ИЗМЕРЕНИЕ ОБЪЕМОВ В РАКЕТОСТРОЕНИИ МЕТОДОМ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье раскрыт метод бесконтактного измерения объемов баков в ракетостроении с помощью лазерной установки. Описаны преимущества метода и недостатки, предложены пути решения для улучшения этого метода.

ABSTRACT

The article discloses a method of non-contact measurement of tank volumes in rocket science using a laser system. The advantages and disadvantages of the method are described, solutions are proposed to improve this method.

Ключевые слова: Измерение объемов; ракетостроение; конструирование ракет.

Keywords: Volume measurement; rocket production; missile design.

Производство баков в ракетостроении обусловлено несколькими этапами производства такими как, проектирование, изготовление и испытание. В качестве испытаний баки проходят проверку на измерение объемов, прочностных характеристик и герметичность. Наиболее трудоемким измерением является измерение объемов и герметичности. Сложность в проведении испытаний обусловленная габаритными размерами измеряемых емкостей, так же и размерами оборудования и установок для проведения испытаний.

Некоторые предприятия используют методы заполнения баков жидкостью в вертикальном положении (рисунок 1), но этот метод имеет ряд недостатков :

- трудоемкость оборудования для проведения измерений,

- высокая стоимость оборудования,

- необходимость возводить высокие здания для проведения испытаний,

- длительность цикла измерений доходит до 15 суток,

- энергозатраты таких установок достигают 1000 кВт/час,

- точность измерения объемов весьма относительна и суммарная погрешность может составлять до 0.2%, -

- использование в качестве рабочей жидкости различные составы, которые после испытаний необходимо тщательно смыть, что в условиях баков с вафельным фоном весьма затруднительно,

- при использовании различных жидкостей могут возникнуть точки заполнения ими микротрещин, которые в последствии пагубно скажутся на испытаниях герметичности баков газовым методом,

-так же использования специальных составов несет за собой сложность в их утилизации и хранении.

Рисунок 1. Вертикальное расположение бака при измерении объемов

Так же при таких измерения часто используют комбинированный метод, то есть измерения производиться отдельно для двух полусфер и цилиндра, затем измерения суммируются и получают общий объем до сборки бака. Этот метод дает ряд погрешностей, связанных с точностью изготовления оправок для проведения испытаний и точностью последующей сборки составных частей бака.

Один из современных методов это метод предложенный АО «НИИ «Гермес» в своем патенте RU2577090С1. Его суть заключается в расположении измеряемой емкости горизонтально на специальных опорах [Рисунок 2] с возможностью вращения вокруг своей оси и постоянным сканированием с помощью лазерной установки для измерения наружных размеров с максимально допустимой плотностью точек измерения для каждого сечения. Внутренний же объем получают за счет деления бака на дискретные единицы и вычитанием толщины стенок в каждой единице и получением коечного размера путем сложения получившихся значений объемов до каждой контролируемой плоскости.

Рисунок 2. Горизонтальное расположение измеряемой ёмкости на специальных опорах

Однако есть похожий метод описанный в ГОСТ 8.570-2000 он так же заключается в измерении наружных размеров для вычисления внутренних объемов изделия. В нем применяются различные контрольно-измерительные и бесконтактные оптические приборы. На данный момент данный метод показывает высокую точность измерений так как современные измерительные приборы имеют достаточно высокую точность измерений, следовательно, уменьшая показатель погрешностей конечных результатов[2].

К примеру бесконтактные измерительные приборы Nikon Metrology серии MV 300 нового поколения[Рисунок 3]  удвоило производительность и скорость измерений, так же внедрены новые алгоритмы измерения отверстий и нестандартных деталей.

Рисунок 3. Лазерная установка серии MV 300 

Данная система имеет ряд уникальных решений:

- в измерительный прибор встроена камера что позволяет выводить в вашу систему данные и наглядно выбирать область измерений

- в систему встроены климатические датчики способные контролировать влажность, температуру и давление.

