Описание испытательного оборудования

1. Состав испытательного комплекса.

Испытательный комплекс - комплекс технических средств, включающих испытательное и измерительное оборудование самого различного назначения, объединенное каналами передачи испытательной информации в единую систему и предназначенное для комплексных испытаний объектов и их составных частей на самые различные (внешние физические и функциональные) воздействия.

Комплекс полунатурного моделирования и испытаний (КПМИ) реализует принцип моделирования внешних общих физических воздействий на испытываемые объекты. С его помощью не только воспроизводятся условия функционирования ОИ при наличии внешних воздействий, но и контролируется его работоспособность и быстродействие.

Иерархическая схема разрабатываемого испытательного комплекса приведена на Рис. 3-1.

Рис. 3-1. Иерархическая схема КПМИ

Схема расположения основных элементов испытательного комплекса приведена на Рис. 3-2. На схеме изображены эскизы блоков ОИ, ИО, приспособлений для крепления без учёта масштаба. Термо-вакуумные камеры, а также ферма БМ «Навигатор» показаны в разрезе. Испытания проводятся с использованием штатной системы обеспечения теплового режима (приборы БКУ устанавливаются на ТСП). Обшивка ЭВТИ не отображена на рисунке для наглядности.

Рис. 3-1. Схема расположения основных элементов КПМИ

Обозначения на схеме: 1 - Термо-вакуумная камера 1; 2 - Термо-вакуумная камера 2; 3 – Насосный агрегат; 4 – БОКЗ-МФ; 5 – Коллиматорный объектив; 6 – Светозащита; 7 – Цифровой монитор; 8 – Станина; 9 – Цифровой монитор управляющей ЭВМ; 10 – Управляющая ЭВМ; 11 – Вычислительно-управляющая система БКУ; 12 – БЦВС; 13 – БУ; 14 – Привод ОНА; 15 – Датчик угла поворота; 16 – Ксеноновые имитаторы солнечного излучения; 17 – Источники инфракрасного излучения.

Светооптические условия моделируются на стенд динамических испытаний с помощью цифрового жидкокристаллического монитора, коллиматорного объектива, светозащиты и специального программного обеспечения.

На экран цифрового монитора, с помощью специального программного обеспечения, заложенного в управляющей ЭВМ, проецируется участок небесной сферы со звездами. Плоскость экрана цифрового монитора находится в фокальной плоскости коллиматорного объектива. Коллиматорный объектив осуществляет преобразование световых потоков от точечных источников, «звезд», имеющих размер пиксела цифрового монитора, в плоскопараллельные световые пучки, которые под разными углами, в зависимости от расположения звезд на экране цифрового монитора относительно оптической оси коллиматорного объектива, приходят на входной зрачок объектива прибора. Таким образом, на СДИ моделируются оптические условия, при которых звезды находятся на бесконечности от прибора. Имитация движения КА и установленного на нем прибора БОКЗ-МФ осуществляется за счет перемещения звезд по экрану монитора.

1.

2.

3.

1.

2. Выбор испытательного оборудования.

Выбор наиболее подходящих термокамер и вакуумных камер для испытаний производился по следующим критериям, распределенным в порядке значимости:

· Наличие смотрового окна, для использования в составе стенда динамических испытаний БОКЗ-МФ;

· Наличие оборудования в составе испытательного комплекса НПО им. С.А. Лавочкина или смежных организаций;

· Возможность воспроизведения функциональных воздействий на ОИ во время термо-вакуумных испытаний;

· Возможность управления испытаниями с помощью единой управляющей ЭВМ с унифицированным программным обеспечением;

· Оптимальный объем камеры;

В ходе анализа, было рассмотрено оборудование, имеющееся на данный момент на территории предприятия НПО им. С.А. Лавочкина и смежных организаций, а также продукции ведущих мировых производителей испытательного оборудования. Это такие компании, как TIRA (Германия), RMS (Германия), Tabai (Япония), Terchy (Тайвань), Feutron (Германия), Thermotron (Нидерланды), WEISS Umwelttechnik (Германия). Предпочтение было отдано комбинированной термо-вакуумной камере КТВУ-40С, находящейся на территории НПО «Молния» (Россия) для испытания вычислительно-управляющей системы БКУ. Для испытаний звездного координатора БОКЗ-МФ принято решение использовать тепло-вакуумную камеру от компании «УниверсалПрибор» (Россия). Общий вид выбранных камер представлен на Рис. 3-2.

