Методики автоматизированного наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом при пневмовакуумных испытаниях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алиев Андрей Рафаилович

• Алиев Андрей Рафаилович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Алиев Андрей Рафаилович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ НАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ГАЗОМ ПРИ ПНЕВМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

1.1 Предварительные замечания

1.2 Общие сведения о подготовке испытаний на герметичность изделий ракетно-космической техники

1.3 Методики и способы наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом

1.4 Основные результаты и выводы по главе

ГЛАВА 2 ФОРМИРОВАНИЕ МЕТОДИК АВТОМАТИЗИРОВАННОГО НАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ГАЗОМ ПРИ ПНЕВМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

2.1 Предварительные замечания

2.2 Методика автоматизированного наполнения полостей без дополнительного регулирования расхода газа

2.2.1 Формирование способа автоматизированного наполнения полостей

без дополнительного регулирования расхода газа

2.2.2 Методика приближенного расчета параметров автоматизированного наполнения полостей без дополнительного регулирования расхода газа

2.2.3 Пример расчета параметров автоматизированного наполнения полостей

без дополнительного регулирования расхода газа

2.3 Методика автоматизированного наполнения полостей с дополнительным регулированием расхода газа

2.3.1 Формирование способа автоматизированного наполнения полостей

с дополнительным регулированием расхода газа

2.3.2 Методика приближенного расчета параметров автоматизированного наполнения полостей с дополнительным регулированием расхода газа

2.3.3 Пример расчета параметров автоматизированного процесса наполнения полостей с дополнительным регулированием расхода газа

2.4 Основные результаты и выводы по главе

ГЛАВА 3 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАПОЛНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ГАЗОМ ПРИ ПНЕВМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

3.1 Предварительные замечания

3.2 Математическое описание процессов в элементах системы наполнения

3.3 Математическая цифровая модель автоматизированного наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом при пневмовакуумных испытаниях

3.4 Алгоритм управления процессом наполнения

3.4.1 Алгоритм управления процессом автоматизированного наполнения полостей

без дополнительного регулирования расхода газа

3.4.2 Алгоритм управления процессом автоматизированного наполнения полостей

с дополнительным регулированием расхода газа

3.5 Сравнительный анализ характеристик процесса наполнения полостей газом по разработанным методикам автоматизированного наполнения

3.6 Основные результаты и выводы по главе

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ОГРАНИЧЕНИЙ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА НАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ГАЗОМ ПРИ ПНЕВМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

4.1 Предварительные замечания

4.2 Описание метода исследования

4.3 Исследование влияния допустимых значений температуры и давления газа в полости на продолжительность наполнения

4.4 Исследование влияния температуры рабочей среды в источнике питания на продолжительность процесса наполнения

4.5 Исследование влияния начальной температуры объекта испытаний на продолжительность процесса наполнения

4.6 Исследование влияния начальной температуры смежных конструкций на продолжительность процесса наполнения

4.7 Обобщение результатов исследования и рекомендации по интенсификации процесса наполнения

4.8 Основные результаты и выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Приложение 1 Вывод формул для формирования закона наполнения полости

Приложение 2 Свойства и параметры блоков математической цифровой модели системы

наполнения

Приложение 3 Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра допустимая

температура газа

Приложение 4 Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра допустимое

давление газа

Приложение 5 Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра температура

газа в источнике питания

Приложение 6 Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра начальная

температура объекта наполнения

Приложение 7 Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра начальная

температура смежных конструкций

Приложение 8 Акт по результатам разработки и внедрения пневмовакуумного

оборудования для испытаний образцов ракетно-космической техники

Приложение 9 Акт о внедрении результатов диссертационной работы Алиева Андрея Рафаиловича в учебный процесс ФГБОУ ВО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методики автоматизированного наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом при пневмовакуумных испытаниях»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Герметичность изделий ракетно-космической техники (РКТ) является одним из базовых параметров их надежности, влияющим на работоспособность той или иной конструкции, а в ряде случаев и на жизни людей, участвующих в их подготовке к пуску, и в процессе полета (для случая пилотируемых аппаратов).

Высокие требования к герметичности изделий РКТ, работающих под высоким избыточным давлением, обоснованы [1-6]:

- возможной потерей рабочих сред космических аппаратов с регламентированными сроками активного существования, длительное время пребывающего в условиях глубокого вакуума;

- пожаро- и взрывоопасностью, в случае утечки компонентов топлива из мест их нахождения;

- токсическим воздействием компонентов топлива, рабочих тел систем терморегулирования, на здоровье специалистов стартового комплекса, обслуживающих изделие, а впоследствии и членов экипажа;

- негативным воздействием рабочих тел топливной системы и системы терморегулирования на приборы изделия РКТ.

В настоящее время, степень негерметичности изделий РКТ определяется в процессе проведения испытаний 100 % изделий, как на заводе-изготовителе, так и при проведении пневмовакуумных испытаний (ПВИ) на технических позициях (ТП) космодрома (рисунок В.1). Объектами ПВИ выступают около половины сборочных единиц изделий РКТ, в том числе система жизнеобеспечения и пневмогидравлическая система.

