CC BY
21УДК 629.78.015.4.023-758.36:620.17
анализ последствий повреждения конструкции российского сегмента мкс, вызванного столкновением с осколком космического мусора
© 2019 г. Соколов в.г., Торбенко А.в.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
В условиях возрастающего засорения околоземного космоса количественная оценка катастрофичности последствий пробоя МКС осколками космического мусора является необходимым инструментом при разработке мероприятий по парированию аварийной ситуации, связанной с пробоем. Российский сегмент (РС) МКС наиболее уязвим к пробоям из-за наличия в его составе транспортных кораблей, имеющих более слабую экранную защиту по сравнению с модулями станции. В связи с этим возникает задача определения степени катастрофичности пробоя гермооболочки модулей, транспортных кораблей, топливных баков и баллонов РС с учетом возможных видов катастрофических последствий пробоя и распределения риска пробоя по модулям и транспортным кораблям.
Для решения задачи разработана методика расчета рисков катастрофического пробоя станции, основанная на разделении основной задачи на два этапа. На первом этапе рассчитывается вероятность пробоя отдельных отсеков, составляющих станцию и имеющих определенный тип экранной защиты, с использованием конечноэлементной геометрической модели станции и модели техногенной среды. Полученные результаты используются на втором этапе расчетов вероятно -сти катастрофического исхода пробоя методом статистических испытаний (метод Монте-Карло). При этом используется модель РС МКС, состоящая из отсеков упрощенной формы (цилиндров и усеченных конусов), что позволяет упростить процедуру получения случайного места пробоя и сократить временные затраты для получения статистически достоверных результатов.
На основе представленной в статье методики разработана программа, используемая для расчета вероятности катастрофических последствий пробоя РС МКС. Анализ результатов расчетов показал, что относительная вероятность катастрофического исхода пробоя, сопровождаемого гибелью экипажа и/или потерей станции, составляет 13,3%; вероятность экстренной эвакуации экипажа из-за угрозы гипоксии — 3,716%; вероятность экстренной эвакуации экипажа в корабле с пробитым бытовым отсеком — 21,59%. Предложены мероприятия по дальнейшему снижению риска катастрофических последствий пробоя путем введения системы оперативного определения координат места пробоя в состав бортовых систем, а также использования экипажем кислородных масок при проведении спасательных операций.
Ключевые слова: Международная космическая станция, Российский сегмент МКС, метеороид, космический мусор, экранная защитная конструкция, вероятность пробоя, вероятность катастрофических последствий пробоя.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-4-65-76
analysis of consequences of structural damage to the iss russian segment caused by collision
with space debris Sokolov V.G., Gorbenko A.V.
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia)
4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
Under the conditions of increasing littering in the near-Earth space, a quantitative estimate of the criticality of consequences of the ISS penetration with fragments of space debris is a necessary tool when developing measures to recover from the contingency related to the penetration. The iSS Russian Segment (RS) is mostly susceptible to penetration due to the fact that it includes transportation spacecraft, which have weaker shielding as compared with the station modules. in connection with this, there arises a problem of determining the degree of criticality for penetration of the pressure hull of the modules, transportation spacecraft, propellant tanks and bottles in the RS taking into account possible types of catastrophic consequences of the penetration and the distribution of the penetration risk over the modules and the transportation spacecraft.
in order to solve the problem, a procedure was developed for calculating the risks of a catastrophic penetration of the station, based on breaking up the original problem into two stages. Calculated during the first stage is the probability of penetration of individual compartments constituting the station and having a certain type of shielding protection, using a finite-element geometrical model of the station and a model of the technogenic environment. The obtained results are used during the second stage of calculation of the catastrophic penetration probability using statistic test method (Monte-Carlo method). This method uses a model of the iSS RS consisting of compartments with simplified shapes (cylinders and truncated cones), which makes it possible to simplify the procedure for obtaining a random penetration location and reduce the time needed to obtain statistically valid results.