а) Термо-вакуумная камера «УниверсалПрибор» б) КТВУ-40С (на территории НПО «Молния»)

Рис. 3-2. Термо-вакуумные камеры, выбранные для проведения испытаний

3. Термо-вакуумные камеры «УниверсалПрибор» (Россия).

Компания УниверсалПрибор – крупнейший в России производитель испытательного оборудования. Комбинированные термо-вакуумные испытательные камеры предназначены для исследования комплексного воздействия пониженного давления и температуры на ОИ, создавая эффект «космического пространства». Данная камера позволяет решать задачу проведения испытаний оборудования КА в условиях открытого космического пространства в течение длительного периода времени.

Камеры имеют широкий диапазон воспроизводимых температур: от -196⁰ С до +200⁰ С. Скорость нагрева камеры составляет 1.7..2.2 ⁰С/мин, скорость охлаждения – 0.6..0.9 ⁰С/мин.

Система вакуумирования состоит из двух насосных агрегатов: турбомолекулярного насоса и насоса грубой откачки. Выпускаются камеры объемом 764, 226 л.

Испытательные камеры «УниверсалПрибор» поставляются с окном или без окна, для разных назначений. Рабочие диапазоны температуры удовлетворяют нормам испытаний DIN, ISО, MIL, IEC, DEF или ASTM.

Контроллер интерфейса для управления от компьютера позволяет моделировать суточные, месячные и годовые циклы орбитального движения ОИ в части температурных изменений (смена режимов нагрева и охлаждения в зависимости от времени, имитация прохождение через терминатор). К программному обеспечению поставляется система управления искусственного воспроизведения для регистрации и управления последовательными испытаниями.

Технические характеристики камер представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики термо-вакуумных камер от компании «УниверсалПрибор»

Параметр	Значение
Объем камеры	764 л	226 л
Внутренние размеры, мм	914х914х914	609х609х609
Внешние размеры, мм	1200х1400х2000	900х1100х1700
Рабочее давление мм рт. ст.	10-6
Время откачки до 10-6 мм рт. ст.	120 мин	90 мин
Диапазон регулирования температуры термоплиты, °С	– 196 … +200
Время нагрева до +200 °С / охлаждения до -180 °С	120 / 300 мин	90 / 200 мин
Расход жидкого азота для охлаждения до -180 °С	23 л/час
Диаметр окна, мм	140
Система вакуумирования	Турбомолекулярный насос, насос грубой откачки
Система управления	Клапан отключения вакуума, Цифровой контроллер давления, Контроллер интерфейса для управления от компьютера, Компьютер с ЖК монитором и операционной системой WINDOWS XP
Система охлаждения	Криогенная система с жидким азотом

1.

2.

3.

1.

2.

3.

4. Термо-вакуумные камеры испытательного комплекса НПО «Молния»

Лаборатория криотермовакуумных испытаний – наиболее сложный комплекс НПО "Молния", имеющий в своем составе набор вакуумных камер, оснащенных уникальным специализированным оборудованием для проведения широкого спектра тепловых испытаний агрегатов и систем аэрокосмических летательных аппаратов. По своим возможностям лаборатория находится на самых передовых позициях средств тепловых испытаний как в нашей стране, так и за рубежом. В состав лаборатории входит 11 основных термо-вакуумных камер объемом от 2,5 м³ до 360 м³ и, кроме того, – ряд вспомогательных установок для проведения необходимых технологических операций (нанесение отражающих покрытий на зеркала солнечных имитаторов и др.). Внешний вид большого зала лаборатории, в котором расположены вакуумные камеры с объемом от 47 м³ до 360 м³ показан на Рис. 3-3.

