Опыт использования и перспективы развития уровнемерных систем жидкостных ракет-носителей и разгонных блоков

Успехи нашей организации в создании образцов ракетно-космической техники, в т. ч. ракет-носителей (РН) и разгонных блоков (РБ), определились не только тем, что она брала на себя роль головной организации, комплексно решающей все научно-технические и организационные задачи с помощью большой кооперации научных, проектных и конструкторских предприятий. В процессе этих работ выяснилось, что ряд возникающих научно-технических проблем смежные предприятия решить не могли. В таком случае наша организация вынуждена была решать возникающие проблемы собственными силами.

В результате в РКК «Энергия» за её 79-летнюю историю было создано несколько достаточно узкоспециализированных научнотехнических направлений, которые являются уникальными в нашей отрасли, поэтому их сохранение и развитие, несомненно, является первостепенной задачей.

Одним из таких направлений, рождённых в конце 1950-х гг. в отделе академика Чертока Б.Е., было научно-техническое направление по измерению количества (уровня) топлива в баках жидкостных ракет. Благодаря ему все ракеты и разгонные блоки, созданные РКК «Энергия» и многими другими организациями, снабжены надёжными и точными уровнемерами систем управления расходованием топлива (СУРТ) и систем измерения уровня заправки (СИУЗ).

Проблема точного измерения уровня компонентов топлива на борту жидкостных ракет, характеризующих количество топлива в баках, впервые возникла в начале 1950-х гг. в связи с созданием С.П. Королёвым первой межконтинентальной ракеты Р-7. На этой двухступенчатой составной (пакетной) ракете выявилась необходимость синхронизации опорожнения баков с жидкими компонентами топлива. Применительно к одной паре цилиндрических баков эта задача сводилась к минимизации разности относительных высот уровней компонентов.

В создании первых уровнемерных систем РН приняли участие коллективы НИИ-88 (сейчас РКК «Энергия»), ОКБ-12 (сейчас Государственный научно-исследовательский институт приборостроения), Институт автоматики и телемеханики Академии наук СССР (сейчас Институт проблем управления имени В.А. Трапезникова РАН — ИПУ РАН), а также такие выдающиеся учёные, как академик Черток Б.Е. (РКК «Энергия»), профессор Абрамов А.С. (ОКБ-12), академик Петров Б.Н., профессор Портнов-Соколов Ю.П. (ИПУ РАН) [1].

Применяемые в жидкостных ракетах топливные уровнемеры по своему конструктивному исполнению могут быть как непрерывными, так и дискретными. Системы с уровнемерами применяются для точного контроля уровня как при заправке ракеты на стартовом комплексе средствами СИУЗ, так и при выработке топлива во время её полета средствами уровнемера СУРТ.

Как известно, одним из ключевых параметров эффективности РН космического назначения является выводимая на орбиту масса полезной нагрузки. При этом основными путями увеличения массы полезной нагрузки являются увеличение удельного импульса тяги двигателей и уменьшения массы РН, в т. ч. уменьшения массы гарантийных запасов топлива в баках. В технической литературе гарантийные запасы топлива определены как дополнительные запасы компонентов рабочего топлива в ракетных блоках ступеней ракеты космического назначения, предназначенные для компенсации возмущающих факторов. При этом одним из возмущающих факторов является погрешность измерения уровня топлива при заправке на стартовом комплексе [2]. Поэтому актуальность совершенствования уровнемерных систем и, соответственно, развитие методической базы измерения уровня направлены, в первую очередь, на повышение точности его измерения, так как это напрямую было связано со снижением массы гарантийных запасов топлива.

В процессе развития ракетно-космической техники (РКТ) были предложены и апробированы различные методы измерения уровня жидких компонентов топлива в баках ракет: манометрический, радиационный, ёмкостный, ультразвуковой, поплавково-индуктивный [1].

Наиболее широкое применение нашли уровнемеры, основанные на ёмкостном принципе действия, т. е. на использовании существенной разницы значений диэлектрических проница-емостей жидкого топлива и газовой подушки в баках ракеты. Кроме того, при создании первых бортовых датчиков уровня возникла проблема, без решения которой было невозможно использовать датчики на борту летящей ракеты. Суть проблемы состояла в поиске методов минимизации колебаний жидкости в зоне измерения уровней в полёте, которая была решена путём установки специального гидродинамического фильтра в зоне расположения ёмкостных датчиков уровня [1, 3].

