Измерение уровня заправки жидкостной ракеты - Дипломная работа

Так точность заправки ракеты-носителя жидкостным топливом определяет массу гарантийных запасов топлива, и соответственно массу полезной нагрузки. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика уровня заправки (ДУЗ), вмонтированного в бак ракеты, которая находится на техническом комплексе (ТК) при контрольных испытания ракеты или на стартовом комплексе (СК) во время ее заправки компонентами топлива. указанная относительная погрешность измерения электрической емкости должна быть обеспечена в условиях наличия погонной электрической емкости (погонная электрическая емкость - емкость между проводником, подключающим ДУЗ к измерителю и экраном проводника) от 2500 до 30000 ПФ. Прежние системы измерения уровня топлива в баках ракеты, которые работали через длинные линии связи, были разработаны на основе мостовых методов измерения, построенных на переменном токе. В наше время существует множество методов измерения уровня топлива, однако точность данных методов составляет 5%, в следствие чего гарантийные запасы жидкостного топлива достигают существенных значений, что не соответствует тактико-техническим требованиям, предъявляемым к ракетам.Проблема точного измерения уровня компонентов топлива жидкостных ракет [6] возникла еще в середине XX века, когда была создана первая межконтинентальная ракета Р-7. Существует множество методов измерения уровня в жидкостно-газовой среде. При создании во АО "РКЦ-ПРОГРЕСС" ракеты "Союз-2" в рамках проведения опытно-конструкторских работ "Русь" к уровнемерным системам было предъявлено требование по обеспечению высокой точности измерения уровня. Исходя из этого требования, система измерения уровня заправки ракеты "Союз-2" должна измерять уровень с относительной погрешностью не более ±0,5 %. Выполнение измерения уровня с такой погрешности измерения имела большое значение, так как приводила к существенному свыше сотни килограммов высвобождению массы гарантийных запасов топлива, что особенно актуально для третьей ступени (блока "И") ракеты "Союз-2".Принцип действия поплавкового уровнемера [18] построен на использовании выталкивающей силы жидкости. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, потому для определения уровня жидкости используют измерительные схемы как с механической связью с самим поплавком, так и немеханической связью. Сила сопротивления, действующая на поплавок, состоит из силы сопротивления в устройстве, преобразующем положение поплавка в выходной сигнал уровнемера, которая определяется примененным способом связи поплавка с измерительной схемой, и силы сопротивления, возникающей в местах контакта поплавка с неподвижными элементами датчика, что свойственно любому типу поплавковых уровнемеров. Большинство поплавков с немеханической связью имеют электрический выход, то есть измерительная схема определяет текущее значение уровня по электрическому сопротивлению датчика. В роли активной части индуктивного поплавка уровнемера может выступать любой элемент, способный изменить индуктивность катушки при прохождении через ее электромагнитное поле, выходным параметром датчика при этом является индуктивность катушки, определенным образом связанная с положением относительно нее активной части поплавка.Явление теплопроводности возникает при разности температур между различными участками тела и заключается в переносе внутренней энергии между этими участками. Чувствительным элементом терморезисторного уровнемера является резистор, электрическое сопротивление которого определяется его температурой. Принцип работы уровнемера построен на использовании различной интенсивности передачи тепла от нагретого чувствительного элемента к жидкости и к газу, что приводит к тому, что участки чувствительного элемента, находящиеся в жидкости и в газе, имеют различную температуру и различное электрическое сопротивление, по величине суммарного сопротивления можно определить текущее значение уровня. Значения первых двух величин определяются выбором материала резистора, поскольку удельное электрическое сопротивление и его температурный коэффициент являются электрическими характеристиками материала. Минимальная величина площади поперечного сечения резистора ограничивается механической прочностью материала, а это приводит к тому, что чувствительность уровнемера обеспечивается выбором рабочих температур элементов датчика, которые тесно связаны с величиной тока проходящего через резистор.Также для измерения уровня жидкости могут быть использованы электрические свойства жидкости и парогазовой смеси над ней, такие как диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ. Датчик емкостного уровнемера (рис.2) [7] в общем случае можно представить в виде коаксиального цилиндрического конденсатора, у которого центральная обкладка покрыта изоляцией. Датчик представляет собой металлический зонд, расположенный по оси металлической трубы, которая является наружной обкладкой датчика. Зазор

Содержание

Сокращения

Введение

Глава 1. Методы измерения уровня компонентов топлива

1.1 Классификация методов измерения уровня

1.2 Поплавковый метод измерения уровня

1.3 Тепловой метод измерения уровня

1.4 Емкостный метод измерения уровня

1.5 Постановка задачи

Глава 2. Измерительный модуль системы контроля уровня заправки

2.1 Функциональная схема измерительного модуля

2.2 Инструментальные средства измерительного модуля системы

2.3 Конфигурация ПЛИС

Глава 3. Моделирование и отработка конфигурации ПЛИС

3.1 Моделирование ПЛИС на примере моделирования узла формирования масштаба

3.2 Отработка ПЛИС в составе системы измерения уровня заправки в испытательном центре

Заключение

Список используемой литературы

Ракетно-космическая отрасль затрагивает множество общих вопросов, встречающихся в различных сферах деятельности. Так точность заправки ракеты-носителя жидкостным топливом определяет массу гарантийных запасов топлива, и соответственно массу полезной нагрузки.