- помимо инфракрасного излучения система располагает красным лазером для более точного наведения на измеряемую область с диаметром пятна всего 0,6 мм на 10 м

- система может быть автоматизирована как самостоятельно, так и с помощью алгоритмов вашего программного обеспечения

- погрешность прибора измерений составляет 16 мкм

Следовательно, использовав подобные системы для данного метода даёт ряд преимуществ:

- точность измерений до 2 раз выше чем при измерении контрольной жидкостью

-отсутствует необходимость в использовании контрольных жидкостей, следовательно, устраняться проблемы, связанные с их использованием и утилизацией

-малая стоимость оборудования

- незначительные габариты и мобильность установки для измерений

-способность установки быть задействованной в других работах

-малые энергозатраты

Главным недостатком метода является отличие показателей измерения от размеров при эксплуатации, разница возникает из-за давления топлива на бак изнутри, что может составлять значительную погрешность в нагруженном состоянии.

Основными отличиями между предложенным способом АО «НИИ «Гермес» и действующим методом является учет влияния динамических факторов на результаты конечных измерений. В связи с этим организация расширила возможности действующего метода с помощью проведения испытаний для учета деформаций, возникающих при нагрузках бака.

Для модернизации действующего метода проводятся предварительные испытания для измерения объема жидкости по каждой контролируемой плоскости вертикально установленного измеряемого объекта.

По результатам измерений приведена формула расчета объема бака с учетом всех приращений. Следовательно, объем измеряемого бака до контролируемой плоскости равен сумме объема измеренного с помощью лазера, приращению объема (зависимость от контрольной жидкости на испытаниях) и приращенью объема (зависимость от контрольной жидкости  под давлением).

Приращения возникают в формуле под действием нескольких сил:

- Давление столба жидкости на этапе предварительного испытания

- давление газа в баке

Результаты исследований  АО «НИИ «Гермес» приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты исследований  АО «НИИ «Гермес»

Из приведенных результатов исследований следует, что при заполнении измеряемой ёмкости контрольной жидкостью значение объема выше чем при измерении методом наружного сканирования, однако при нагрузке бака избыточным давлением значения объема увеличивается соответственно. Получается существенная разница между измерениями бака порядка 0,40%, что в сумме с общей погрешностью может достигать до 0,6%.

Следовательно, использование старых методов без использование поправочных коэффициентов динамических и статических нагрузок недопустимо.

Однако при измерении баков со сложной внутренней формой возникают сложности в определении толщины стенок для каждой контролируемой плоскости и появляется необходимость в использовании второй лазерной установки соосно направленной для получения полнообъемного изображения.

Данное техническое решение позволяет увеличить точность измерений за счет учета несовершенства технологии изготовления, а также получить полноразмерное изображения для проверки точности изготовления. Данное усовершенствование установки решает несколько проблем:

- сопоставление наружной и внутренней оболочки для вычисления толщины стенок при измерении баков сложной конфигурации

- уменьшение общей погрешности за счет увеличения точности измерений внутренней поверхности

-  возможность использования установки на ранних этапах изготовления для проверки соосности и точности размеров при изготовлении

Использование данного устройства легко в эксплуатации и способно минимизировать затраты на использование контрольно- измерительного оборудование в ввиду его многозадачности и возможности решения многих задач по измерению готовой продукции.

Принцип работы устройства состоит в измерении двумя лазерными установками одна закреплена на расстоянии от измеряемой поверхности перпендикулярно оси ёмкости, вторая установка жестко закреплена на телескопическом рычаге (или же на жестком рычаге) и расположена на осевой линии ёмкости. Далее ёмкость вращается на опорах вокруг своей оси пока не совершит полный круг, далее в зависимости от вида закрепления лазерных установок движется либо ёмкость, либо установки на 1 контролируемую плоскость и измерения продолжаться до полного измерения. Затем измерения соответствуют методике АО «НИИ «Гермес» описанной ранее.

Список литературы:

1. Патент RU2577090C1
2. ГОСТ 8.570-2000. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика поверки.
3. ОСТ 92-1039-82. Изделия отрасли. Типовые технологические процессы измерения объемов емкостей газами.
4. ГОСТ 15528-86 Средства измерений расхода, объема или массы протекающей жидкости и газа.