Рисунок В.1 - Залы МИК

ПВИ являются одним из наиболее ответственных и ресурсозатратных этапов предпусковой подготовки изделий РКТ. При этом одним из самых затратных процессов, проводимых при ПВИ, является наполнение проверяемых полостей контрольным газом. В силу конструктивных особенностей и специфики изделий РКТ на процесс наполнения накладывается ряд ограничений. Значение давления газа в испытываемой полости при наполнении не должна превышать заданного значения. Должно быть обеспечено требование по температуре газа, которая, возрастая при наполнении полости, не должна превышать допустимого значения. Время наполнения полости до заданного значения давления должно быть по возможности меньшим и не превышать рекомендованного значения. В настоящее время процесс наполнения полостей на ТП космодромов во время проведения ПВИ реализуют при помощи пневматических систем, у которых управление процессом испытаний и регистрация результатов испытаний возлагаются на человека. Такая технология работ приводит к большим потерям времени на проведение испытаний, увеличению количества используемой при этом рабочей среды. Высока вероятность ошибочных действий при ручном управлении. При значительном объеме работ по проверке герметичности полостей объектов РКТ на ТП существующая технология приводит к существенным экономическим потерям.

В связи с этим имеет место актуальная научно-техническая задача, которая заключается в разработке методики наполнения полостей изделий РКТ газом при испытаниях на герметичность, основанная на использовании автоматизированного режима функционирования системы наполнения и обеспечения при этом минимального времени процесса наполнения.

Степень разработанности темы исследования. Вопрос автоматизации процесса наполнения изделий ракетно-космической техники газом при проведении пневмовакуумных испытаний в процессе подготовки на технических позициях не достаточно разработан. Разрозненные прикладные исследования в основном посвящены: разработке информационно-измерительных систем, совершенствованию способов сбора и обработки данных испытаний (А. В. Блинов, А. Г. Дмитриенко, А. В. Николаев, А. Н. Пылькин, Д. А. Ярославцева и др.); совершенствованию способов и методов контроля герметичности изделий в процессе ПВИ (А. А. Кишкин, Л. В. Липняк, В. А. Ольшанский, В. И. Тройников, Э. В. Щербаков и др.); формализации процессов проектирования и исследования пневматических систем и агрегатов (Ю. Л. Арзуманов, Е. М. Халатов, В. И. Чекмазов, А. В. Чернышов и др.). Изучению процесса заправки газом топливных баков мобильных объектов посвящены труды F. Ammouri, T. Bourgeois, R. Caponi, C. J. B. Dicken, T. Kuroki, M. Monde, P. Moretto, W. Mrida, J. Xiao и др. Фундаментальными работами в области термодинамики, тепломассообмена и расчета пневматических систем и агрегатов являются труды Е. В. Герц, Г. В. Крейнина,

М. А. Мамонтова, Б. М. Подчуфарова. Исследованиями в области моделирования процесса быстрой заправки газом, в том числе и «старт-стоп» методом, газовых автобусных цилиндрических баллонов различных типов водородом занимались J. Guo, L. Zhao, J. Zheng и др. Различного рода интенсификацией процесса наполнения газом баллонов и баков транспортных средств занимались L. Allidieres, J. P. Cohen, D. J. Farese, H. Hiroaki, T. Kondo, Y. Miki и др.

Объектом исследования является система наполнения полостей газом при пневмовакуумных испытаниях изделий ракетно-космической техники.

Предметом исследования настоящей диссертационной работы является алгоритм, математическая модель и методика процесса наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методик автоматизированного наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ, использование которых позволит уменьшить время подготовки изделий РКТ к пуску за счет сокращения длительности и трудоёмкости процесса наполнения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Провести анализ существующих методик и способов наполнения газом полостей изделий РКТ при ПВИ, а также при использовании их в других областях техники.

2 Проанализировать процессы, протекающие во время наполнения полостей газом при

ПВИ.

3 Предложить способ автоматизированного наполнения полостей изделий РКТ газом при проведении ПВИ.

4 Разработать методики приближенного расчета параметров автоматизированного процесса наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ.

5 Сформировать методики автоматизированного наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ.

6 Разработать математическую модель, описывающую автоматизированный процесс наполнения полостей изделий РКТ газом при проведении ПВИ.

7 Сформировать алгоритмы управления процессом автоматизированного наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ для вариантов методики наполнения без дополнительного регулирования и с дополнительным регулированием расхода.

8 Провести исследование влияния начальных условий и ограничений по параметрам на продолжительность процесса наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в ходе исследований использовались методы, основывающиеся на теоретических положениях

термодинамики и теплообмена, теории пневмомеханических систем и газовой динамики, теории автоматического регулирования, методах математического и цифрового моделирования.

