Введение. 
Измерение уровня заправки жидкостной ракеты

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 её 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 30 000 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 паро-газовой 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.