Тема: Автоматизация стенда "Прогноз - 2" - имитатора космического пространства

В современном мире все больше информационных систем, систем связи и систем навигации используют космические аппараты (КА), находящиеся на земных орбитах. Вследствие этого возникает необходимость вывода на орбиту земли все большего числа космических аппаратов. Из-за высокой стоимости как самого КА, так и вывода его на орбиту Земли разработчики стремятся максимально увеличить срок активного существования (САС) космического аппарата. Это очень сложная инженерная задача, поскольку на КА воздействуют такие факторы космического пространства (ФКП) как высокий вакуум (до 3 ■ 10-10 Торр), перепад температур (от - 130оС, до + 120оС) и потоки солнечной радиации (с плотностью энергии до 1,38 кВт м-2). Кроме этого, на космические аппараты, орбиты которых проходят через естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ), следует обратить особое внимание на геомагнитную плазму. Воздействие заряженных частиц геомагнитной плазмы на конструкционные материалы и электронное оборудование КА может вызывать изменение их характеристик вплоть до полного выхода космического аппарата из строя. Для того что бы максимально верно спрогнозировать время работы КА на орбите, все материалы и компоненты используемые в КА, проходят через наземные испытания на воздействие факторов космического пространства. Это позволяет оценить, насколько подходит данные материалы или электронные компоненты для использования их в конструкции КА.
Испытательный стенд «Прогноз-2» Испытательного центра Института неразрушающего контроля Томского политехнического университета (ИЦ ИНК ТПУ) предназначен для проведения наземных испытаний конструкционных материалов и отдельных систем КА в условиях, моделирующих отдельные ФКП на разных орбитах.Вакуумная камера испытательного стенда представляет собой цилиндр диаметром 1000 мм и длинной 1000 мм. Схема вакуумной системы стенда представлена на рисунке 2. Моделирование процессов взаимодействия материалов с излучением накладывает ограничения к применению вакуумного оборудования. Все вакуумные насосы, используемые для откачки 
К «сухим» насосам относятся криогенные, механические, турбомолекулярные и адсорбционные насосы. При проектировании системы вакуумной откачки, предусматривалась возможность напуска инертного газа в количестве до 2 млсек-1. что необходимо при испытаниях плазменных двигателей КА в активном режиме. Чтобы при этом обеспечить давление в вакуумной камере порядка 3 ■ 10-6 Торр скорость откачки вакуумной системы должна быть порядка 8000 л ■ сек-1 по аргону. Такую скорость обеспечивают два криогенных высоковакуумных насоса CRYO-TORR 400 работающие с гелиевыми компрессорами CRYO-TORR 9600.
Предельный вакуум, создаваемый насосом CRYO-TORR 400 имеет значение порядка 10-11 Торр, но для его работы требуется начальное давление не более 7,5 ■ 10-3Торр. Откачка до этого давления осуществляется форвакуумным насосом Kashiyama NeoDry30E. Данный насос является сухим вакуумным насосом классического ряда двухроторных машин Рутса. Производительность насоса NeoDry30E 500 лмин-1, предельный вакуум порядка 7,5 ■ 10-3Торр. Стоит отметить, что данный насос обладает низким уровнем шума - менее 56 дБ. В вакуумной системе испытательного стенда «Прогноз-2» использован один насос данной модели.
Для сбора данных об остаточном давлении использованы вакуумметры P1, P2, P3. В нашем случае выбраны три идентичных вакуумметра 354 MicroION фирмы Granville-Phillips. Данный прибор имеет диапазон измерений от 4,0- 102 Торр до Ы0-9 Торр. Вакуумметр имеет промышленный интерфейс RS-485, при помощи которого реализовано дистанционное управление и считывание показаний с вакуумметра.
VP1, VP2 - Затвор шиберный HTC 6VB-SS-KF50-P.
VM1, VM2 - Затвор шиберный ВАКМА 23В7 - 400.
VP4 - Затвор шиберный HTC GVB-SS -ISO-160-P.
V1, V2, V3, V4 -Клапан вакуумный HEC GVB-SS-KF40-P.
NK1, NK2 - Насос высоковакуумный криогенный CRYO-TORR 400.
NZ1 - Форвакуумный насос Kashiyama NeoDry 30E.
NM1, NM2 - Магниторазрядный охлаждаемый диодный вакуумный насос НМДО - 0,25 (НОРД - 250).
BS - Силикагелевый осушитель.
P1, P2, P3 - Вакуумметры Granville-Phillips 354 Micro-ION.
Для удобства управления стендом система вакуумной откачки была автоматизирована. За основу был взят персональный компьютер, модуль ввода-вывода информации National Instruments PCIe-6320 и программное обеспечение, разработанное в среде LabView. Схема автоматизации вакуумной системы имеет два режима управления: ручной режим (управление элементами вакуумной системы происходит с пульта управления, расположенном на корпусе коммутационного узла) и автоматический режим (управление вакуумной системой происходит по алгоритму, прописанному в программе управления).
Штриховыми линиями обозначены цепи управления элементами вакуумной системы. Линии обозначенные точками, цепи обратной связи элементов вакуумной системы. Цепи управления вакуумными клапанами, шиберными затворами и насосами имеют гальваническую развязку от цепи управления. Обратная связь элементов вакуумной системы так же гальванически развязана с цепями управления. При работе вакуумной системы как в ручном, так и в автоматическом режиме постоянно происходит опрос вакуумметров соединенных с определенным объемом, и по текущему значению вакуума устанавливаются ограничения на включения определенных компонентов вакуумной системы что позволяет избежать аварийных ситуаций.
Ручной режим управления используется после установки на стенд новых образцов, когда вакуумная камера откачивается с атмосферного давления, и после завершения испытаний, когда оператор открытием клапана V1 через силикагелевый осушитель производит разгерметизацию вакуумной камеры СV стенда.
Купить

Таким образом, в ходе проделанного работы был предложен метод автоматизации испытательного стенда «Прогноз - 2», было разработано необходимое программное обеспечение и подобраны компоненты аппаратной части.
На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1. Средства разработки программного обеспечения выбраны правильно и не конфликтуют между собой.
2. Подобные методы автоматизации и компьютеризации испытательных стендов минимизируют возможность провала эксперимента по причине человеческого фактора.
3. При разработке применялись различные средства разработки, но это не повлияло на надёжность программного комплекса.
4. Аппаратная часть системы автоматизации (щит управления) изготовлен полностью из готовых компонентов, которые можно легко заменить на новые в случае выхода из строя.

Купить