Датчик объёма и углового положения зеркала жидкости в баках с осевой симметрией при неопределённой ориентации баков в пространстве

Освещены вопросы повышения точности датчиков объёма и углового положения зеркала жидкости в топливных баках разгонных блоков космических аппаратов. Показано, что существующие датчики указанного типа не всегда удовлетворяют жёстким требованиям, предъявляемым к их точностным и надёжностным характеристикам, особенно в условиях неопредёленного положения зеркала жидкости. Предложены принцип построения и конструкция датчика для баков с осевой симметрией (сферических, цилиндрических, чечевицеобразных и т. п.), обеспечивающие одновременное измерение количества и углового положения зеркала жидкости с высокой точностью при описанных условиях. Датчик состоит из одного линейного и нескольких кольцевых чувствительных элементов, погружённых в жидкость и предназначенных для первичного преобразования глубины погружения в информативный сигнал. Линейный чувствительный элемент установлен по оси, проходящей через центр бака и заборное отверстие, а кольцевые элементы – в плоскости, перпендикулярной этой оси, на некотором, определяемом заданной погрешностью расстоянии друг от друга. Работа линейных и кольцевых элементов может базироваться на терморезистивном или ёмкостном принципе. В последнем случае чувствительные элементы могут иметь вид резонансных контуров, состоящих из одной линейной и нескольких кольцевых ёмкостей, к которым подключены индуктивности. Разработаны алгоритмы преобразования резонансных частот как минимум двух чувствительных элементов в искомые параметры: объём и угловое положение жидкости в баке. Оценены составляющие общей погрешности датчика, обусловленные различными факторами: дискретностью конструкции датчика, разбросом геометрических размеров бака и чувствительных элементов, а также собственными погрешностями чувствительных элементов. Показано, что основным фактором, ограничивающим точность датчиков, являются собственные погрешности чувствительных элементов: при приведённой погрешности этих элементов 10^–3 аналогичные погрешности датчика составляют не более 2,2∙10^–2 по углу и 3,2∙10^–3 по объёму. Предложенный датчик можно использовать для измерения указанных параметров в объектах, характеризующихся неопределённым положением в пространстве (космические аппараты, морские суда при крене).

1. Воробьев Е. В., Денисов О. Е., Кузнецов В. И. Проектирование транспортных средств специального назначения. М.: МАДИ, 2014. 96 с.

2. Суханов А. С., Евтифьев М. Д. Анализ развития космических разгонных блоков // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2011. № 7. С 46–47.

3. Асюшкин В. А., Викуленков В. П., Ишин С. В. Итоги создания и начальных этапов эксплуатации межорбитальных космических буксиров типа «Фрегат» // Вестник ФГУП НПО имени С. А. Лавочкина. 2014. № 1. С 3–9.

4. Иванов В. П., Партола И. С. Комбинированная система управления расходованием топлива кислородно-водородного разгонного блока // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королёва (Национального исследовательского университета). Авиационная и ракетно-космическая техника. 2011. № 3(1–27). С. 28–34.

5. Вакушин В. А., Завадский В. К., Иванов В. П., Каблова Е. Б., Кленовая Л. Г., Партола И. С. Особенности работы системы контроля и управления расходованием топлива разгонного блока с водородной двигательной установкой // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 3(59). C. 103–107.

6. Мазуренко В. Б. Обзор применяемых методов измерения уровня жидкого топлива в баках нижних ступеней ракет-носителей // Системное проектирование и анализ характеристик аэрокосмической техники. 2013. Т. 16. С. 82–96.

7. Завадский В. К., Иванов В. П., Муранов А. А., Чадаев А. И. Повышение надежности и безопасности эксплуатации ракет-носителей и разгонных блоков на основе совершенствования алгоритмов обработки топливной измерительной информации // Датчики и системы. 2018. № 7. С. 20–26.

8. Гаврелюк О. П., Кирсанов В. Г. Гарантийные запасы топлива для ракет космического назначения // Космическая техника и технологии. № 3. 2015. С. 100–106.

9. Энциклопедия элементарной математики. Книга 5. Геометрия / Под ред. П. С. Александрова, А. И. Маркушевича, А. Я. Хинчина. М.: Наука, 1966. 624 с.

10. Винокуров Б. Б. Метрология и измерительная техника. М.: Юрайт, 2021. 187 с.