шагах перемещений на углы менее 120° методическая погрешность не превышает 0,01".
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 14-19-00693).
Л и т е р а т у р а
1. Sim P. J. Modern Techniques in Metrology // World Sci. 1984. P. 102—121.
2. Probst R., Wittekopf R., Krause M., Dangschat H., Ernst A. The new PTB angle comparator // Meas. Sci. Technol. 1998. N. 9. P. 1059—1066.
3. Бурнашев M. H., Павлов П. А., Филатов Ю. В. Разработка прецизионных лазерных гониометрических систем // Квантовая электроника. 2013. Т. 43. № 2. С. 130—138.
4. Корн Г. Справочник по математике (для научных работников и инженеров): М.: Наука, 1974.
5. Павлов П. А. Анализ алгоритмов измерений лазерным динамическим гониометром // Измерительная техника. 2008. № 1. С. 17—20.
6 . Баринова Е. А., Иващенко Е. М., Павлов П. А. Кольцевой лазер в прецизионных угловых измерениях // Лазеры. Измерения. Информация: Сб. докл. 21-й Междунар. конф. 2011. Т. 1. С. 62—75.
7. Иващенко Е. М., Павлов П. А. Метод устранения влияния магнитного поля в лазерном динамическом гониометре // Измерительная техника. 2012. № 10. С. 18—22.
8. Баринова Е. А., Гордеев С. В., Иващенко Е. М., Павлов П. А. Метод и результаты исследования случайной погрешности оптического датчика угла // Метрология. 2011. № 7. С. 17—25.
Дата принятия 22.01.2015 г.
629.76.063.6
Погрешности датчиков уровня системы контроля заправки разгонного блока
С. В. БАЛАКИН1' 2
1ОАО РКК «Энергия» им. С. П. Королева, Королев, Россия 2Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ, Москва, Россия, e-mail: Stanislav.Balakin@rsce.ru
Рассмотрена методика расчета погрешности преобразования уровня жидкого кислорода в электрическую емкость блока датчиков уровня разгонного блока, представлены результаты исследований точностных характеристик. Показано, что погрешности основных и дублирующих каналов таких блоков не превышают требуемого значения.
Кпючевые слова: датчики уровня, контроль заправки, кислород, криоген, диэлектрическая проницаемость, разгонный блок.
The procedure of calculating errors of the liquid oxygen level-to-capacitance conversion are considered and the results of experimental study of its accuracy characteristics are shown. It is shown that the errors of basic and duplicate channels of such units do not exceed the required value.
Key words: level transducers unit, filling control, oxygen, cryogenic, dielectric permittivity, accelerating unit.
Наряду с созданием новых систем выведения ракет среднего и тяжелого классов [1] в ракетно-космической отрасли проводится модернизация существующих ракет-носителей и разгонных блоков (РБ) для повышения их эффективности. Один из вариантов решения этой задачи — увеличение полезной нагрузки, что возможно при снижении гарантийных запасов горючего и окислителя и повышении точности измерений уровня при заправке жидкостных ракет [2].
При создании ракеты-носителя сверхтяжелого класса Н1 в рамках проекта «Лунная программа» была разработана пятая ступень ракеты, которую позже обновили и установили на ракету-носитель «Протон» в качестве РБ. В результате существенной модернизации указанного РБ был создан усовершенствованный блок ДМ повышенной грузоподъемности, на котором установлен блок датчиков уровня (БДУ), ана-
логичный ДМ-SLБ (наземный старт) и ДМ-SL (морской старт). С использованием этого БДУ было проведено тринадцать успешных запусков РБ ДМ^ и шесть — ДМ^Б без замечаний по заправке жидким кислородом [3]. Надежность и точность емкостных непрерывных систем контроля заправки обеспечены и подтверждены теоретическими и экспериментальными работами, выполненными на всех баках ракет-носителей «Энергия» и «Союз-2». Однако для обоснования точностных характеристик системы усовершенствованного блока ДМ необходимы экспериментальные доказательства погрешности измерений БДУ уровня жидкого кислорода, не превышающей требуемого значения ±0,8 %.