Научная новизна результатов исследования:

1 Предложена и обоснована структурная схема системы наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ в двух вариантах, обеспечивающая автоматизированный режим процесса наполнения.

2 Предложены методики приближенного расчета параметров процесса наполнения полости газом, позволяющие на раннем этапе проектирования системы наполнения оценить ее характеристики.

3 Разработаны математические модели систем наполнения полостей изделий РКТ газом, ориентированные на исследование рабочих процессов технологии испытаний на герметичность при ПВИ.

4 Разработаны алгоритмы и цифровые математические модели для компьютерного моделирования процессов наполнения, сравнительного анализа различных технических решений по критерию продолжительности процесса наполнения.

5 Предложена методика проектировочного расчёта процесса наполнения полостей изделий РКТ газом, которая позволяет назначать режим управления, обеспечивающий наименьшее время наполнения полости.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в научно-методическом обеспечении разработки систем наполнения полостей изделий РКТ газом при проведении ПВИ, позволяющим сократить время наполнения в 2,2 раза, способствуя: снижению трудоёмкости процесса наполнения, и процесса ПВИ в целом; сокращению затрат на энергетические ресурсы (экономия электроэнергии, тепловой энергии); сокращению времени подготовки изделий РКТ к пуску, обеспечивая предъявляемые к изделию требования, в том числе и по температурному режиму.

Разработанные методики расчета параметров процесса наполнения, способ и варианты методики наполнения могут быть использованы для проектирования новых систем газоснабжения, предназначенных для наполнения полостей изделий РКТ газом при проведении ПВИ, в частности систем на технических позициях космодромов при ПВИ изделий РКТ.

Предложенный способ наполнения полостей газом, лежащий в основе новой методики наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ и система его реализующая, защищены патентом на изобретение РФ № 2703899 и приняты к использованию в работе КБ «Арматура» -филиале АО «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева».

Предложенные методики и способы наполнения газом могут быть использованы при испытаниях на герметичность изделий химического и нефтегазового машиностроения,

холодильной, авиационной техники, а также в тех отраслях, где требуется наполнение емкостей сжатым газом до требуемого давления при ограничениях по температуре, например, при заполнении баков транспортных средств топливом в виде сжатого газа.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров и магистрантов по направлению «Технологические машины и оборудование».

Основные результаты, выносимые на защиту:

1 Новые схемотехнические решения системы наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом, позволяющие сократить продолжительность рабочего процесса, а, следовательно, и повысить эффективность технологии оценки герметичности изделий.

2 Математические модели систем наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом, основанные на их структурных представлениях и позволяющие вести исследование процессов наполнения.

3 Алгоритмы и цифровые модели для компьютерного моделирования процессов управления наполнением полости газом с возможностью формирования заданного режима испытаний.

4 Результаты вычислительного эксперимента по оценки влияния структуры и параметров схемы наполнения на выходные характеристики системы.

5 Методика расчёта параметров системы наполнения для обеспечения наименьшей продолжительности процесса наполнения полости газом.

Достоверность результатов исследования обеспечена: применением фундаментальных физических законов, основных положений теорий пневмогидросистем и автоматического регулирования, механики, термодинамики и тепломассообмена при построении математических моделей; цифровым моделированием и расчётами характеристик процесса наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ в современном программном комплексе 81ш1пТеек.

Апробация результатов работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских и межотраслевых научно-технических конференциях и конкурсах: XX Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, «КГТУ им. А. Н. Туполева - КАИ», 2012 г.); Международная молодежная конференция «XXXIX Гагаринские чтения» (Москва, «МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского», 2013); ХХШ-ХХУ Международные научно-технические конференции «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, «НИУ «МЭИ», 2019- 2021 гг.); XXXVIII-XLV Академические чтения по космонавтике, посвященных памяти академика С. П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства «Актуальные проблемы российской космонавтики

(Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014-2021 гг.); Всероссийская молодёжная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Звездный городок, «НИИ ЦПК им. Ю. А. Гагарина», 2012); V, VI, VIII Общероссийские молодежные научно-технические конференции «Молодежь, техника, космос» (Санкт-Петербург, БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, 2013, 2014, 2016 гг.); V Общероссийская научно-практическая конференция «Инновационные технологии и технические средства специального назначения» (Санкт-Петербург, БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, 2012); II, III, V Всероссийские молодежные научно-практические конференции «Орбита молодежи и перспективы развития российской космонавтики» (Самара, «СНИУ им. акад. С. П. Королева», 2016; Томск, «НИ ТПУ», 2017; Санкт-Петербург, БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, 2019); V международная научно-техническая конференция «Динамика и виброакустика машин» (Самара, СНИУ им. академика С. П. Королева, 2020).

Публикации. Материалы диссертационного исследования изложены в 9 публикациях: 8 статей, из них 5 статей в журналах из перечня ВАК РФ, 1 статья опубликована в издании, индексируемом Scopus, CA (pt), Springer, WoS (ESCI), 1 патент на изобретение РФ.