Based on the procedure presented in the paper, a program was developed, which is used for calculating the probability of catastrophic consequences of the iSS RS penetration. Analysis of calculation results has shown that the relative probability of a catastrophic penetration accompanied by the loss of the crew and/or the station is 13,3%; probability of emergency crew evacuation because of the threat of hypoxia is 3,716%; probability of emergency crew evacuation in a spacecraft with a punctured orbital module is 21,59%. The paper proposes steps that need to be taken in order to further reduce the risk of catastrophic consequences of the penetration through including into onboard systems the subsystem for promptly determining coordinates of the penetration location, as well as the use of oxygen masks by the crew during recovery operations.
Key words: international Space Station, iSS Russian Segment, meteoroid, space debris, protective shielding structure, penetration probability, probability of catastrophic consequences of penetration.
соколов в.г. ГОРБЕНКО А.В.
СОКОЛОВ Вячеслав Георгиевич — кандидат физико-математических наук, начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: vyacheslav.sokolov@rsce.ru
SOKOLOV Vyacheslav Georgievich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: vyacheslav.sokolov@rsce.ru
ГОРБЕНКО Андрей Владимирович — ведущий инженер-математик РКК «Энергия», e-mail: andrey.v.gorbenko@rsce.ru
GORBENKO Andrey Vladimirovich — Lead software engineer at RSC Energia, e-mail: andrey.v.gorbenko@rsce.ru
введение
Обеспечение безопасной эксплуатации Международной космической станции (МКС) в условиях возрастающего техногенного загрязнения околоземного космоса потребовало разработки аналитического аппарата для определения вероятностных характеристик взаимодействия МКС с техногенной средой. С самого начала разработки МКС участниками проекта были согласованы основные требования к допустимому риску разгерметизации станции в результате пробоя гермооблочки метеороидами и техногенными частицами [1], а также модели метеороидной и техногенной среды, по которым проводилась сертификация требований [2]. Основным угрожающим фактором для МКС по сравнению со станцией «Мир» стало возрастающее загрязнение околоземного пространства космическим мусором. Обширные исследования космического мусора, проведенные NASA в 1980-х гг. [3, 4], позволили установить, что риск пробоя гермооболочки МКС частицами космического мусора превышает соответствующий риск от метео-роидов на порядок величины. Вероятность пробоя гермооболочки Российского сегмента (РС) МКС рассчитывается с помощью программ, разработанных NASA (программа «БАМПЕР» [5]) и РКК «Энергия» (программа «Защита КА» [6]). В Центре им. Маршалла NASA была разработана программа MSCSurv [7] для расчета вероятности катастрофических последствий пробоя модулей МКС.
Для обеспечения приемлемого риска разгерметизации МКС потребовалось разработать эффективные экранные защитные конструкции массой 1-2 т на каждый модуль, при этом вероятность непробоя (ВНП) модулей РС МКС техногенным осколком, рассчитанная с использованием современной модели техногенной среды ORDEM3.0, составляет 0,938 за 10 лет.
Однако, такие массовые затраты на экранную защиту неприемлемы для транспортных кораблей, входящих в состав станции, при периодической их замене. Целевое назначение транспортных кораблей по доставке на МКС полезных грузов и экипажа ограничило допустимую массу их экранной защиты величиной ~ 100 кг, что не обеспечивает требуемый для модулей уровень защиты. Поэтому
основной вклад в вероятность пробоя РС МКС вносят транспортные корабли (ВНП = 0,526 за 10 лет). В этих условиях особую важность представляет вопрос катастрофичности пробоя РС МКС для всей станции. Были разработаны мероприятия по снижению катастрофического риска, а также аналитический аппарат для его оценки. Статья посвящена второй части этой проблемы, связанной с моделированием пробойной ситуации на РС и получением количественных характеристик катастрофического исхода пробоя в условиях современного состояния техногенного загрязнения области функционирования МКС.
