Эластичные вытеснительные устройства топливных баков

В последние годы чрезвычайно возрос интерес к непосредственному исследованию планет солнечной системы. Для реализации данной задачи необходимы космические аппараты, способные, например, доставить оборудование для сбора информации о состоянии и составе грунта, наличии элементов, встречающихся на Земле и т.п. Таким образом, возрастают требования к оснащению перелетного модуля космического аппа- рата (ПМ КА) связанные с длительностью космического перелета, в частности, определяющие работоспособность двигательной установки. Для обеспечения подачи жидких компонентов топлив к реактивным двигателям в условиях действия малой гравитации используются различные внутрибаковые разделительные устройства: металлические диафрагмы и сильфоны, эластичные вытеснительные устройства (ЭВУ) [1; 2].

Рассмотрим топливный бак сферической формы с установленным в него эластичным вытеснительным устройством, которое разделяет топливную и газовую полости бака (рис. 1). Отбор топлива из бака осуществляется через закрепленную с двух сторон перфорированную трубку. Газ наддува давит на поверхность ЭВУ и выдавливает топливо в магистраль.

Основные требования к ЭВУ при длительном отборе из них компонентов топлив следующие:

• -    конструктивная схема ЭВУ (топливо внутри или снаружи);

• -    низкая проницаемость газов через материал;

• -    химическая стойкость к компонентам;

• -    высокие прочностные характеристики материала (устойчивость к разрывам, растяжениям и т. д.).

Проведенные испытания по выбору формы и материала ЭВУ изготовленных в «НПО им. С. А. Лавочкина» образцов для штатных компонентов при длительном периоде эксплуатации позволили придти к выводу об эффективности использования фольгированных материалов при сферической форме вытеснительного пакета.

Рис. 1. Фрагмент топливного бака:

1 - корпус бака; 2 - наддувная полость; 3 - горловина;

4 - ЭВУ; 5 - перфорированная труба

Материал ЭВУ состоит из полифеновой ткани, алюминиевой фольги и фторопластовых пленок, которые обеспечивают превосходную химическую стойкость и высокую эластичность. Полифеновая ткань снижает склонность материала к растрескиванию и улучшает стойкость к сложноизгибающим деформациям, а алюминиевая фольга снижает проницаемость газов наддува и КРТ (негерметичность фольгированного вытеснителя составляет 1,0^ 10 3 л.•мкм рт. ст./с., при незначительном увеличении массы ЭВУ).

Результаты проведенных испытаний по определению химстойкости материала ЭВУ при длительном нахождении в компонентах топлива приведены на рис. 2. Для придания пакету формы и габаритов внутреннего контура топливного бака ЭВУ изготавливается методом термической сварки из формованных сегментов (лепестков), которые свариваются в полусферы, а затем в сферу.

Для подтверждения работоспособности ЭВУ, оценки газовыделения на компонентах гептил и ами-лин в условиях натурной эксплуатации ДУ ПМ КА

«Фобос-Грунт» были сформулированы следующие задачи:

• -    определение значений концентраций растворенного газа наддува в амилине и гептиле в процессе длительного хранения и вытеснения компонента топлива из ЭВУ;

• -    определение газовыделения в процессе испытаний;

• -    определение степени негерметичности ЭВУ перед заправкой и после слива компонентов;

• -    оценка состояния материала ЭВУ после испытаний;

• -    определение соответствия НТД составов компонентов топлива до и после испытаний.

Рис. 2. Относительное удлинение фольгированного материала L после выдержки в гептиле и амилине: 1 (ооо) - гептил, вдоль; 2 (+++) - гептил, поперек; 3 (□□□) - амилин, вдоль; 4 (◊◊◊) - амилин, поперек

Для осуществления поставленных задач были разработаны программа и методика проведения испытаний, которые были реализованы в ФКП «НИЦ РКП» [3]. Испытуемый бак монтируется в термошкафу в соответствии с пневмогидравлической схемой изделия с добавлением емкости для объемно - весовых измерений при ресурсных испытаниях.

Осуществляется проверка герметичности ЭВУ до и после слива хромаграфическим методом. Проводится анализ по определению соответствия ГОСТам составов компонентов топлива до и после испытаний. Заправка осуществляется в отвакауумированные полости бака, ЭВУ и магистрали, заправка ЭВУ заданным количеством компонента с весовым контролем массы топлива. Не позднее одних суток осуществляется наддув гелием до рабочего давления.

В ходе ресурсных испытаний проводят отбор компонента из бака в измерительный бачок заранее отва-куумированный заданной массы компонента, определяемую по весам, выдерживают измерительный бачок в течение времени, необходимого для установления в нем постоянного давления, по значениям слитой в бачок массы компонента и давлению в бачке рассчитывают величину концентрации растворенного в компоненте газа. Содержимое измерительного бачка переливают в весовую емкость и продолжают слив из бака заданного циклограммой количества компонента.

На протяжении испытаний поддерживались температурные циклы, отвечающие натурным условиям эксплуатации. На протяжении всего этапа испытаний осуществляется контроль температуры, давления, массы отобранных компонентов, а также контроль за состоянием пневмогидравлической системы.

По окончанию ресурсных испытаний проводилось определение остатков компонента, герметичности ЭВУ. После мероприятий по нейтрализации проводится удаление ЭВУ из объема бака и внешний контроль состояния вытеснительного пакета на предмет обнаружения расслоений материала оболочки и сварных швов.

Согласно изложенной методике были проведены испытания для двух пар баков – с гептилом и амилином соответственно. Все сливы гептила из баков прошли без замечаний. Взятый по завершению испытаний анализ компонента соответствовал требованиям НТД. На рис. 3 показано газонасыщение гептила гелием.

Рис. 3. Газонасыщение гептила гелием

Все сливы амилина из баков прошли также без замечаний. Взятый по завершению испытаний анализ компонента соответствовал НТД. На рис. 4 показано газонасыщение амилина гелием.

Определение исходной негерметичности по методу «мундштука» гелием показало отсутствие утечек через ЭВУ. После проведения испытаний была определена негерметичность ЭВУ баков № Г2 и № О2 также по методу «мундштука». Утечки азота через ЭВУ отсутствовали. При проверке методом «мундштука» на гелии утечки при перепаде на ЭВУ давления согласуются с требованиями по герметичности ЭВУ после испытаний – 0,0098 нсм3/мин.

Результаты измерений газонасыщения компонентов гелием в процессе длительного хранения в ЭВУ и сливов компонентов удовлетворительно согласуются с расчетными (см. рис. 3, 4).

Результаты испытаний показали, что при моделировании графика вытеснения компонентов к концу полета перелетного модуля космического аппарата «Фобос-Грунт» на 510 сутки следует ожидать газовы-деление в баке «О» – 0,16 л, в баке «Г» – 0,02 л при негерметичности ЭВУ 1,0.10–3 л.·мкм рт. ст./с. Компоненты амилин и гептил до и после испытаний соответствовали требованиям ОСТ 113-03-503–85 и ГОСТ В 17803–72 соответственно. Исследования механических свойств образцов материала ЭВУ после выдержки в компонентах топлива показали, что относительное удлинение фольгированного материала составляет ∼ 40 %, при этом сварные швы и основной материал сохранили свои свойства.

Рис. 4. Газонасыщение амилина гелием

Работоспособность (конструктивная целостность) ЭВУ обеспечивает длительность полета ДУ ПМ – 510 суток.