Содержание и структура работы. Структура диссертации представлена введением, четырьмя главами, заключением, списком литературы (83 наименования), списком сокращений и условных обозначений и 9 приложениями. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, из них 123 страницы - основной текст. В работе размещено 7 таблиц и 72 рисунка.

Во введении определена и обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены цель и задачи, предмет и объект исследования, теоретические и методологические основы исследования, сформулированы теоретическая и практическая значимость, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, указано на каких именно научных мероприятиях проходила апробация результатов диссертационной работы, представлена структура работы.

В первой главе представлены общие сведения о подготовке испытаний на герметичность изделий РКТ. По результатам проведённого анализа методик и способов наполнения полостей испытуемых изделий РКТ газом при проведении ПВИ на герметичность сформирована классификация способов наполнения полостей изделий РКТ. Сформулированы основные требования к автоматизации наполнения полостей изделий газом при ПВИ.

Во второй главе представлены два подхода по формированию методик автоматизированного наполнения: автоматизация существующей методики наполнения и разработка новой методики автоматизированного наполнения. Для каждого подхода предложено схемное решение автоматизированной системы наполнения, разработан способ

автоматизированного наполнения и сформирована методика приближенного расчета параметров, позволяющая на начальном этапе проектирования системы наполнения подтвердить её работоспособность и осуществимость предложенной схемы и оценить правильность принятых проектировщиком решений. Приведены примеры расчетов параметров процесса автоматизированного наполнения полостей изделий РКТ при ПВИ для каждой из сформированных методик наполнения.

В третьей главе разработаны математическая модель системы наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ, описывающая её функционирование и алгоритм управления процессом наполнения, на основании которых построена математическая цифровая, послужившая основой проведенного анализа динамических характеристик предлагаемой системы. Проведен сравнительный анализ эффективности предложенной и типовой методики процессов наполнения полостей изделий РКТ при ПВИ.

В четвертой главе проведено исследование влияния допустимых значений температуры и давления газа, температуры рабочей среды в источнике питания, начальных температур объекта испытаний и смежных конструкций на продолжительность процесса наполнения. Для исследования каждого параметра и условия разработаны цифровые модели алгоритмов перебора их значений в заданных диапазонах. По результатам исследований произведено ранжирование начальных параметров и ограничений по параметрам процесса наполнения полостей изделий РКТ газом при ПВИ на его продолжительность. Полученные результаты позволили выработать рекомендации по дальнейшей интенсификации процесса наполнения полостей изделий РКТ при ПВИ.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ НАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ГАЗОМ ПРИ ПНЕВМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

1.1 Предварительные замечания

Работоспособность, надежность и качество изделия РКТ подтверждаются широким спектром испытаний его узлов, сборочных единиц и изделия в целом, проводимых на технической позиции (ТП) космодрома. Объем и последовательность испытаний конкретного изделия определяется его конструктивными особенностями, методом подготовки к пуску, программой полёта и т.д. Однако обязательным этапом предстартовой подготовки любого изделия РКТ на ТП являются испытания на герметичность, что обусловлено особыми условиями эксплуатации изделий (пребывание в условиях глубокого вакуума), а также требованиями безопасности [7-15]. Контроль герметичности проводится после каждой монтажной и сборочной испытательной операции, способной повлиять на его герметичность, перед заправкой изделия РКТ или непосредственной стыковкой с другими ответными узлами ракеты. Особое внимание к этому вопросу подчеркивается обилием существующих классификаций методов контроля герметичности изделий, представленных как в нормативных документах [16-19] и в научно-технической литературе [20-24]. Для ракетно-космической отрасли применяют классификацию, представленную в отраслевом стандарте ОСТ 92-4316-90 [19].

В настоящее время на заключительных этапах сборки изделий РКТ на ТП космодромов для контроля их герметичности применяют пневмовакуумные испытания. Пневмовакуумные испытания (ПВИ) относятся к газовым методам испытаний, реализуемые созданием разряжения над поверхностью испытываемого изделия, с последующим контролем суммарной герметичности изделий при помощи масс-спектрометра. На ТП космодромов разряжение над поверхностью объектов испытаний создают в вакуумной камере, имитирующей условия, приближенные к штатным условиях эксплуатации. При ПВИ изделие помещают в вакуумную камеру, из камеры откачивают воздух, полости изделия наполняют безопасным для конструкции и не вызывающим коррозию контрольным газом (или смесью газов определенной концентрации), с повышенной текучестью и по интенсивности утечки газа в объем камеры судят о герметичности изделия. Наиболее ответственной и трудоемкой операцией при этом является наполнение полости контрольным газом. В виду этого актуальной становятся задача анализа методик и способов наполнения изделий РКТ при ПВИ, с целью выявления узких мест и формированию требований к процессу наполнения изделий РКТ при ПВИ.

