СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГРАДУИРОВКИ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ДЛЯ ТЕРМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полный текст

Введение Сегодня на международном космическом рынке наблюдается жесткая конкурентная борьба за увеличение объема продаж изделий ракетно-космической техники. Чтобы успешно конкурировать с ведущими мировыми производителями ракетно-космической техники отечественным предприятиям необходимо вести разработку и производство перспективных высококачественных изделий ракетно-космической техники. Производство новых высококачественных изделий ракетно-космической техники требует постоянного совершенствования технологических процессов, разработки и внедрения новых методов проектирования, контроля и испытаний, обеспечивающих постоянно растущие требования по качеству. Наиболее эффективным подходом к разработке новых изделий и совершенствования/модернизации уже существующих конструкций и производственных процессов является так называемый робастный подход [1-5], который включает ряд методов управления качеством, такие как развёртывание функции качества (QFD), анализ видов, причин и последствий потенциальных несоответствий (FMEA), анализ измерительных систем (MSA) в совокупности с использованием систем трехмерного проектирования (например, KOMPAS-3D) и систем моделирования (например, ANSYS). 1. Процесс градуировки датчиков тепловых потоков Объектом данного исследования является процесс градуировки датчиков тепловых потоков для термовакуумных испытаний космических аппаратов. Датчик теплового потока предназначен для измерения плотности теплового потока, излучаемого поверхностью конструкций космических аппаратов. На предприятии АО «РКЦ «Прогресс» применяют датчики тепловых потоков с конструктивной схемой, приведенной на рисунке 1. Рис. 1. Датчик теплового потока: 1 - пластина; 2 - пакет экранно-вакуумной теплоизоляции; 3 - чувствительный элемент; 4- токовывод; 5 - полиамидная нить; 6 - вилка РС4ТВ с кожухом; 7 -- отверстия под полиамидную нить Датчик состоит из чувствительного элемента 3, который представляет собой датчик измерения температуры поверхности конструкций ТЭМ 006-05. Чувствительный элемент 3 зафиксирован к пластине 1 с помощью термостойкого вакуум-плотного клея К-300-61. Пластина 1, в свою очередь, пришита к защитной ткани пакета экранно-вакуумной теплоизоляции 2 специальной полиамидной нитью 90АТ ТУ 8147-016-05138074-01. Для улучшения метрологических характеристик датчика теплового потока на поверхность пластины 1 с наружной стороны нанесено специальное покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения АS ≥ 0,9 и коэффициентом теплового излучения ε ≥ 0,88. Чувствительный элемент 3 имеет токовывод 4 с вилкой РС4ТВ 6. 1.1. Процедура проведения градуировки датчиков тепловых потоков В настоящее время на АО «РКЦ «Прогресс» градуировку датчиков тепловых потоков производят в вакуумной камере путем подачи на них эталонной величины теплового воздействия. Общая схема градуировки датчиков тепловых потоков представлена на рисунке 2. Рис. 2. Общая схема градуировки датчиков тепловых потоков: 1 - вакуумная камера; 2 - подставка; 3 - термостатирующая пластина; 4 - датчик теплового потока; 5 - тепловой имитатор Применяется абсолютный метод градуировки: в стационарном тепловом режиме плотность теплового потока поддерживают неизменной во времени и одинаковой на всех плоскостях датчиков [6]. Спецификой является то, что градуировка осуществляется для двух значений показателей температуры. Датчики тепловых потоков располагают на расстоянии не более 2-5 мм от термостатирующей пластины, в то время как, непосредственно на термостатирующей пластине размещены термометры сопротивления для измерения температуры ее поверхности. Производят откачку вакуумной камеры до давления Р1 ≤ 10×10-5 с охлаждением термостатирующей пластины до температуры Tmin = -180˚...-181˚C. Температуру выдерживают 10 минут, затем фиксируют и обрабатывают в специальной программе полученную от датчиков тепловых потоков информацию. После обработки и сохранения информации термостатирующую пластину с помощью теплового имитатора нагревают до температуры Tmax = 180˚…181˚C, выдерживают температуру 10 минут и аналогично описанной процедуре фиксируют и обрабатывают информацию. Полученные и обработанные результаты градуировки заносятся в паспорта датчиков тепловых потоков. 