методика расчета риска катастрофических последствий пробоя гермооболочки рС мкС
Решение задачи разделено на два этапа: на первом этапе определяется вероятность пробоя гермооболочки станции, а на втором — вероятность катастрофических последствий при условии, что пробой произошел. Причем, эта условная вероятность (фактор К) определяется как для каждого модуля станции, так и для всей станции в целом. Вероятность отсутствия катастрофических последствий пробоя (ВОКПП) гермооболочки модуля или станции связана с ВНП соотношением:
ВОКПП = ВНПК
Таким образом, определение фактора К выделяется в отдельную задачу, для решения которой необходимо использовать эффективный математический аппарат, обеспечивающий требуемую точность при приемлемых вычислительных ресурсах. Такой вероятностный подход, называемый методом Монте-Карло, основан на моделировании отдельных «испытаний» и последующей статистической обработке результатов многократных «испытаний» с целью получения необходимых характеристик изучаемого процесса. Для получения статистически достоверных результатов требуется разыгрывание большого количества «испытаний» (~108). К-фактор рассчитывается с помощью упрощенной геометрической модели РС МКС, представляемой совокупностью элементарных геометрических объектов (цилиндров и усеченных конусов). Такое упрощение позволяет значительно сократить время
счета, затрачиваемое на определение координат места пробоя по методу Монте-Карло.
Предварительно проводится расчет ВНП с помощью программы «Защита КА» с использованием конечноэлементной геометрической модели РС МКС, детально воспроизводящей конструкцию модулей и характеристики их экранной защиты. При расчетах ВНП учитывались три вида частиц космического мусора — легкие, алюминиевые и стальные. При расчетах фактора Я использовались результаты расчета ВНП, полученные только для алюминиевых частиц ввиду отсутствия экспериментальных данных по размерам пробойного отверстия в гермообо-лочке для легких и стальных частиц.
Описание упрощенной модели РС МКС
Упрощенная геометрическая модель РС МКС состоит из объектов «Модуль» (рис. 1), каждый из которых состоит из подобъектов, представляющих собой примитивы (цилиндр или усеченный конус). Геометрия примитивов описывается соответствующими свойствами: для цилиндра — диаметр, длина, координаты центра в системе координат РС МКС; для усеченного конуса — меньший диаметр, больший диаметр, длина, координаты центра.
Например, объект «Служебный модуль» состоит из следующих подобъектов:
• «РО1рад» (рабочий отсек малого диаметра под радиатором, цилиндр);
• «РО1пан» (рабочий отсек малого диаметра с установленными экранными панелями, цилиндр);
• «РО2» (рабочий отсек большого диаметра, цилиндр);
• «КЧ» (конусная часть между «РО1» и «РО2», усеченный конус);
• «ПхО» (переходной отсек, усеченный конус);
• «ГА» (герметичный адаптер, цилиндр).
Розыгрыш координат места пробоя
в системе координат, связанной с объектом, производится по упрощенной схеме, зависящей от ориентации продольной оси объекта (модуля) по отношению к вектору скорости станции:
• при ориентации продольной оси объекта вдоль вектора скорости МКС координаты точки пробоя вдоль продольной оси и по вертикали, а также направление удара с левого или правого борта, разыгрываются по отдельности равновероятно;
• при ориентации продольной оси объекта вертикально и перпендикулярно вектору скорости МКС координата точки пробоя вдоль продольной оси объекта разыгрывается равновероятно, так же разыгрывается азимутальный угол прихода частицы в горизонтальной плоскости в пределах от 0 до п;
• при ориентации продольной оси объекта горизонтально и перпендикуляр -но вектору скорости МКС координаты точки пробоя вдоль продольной оси и вдоль вертикальной оси объекта разыгрываются по отдельности равновероятно.
Рис. 1. Упрощенная геометрическая модель Российского сегмента МКС: СМ — служебный модуль; ФГБ — функционально-грузовой блок; МИМ1 и МИМ2 — малые исследовательские модули 1 и 2; СО — стыковочный отсек; ТГК1, ТГК2 — транспортные грузовые корабли; ТПК1, ТПК2 — транспортные пилотируемые корабли
Виды и условия реализации катастрофических последствий пробоя
1. Детонация топлива в топливных баках с гидразином.