1.2 Общие сведения о подготовке испытаний на герметичность изделий

ракетно-космической техники

Процесс подготовки к проведению испытаний изделий РКТ на герметичность (рисунок 1.1) начинается с формирования требований к процессу испытаний, формируемых в виде технического задания (ТЗ).

] ]

1

Этап 1

Этап 2

Этап 3

Эгап 4

Этап 5

Этап 6

Эгап 7

Этап 8

Рисунок 1.1 - Логика процесса подготовки испытаний на герметичность изделий РКТ

На втором этапе, в соответствии с требованиями разработанного ТЗ, выбирается метод контроля герметичности изделия РКТ. В нормативных документах [16-19] и научной литературе [20-24] представлено и описано множество методов контроля герметичности изделий. В силу специфики изделий ракетно-космической отрасли, наиболее актуальной для нее послужит классификация, представленная в ОСТ 92-4316-90 [19], по которой методы контроля герметичности делятся на две большие группы: методы контроля суммарной негерметичности и методы поиска локальной негерметичности. Для изделий РКТ в сборе применяют вакуумный масс-спектрометрический метод контроля суммарной негерметичности, как наиболее надежный и высокочувствительный, о чем свидетельствуют и данные источников [1, 2, 18, 22, 25, 26].

Третий этап подготовки к испытаниям подразумевает выбор способа реализации ранее назначенного метода контроля герметичности. Классификация и рекомендации по выбору способа приведены в источнике [27]. В настоящее время для изделий ракетно-космической отрасли в сборе применяют способ - в вакуумной камере.

На четвертом этапе формируется структура системы испытаний на герметичность, представляющей комплекс мероприятий:

- формирование системы монтажа и технологической подготовки к испытаниям, обеспечивающей сборку изделия с его последующим позиционированием и монтажом на месте испытаний, разработку и изготовлением специальной технологической оснастки, сборку испытательной схемы;

- формирование системы измерений при оценке герметичности изделия, предназначенной для получения, регистрации и первичной обработки измерительной информации во время проведения ПВИ;

- формированием системы обработки результатов измерений, осуществляющей преобразование первичной измерительной информации, её обработку и предоставления в требуемом виде;

- разработка системы наполнения полостей изделий при проведении ПВИ. Перед началом разработки системы наполнения определяется тип управления. В настоящее время для проведения ПВИ используют системы наполнения с ручным управлением.

Пятый этап. Разработка системы наполнения с автоматизированным управлением требует детальной проработки методики процесса наполнения объекта при ПВИ. Методика процесса наполнения может быть реализована с постоянным темпом наполнения (без дополнительного регулирования расхода) и с возможностью дополнительного регулирования расхода газа, поступающего в объект наполнения при проведении ПВИ.

Шестой этап. Для выбранного варианта методики процесса наполнения выполняется аналитический расчет параметров процесса наполнения, определяющий осуществимость предлагаемого технического решения. Для уточнения полученных результатов аналитического расчета строится математическая модель процесса наполнения; выполняется расчета параметров системы наполнения полостей и разрабатывается алгоритм управления процессом.

На последующих этапах для выбранного варианта алгоритма процесса наполнения объекта строятся характеристики процесса наполнения и проводятся исследования по выявлению параметров, оказывающих влияние на процесс наполнения объектов испытаний при проверке на герметичность.

1.3 Методики и способы наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом

Методик, при помощи которых можно реализовать наполнение полостей изделий РКТ при ПВИ, множество, что обосновано спецификой и конструктивными особенностями каждого конкретного изделия. При этом стоит отметить, что вне зависимости от выбранной методики наполнения изделий РКТ технология процесса должна в первую очередь предусматривать сохранение его в работоспособном состоянии, при условии сохранения его целостности, отсутствии необратимых (пластических) деформаций конструкции, а так же недопущении возникновения изменений, способных вызвать снижение прочностных характеристик. Не смотря на то, что у каждого изделия есть свои конструктивные особенности, к процессу наполнения предъявляются следующие общие требования:

1) исключение перегрева контрольного газа, поступающего в полость, с целью избежать перегрева объекта испытаний, что может привести к его выходу из строя;

2) исключение превышения давления газа в полости выше допустимого значения в процессе её наполнении, с целью сохранения целостности и работоспособности испытуемого изделия;

3) время наполнения полости до заданного значения давления должно быть по возможности меньшим и не превышать рекомендованного значения.

Перегрев контрольного газа в процессе наполнения происходит в виду его адиабатического сжатия. А так как контрольным газом при проведении ПВИ является, как правило, гелий или гелиево-воздушная смесь, то обратный эффект Джоуля-Томпсона также будет способствовать нагреву как контрольного газа, так и наполняемого изделия.

Превышение давления газа в объекте испытаний, представляющим собой сварную тонкостенную оболочку, будет способствовать возникновению пластических деформаций,

ослаблению сварных соединений или даже досрочному разрушению изделия [3, 27-33].