1.2. Функционирование технологической оснастки Для реализации описанной процедуры градуировки применяется схема функционирования технологической оснастки внутри вакуумной камеры, представленная на рисунке 3. Жидкий азот, который используется для охлаждения термостатирующей пластины, подается в комплект трубопроводов, непосредственно контактирующих с пластиной через металлорукав 1 из штатной линии подачи жидкого азота вакуумной камеры. Отвод азота из комплекта трубопроводов происходит через металлорукав 2 в линию отвода азота вакуумной камеры. Для нагрева термостатирующей пластины подачу азота прекращают. Нагрев пластины производят, как было описано выше, с помощью тепловых имитаторов. После фиксации и обработки полученной информации от датчиков тепловых потоков, термостатирующую пластину остужают до температуры в пределах 15...25˚С и производят напуск вакуумной камеры до атмосферного давления. Рис. 3. - Схема функционирования технологической оснастки для градуировки датчиков тепловых потоков 1.3. Конструкция технологической оснастки Для проведения процесса градуировки датчиков тепловых потоков в АО «РКЦ «Прогресс» применяется технологическая оснастка, представленная на рисунке 4. Оснастка представляет собой термостатирующую пластину 1, зафиксированной на подставке 7 через фторопластовые проставки 5. Рис. 4. Технологическая оснастка для тарировки датчиков тепловых: 1 - термостатирующая пластина; 2 - комплект трубопроводов; 3 - бобышка; 4 - проволока; 5 - проставка; 6 - транспортировочные ручки; 7 - подставка; 8 - датчик тепловых потоков В свою очередь, термостатирующая пластина 1 состоит из листа, изготовленного из магниево-алюминиевого сплава АМг6, и комплекта трубопроводов 2, непосредственно зафиксированного к данному листу с помощью заклепок. Установку датчиков тепловых потоков производят на протянутой через бобышки 3 проволоке 4 из коррозионностойкой жаропрочной стали 12Х18Н9Т. Для переноса и установки термостатирующей пластины 1 предусмотрены транспортировочные ручки 6. На рисунке 5 представлена термостатирующая пластина с прижимными пластинами. Комплект трубопроводов состоит из профилей 3, двух труб 2 и двух штуцеров 4, предназначенных для соединения с металлорукавами штатной линии подачи и отвода жидкого азота вакуумной камеры. Составные части комплекта трубопроводов изготовлены из магниево-алюминиевого сплава АМг6 и соединены межу собой сваркой. Рис. 5. Термостатирующая пластина с прижимными пластинами: 1 - лист; 2 - труба; 3 - профиль; 4 - штуцер; 5 - заглушка сварная; 6 - прижимная пластина; 7 - болт Для измерения температуры поверхности термостатирующей пластины 1 предусмотрены термометры сопротивления, зафиксированные с помощью прижимных пластин 6. Прижим термометров сопротивления осуществляется через стеклоленту с помощью болтов 7 прижимных пластин 6. С целью улучшения метрологических характеристик термостатирующей пластины 1 на ее поверхность нанесено специальное покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения Аs ≥ 0,9 и коэффициентом теплового излучения ε ≥ 0,88. 1.4. Результаты градуировки датчиков тепловых потоков При проведении процедуры градуировки датчиков тепловых потоков с помощью описанной технологической оснастки при охлаждении термостатирующей пластины до температуры Tmin = -180˚...-181˚C термометры сопротивления показывают неравномерное охлаждение пластины. Работу проводили две независимые друг от друга группы (по 2 сотрудника) испытателей для исключения возможности нарушения технологического процесса. Термометры сопротивления пронумерованы в соответствии зоной расположения. В таблицах 1-2 представлены результаты измерения при охлаждении термостатирующей пластины до температуры Tmin = -180˚...-181˚C. Таблица 1. Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, зафиксированные первой группой испытателей Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С Температура на термостатирующей пластине Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6 -185,1 -180,1 -180,7 -180,5 -186,4 -186,3 Погрешность термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С 0,5…1 Таблица 2. Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, зафиксированные второй группой испытателей Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С Температура на термостатирующей пластине Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6 -184,9 -179,5 -180,1 -183,9 -185,9 -185,7 Погрешность термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С 0,5…1 Максимальный разброс температуры на термостатирующей пластине при проведении градуировки первой группой испытателей составил 6,3°, при проведении градуировки второй группой испытателей - 6,4°. Разброс температуры на термостатирующей пластине, обнаруженный в процессе проведения градуировки значительно превышает погрешность средств измерения (термометров сопротивления) и указывает на необходимость совершенствования процесса градуировки датчиков тепловых потоков до получения наименьшего разброса температуры во всех зонах термостатирующей пластины, то есть достижения наибольшей сходимости и воспроизводимости применяемой измерительной системы. 