Наиболее яркую ступень развития уровнемерные системы прошли в 1970-х гг., когда было принято решение о создании многоразовой транспортной космической системы «Энергия–Буран». Актуальность развития в теоретическом плане уровнемерных систем, основанных на ёмкостном методе измерения, была предопределена использованием водорода в качестве горючего РН «Энергия» [4]. На тот момент решалась принципиально новая научнотехническая задача, которая усложнялась очень высокими требованиями к точности измерения, а также специфическими свойствами водорода. Сложность задачи подтверждалась тем, что многолетняя работа смежной специализированной организации в этом направлении не увенчалась успехом. Так как водород обладает более низкой плотностью, чем остальные компоненты топлив (плотность жидкого водорода в 16 раз меньше плотности жидкого кислорода), то поплавково-индуктивные датчики были неработоспособны в среде жидкого водорода. Поэтому РКК «Энергия» применила ёмкостный метод измерения уровня жидкости, так как он оказался единственным методом, на котором могли быть построены уровнемерные системы для жидкого водорода [5]. Таким образом, для РН «Энергия» и орбитального корабля «Буран» коллективом НПО «Энергия» были созданы, внедрены и испытаны ёмкостные уровнемеры СУРТ в 10 баках РН «Энергия» и ёмкостная СИУЗ в 12 баках РН «Энергия» и орбитального корабля «Буран».

Расчёт массы заправки бака окислителя

Заправляемая масса компонентов топлива определяется и задаётся в соответствии с документацией на РН или РБ, в том числе там приводятся данные по окислителю для температуры на момент окончания заправки, которая считается его рабочей температурой.

Далее из заданной массы окислителя определяется полезный объём бака, который занимает окислитель при температуре на момент окончания заправки с учётом увеличения бака за счёт его деформации от давления наддува при заправке:

T7               oaiip . _ -

'полезн            ^’деф»

Уок

где V полезн

— полезный объём бака при температуре на момент окончания заправки; — плот ность окислителя при рабочей температуре t _р (температуре на момент окончания заправки);

M _запр — заправляемый запас окислителя при

температуре на момент окончания заправки; А V деф — увеличение бака окислителя за счёт его деформации от давления наддува при заправке.

Для дальнейшего определения уровня заправляемого в бак окислителя требуются сведения по градуировке бака, которая проводится на заводе-изготовителе РБ. Градуировка топливного бака представляет собой технологический процесс, по которому определяются уникальные для каждого бака данные по соответствию занимаемого в баке объёма технологической жидкости при температуре нормальных условий и высоты от некоей верхней точки бака, в данном случае — верхней теоретической вершины (ВТВ) до уровня технологической жидкости. Далее данные, полученные по результатам проведения градуировки бака при нормальной температуре, пересчитываются для температуры на момент окончания заправки и заносятся в паспорт на бак.

Далее на основании рассчитанного объёма, который будет занимать заправленный в бак окислитель при его рабочей температуре, и данных по градуировке бака, определяется высота от ВТВ бака до поверхности окислителя. Этот параметр заправки РБ окислителем обозначен как Н _полезн и рассчитывается через H^{t р} — значение, определяемое по уникальной для конкретного бака градуировочной характеристике , где H^{t р} — расстояние от ВТВ до поверхности (уровня) окислителя при рабочей температуре; V^{t р} — объём окислителя в баке при рабочей температуре.

Полученное значение Н _полезн при рабочей температуре заносится в формуляр РБ и является исходным параметром для определения номинального уровня. На основании значения параметра Н _полезн по документации определяется значение номинального уровня, выраженное в процентном отношении относительного заполнения ёмкостного указателя наполнения блока датчиков уровня (БДУ). Таким образом, количество (масса) поданного на борт окислителя заявлено и, соответственно, измеряется уровнемерной системой в виде относительного заполнения БДУ в процентах.

Специфика использования уровнемерных систем

Компонентами ракетного топлива изделий РКТ в основном являются диэлектрические жидкости, к которым относятся и криогенные сжиженные газы, такие как жидкий кислород и жидкий водород, достигающий температур кипения около -253 °C. Очевидно, что для таких температур выбор метода измерения сильно ограничен. Большое распространение в изделиях РКТ получил ёмкостный метод измерения, основанный на использовании разности диэлектрической проницаемости топлива и газовой среды, заполняющих непрерывный БДУ, благодаря ряду достоинств, таких как возможность работы в кипящем компоненте, линейность характеристики, отсутствие подвижных частей и пр. [3]. БДУ представляет собой воздушный цилиндрический конденсатор в дублированном исполнении (рис. 1).