Существующие методики и способы наполнения изделий РКТ контрольным газом при ПВИ в обязательном порядке учитывают эти требования, но разными способами. Выполнение этих требований позволяет успешно испытывать изделия, проверяя их герметичность, надежность и качество изготовления и сборки.

В источнике [29] представлена методика наполнения изделий, реализуемая двумя методами: с раздельной подачей компонентов контрольного газа и с подачей предварительно приготовленного в смесительном устройстве контрольного газа.

Принципиальная схема реализации метода с раздельной подачей компонентов контрольного газа представлена на рисунке 1.2. Компоненты контрольного газа с заданными параметрами в ручном режиме выдаются из пульта пневматического в изделие по закону, заранее определенному в конструкторской документации на изделие и методике испытаний, проходя через фильтр Ф, для исключения попадания внутрь изделия посторонних частиц. При наполнении изделий следует учитывать и расположение штуцера, через который проводится процесс наполнения. Если входной штуцер расположен вверху изделия, то процесс наполнения следует производить, начиная с компонента контрольного газа обладающего наименьшей плотностью, если же входной штуцер расположен снизу - наибольшей плотностью. С целью получения более однородного контрольного газа допустимо наполнение производить порционно, поочередно подавая компоненты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алиев Андрей Рафаилович, 2023 год

источнике питания

Скрипт окна блока «Алгоритм перебора» для исследования влияния температуры газа в источнике питания на время наполнения полости представлен ниже.

//Задание шага изменение параметра (температуры газа в источнике питания) в расчете, К; const dXTip=0.1;

var Avup:INTEGER=0, Tvup=0, Tok_old=0, Tok=0, X_Tip_old=288.15, X_Tip=2 8 8.15, flag:INTEGEI =0; // "INTEGER" - объявление целых чисел;

// Tvup - начальное (далее - текущее) время наполнения; // Tok - время окончания процесса наполнения;

// X_Tip - начальное значения изменяемого параметра (температуры газа в источнике);

initialization

// Открываем проект "Model_NewTech_IdGas.prt"

prjid = openproject("Model_NewTech_IdGas.prt",0);

// Инициализация проекта "Model_NewTech_IdGas.prt" initproject(prjid,1); initproject(prjid,1); // Получим ссылку на сигнал другого проекта, которой потом будем управлять

input_ptr1 = getprojectdataptr(prjid,"Polost82.T_pol");

// Получим ссылки на сигналы зафиксированных параметров: input_ptr2 = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.k6.a"); input_ptr3 = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.k7.a"); input_ptr4 = getprojectdataptr(prjid,"TermHard6.T_tel_sr_0"); input_ptr5 = getprojectdataptr(prjid,"Polost82.p_pol"); input_ptr6 = getprojectdataptr(prjid,"TermHard7.T_tel_sr_0");

// Получим ссылку на сигнал другого проекта, который потом будем выводить

result_ptr_A = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.Atec"); result_ptr_T = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.Tvup");

// Запомним начальную точку, чтобы делать повторяющийся расчёт saveprojectstartpoint(prjid); // температура газа в источнике питания, К

~(input_ptr1) = X_Tip; // допустимое значение температуры газа в полости наполнения, К

~ (input_ptr2) = 32 3.15; // допустимое значение давления газа в полости наполнения, Па

~(input_ptr3) = 8e6; // начальная температура стенки объекта наполнения, К ~(input_ptr4) = 290.15;

// давление газа в источнике питания, Па

~(input_ptr5) = 4 0.1e6; // температура смежных конструкций, К

~ (input_ptr6) = 290.15; // Повторная инициализация проекта "Model NewTech IdGas.prt", но с новым значением параметра (поэтому "1") initproject(prjid,1); // Запуск проекта на расчет runproject(prjid); XK=X_Tip+dXTip/2; end;

input tt;

~(input_ptr1) = X_Tip; Avup = ~(result_ptr_A); Tvup = ~(result_ptr_T); if ((Avup=4) and (flag=0)) then begin

Tok_old=Tok; Tok=Tvup; X_ Tip_old=X_ Tip; output X_Tip_old, Tok; // Восстановим начальную точку для циклического расчёта loadprojectstartpoint(prjid); // Постоянный шаг интегрирования X_Tip=X_Tip+dXTip;

// Перезапись свойств параметра X_Tip: ~(input_ptr1) = X_Tip;

// Инициализация проекта "Model NewTech IdGas.prt" initproject(prjid,1);

// Запуск проекта на расчет runproject(prjid);

// Расчет производной параметра

K_X_Tip =(Tok-Tok_old)/dX_Tip;

// Расчет середины отрезка параметра (XK)

XK=X_Tip-dXTip/2;

end;

// Условие окончания расчета

// X_Tip - конечное значение изменяемого параметра (температура газа в источнике питания) if X_Tip>305.15 then flag=1; output Tvup, flag, K_X_Tip, XK;

Приложение 6

Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра начальная температура объекта наполнения

В данном приложении приведена цифровая модель алгоритма перебора значений параметра температура газа в источнике питания (рисунок П6.1), реализованная в отечественном программном комплексе &тЫТеск.