Лаборатория оборудована централизованной системой вакуумирования с использованием безмасляных форвакуумных и турбомолекулярных высоковакуумных насосов. Охлаждение криоэкранов осуществляется жидким азотом от общей системы азотоснабжения. Отогрев и разгерметизация больших камер осуществляется с использованием соответствующих централизованных систем.

Лаборатория оборудована современными компьютеризованными системами управления испытаниями и регистрации измеряемых параметров.

Рис. 3-3. Криотермовакуумные камеры КТВУ-40, КТВУ-40С и КТВУ-250С

Установки КТВУ-40С и КТВУ-250С предназначены для проведения криотермовакуумных испытаний элементов космической техники с имитацией воздействия направленного потока солнечного излучения, рассеянного излучения от поверхности Земли и охлаждающего действия космического пространства в условиях глубокого вакуума (до 7*10^-5 Па). Регулируемая мощность падающего лучистого потока от ксеноновых имитаторов солнечного излучения составляет 0.412 кВт/м², при этом угол расходимости лучей не превышает 3.5⁰, а неравномерность теплового потока в пределах светового пятна составляет не более 5-10%. Диаметр светового пятна 1.6 м для установки КТВУ-40С и 2.5 м для установки КТВУ-250С.

В дополнение к имитаторам солнечного излучения, установки оборудованы источниками инфракрасного излучения, которые в зависимости от целей эксперимента могут создавать тепловой поток, имитирующий излучение Земли или Солнца. Мощность падающего потока при этом может меняться в пределах 0.1-2 КВт/м². Оригинальная схема переключения источников инфракрасного излучения позволяет имитировать вращение объекта относительно Земли или Солнца даже в том случае, если сам объект внутри камеры установлен неподвижно.

Температура азотных экранов, имитирующих охлаждающее влияние открытого космоса составляет –190⁰ С, (100 К) при коэффициенте поглощения солнечного излучения α_s>0.9.

Технические характеристики камер представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные характеристики термо-вакуумных камер НПО «Молния»

	Термо-вакуумная камера
Параметр сравнения	ТВУ-2.5	ТВУ-8	КТВУ-40	КТВУ-40С	КТВУ-250С
Объем	2.5 м^3	8 м^3	47 м^3	90 м^3	360 м^3
Внутренний радиус	0.5 м	0.7 м	1 м	1.7 м	2.0 м
Глубина	3.2 м	5.2 м	15 м	10 м	28 м
Диапазон воспроизводимых температур	–120^0 С.. +1250^0 С	–190^0 С.. +250^0 С
Давление	7*10^-5 Па
Азотные экраны	-	-	-	+	+
Искусственное Солнце	-	-	-	+	+
Высокотемпературные инфракрасные излучатели	+	+	+	-	-
Динамические регуляторы давления	+	+	+	-	-

Камеры ТВУ-2.5, ТВУ-8, КТВУ-40 обладают высоким верхним порогом воспроизводимых температур (+1800 ⁰С), обеспечивающимся высокотемпературными инфракрасными излучателями. Динамические регуляторы давления позволяют изменять уровень давления по заданной программе в зависимости от времени. Данные камеры предназначены для имитации прохождения возвращаемых КА через плотные слои атмосферы Земли. Поскольку рассматриваемый в курсовом проекте бортовой комплекс управления не предполагает возвращения на Землю в составе КА Спектр-РГ, вышеуказанные термо-вакуумные камеры не могут быть включены в состав испытательного оборудования.