Нижний предел энергии продуктов разрушения частицы, экрана и корпуса бака с гидразином, вызывающей детонацию гидразина, на основании имеющихся экспериментальных данных [8] оценивается величиной 140 кДж. Минимальный размер алюминиевой частицы, пробивающей топливный бак при скорости алюминиевой частицы 7 км/с и угле соударения 45° составляет 0,7 см, при этом энергия частицы составляет 11,6 кДж. Таким образом, энергия, затрачиваемая на пробой экрана, значительно меньше энергии, вызывающей детонацию. Следовательно, за критичное значение энергии частицы, вызывающей при пробое детонацию гидразина, можно принять 150 кДж.
2. Разрушение конструкции корпуса модуля в результате динамического роста трещины, образуемой в гермо-оболочке при пробое.
Предельно допустимые значения длины трещины в гермооболочке, при превышении которой происходит развал конструкции модулей РС МКС под действием сил внутреннего давления, приведены в табл. 1 [9].
Таблица 1
критические длины трещины при пробое
Модуль ФГБ/МЛМ СМ СО/МИМ2 МИМ1/УМ
Толщина гермооболочки, см 0,14 0,14 0,4 0,4
Критическая длина трещины, см 50,8 50,8 25,4 25,4
Примечание. МЛМ — многофункциональный лабораторный модуль; УМ — узловой модуль; остальные обозначения см. на рис. 1.
3. Разрушение механизма крепления солнечных батарей к ферме Американского сегмента (АС) МКС в результате истечения топлива или газа при пробое топливных баков или баллонов высокого давления функционально-грузового блока (ФГБ).
Максимально допустимые значения размеров пробойного отверстия в топливных баках и баллонах высокого давления модуля ФГБ при различных направлениях закрутки станции, обеспечивающие устойчивость механизма крепления солнечных батарей к ферме АС [9], представлены в табл. 2.
Таблица 2
максимально допустимые размеры пробойных отверстий
Направление вращения станции Уклон* Уклон + крен** Рыскание*** Рыскание + крен
Минимальная
сила реакции
струи, вызывающая 18 161,8 14 651,1 23 065,1 17 671,5
предельную нагрузку, Н
Минимальный
размер отверстия в топливном баке, см 10,7 9,4 11,9 10,4
Минимальный
размер отверстия в газовом баллоне, см 3,18 2,87 3,58 3,15
Примечание. * — вращение вокруг оси У; ** — вращение вокруг оси X; *** — вращение вокруг оси 2 (см. рис. 1).
4. Гибель экипажа в результате гипоксии.
Такой вариант катастрофических последствий реализуется, если время падения давления до критического уровня, при котором действия экипажа становятся неосознанными, меньше, чем время, необходимое для сбора экипажа у центрального поста, перемещения к кораблю-спасателю, перехода в корабль и изоляции корабля от станции. В качестве критического уровня давления в технической документации принято значение 490 мм рт. ст.
Расчет критического времени производится, исходя из диаметра отверстия в гермооболочке и общего гермо-объема станции. Время на проведение спасательных операций определяется, исходя из вероятностного распределения нахождения членов экипажа в отсеках в различное время суток (сон, работа, отдых).
5. Ранения членов экипажа осколками продуктов пробоя гермооболочки.
Ранение члена экипажа осколками продуктов пробоя гермооболочки возможно при условии, что член экипажа находится в пробитом модуле, и случайно разыгранное его местоположение в модуле попадает в зону распространения осколков от пробоя.
6. Потеря ориентации станции в результате отказа системы управления движением и навигации, вызываемого реакцией струи жидкости или газа при истечении через пробойное отверстие, при превышении угловой скоростью вращения станции значения 2 °/с (невозможность безопасного отхода спасательного корабля от станции).
Расчет угловой скорости вращения станции проводится с помощью динамических уравнений Эйлера с использованием тензора инерции Международной космической станции в системе координат, связанной с центром масс. Составляющие момента сил реакции истекающей струи определяются в результате векторного умножения вектора силы истекающей струи на радиус-вектор точки приложения силы.