Блок датчиков уровня РБ ДМ имеет следующие конструктивные особенности:

• •    выполнен в виде трёх секций, каждая из которых имеет основной и дублирующий датчики уровня заправки (ДУЗ) с диапазоном измерения уровня 500 мм. При этом расстояние между электродами ДУЗ соседних секций составляет 2 мм, которое фиксируется специальными прокладками, а выводы цепей ДУЗ на выходной электросоединитель БДУ выполнены отдельно от каждого из них;

• •    трубы электродов ДУЗ изготавливаются с высокой точностью путём точения их на станках с программным управлением, вследствие чего обеспечивается малый разброс между электрическими ёмкостями ДУЗ одноименных каналов, бóльшая их стабильность и линейная зависимость приращения электрической ёмкости ДУЗ от высоты его заполнения жидкостью [6].

Рис. 1. Блок датчиков уровня заправки (вид с торца): 1 — основные измерительные электроды; 2 — дублирующие измерительные электроды; 3 — защитный экранный электрод [3]

Вывод электрических цепей от каждого ДУЗ на выходной соединитель БДУ позволяет следующее:

• •    измерять в процессе изготовления и испытаний БДУ на заводе-изготовителе электрическую ёмкость каждого ДУЗ как в нормальных условиях, так и при заполнении всех трёх секций БДУ жидким азотом;

• •    использовать БДУ для усовершенствованного РБ типа ДМ в двух вариантах:

  – при параллельном соединении в бортовой кабельной сети трёх секций, обеспечивающем один диапазон измерения уровня;

  – при параллельном соединении в бортовой кабельной сети двух нижних секций, обеспечивающем другой диапазон измерения уровня.

Представленная ниже аналитическая зависимость, описывающая влияние электрофизических свойств жидкости и газа подушки бака на значение электрической ёмкости заполняемого БДУ, имеет следующий вид:

где С _тек — текущее значение электрической ёмкости заполняемого датчика; С _сух — значение электрической ёмкости сухого датчика; ε _г — значение диэлектрической проницаемости газовой подушки; ε _ж — значение диэлектрической проницаемости жидкости; H — высота ёмкостного датчика; h — высота заполненной части ёмкостного датчика.

Параметры ε _ж, ε _г зависят от температуры. Поэтому при подаче компонентов топлива из специальных хранилищ их температуры задаются с соответствующим допуском. По выданным значениям температур определяются численные значения вышеупомянутых параметров, которые затем используются при настройке уровнемерной системы. При этом следует учитывать, что в значение уровня, измеренного БДУ, будет внесена дополнительная погрешность, если температура окислителя на момент окончания заправки будет отличаться от заданного значения его рабочей температуры, используемой при настройке системы. Очевидно, что чем точнее будет задано значение температуры компонента, тем точнее будет измерен уровень.

Далее определяется отношение разности электрических ёмкостей и приращения электрической ёмкости полностью погружённого в диэлектрическую жидкость ёмкостного датчика уровня:

Таким образом, определение относительного заполнения ёмкостного датчика уровня диэлектрическим веществом, как разность значений электрической ёмкости заполняемого и сухого ёмкостного датчика уровня, отнесённую к приращению электрической ёмкости датчика, полностью погруженного в жидкий кислород, обеспечивает исключение влияния линии связи на результат определения уровня [5]. Из аналитической зависимости (3) это следует очевидным образом, С _сух и С _тек определялись с учётом влияния линии связи. Поэтому в отношении согласно выражению (3) влияние линии связи аналитически исключается.

Уровнемерные системы первого поколения

Создание уровнемерных систем сопровождалось рядом технических трудностей, одна из которых заключалась в том, что нужно было найти решение, позволяющее точно измерить по двухпроводной линии связи электрические параметры БДУ на удалении до 400 м. Технически требовалось обеспечить измерение электрической ёмкости датчика с точностью ±0,1 пФ на фоне воздействия паразитной электрической ёмкости кабельной линии связи, что представляло серьёзную научно-техническую проблему, называемую среди разработчиков уровнемерной системы «проблемой длинной линии». Решение было найдено путём использования мостовых измерительных трансформаторов с тесной индуктивной связью.