Система контроля заправки (СКЗ), в состав которой входит БДУ, базируется на емкостном принципе действия при использовании существенной разницы диэлектрических про-
ницаемостей жидкой и газообразной фаз кислорода в баке РБ. В системе происходит непрерывное измерение уровня границы раздела жидкой и газообразной фаз кислорода с помощью калиброванного цилиндрического БДУ фиксированной длины, установленного в верхней части бака. Для РБ номинальный уровень жидкого кислорода в баке определяет необходимую массу компонента, так как ее зависимость от объема бака и плотность кислорода при имеющейся средней температуре в баке известны.
Степень погружения БДУ в жидкий кислород выражается следующим образом [4]:
п = ЫН =
СД Ссух К "
■'эф
(еж - £г)
К
где Н, h — высота БДУ и его части, погруженной в жидкий
кислород, соответственно; Сл
СН
Ссух ,
СЭф — электрические
емкости БДУ: измеряемая в процессе заправки РБ, «сухого» БДУ, на котором проводили настройку системы и эффективное значение, взятое из формуляра, соответственно; К — расчетный коэффициент изменения линейных размеров
БДУ при его охлаждении в криогенной жидкости; е" , е^ —
относительная диэлектрическая проницаемость газообразной фазы во время настройки и заправки РБ, соответственно; еж — относительная диэлектрическая проницаемость жидкого кислорода во время заправки РБ, определяемая по таблицам исходя из температуры компонента на момент окончания заправки.
Для измерения уровня кислорода во время заправки РБ ДМ № 1 использовали СКЗ прежнего поколения, в которой применены блоки контроля заправки (БКЗ), реализующие мостовые методы измерений [5, 6]. Блок датчиков уровня РБ ДМ имеет следующие конструктивные особенности:
выполнен в виде трех секций, каждая из которых состоит из основного и дублирующего датчиков уровня заправки (ДУЗ) с диапазоном измерений 0—500 мм. Расстояние между электродами ДУЗ соседних секций составляет 2 мм и фиксируется специальными прокладками, выводы цепей ДУЗ на выходной разъем сделаны отдельно от каждого из них;
трубы электродов ДУЗ выточены с высокой точностью на станках с программным управлением, вследствие чего обеспечивается малый разброс между электрическими емкостями ДУЗ одноименных каналов, высокая стабильность и линейная зависимость приращения электрической емкости датчика от высоты заполнения жидкостью.
Вывод электрических цепей от каждого ДУЗ на выходной соединитель БДУ позволяет измерять в процессе проведения приемо-сдаточных испытаний на заводе-изготовителе электрическую емкость каждого ДУЗ как в нормальных условиях, так и при заполнении всех трех секций БДУ жидким азотом, а также использовать БДУ для РБ ДМ и ДМ^Б (при параллельном соединении в бортовой кабельной сети РБ ДУЗ трех секций, обеспечивающем диапазон измерений уровня 0—1504 мм), и для РБ ДМ-SL (при параллельном соединении в бортовой кабельной сети РБ ДУЗ двух нижних секций, гарантирующем диапазон измерений уровня 0—1002 мм).
Для расчета погрешностей измерений уровня жидкого кислорода использовали экспериментальный образец кон-
структорско-доводочных испытаний (КДИ) БДУ и его штатные образцы, установленные на РБ ДМ и РБ ДМ^Б №№ 1—4. В табл. 1 приведены электрические емкости Св1, Св2, Св3, Св4, Св5, Св6, измеренные в воздушной среде, электрические емкости С^'а, С£а, С^за, С^3, , С^а — в жидком азоте для тех же секций БДУ, а также емкости С1, С1жа ,
С2, Сж
вычисленные как суммы указанных емкостей.
