι-го ДрУ осуществляют на КГЧ следующим образом (фиг.1).

Предварительно трубопровод 6 подачи ТС ВСОТР сообщают с отверстием вдува 7 ТС, открыв клапан отверстия вдува 13 ТС. Перекрывают также отверстие истечения 12 ТС, выполненное в КГЧ, клапаном отверстия истечения 14 ТС. Все ДрУ, кроме исследуемого (узел I), перекрывают съемными средствами обеспечения локальной герметичности ДрУ 9, например, по техническому решению [5].

В объем КГЧ через отверстие вдува 7 вдувают ТС, которая перетекает через отверстие ДрУ 2 с клапаном ДрУ 3 исследуемого ДрУ в атмосферу (направление течения ТС показано стрелками). Одновременно происходит перетекание ТС через элементы негерметичности КГЧ (условно показано малыми стрелками).

Вдув рабочей среды осуществляют с расходами Q, соответствующими перепадам давлений ΔР внутри и вне КГЧ в наземных условиях, лежащих в диапазоне перепадов давлений ΔР внутри и вне КГЧ (ΔР=Рвн.-Рнар.) 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 РХ ДрУ, поскольку используется одна и та же физическая среда при функционировании объектов КГЧ в наземных и полетных условиях, и, следовательно, однозначное соответствие расхода Q и перепада давления ΔР.

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

Для исследуемого ДрУ по измеренным перепадам давлений ΔР, температуре Т в КГЧ и соответствующим им расходам Q с использованием расчетной сетки (фиг.3), полученой с учетом влияния параметров ТС, отпределяют зависимость суммарной РХ (μS) ДрУ негерметичной КГЧ от перепада давлений ΔР, которая включает суммарную негерметичность КГЧ (μS)н.

Указанную процедуру повторяют для всех ДрУ КГЧ.

Определение суммарной негерметичности μSн осуществляют на этом же КГЧ (фиг.2), но с герметично закрытыми всеми ДрУ средствами обеспечения локальной герметичности ДрУ 9 (см. узел I ). При этом в качестве рабочей среды также используют ТС ВСОТР с параметрами, соответствующими параметрам термостатирования объектов КГЧ в предстартовый период их подготовки, а вдув ТС осуществляют с расходами, соответствующими перепадам давлений ΔР внутри и вне КГЧ в наземных условиях, лежащих в диапазоне перепадов давлений по траектории полета, по величинам которых определяют негерметичность КГЧ μSн, которую сравнивают с допустимой (фиг.5).

Искомую расходную характеристику μSi i-го ДрУ (фиг.4) определяют по разности РХ ДрУ μS негерметичной КГЧ (фиг.3) и соответственно суммарной негерметичности μSн КГЧ (фиг.3), которую также сравнивают с допустимой, заданной в документации характеристикой. В случае аномальных отклонений значений μSi от допустимых принимают решение о допустимости к эксплуатации системы дренирования КГЧ или о возможном открытии или закрытии дополнительных ДрУ к полету.

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.4 и 5 приведены экспериментальные зависимости μSi (поз. 17) и μSн (поз. 18) от перепада давлений ДР по сравнению с допустимыми (поз. 19, 20), из которых следует, что полученные величины в данном случае являются допустимыми для КГЧ. В случае отклонения значений μSi и μSн от допустимых принимают решение о доработке КГЧ или об изменении количества работающих в полете ДрУ.

Таким образом, поскольку решение задачи осуществляют на натурной КГЧ РН, предназначенной к полету с присущей ей негерметичностью конструкции, а вдув рабочей среды осуществляют с расходами, соответствующими перепадам давлений внутри и вне КГЧ в наземных условиях, лежащих в диапазоне таких же перепадов по траектории полета и, кроме того, с использованием в качестве рабочей среды ТС, которая является рабочей средой при функционировании объектов, размещенных в КГЧ РН, повышают точность определения РХ каждого ДрУ. Определяют также негерметичность натурного, предназначенного к полету КГЧ, что в совокупности приводит к решению поставленной задачи. Тем самым повышают надежность эксплуатации РН.

Вместе с тем, использование ВСОТР, работа с которой входит в предстартовый цикл проверки работоспособности объектов РН, расширяет функциональные возможности ВСОТР за счет ее применения для аэродинамических исследований. Кроме того, исключение работ на специальных аэродинамических стендах с использованием рабочей среды, отличной от среды термостатирования объектов, приводит к существенному сокращению эксплуатационных затрат на заключительном этапе отработки аэродинамических характеристик КГЧ РН.

Изобретение может быть использовано для определения РХ ДрУ, 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 ДрУ, в настоящее время не существует альтернативного решения поставленной задачи.

В космонавтике и авиации изобретение может быть использовано при проведении работ на натурных отсеках, например грузового отсека космического аппарата или отсека самолета.

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

Литература

1. НТО №43-2220-99-178. Определение влияния внешнего потока на расходные характеристики дренажных устройств блока ДМ-SL. ЦНИИМаш. 1998 г.

2. Технический отчет N 2/314 ГК по результатам испытаний дренажных устройств по программе П32683-143. НПО "Энергия", 1997 г.

3. НТО N 1-2-04/98. Экспериментальное определение расходных характеристик дренажных устройств приборного отсека РКН "Зенит-3 SL". МИП "Аэродинамика инвест", 1998 г.

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

5. Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов. Под ред. акад. В.П.Мишина и проф. В.К.Карраска. М.: Машиностроение. 1991. стр.204.

1. Способ определения расходных характеристик дренажных устройств отсека летательного аппарата, включающий вдув рабочей среды в отсек с перетеканием через дренажные устройства, измерение перепада 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 вдув термостатирующей среды осуществляют в полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, как при поочередном ее перетекании через каждое дренажное устройство, так и с герметично закрытыми дренажными устройствами на этом же отсеке с расходами, обеспечивающими перепады давлений внутри и вне отсека в наземных условиях, соответствующие перепадам давлений внутри и вне отсека по траектории полета, при этом по замеренным перепадам давлений при вдуве и соответствующим им расходам при перетекании термостатирующей среды через каждое дренажное устройство определяют расходную характеристику данного дренажного устройства, включающую негерметичность отсека, а с герметично закрытыми дренажными устройствами - негерметичность отсека, и по разности полученной расходной характеристики каждого дренажного устройства и негерметичности отсека при одних и тех же перепадах давления определяют истинную расходную характеристику данного дренажного устройства.

2. Система для определения расходных характеристик дренажных устройств отсека летательного аппарата, содержащая источник формирования и регулирования параметров рабочей среды, трубопровод подачи рабочей среды в отсек, датчик перепада давлений внутри и вне отсека, отличающаяся тем, что в нее введен полномасштабный натурный отсек с объектами, размещенными в отсеке, установленные на отсеке датчики перепада давлений внутри и вне отсека, по крайней мере один датчик температуры среды в отсеке, а источник формирования и регулирования параметров рабочей среды выполнен в виде воздушной системы обеспечения теплового режима отсека летательного аппарата, при этом на отсеке установлены съемные средства обеспечения локальной герметичности дренажных устройств, выполненные в виде крышек с прижимными элементами, причем по крайней мере одна крышка выполнена полой с отверстием, сообщенным пневмотрассой с датчиком перепада давлений внутри и вне отсека летательного аппарата.