Принцип действия системы контроля уровня заправки первого поколения основывается на сложении комплексных токов от ёмкостного БДУ РБ, которое осуществляется при помощи тесно связанных индуктивных плеч моста на суммирующем измерительном трансформаторе.

Проблемы дестабилизирующих факторов при измерении параметров БДУ были решены путём использования свойства трансформаторных мостовых схем с тесной индуктивной связью, которые обладают исключительно высокой устойчивостью и стабильностью плечевых отношений. Кроме того, эти мостовые схемы позволяли сравнивать плечевые токи, значения которых могут составлять 10–12 А, что свидетельствует о возможности достижения высокой точности измерения значений параметров измеряемого датчика [3]. Существенным оказался тот факт, что суммирующий измерительный трансформатор тока в измерительной схеме моста в точке равновесия имеет входное сопротивление, близкое к нулю. Это свойство трансформатора было использовано для шунтирования паразитной ёмкости наземной кабельной сети для решения проблемы «длинной линии». В конечном счёте, была создана уникальная измерительная схема СИУЗ, которая показала достаточную стабильность характеристик в работе и практическую пригодность в условиях наличия длинной линии до БДУ.

Процесс измерения уровня в баке жидкого кислорода РБ для уровнемерных систем первого поколения включает в себя несколько этапов:

• •    преобразование уровня топлива, заполняющего ёмкостный БДУ, в изменение электрической ёмкости БДУ путём воздействия на измерительную цепь переменным током;

• •    измерение электрической ёмкости БДУ путём уравновешивания измерительной мостовой схемы по реактивной и активной составляющим комплексного тока;

• •    преобразование электрической ёмкости БДУ в относительное, выраженное в процентах, заполнение БДУ (определение текущего уровня);

• •    выдачу командных сигналов в систему управления заправкой при достижении текущего уровня заданных уставок.

Основные технические характеристики созданных уровнемерных систем следующие:

• •    погрешность измерения уровня заправки бака диэлектрической жидкостью ±2%;

• •    работа с любыми диэлектрическими жидкостями — криогенными (кислородом, водородом, азотом, метаном), углеводородными (керосинами Т1, Т6, РГ-1, синтином) и др.;

• •    работа с непрерывными и дискретными ёмкостными датчиками в широком диапазоне ёмкостей датчиков и скоростей движения уровня;

• •    работа в составе наземной СИУЗ через соединительные линии до ёмкостных датчиков, установленных на изделии (длиной до 400 м).

Функциональная схема уровнемерной системы, поясняющая принцип её работы и настройки, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема системы первого поколения уровнемеров: 1 — блок датчиков уровня (БДУ); 2 — длинная линяя связи; 3 — генератор; 4 — ключ; 5 — суммирующий тр_.ансформатор; 6 — усилитель; 7 — следящая система; V — напряжение питания измерительной схемы; n _р , n _к , n _ε , n _вых — количество витков рабочей, компенсационных и выходной обмоток измерительного трансформатора (ИТ); с _р — ёмкость БДУ; с _к , с _ε , с _φ — ёмкости компенсационных конденсаторов в измерительном блоке уровнемерной системы; L _р , L _к , L _ε , L _вых — ин_.дукции рабочей, компенсационных и выходной обмоток; V _вых — напряжение на выходной обмотке ИТ (рисунок создан авторами)

Функционирование первого поколения системы измерения уровня заправки основывалось на методе сложения комплексных токов от ёмкостного БДУ, которое осуществляется при помощи тесно связанных индуктивных плеч моста на суммирующем измерительном трансформаторе. Причём коэффициент, с которым ток входит в общую сумму, определяется количеством витков плеча, а знак коэффициента — направлением включения обмотки этого плеча [7]. Условием равновесия измерительной схемы является равенство нулю суммы всех токов, протекающих через БДУ. Так как измерительная система являлась линейной, то отношение количества витков тесно связанных индуктивных плеч определяло относительное заполнение (уровень) ёмкостного БДУ диэлектрическим топливом. Поэтому измеренный в баке изделия РКТ уровень диэлектрического топлива представлялся в виде процентного отношения относительного заполнения БДУ диэлектриком.