Эксплуатация изделий ракетно-космической техники (РКТ) для проведения измерения уровня топлива в баках ракеты имеет свои условия, в которых необходимо производить измерения параметров. Одним из таких условий является - удаленность до 400 метров объекта измерения от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика уровня заправки (ДУЗ), вмонтированного в бак ракеты, которая находится на техническом комплексе (ТК) при контрольных испытания ракеты или на стартовом комплексе (СК) во время ее заправки компонентами топлива. При этом основные технические требования при измерении параметров емкостного ДУЗ должны быть следующими: - диапазон измерения значений электрической емкости ДУЗ должен быть (400 - 1500) ПФ с относительной погрешностью измерения не более ±0,5%.;

- указанная относительная погрешность измерения электрической емкости должна быть обеспечена в условиях наличия погонной электрической емкости (погонная электрическая емкость - емкость между проводником, подключающим ДУЗ к измерителю и экраном проводника) от 2500 до 30000 ПФ.

Прежние системы измерения уровня топлива в баках ракеты, которые работали через длинные линии связи, были разработаны на основе мостовых методов измерения, построенных на переменном токе. Созданные на этих мостовых методах приборы представляли собой сложные устройства с автоматическим уравновешиванием по активной и реактивной составляющей сопротивления датчика уровня, обладали низким быстродействием и имели погрешность измерения ±(3 - 5) %. Такая точность измерения топлива в баках ракет соответственно приводила к существенной массе гарантийных запасов топлива.

Поэтому уменьшение массы гарантийных запасов топлива направлено на увеличение массы полезной нагрузки жидкостной ракеты.

В наше время существует множество методов измерения уровня топлива, однако точность данных методов составляет 5%, в следствие чего гарантийные запасы жидкостного топлива достигают существенных значений, что не соответствует тактико-техническим требованиям, предъявляемым к ракетам. Потому задача минимизации погрешности измерения уровня топлива, направленная на снижение массы гарантийных запасов топлива, является одной из актуальных в наше время при создании жидкостных ракет и разгонных блоков нового поколения.

Целью исследований, проведенных в данной работе, является снижение массы гарантийных запасов топлива, обусловленное повышением точности измерения уровня заправки жидкостной ракеты.

Предметом исследований в данной работе является метод измерения уровня заправки топливом, реализованный в ПЛИС измерительного канала системы.

Проанализировав методы измерения уровня раздела жидкого вещества и парогазовой подушки над ним можно определить более точный метод, который будет соответствовать жестким требованиям космической отрасли.

Выбрав метод измерения уровня топлива, необходимо подробно рассмотреть алгоритм измерения. Поскольку все методы и алгоритмы измерения являются известными, перед нами встает главная задача - усовершенствовать алгоритм так, чтобы он минимизировал погрешность измерения, которая появляется вследствие использования данного устройства в ракетно-космической отрасли.

Использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в уровнемерной системе позволяет ускорить и автоматизировать работу устройства измерения уровня жидкостного топлива. Выбор платы обуславливается быстродействием и частотой внутри кристалла, объемом конфигурационной последовательности и памяти.

Для конфигурирования выбранной ПЛИС существуют программные пакеты, поддерживающие тот или иной кристалл, которые отличаются способами проектирования - на языке описания аппаратуры или же в схематичном представлении.

Конфигурация в схематичном виде может быть представлена узлами, которые взаимодействуют между собой и имеющими конкретное назначение. Каждый узел необходимо проработать как структурно, так и логически.

Работоспособность созданной конфигурации может быть проверена непосредственно выбранным нами программным обеспечением (ПО) посредством моделирования работы каждого узла в отдельности и всей схемы в целом.

В данной работе был проведен анализ методов и систем измерений топлива жидкостных ракет, определен наиболее точный из методов, усовершенствован существующий алгоритм измерения с учетом использования измерительного устройства в космической отрасли, выбрана ПЛИС и программное обеспечение для ее конфигурирования, разработана конфигурация кристалла, в соответствии с доработанным алгоритмом, а также произведено моделирование ПЛИС для проверки ее работоспособности.