Рисунок П6.1 - Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра начальная

температура объекта наполнения

Скрипт окна блока «Алгоритм перебора» для исследования влияния начальной температуры объекта наполнения на время наполнения полости представлен ниже.

//Задание шага изменение параметра (температуры газа объекта наполнения) в расчете, К; const dXTob=0.1;

var Avup:INTEGER=0, Tvup=0, Tok_old=0, Tok=0, X_Tob_old=290.15, X_Tob=290.15, flag:INTEGEI =0; // "INTEGER" - объявление целых чисел;

// Tvup - начальное (далее - текущее) время наполнения; // Tok - время окончания процесса наполнения;

// X_Tob - начальное значения изменяемого параметра (начальная температура объекта наполнения);

initialization

// Открываем проект "Model_NewTech_IdGas.prt"

prjid = openproject("Model_NewTech_IdGas.prt",0);

// Инициализация проекта "Model_NewTech_IdGas.prt" initproject(prjid,1); initproject(prjid,1); // Получим ссылку на сигнал другого проекта, которой потом будем управлять

input_ptr1 = getprojectdataptr(prjid,"TermHard6.T_tel_sr_0");

// Получим ссылки на сигналы зафиксированных параметров: input_ptr2 = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.k6.a"); input_ptr3 = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.k7.a"); input_ptr4 = getprojectdataptr(prjid,"Polost82.T_pol"); input_ptr5 = getprojectdataptr(prjid,"Polost82.p_pol"); input_ptr6 = getprojectdataptr(prjid,"TermHard7.T_tel_sr_0");

// Получим ссылку на сигнал другого проекта, который потом будем выводить

result_ptr_A = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.Atec"); result_ptr_T = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.Tvup");

// Запомним начальную точку, чтобы делать повторяющийся расчёт saveprojectstartpoint(prjid);

// начальная температура объекта наполнения, К

~(input_ptr1) = X_Tob; // допустимое значение температуры газа в полости наполнения, К

~ (input_ptr2) = 323.15; // допустимое значение давления газа в полости наполнения, Па

~ (input_ptr3) = 8e6; // температура газа в источнике питания, К ~(input_ptr4) = 290.15;

// давление газа в источнике питания, Па

~(input_ptr5) = 4 0.1e6; // температура смежных конструкций, К

~(input_ptr6) = 290.15; // Повторная инициализация проекта "Model NewTech IdGas.prt", но с новым значением параметра (поэтому "1") initproject(prjid,1); // Запуск проекта на расчет runproject(prjid); XK=X_Tob+dXTob/2; end;

input tt;

~(input_ptrl) = X_Tob;

Avup = ~(result_ptr_A); Tvup = ~(result_ptr_T); if ((Avup=4) and (flag=0)) then begin

Tok_old=Tok; Tok=Tvup; X_Tob_old=X_Tob; output X_Tob_old, Tok; // Восстановим начальную точку для циклического расчёта loadprojectstartpoint(prjid); // Постоянный шаг интегрирования X_Tob=X_Tob+dXTob;

// Перезапись свойств параметра X_Tob: ~(input_ptr1) = X_Tob;

// Инициализация проекта "Model NewTech IdGas.prt" initproject(prjid,1);

// Запуск проекта на расчет runproject(prjid);

// Расчет производной параметра

K_X_Tob =(Tok-Tok_old)/dX_Tob;

// Расчет середины отрезка параметра (XK)

XK=X_Tob-dXTob/2;

end;

// Условие окончания расчета

// X_Tob - конечное значение изменяемого параметра (начальная температура объекта наполнения) if X_Tob>3 00.15 then flag=1; output Tvup, flag, K_X_Tob, XK;

Приложение 7

Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра начальная температура смежных конструкций

В данном приложении приведена цифровая модель алгоритма перебора значений параметра начальная температура смежных конструкций (рисунок П7.1), реализованная в отечественном программном комплексе &тЫТеск.

Рисунок П7.1 - Цифровая модель алгоритма перебора значений параметра начальная

температура смежных конструкций

Скрипт окна блока «Алгоритм перебора» для исследования влияния начальной температуры смежных конструкций на время наполнения полости представлен ниже.

