Сборка и испытание топливного бака космического аппарата

В стендовых испытаниях принято выделять три этапа: автономная отработка агрегатов, механизмов, узлов и других элементов конструкции; автономная отработка систем; комплексная отработка в составе стендовых изделий. Первый этап испытаний, в свою очередь, принято разделять на конструкторские, доводочные и чистовые испытания. Среди них выделим конструкторские испытания, в процессе которых проверяется правильность выбранной схемы агрегата (отсека), определяются основные его характеристики, а также подтверждается возможность получения на испытываемой конструкции характеристик, заданных на этапе проектирования.

Основные виды конструкторских испытаний следующие: на прочность (опрессовка); функционирование и соответствие заданным параметрам; герметичность, функционирование и соответствие заданным параметрам при крайних значениях температур.

Ниже в краткой форме рассмотрим только первый вид испытанийопрессовку как наиболее ответственный для топливного бака с точки зрения проверки конструкторско-технологических решений силовой конструкции, определения напряженно-деформируемого состояния бака в процессе нагружения, установления критериев прочности, выявления мест разрушения и оценки несущей способности.

Опрессовкой проверяются отдельные агрегаты и трубопроводы после их сборки в цехах-изготовителях перед монтажом внутрибаковых устройств. Для таких испытаний чаще всего применяется дистиллированная вода с добавкой ингибитора, исключающего коррозию материала бака.

Рис. 9. Схема опрессовки.

Общие принципы проведения опрессовки начнем рассматривать с анализа схемы, представленной на рис. 9. Максимальное давление наддува в полете соответствует максимальному давлению рmaxДПК срабатывания дренажно-предохранительного клапана. Таким давлением бак будет нагружен до уровня жидкости, начиная с которого давление увеличивается пропорционально высоте столба жидкости до этого уровня и осевой нагрузке, соответствующей рассматриваемому расчетному случаю, т. е. на величину гидростатического давления ргидр=nχρg0h

Таким образом, давление в нижней точке днища топливного бака определится следующим образом:

р1= рmaxДПК + nχρg0h

Следует обратить внимание на тот факт, что поперечной и динамической нагрузками, составляющими в сумме весьма незначительную долю от осевой нагрузки, как правило, пренебрегают, учитывая их в запасах прочности. Чтобы учесть колебания высоты столба воды, которой заполняется бак в процессе испытания, и разброс показаний манометра, вводится коэффициент запаса f1 = 1,05.

С учетом этого коэффициента давление р2 запишется так:

р2= f1(рmaxДПК + nχρg0h)

Для обеспечения давления р2 в нижней точке днища бака при опрессовке водой необходимо заполнить бак на высоту столба Н. В этом случае давление р3 определится следующим образом:

р3=р2 — рвg0Н где рв — плотность воды; Н — высота столба воды.

Или с учетом давление р1 опрессовки будет равно:

ропр=р3= f1(рmaxДПК + nχρg0h) — рвg0Н Как видно из схемы нагружения (см. рис. 9), верхнее днище и большая часть обечайки топливного бака подвергаются значительно завышенным нагрузкам, что приводит к завышению массы конструкции. Этот эффект проявляется тем больше, чем длиннее топливный бак.

Рис. 10. схема топливного бака по частям.

Один из наиболее простых подходов, позволяющих избежать проявления такого эффекта, заключается в проведении опрессовки бака по частям, т. е. испытании отдельных частей бака. На рис. 10 приведена схема бака с совмещенным днищем, в котором цилиндрическая часть весьма значительна (такой случай характерен для кислородно-водородного блока.

Опрессовка проводится отдельно для каждого из четырех элементов, указанных на рисунке, с обязательной опрессовкой каждого замыкающего сварного шва. При этом давление опрессовки для водородного бака может быть выбрано в зависимости от давления срабатывания дренажно-предохранительного клапана и коэффициента безопасности :

ропр = fрmaxДПК Один из способов, который также может быть рекомендован для опрессовки водородного бака, заключается в том, что вся конструкция помещается в ванну с водой, чем исключается влияние столба испытательной жидкости, и затем проводится опрессовка. Недостатком этого способа является необходимость сооружения больших емкостей для проведения испытаний.

Кроме того, испытание на прочность водородного бака может быть совмещено с проверкой на герметичность. В этом случае бак заполняется гелием под давлением, равным давлению опрессовки, и одним из методов, базирующихся на контроле утечки гелия, проверяется степень негерметичности. Кроме совмещения двух технологических операций, благодаря использованию в качестве рабочего тела гелия, обеспечиваются условия испытания по температуре, близкие к рабочим, что существенно увеличивает достоверность получаемых результатов.

Заключение

В данной работе были рассмотрены методы сборки топливных баков и приведена укрупненная технология их сборки.

Нами были изучены общие требования к бакам современных космических аппаратов и ракет-носителей, их назначение и роль в конструктивно-силовой схеме, конструкционные материалы, требования, которые необходимо учитывать при конструировании баков и разработке технологических процессов изготовления, а так же схема технологического процесса изготовления, контроля и исправления дефектов на сварных герметичных изделиях.

В следующем разделе мы рассмотрели укрупненную технологию сборки сферического и торового баков, описали последовательность операций и применяемое при этом оборудование.

Затем нами был описан процесс тарировки баков. Цель тарировки — обеспечить строго регламентированное количество жидкого содержимого бака при заливке, а также установить зависимость объема жидкости в баке от ее уровня.

В последнем разделе мы рассмотрели испытания баков после изготовления, отдельно остановившись на опрессовке, как на как наиболее ответственном для топливного бака с точки зрения проверки конструкторско-технологических решений силовой конструкции, определения напряженно-деформируемого состояния бака в процессе нагружения, установления критериев прочности, выявления мест разрушения и оценки несущей способности виде испытаний.

Таким образом, в данной работе в полном объеме рассмотрен тех. процесс изготовления и испытания топливных баков космического аппарата.

1. Беляков И. Т., Зернов И. А. Технология сборки и испытаний космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1990.

2. Мишин В. П., Карраск В. К. Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1991.

3. Паничкии Н. И., Слепушкин Ю. В., Шиикии В. П. Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение. 1986.

4. А. М. Синюков. Конструкция управляемых баллистических. М.: Воениздат, 1969.

5. Разумеев В. Ф., Ковалев Б. К. Основы проектирования баллистических ракет на твердом топливе. М.: Машиностроение. 1976.

6. Александров В. А., Владимиров В. В., Дмитриев Р. Д., и др. Ракетоносители. М.: Воеинздат, 1981.

7. Тарасевич Р. М. Методы и средства проверки герметичности узлов, отсеков и систем летательных аппаратов. М.: МАИ, 1974.

8. Космодром /Под общ. ред. А. П. Вольского — М.: Воениздат, 1977.

9. Космонавтика. Энциклопедия — М.: Советская энциклопедия, 1985.

10. Пенцак И. Н. Теория полета и конструкция баллистических ракет, М., Машиностроение, 1974 г.