Погрешности измерений уровня жидкости в основном А° и дублирующем Лд каналах БДУ, обусловленные реальными характеристиками ДУЗ БДУ, включая нелинейность ДУЗ для уровней 0, 500, 1002, 1504 мм, определяли по следующим формулам (в индексах указаны параметры, используемые для расчетов погрешностей по дублирующим ДУЗ):
Ло0 (д) = 1504
/-•ж.а в Г т
С1(2) — - Ч(2) т
С1(2)т|^ - 1)
; (1)
Л000) = 1504
Озб а(в6) + (Св3 (в4) + Св1(в2) - ^1(2))т)х
С1(2) т (^ - 1)
\-1
- 0,33333
(2)
Ло (д) = 1504 Л1000 = 1504
сж5ав6) + св3зав4) + (Св1(в2)- ^1(2))т)х
х1 с1(2) т (^ - 1) | - 0,66666
Ло (д) = 1504 Л1500 = 1504
С1(2) - С1(2) т
1(2)
т(^ - 1)1-1,0
(3)
(4)
где С1, (С2) — «сухие» электрические емкости параллельно
соединенных секций Св1, Св3, Св5 (Св2, Св4, Св6) основного и дублирующего каналов БДУ; СЖ'а, (СЖ>а) — электрические емкости основного и дублирующего каналов БДУ, заполнен-
ного азотом; ев =1,00052, е^2 =1,4321 — диэлектрические
проницаемости воздуха и кипящего жидкого азота, соответственно; т = 0,99615 — коэффициент линейного укорочения рабочих электродов БДУ при охлаждении от 20 до -(183—196) °С; 0,33333, 0,66666, 1,0 — отношения измеряемых БДУ уровней 500, 1002, 1504 мм к диапазону измерений 0—1504 мм [7].
Проведя расчет по формулам (1) — (4) с использованием данных из табл. 1, получим округленные до десятых долей миллиметра погрешности измерений уровней каналами БДУ (табл. 2). Из табл. 2 следует, что абсолютные погрешности основного и дублирующего каналов БДУ образца КДИ, подвергавшегося испытаниям на экспериментальной установке, не превышали 1,3 мм, а абсолютные погрешности основных и дублирующих каналов БДУ, использовавшихся на РБ ДМ № 1 и ДМ^Б №№ 1—4, не превышали 3,9 мм.
Для подтверждения погрешностей БДУ его испытывали в среде жидкого кислорода на экспериментальной базе ра-
Т а б л и ц а 1
Электрическая емкость БДУ
Канал БДУ Секция БДУ Обозначение емкости Электрическая емкость, пФ, различных РБ
ДМ №1 Образец КДИ ДМ^Б № 1 ДМ^Б № 2 ДМ^Б № 3 ДМ^Б № 4
Основной 1 СВ1 372,13 373,68 373,38 372,82 371,93 372,39
2 СВ3 371,86 373,31 373,19 373,52 372,43 372,22
3 СВ5 372,60 373,90 374,12 370,68 372,53 372,14
1+2+3 С1 1116,85 1120,89 1120,69 1117,02 1116,89 1116,75
1 Св1 530,66 532,82 532,46 531,47 530,14 530,58
2 с^ж.а °в3 530,13 532,21 532,15 532,55 530,80 530,28
3 л^ж.а Св5 531,38 533,17 533,50 528,57 530,96 530,31
1+2+3 ж.а Ц 1592,56 1598,20 1598,11 1592,59 1591,90 1591,17
Дублирующий 1 СВ2 177,26 177,30 176,09 176,80 176,75 176,49
2 СВ4 175,42 177,37 177,80 176,42 175,88 176,72
3 СВ6 176,65 176,70 174,92 177,01 176,84 176,64
1 +2+3 С 529,38 531,37 528,81 530,23 529,47 529,85
1 ж.а Св2 252,79 252,82 2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.