5. Управление и сбор информации

Управление процессом испытаний осуществляется с помощью персональной управляющей ЭВМ с установленным программным пакетом управления и автоматизированной системы управления и контроля длятепло-вакуумных испытаний (АСУ-К ТВИ). Ниже приведен один из вариантов системы, применимый для испытательного комплекса, описанного в данном курсовом проекте:

· Воссоздание необходимых тепловых полей на ОИ достигается за счет применения управляемых нагревательных устройств, состоящих из кварцевых галогенных тепловых ламп накаливания (КГТ). Управление нагревательными устройствами осуществляется при помощи силовых тиристорных блоков, которые в свою очередь должны получают команды от автоматизированной системы управления. В качестве обратной связи используются термодатчики (термопары), установлены на поверхности ОИ.

· Аппаратная часть автоматизированной системы управления состоит из нескольких независимых блоков контроля температуры Термодат-16Е3, каждый из которых запрограммирован по своей программе, соответствующей температурной зоне (ТСП, корпус, узлы крепления фермы), кроме этого программа имеет алгоритмы соответствующие наиболее характерным точкам орбитального положения КА (Апогей, Перигей, несколько промежуточных точек). Задача синхронизации выполнения шагов программы на разных приборах и команды 'старт', 'стоп', 'пауза' реализуется при помощи программируемого контроллера Siemens LOGO 230RC.

· Аппаратная часть системы сбора информации построена на базе многофункционального мобильного устройства CompactDAQ компании National Instruments. Включает в себя 8 модулей CompactDAQ 9211, по 4 канала измерения каждый. Диапазон измерения температуры: от -200⁰ С до + 200⁰ С, погрешность измерения ±0.01⁰ С во всем диапазоне. Программная часть включает в себя алгоритм работы Siemens LOGO и программу сбора и обработки информации для CompactDAQ.

Данная система обладает рядом преимуществ, среди них:

· количество операторов можно сократить до одного;

· происходит синхронизация графика нагрева (охлаждения) от начальной точки и по каждому шагу программы;

· на экране выводится самая необходимая информация о ходе испытаний;

· результаты испытаний сохраняются на цифровом носителе.

3.

5.

6. Моделирование функциональных воздействий

Для воспроизведения функциональных воздействий на оптический датчик БКУ (БОКЗ-МФ) используется следующее оборудование:

· Цифровой ЖК монитор, для проецирования участка небесной сферы со звездами;

· Коллиматорный объектив осуществляет преобразование световых потоков от точечных источников на ЖК мониторе, имеющих размер пиксела, в плоскопараллельные световые пучки, которые под разными углами, в зависимости от расположения звезд на экране цифрового монитора относительно оптической оси коллиматорного объектива, приходят на входной зрачок объектива прибора;

· Светозащита, препятствующая попаданию посторонних световых потоков на СДИ.

Для воспроизведения функциональных воздействий на вычислительно-управляющую систему БКУ используется следующее оборудование:

· Ксеноновые имитаторы солнечного излучения;

· Источники инфракрасного излучения (имитация излучения Земли или Солнца). Оригинальная схема переключения источников инфракрасного излучения позволяет имитировать вращение объекта относительно Земли или Солнца даже в том случае, если сам объект внутри камеры установлен неподвижно.

Управление функциональными воздействиями осуществляется с управляющей ЭВМ, с которой перечисленное оборудование взаимодействует посредством предназначенных для этой цели контроллеров и ПО.

5.

6.

7. Расчёт основных параметров испытательного оборудования.

Выбор конкретного испытательного оборудования осуществляется исходя из расчёта его основных параметров, таких как объем термо-вакуумной камеры, диапазон воспроизводимых температур, уровень минимального давления в камере.

В первую очередь определяется минимальный объем термокамеры по габаритным размерам ОИ и крепёжных деталей с учётом необходимого запаса для размещения кабелей и обеспечения циркуляции воздуха. Поскольку ОИ состоит из двух блоков, требуется знать габаритно-установочные размеры каждого из них. Эскизы габаритно-установочных чертежей оптического датчика БОКЗ-МФ и вычислительно-управляющей системы БКУ (на штатной системе обеспечения теплового режима) представлены на Рис. 3-4 и Рис. 3-5 соответственно (обшивка ЭВТИ не отображена для наглядности).