2. Применение FMEA для совершенствования процесса градуировки датчиков тепловых потоков Анализ видов, причин и последствий потенциальных несоответствий FMEA позволяет путем предвидения и анализа возможных несоответствий / дефектов / отказов на любых этапах жизненного цикла продукции достигать повышения качества конструкции, процесса или системы, предотвращать возможные несоответствия и снижать возможные последствия от них [1, 7]. В результате анализа определяется значение приоритетного числа риска (ПЧР) для всех возможных причин несоответствий. ПЧР определяется как произведение баллов значимости (S), вероятности возникновения (О) и обнаружения (D), установленных экспертами по 10-балльной шкале в соответствии с методикой FMEA. Различают анализ видов и потенциальных несоответствий конструкции (DFMEA), и анализ видов и потенциальных несоответствий технологических процессов (PFMEA). 2.1. Применение PFMEA для анализа и совершенствования технологического процесса градуировки датчиков тепловых потоков Для выявления и устранения потенциальных причин несоответствий и ошибок в анализируемой измерительной системе проведен анализ процесса градуировки датчиков тепловых потоков PFMEA, в результате которого определены потенциальные причины несоответствий и предложены действия по предупреждению и снижению рисков. Действия по предупреждению и снижению рисков приводят к снижению баллов возникновения и обнаружения, а также уменьшению значения показателя приоритетного числа риска ПЧР относительно первоначального значения. Протокол PFMEA для процесса градуировки датчиков тепловых потоков представлен в таблице 3. Использование геометрии 3D моделей в процессе подготовки сборки технологической оснастки в вакуумной камере и проведение анализа DFMEA для повышения качества конструкции технологической оснастки позволяют снизить приоритетное число риска для следующих потенциальных несоответствий: «Отклонение в сборке оснастки» - с 144 до 60 баллов; «Температура термостатирующей пластины Т> -180˚С» - с 320 до 96 баллов. Таблица 3. Анализ PFMEA процесса градуировки датчиков тепловых потоков (выдержка) 2.2. Применение DFMEA для анализа и совершенствования конструкции технологической оснастки В соответствии с рекомендациями, полученными в результате PFMEA процесса градуировки датчиков тепловых потоков, проведен анализ DMEA для конструкции технологической оснастки, применяемой для реализации процесса градуировки датчиков тепловых потоков. Протокол DFMEA специальной технологической оснастки представлен в таблице 4. Разработаны предложения: использование расчетов гидро- и газодинамики в трубопроводах, доработка конструкции оснастки, натурные испытания новой конструкции перед эксплуатацией, использование компьютерного моделирование, проведению натурных испытаний на прочность и обнаружение негерметичности методом "щупа". Реализация предложенных рекомендаций позволит снизить баллы вероятность возникновения и обнаружения и приоритетное число риска ПЧР для несоответствий: «Неравномерность теплового воздействия термостатирующей пластины на датчики тепловых потоков» - с 504 до 48 баллов; «Нарушение работоспособности в заданных условиях использования» - с 360 до 30 баллов. Применение анализа FMEA для процесса градуировки датчиков тепловых потоков предоставляет возможности для повышения качества оснастки и всего процесса проведения градуировки датчиков. Результаты проведения анализа DFMEA в дальнейшем учтены при проектировании усовершенствованной технологической оснастки. 3. Разработка усовершенствованной конструкции оснастки для реализации процесса градуировки датчиков тепловых потоков По результатам проведения FMEA спроектирована усовершенствованная технологическая оснастка для реализации процесса градуировки датчиков тепловых потоков (рисунок 6). Рис. 6. Усовершенствованная технологическая оснастка для градуировки датчиков тепловых потоков: 1 - термостатирующая пластина; 2 -трубопровод; 3 - бобышка; 4 - проволока; 5 - проставка; 6 - транспортировочные ручки; 7 - подставка; 8 - датчик тепловых потоков Усовершенствованная технологическая оснастка для градуировки датчиков тепловых потоков содержит измененную конструкцию трубопровода 2. На рисунке 7 представлена конструкция усовершенствованной термостатирующей пластины. Основными отличиями от конструкции исходной технологической оснастки, представленной