Общее уравнение равновесия для схемы на рис. 2 имеет следующий вид:

После преобразований уравнение равновесия приобретает следующий вид:

где V _вых — напряжение на выходной _.обмотке измерительного трансформатора (ИТ); ф — магнитный поток в сердечнике ИТ; j го — комплексная круговая частота; M рв , М кв , M _{Е в} — коэффициенты взаимоиндукции между рабочей, компенсаци-о_.нны_. ми_. и выходной обмотками соответственно; I р , I к , I _е — токи .через рабочую и компенсационные обмотки; V — напряжение питания измерительной схемы; n р , n к , n _Е , n _вых — количество витков рабочей, компенсационных и выходной обмоток ИТ соответственно; с _р — ёмкость БДУ; с к , с е — ёмкости компенсационных конденсаторов в измерительном блоке уровнемерной системы.

При захолаживании криогенным компонентом топлива конструкции бака, в т. ч. и БДУ, электрическая ёмкость блока уменьшается на известную величину A C t . Поэтому при настройке на «горячий» БДУ с помощью компенсационного конденсатора с _к необходимо сдвинуть точку «0%» в сторону увеличения показания уровня. Уровнемерная система, настроенная таким образом на «горячем» сухом БДУ, будет показывать значение уровня ~1–2%.

Таким образом, уровнемерная система первого поколения базировалась на принципе измерения комплексного тока, протекающего через БДУ, а конструктивно представляла собой совокупность приборов, построенных на принципе следящей системы с цифровым экстремальным уравновешиванием по активной и реактивной составляющим измеряемого комплексного тока.

В результате огромного объёма теоретических и экспериментальных работ на базе ёмкостного метода были разработаны, отработаны, прошли полный цикл испытаний, успешно эксплуатировались и продолжают эксплуатироваться на космодроме Байконур без существенных замечаний системы измерения уровня заправки для космической системы «Энергия–Буран» и для РБ типа ДМ [8].

Уровнемерные системы нового поколения

В результате проведения глубокой модернизации ракеты 11А511У-ФГ (создания перспективной ракеты среднего класса), к уровнемерным системам было предъявлено требование по обеспечению высокой точности измерения. Исходя из этого требования, СИУЗ перспективной ракеты должна измерять уровень с относительной погрешностью ±0,5%. Реализация измерения уровня с такой погрешностью имела большое значение, так как приводила к существенному (свыше сотни килограммов) высвобождению массы гарантийных запасов топлива, что особенно актуально для верхнего блока перспективной ракеты.

Для решения указанной задачи авторами был изучен опыт создания в ИПУ РАН универсального базового варианта измерителя анализатора параметров импеданса, на основании которого возможно построение как функционально-, так и проблемно-ориентированных приборов.

При создании преобразователя разработчики ИПУ РАН стремились выполнить его максимально простым, малогабаритным (не более одной европлаты), недорогим, но в то же время обеспечить достаточно высокие метрологические характеристики в сочетании с расширенными функциональными возможностями путём оптимальной организации алгоритма функционирования и эффективной отработки измерительной информации на персональном компьютере (ПК) с использованием методов цифровой фильтрации и тестирования.

В данном преобразователе, чтобы получить измерительную информацию, необходимую при вычислении параметров импеданса, циклически по сигналам, формируемым ПК, производится подключение фазочувствительного детектора (ФЧД) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сначала к объекту измерения, затем к эталону с соответствующими переключениями фазы опорного напряжения с дискретностью Av = n/( 2n ) , где n — целое число. В результате после каждого измерительного цикла на выходе АЦП получается значение U_ij ( i = 1, 2; j = 1, …, n ) — проекция вектора измеряемого напряжения на вектор опорного напряжения:

где Т — интервал интегрирования; U_ij ( t ) — входной сигнал ФЧД; G_j ( t ) — опорный сигнал [9].

Коды, несущие информацию о U_ij ( t ), поступают в ПК, где после статистической обработки, если это требуется, они подвергаются обработке по алгоритму, обеспечивающему вычисление действительной и мнимой составляющих напряжений на объекте измерений и на мере.

Что касается точности измерения, то на неё в данном случае оказывают влияние только аддитивные погрешности ФЧД и АЦП, но они достаточно малы. Поэтому основным источником погрешности измерения в преобразователе являются мультипликативные погрешности измерительной цепи, которые в значительной степени можно устранить калибровкой преобразователя по внешней образцовой мере.