//Задание шага изменение параметра (начальная температура смежных конструкций) в расчете, К; const dXTsk=0.1;

var Avup:INTEGER=0, Tvup=0, Tok_old=0, Tok=0, X_Tsk_old=288.15, X_Tskb=288.15, flag:INTEGER =0; // "INTEGER" - объявление целых чисел;

// Tvup - начальное (далее - текущее) время наполнения;

// Tok - время окончания процесса наполнения;

// X_Tsk - начальное значения изменяемого параметра (начальной температуры смежных конструкций);

initialization

// Открываем проект "Model_NewTech_IdGas.prt"

prjid = openproject("Model_NewTech_IdGas.prt",0);

// Инициализация проекта "Model_NewTech_IdGas.prt" initproject(prjid,1); initproject(prjid,1); // Получим ссылку на сигнал другого проекта, которой потом будем управлять

input_ptr1 = getprojectdataptr(prjid,"TermHard7.T_tel_sr_0");

// Получим ссылки на сигналы зафиксированных параметров: input_ptr2 = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.k6.a"); input_ptr3 = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.k7.a"); input_ptr4 = getprojectdataptr(prjid,"TermHard6.T_tel_sr_0"); input_ptr5 = getprojectdataptr(prjid,"Polost82.p_pol"); input_ptr6 = getprojectdataptr(prjid,"Polost82.T_pol");

// Получим ссылку на сигнал другого проекта, который потом будем выводить

result_ptr_A = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.Atec"); result_ptr_T = getprojectdataptr(prjid,"Macro13.Tvup");

// Запомним начальную точку, чтобы делать повторяющийся расчёт saveprojectstartpoint(prjid);

// начальная температура смежных конструкций, К

~(input_ptr1) = X_Tsk; // допустимое значение температуры газа в полости наполнения, К

~(input_ptr2) = 323.15; // допустимое значение давления газа в полости наполнения, Па

~(input_ptr3) = 8e6; // начальная температура стенки объекта наполнения, К

~(input_ptr4) = 290.15; // давление газа в источнике питания, Па

~(input_ptr5) = 4 0.1e6; // температура газа в источнике питания, К

~(input_ptr6) = 290.15; // Повторная инициализация проекта "Model NewTech IdGas.prt", но с новым значением параметра (поэтому "1") initproject(prjid,1); // Запуск проекта на расчет runproject(prjid); XK=X_Tsk+dXTsk/2; end;

input tt;

~(input_ptr1) = X_Tsk; Avup = ~(result_ptr_A); Tvup = ~(result_ptr_T); if ((Avup=4) and (flag=0)) then begin

Tok_old=Tok; Tok=Tvup; X_Tsk_old=X_Tsk; output X_Tsk_old, Tok; // Восстановим начальную точку для циклического расчёта loadprojectstartpoint(prjid); // Постоянный шаг интегрирования X_Tsk=X_Tsk+dXTsk;

// Перезапись свойств параметра X_Tsk: ~(input_ptr1) = X_Tsk;

// Инициализация проекта "Model NewTech IdGas.prt" initproject(prjid,1);

// Запуск проекта на расчет runproject(prjid);

// Расчет производной параметра K_X_Tskb =(Tok-Tok_old)/dX_Tsk; // Расчет середины отрезка параметра (XK) XK=X Tsk-dXTsk/2;

end;

// Условие окончания расчета

// X_Tsk - конечное значение изменяемого параметра (начального значения температуры смежных конструкций) if X_Tsk>303.15 then flag=1; output Tvup, flag, K_X_Tsk, XK;

Приложение 8

УТВЕРЖДАЮ

Председатель НТС КБ «Арматура» -филиала АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», Первый заместитель Главного „¿г. W-TPyKTopa КБ «Арматура» - филиала ^ о-сТАО^ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», ат технических наук

H.A. Володин

2022 г.

Акт

по результатам разработки и внедрения пневмовакуумного оборудования для испытаний образцов ракетно-космической техники

1. В КБ «Арматура» - филиале АО «ГКНПЦ имени М.В. Хруничева» в период с 2017 г. по 2021 г. выполнялись работы по созданию систем газоснабжения стартовых и технических комплексов, включающих пневмовакуумное оборудование для испытаний образцов ракетно-космической техники на герметичность.

2. В указанных работах, в качестве основного исполнителя по направлению разработки пневмовакуумного оборудования для испытаний на герметичность, принимал участие Алиев Андрей Рафаилович - инженер-конструктор I категории подразделения 05 («Конструкторский отдел систем газоснабжения и пневмовакуумного оборудования»). При непосредственном участии Алиева А.Р. были выполнены проектные работы по созданию пневмовакуумного оборудования, успешно эксплуатируемого в настоящее время на космодромах «Восточный» и «Плесецк».

3. Используемые сегодня технологии при проведении испытаний на герметичность являются трудоемкими, энергозатратными, сложными в части обеспечения температурного режима. Основной вклад в трудо- и энергозатраты испытаний вносит процесс наполнения полостей изделий контрольным газом. В связи с этим возникла потребность в выполнении научно-исследовательской работы, направленной на поиск решения по более совершенному, эффективному наполнению полостей изделий.

4. В ходе выполненных Алиевым А.Р. исследований предложена и научно обоснована новая технология автоматизированного процесса наполнения газом полостей при пневмовакуумных испытаниях образцов техники на герметичность.

5. К основным результатам проведенного Алиевым А.Р. исследования, принятым к использованию в практике работы КБ «Арматура», следует отнести:

- новые схемные решения системы наполнения полостей изделий ракетно-космической техники газом, позволяющие сократить

Приложение 9