Рис. 3-4. Эскиз габаритно-установочного чертежа БОКЗ-МФ с кронштейном крепления

Рис. 3-5. Эскиз габаритно-установочного чертежа вычислительно-управляющей системы БКУ КА Спектр-РГ

Исходя из габаритно-установочных размеров БОКЗ-МФ (424х332х310), принято решение для проведения испытаний использовать камеру с наименьшим объемом внутреннего пространства (из предложенных в таблице 2). Камера «УниверсалПрибор» (609х609х609) объемом 226 л удовлетворяет заданным требованиям.

Для уточнения рассчитаем объем свободного пространства в камере:

V_{св.пр-ва} = V_кам.- V_ОИ = 0.225866 м³ – 0.043638 м³ = 0,182228 м³ = 182 л.

Такой значительный объем свободного пространства позволит обеспечить циркуляцию воздуха внутри камеры, а также будет достаточен для проводки кабелей и размещения датчиков обратной связи внутри камеры. Наличие смотрового окна круглой формы является наиболее существенным фактором, определившим выбор термо-вакуумной камеры. Поскольку высота ОИ определяется высотой кронштейна крепления БОКЗ-МФ, проектируемого с учётом положения смотрового окна, высота её внутреннего пространства (609 мм) не является ограничивающим фактором.

Следовательно, для проведения данных испытаний оптимальной является термо-вакуумная камера «УниверсалПрибор» объемом 0.226 м³.

Исходя из тех же соображений, для проведения испытаний вычислительно-управляющей системы БКУ принято решение использовать термо-вакуумную камеру КТВУ-40С, находящуюся на территории НПО «Молния». К дополнительным преимуществам этой камеры можно отнести возможность моделирования искусственного Солнца и имитацию орбитального движения КА за счет переключения режимов излучения.

Рассчитаем объем свободного пространства в камере:

V_{св.пр-ва} = V_кам.- V_ОИ = 90 м³ – 3 м³ = 87 м³.

Полученный объем свободного пространства избыточен, однако не является критическим фактором при проектировании испытательного комплекса. Главными факторами, определяющими выбор данной термо-ваккумной камеры являются возможности по воспроизведению функциональных воздействий на ОИ. Они являются уникальными и не имеют аналогов.

Следовательно, для проведения данных испытаний оптимальной является термо-вакуумная камера КТВУ-40С объемом 90 м³.

Диапазоны температур, а также уровень минимального давления в камерах соответствуют требованиям, указанным в п. 2.3.

6.

7.

8. Метрологическая аттестация испытательного оборудования.

Необходимость метрологической аттестации обусловлена тем, что объект, подвергаемый испытаниям, искажает воспроизводимые испытательным комплексом воздействия. В данном случае ОИ создаёт неравномерность распределения температуры в термо-вакуумной камере. Искажения возникают также из-за неравномерности распределения давления что повышает нагрузку на турбомолекулярный насос. В связи с этим, различие между параметрами воздействий, задаваемых ЭВМ, и воспроизводимых реальной аппаратурой, может превышать значения погрешностей, указанных в документации на ИО.

Для проведения метрологической аттестации на каждый блок ОИ устанавливаются датчики, с которых на ЭВМ передаётся информация о воспроизводимых физических воздействиях (датчики температуры и давления). В процессе работы испытательного комплекса во всех режимах, предусмотренных методикой испытаний, производится коррекция задаваемых параметров физических воздействий в случае, если они отличаются от параметров, полученных после обработки информации с датчиков на величину, превышающую допустимую погрешность.

В качестве датчиков для метрологической аттестации ИО и контрольных датчиков для ОИ допустимо использовать лишь устройства, обеспечивающие необходимую точность измерений в условиях, аналогичных условиям испытаний. Класс точности контрольных датчиков должен на порядок превышать класс точности испытываемых.

Дата добавления: 2014-10-31