В технической литературе встречается типовой комплекс задач, заключающийся в выяснении возможностей суждения о свойствах объекта по значениям параметров его модели в виде электрической цепи переменного тока, построении адекватной модели объекта исследования, выделении его информативных параметров, а также требований к проблемно-ориентированным приборам для дальнейшего построения подобных объектов [10].

Данный подход частично был использован при создании в РКК «Энергия» уровнемерных систем нового поколения, построенных с использованием информационных технологий.

В основу функционирования уровнемерных систем нового поколения положен способ косвенного измерения параметров при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, в частности БДУ, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения [11]. Функциональная схема системы второго поколения уровнемеров представлена на рис. 3.

В схеме показан детектор, который обеспечивает выделение параметров БДУ по модулю, что позволяет работать со скалярными значениями. Также на рис. 3 представлена схема замещения БДУ, где с _р — рабочая электрическая ёмкость датчика, которая несёт полезную информацию об уровне заправки бака; R _н — сопротивление тока утечки через диэлектрик, которое влияет на погрешность в процессе измерения уровня заправки [12].

В блоке задания схемы замещения ёмкостного ДУЗ имеем следующие выражения для представления математической модели БДУ:

Рис. 3. Функциональная схема системы второго поколения уровнемеров: 1 — блок датчиков уровня; 2 — длинная линия связи; 3 — генератор; 4 — ключ; 5 — преобразователь тока в напряжение (ПТН); 6 — детектор; 7 — усилитель; 8 — аналого-цифровой преобразователь; 9 — блок управления; 10 — блок задания схемы замещения; 11 — блок определения уровня; с _р — рабочая электрическая ёмкость датчика; R _н — сопротивление тока утечки через диэлектрик; R _эт — сопротивление эталона (рисунок создан авторами)

где R _эт — сопротивление эталона; ω ₁ и ω ₂ — первая и вторая частоты измерительного канала; I _ω , I _ω — ток через измерительный канал по выбранной частоте [13].

Для определения параметров необходимо произвести измерение токов через сухой ёмкостный датчик уровня и эталон. Так как ёмкостный датчик уровня является двухзвенным двухполюсником, то измерение тока необходимо проводить на двух частотах.

Далее измеренные значения используются в зависимости (3) для определения уровня заправки БДУ, установленным в баке РБ и геометрически привязанным к ВТВ бака.

Созданные уровнемерные системы уже прошли практическую апробацию и эксплуатируются при пуске РН с космодромов Плесецк и Байконур (ранее также с Куру), при запуске РБ типа ДМ с космодромов Плесецк и Байконур.

Достижения в разработке первого и второго поколения уровнемеров

Уровнемеры первого поколения

На этом этапе создания уровнемерных систем были получены следующие научные результаты:

• •    разработаны и научно обоснованы требования к внутрибаковым условиям измерения уровня как по криогенным компонентам топлива (водороду, кислороду), так и по углеводородным компонентам топлива (керосину Т-1, РГ-1, Т-6);

• •    разработаны и научно обоснованы требования к ёмкостным датчикам уровня, в т. ч. по точности их изготовления;

• •    разработана и экспериментально подтверждена методика настройки системы измерения уровня заправки;

• •    разработан и экспериментально подтверждён метод измерения уровня диэлектрической жидкости;

• •    разработана аналитическая зависимость показаний уровнемеров от внутрибаковых условий измерения;

• •    разработан метод расчёта погрешности измерения уровня. Выведена зависимость показаний системы в процессе её работы от уровня и типа жидкости в баке, её несплошности и температуры, а также от типа газа, его температуры и давления в подушке бака;

• •    разработаны и внедрены гидравлические фильтры для стабилизации уровня жидкости в зоне измерения;

• •    в период с 1969 по 1981 г. в испытательных центрах страны были проведены длительные и дорогостоящие работы по экспериментальной отработке уровнемерных систем в рамках создания РН Н1 и космической системы «Энергия– Буран». При этом были получены следующие научные результаты:

• –    для изделия Н1 была специально разработана и изготовлена экспериментальная установка на жидком кислороде для исследования внутрибаковых условий измерения уровня. При испытаниях использовались режимы, близкие к штатным режимам заправки, слива, наддува, колебания уровня жидкости (качания установки) и барботирования жидкого кислорода. Отработка используемых систем проводилась на кипящем, перегретом и переохлаждённом кислороде, применялось также предварительное захолаживание (душирование). При этом экспериментально определены предельные скорости движения уровня для обеспечения погрешности измерения уровня не более 2%;

  – для космической системы «Энергия– Буран» были созданы уникальные экспериментальные установки для кислорода и отдельно для керосина с целью подтверждения точностных

характеристик датчиков уровня при различных внутрибаковых условиях. По результатам испытаний были экспериментально подтверждены требования по условиям проведения заправки и измерения уровня и точностные характеристики датчиков уровня, а также экспериментально подтверждена методика настройки и методика измерения уровня жидкого кислорода и керосина.

Уровнемеры нового поколения

Основные научно-технические достижения при создании уровнемеров нового поколения:

• •    разработан метод измерения с высокой точностью параметров импеданса пассивного двухполюсника (в частности, БДУ) в условиях наличия длинной линии связи. Это позволило создать измерительный прибор — мост переменного тока нового поколения — способный измерять параметры с длинными линиями связи с относительной погрешностью ±0,05%. Научная ценность данного метода заключается в развитии теории определения характеристик объекта измерения (ОИ) (в частности, БДУ) путём воздействия на него переменным током для определения характеристик ОИ по его схеме замещения (теоретической модели ОИ) и на основе скалярных значений измеряемых величин;

• •    разработан метод измерения уровня на основе совокупных измерений параметров импеданса БДУ, позволяющий, в отличие от существующего мостового метода, определять уровень с относительной погрешностью, не превышающей ±0,5%;

• •    разработан метод определения погрешности измерения уровня;

• •    разработан метод определения диэлектрической проницаемости керосинов, который позволил получить значения диэлектрических проницаемостей компонентов топлива более точные, чем справочные данные (иногда противоречивые), и тем самым повысить точность измерения уровня.

Перспективные направленияпо усовершенствованию уровнемерных систем

Определение уровня заправки РН и РБ на стартовом комплексе является важным этапом подготовки к пуску, поскольку точность измерений влияет на эффективность работы двигателей. Учитывая, что современные технологии продолжают развиваться, предлагая новые решения для повышения точности и объективности измерений уровня заправки, в настоящее время можно выделить следующие направления усовершенствования:

• •    исключение возможных ошибок при подготовке исходных данных для определения уровня (количества) заправки. Необходимо провести внедрение резервной системы конструктивных привязок БДУ к ВТВ для проверки корректности исходных данных на заправку. Данная задача будет рассматриваться в дальнейших статьях;

• •    определение массы . В РКТ до настоящего времени проводится измерение уровня топлива, значение которого выражено в процентном относительном заполнении БДУ. Однако применение информационных технологий позволяет повысить технологичность заправки и, соответственно, точность определения массы заправляемого в бак компонента. При выдаче исходных данных по необходимому количеству топлива, данные поступают в массовых единицах измерения, вследствие этого для более эффективной работы необходимо внедрять в систему алгоритмы, позволяющие сразу определять массу компонентов топлива. Методическая и функциональная реализация данной технической задачи представлена в патентах [14, 15];

• •    интегрированные сенсорные системы , что подразумевает под собой объединение нескольких методов измерения для повышения достоверности данных. Применяются при использовании расходомерного метода измерения.

Заключение

Развитие систем измерения уровня заправки жидкостных РН и РБ прошло значительный путь от первых аналоговых решений до современных цифровых технологий. Внедрение ёмкостного метода измерения позволило решить сложные задачи, связанные с криогенными компонентами топлива, такими как жидкий кислород и водород, и значительно повысить точность измерений.

Научные исследования для усовершенствования уровнемерных систем должны быть направлены на развитие теории определения характеристик объекта измерения (БДУ) путём воздействия на него переменным током для определения характеристик БДУ по его схеме замещения и на основе скалярных значений измеряемых величин с учётом параметров градуировки бака и температурных воздействий на бак и топливо.

Перспективы дальнейшего развития связаны с повышением точности измерений за счёт учёта температурных деформаций баков, перехода на измерение массы топлива, а также внедрения инновационных технологий. Эти направления открывают новые возможности для оптимизации работы РКТ и снижения массы гарантийных запасов топлива.