на рис.5, являются отсутствие параллельно расположенных профилей и двух труб, а также и «змеевидное» расположение трубопровода 2. Крепление трубопровода 2 к листу 1 обеспечивается сваркой (шов прерывистый с цепным расположением). Таблица 4. Анализ DFMEA технологической оснастки для процесса градуировки датчиков тепловых потоков Рис. 7. Термостатирующая пластина с прижимными пластинами: 1 - лист; 2 - труба; 3 - штуцер; 4 - прижимная пластина; 5 - болт «Змеевидное» расположение трубопровода 2 позволяет получить равномерное охлаждение термостатирующей пластины. Соединение сваркой трубопровода 2 с листом 1 в разы уменьшает трудоемкость работ по сравнению клепанным соединением комплекта трубопроводов с термостатирующей пластиной исходной конструкции. 4. Натурные испытания усовершенствованной конструкции оснастки для реализации процесса градуировки датчиков тепловых потоков Проведены натурные испытания новой конструкции технологической оснастки при охлаждении термостатирующей пластины до температуры Tmin = -180˚..-181˚C. Аналогично первоначальному эксперименту работу проводили две независимые друг от друга группы (по 2 сотрудника) испытателей для исключения возможности нарушения технологического процесса. Термометры сопротивления пронумерованы в соответствии зоной расположения. В таблицах 5, 6 представлены результаты измерения датчиками сопротивления при охлаждении термостатирующей пластины до температуры Tmin = -180˚..-181˚C. Таблица 5. Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, зафиксированные первой группой испытателей Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С Температура на термостатирующей пластине Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6 -180,3 -180,1 -180,9 -180,6 -180,4 -180,5 Погрешность термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С 0,5…1 Таблица 6. Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, зафиксированные второй группой испытателей Показания термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С Температура на термостатирующей пластине Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6 -180,4 -179,9 -180,5 -180,3 -180,1 -180,2 Погрешность термометров сопротивления на термостатирующей пластине, °С 0,5…1 Максимальный разброс температуры на термостатирующей пластине при проведении градуировки первой группой испытателей составил 0,8°, при работе второй группы испытателей - 0,6°. Разброс температуры на термостатирующей пластине с учетом погрешности термометров сопротивления (0,5°…1°) демонстрирует повышение качества измерительной системы, основой которой является усовершенствованная технологическая оснастка. Заключение Измерительная система является основным элементом процесса испытания. Анализ действующего процесса градуировки датчиков тепловых потоков для термовакуумных испытаний космических аппаратов демонстрировал недостаточную приемлемость, разброс значений в несколько раз превышал значение погрешности применяемых термометров. На основе метода FMEA в совокупности с применением системы трехмерного проектирования KOMPAS-3D проведен анализ и совершенствование процесса и технологической оснастки градуировки датчиков тепловых потоков. По результатам FMEA спроектирована усовершенствованная технологическая оснастка для реализации процесса градуировки датчиков тепловых потоков. Натурные испытания продемонстрировали повышение качества измерительной системы, полученные разбросы значений близки погрешности средств измерений, то есть минимизирован вклад оснастки и процедуры проведения анализа в изменчивость результатов измерения. В соответствии с подходами робастного проектирования желательно в дальнейшем регулярно применить комплекс методов управления качеством QFD, MSA, FMEA для своевременного внедрения инноваций и постоянного совершенствования процессов проектирования, изготовления и испытания ракетно-космической техники.

Об авторах

Радмир Салимьянович Загидуллин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; Акционерное общество «Ракетно-космический центр «Прогресс»

Email: Zagidullin_Radmir@mail.ru
аспирант кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, инженер-конструктор отдела по разработке конструкции средств выведения г. Самара

Татьяна Анатольевна Митрошкина

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: mitroshkina@gmail.com
аспирант кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении

Мария Владимировна Высоцкая

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: Manya_93@mail.ru
аспирант кафедры производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении

Список литературы

Дополнительные файлы