Теоретические аспекты создания уровнемера для системы управления расходованием топлива жидкостной ракетной двигательной установки с использованием волоконно-оптических линий связи

Теоретические аспекты создания

уровнемера для системы управления…

Инженерный журнал: наука и инновации

# 4·2017 3

Анализ консервативных линейных уровнемеров.

Обзор извест-

ных вышедших из эксплуатации, а также современных РН, имеющих

системы контроля и управления расходованием компонентов топлива,

выявляет использование консервативных методов дискретного кон-

троля уровня компонентов топлива наряду с некоторыми линейными

методами. В сверхтяжелой РН «Энергия» применялись линейные ем-

костные датчики уровня топлива емкостью 500–600 пФ, которые

обеспечивали измерение в ограниченном диапазоне верхних частей

баков ступеней ракеты. Из современных отечественных ракет только

на разновидностях РН «Союз» применяются емкостные линейные

датчики контроля уровня высотой 500…700 мм заправки на всех

нижних ступенях. Из зарубежных ракет можно выделить семейство

ракет Atlas и Arian 5. На ступени Centaur РН Atlas-Centaur для систе-

мы регулирования стехиометрии компонентов топлива стоят непре-

рывные емкостные датчики, как и на РН Arian 5, а на первых ступе-

нях РН Atlas 3, Atlas 5 и Common Centaur установлены уровнемеры,

осуществляющие измерение уровня жидкости в резервуаре диффе-

ренциальными датчиками давления по гидростатическому методу.

В космонавтике для линейных СУРТ используют только два метода

контроля компонентов топлива: емкостный и реже — гидростатиче-

ский. Очевидны их минусы: современные емкостные датчики дают

погрешность 0,5 % [3], дифференциальные датчики давления — еще

льшую погрешность в силу действия закона Бернулли [4].

Перегрузка до ~10

в баке ставит под сомнение перспективность

использования гидростатического метода в качестве уровнемера для

СУРТ современных РН. По сравнению с ВОЛС гидростатические и ем-

костные датчики являются несовершенными техническими устрой-

ствами.

Аппаратное обеспечение уровнемера.

В качестве чувствитель-

ного элемента предлагаемого уровнемера (на основе ВОЛС) высту-

пает оптическое волокно. Точность контроля напрямую зависит от

его свойств и качества исполнения. В настоящее время разработаны

оптические кабели, устойчивые к таким агрессивным средам, как

амил и гептил [5], а также сенсоры современных хладостойких воло-

конно-оптических датчиков. Указанные сенсоры способны обеспе-

чить работу уровнемера при температуре –270 °C [6].

Таким обра-

зом, данный уровнемер не зависит от температуры окружающей сре-

ды, поэтому пользуется приоритетом в ракетно-космической технике.

Рассмотрим аппаратное обеспечение уровнемера (рисунок). Как

видно из схемы, в оптическое волокно через ответвитель направляется

световой импульс от полупроводникового лазера, сформированный

блоком управления. Часть этого излучения вследствие рэлеевского рас-

сеяния излучается обратно через ответвитель на высокочувствительный