Интегрирование уравнений Эйлера проводится на отрезке времени, определяемом:
• для жилых отсеков модуля — временем истечения воздуха до момента изоляции отсека от объема станции;
• для баков и баллонов высокого давления — временем опустошения объема бака или баллона.
При превышении угловой скоростью вращения станции значения 2 °/с фиксируется катастрофическая ситуация.
Исходные данные для расчета
Исходными данными для расчета Я-фактора являются:
1. Результаты расчетов ВНП РС МКС с помощью программы «Защита КА» с использованием модели техногенной среды ОЯБЕМ 3.0 [10] (для алюминиевых частиц) на отрезке времени 2015...2024 гг. в конфигурации РС, представленной на рис. 2. При расчетах Я-фактора использовались следующие параметры, полученные при расчетах ВНП для каждого отсека, имеющего свой тип экранной защиты: вероятность пробоя, усредненные значения скорости и угла соударения при пробое. Значения вероятностей пробоя отсеков использовались при розыгрыше по методу Монте-Карло номера пробитого отсека. Значения скорости и угла соударения при пробое, усредненные по количеству пробоев с разными скоростями и углами при расчетах ВНП, использовались для расчета усредненного баллистического предела экранной защиты отсека (минимального диаметра частицы, вызывающего пробой гермообо-лочки). Значения баллистического предела использовались для получения нормированного распределения пробивающих частиц по размеру для каждого отсека, получаемого из модели техногенной среды и используемого при розыгрыше размера пробивающей частицы.
Рис. 2. Расчетная конфигурация Российского сегмента МКС
Примечание. См. обозначения к рис. 1.
2. Параметры экранной защиты каждого отсека, необходимые для расчета диаметра пробойного отверстия и длины
трещины в гермооболочке при средних значениях скорости и угла соударения.
3. Критические длйны трещины при пробое в гермооболочке каждого отсека, превышение которых вызывает динамическое разрушение конструкции отсека.
4. Составляющие матрицы момента инерции МКС в системе координат (СК), связанной с центром масс.
5. Координаты центра масс МКС в СК АС.
6. Суммарное значение свободного объема гермоотсеков МКС.
Алгоритм расчета ^-фактора по методу Монте-Карло
Структурная схема алгоритма расчета приведена на рис. 3.
Расчет проводится в следующей последовательности операций, отраженных на рис. 3:
1. Разыгрывается отсек, в котором произошел пробой.
2. Разыгрываются координаты места пробоя в отсеке.
3. Разыгрывается размер частицы, вызвавшей пробой.
4. Рассчитывается диаметр пробойного отверстия при средних значениях скорости и угла соударения.
5. Если пробитый отсек — баллон высокого давления модуля ФГБ, и размер отверстия в баллоне превышает 3 см, то регистрируется разрушение механизма крепления солнечных панелей к ферме АС.
6. Если пробитый отсек содержит топливные баки, разыгрывается равновероятно 50 на 50% событие, в каком баке произошел пробой (с гидразином или с окислителем). Если пробой произошел в баке с гидразином, то сопоставляется энергия частицы с критическим значением, вызывающим детонацию гидразина. При его превышении фиксируется потеря станции и экипажа.
7. Для герметичного отсека определяется длина трещины при пробое и сравнивается с предельно допустимым значением для данного отсека. При превышении фиксируется потеря станции и экипажа.
8. Разыгрывается время суток, когда произошел пробой (сон, работа, отдых), а также жилой отсек, в котором находится каждый член экипажа (три человека) в разыгранное время суток. При совпадении
номера отсека, в котором произошел пробой, с номером отсека, в котором находится член экипажа, разыгрывается совпадение места нахождения члена экипажа в отсеке с областью распространения осколков, образуемых при пробое. При совпадении фиксируется факт
ранения члена экипажа осколками, образуемыми при пробое гермооболочки.
9. Рассчитывается время падения давления в гермообъеме станции до критичного уровня, при котором действия экипажа становятся неадекватными (490 мм рт. ст.).
Рис. 3. Блок-схема расчета R-фактора
Примечание. КЭ — критичный элемент; ВНП — вероятность непробоя; ВОКПП — вероятность отсутствия катастрофических последствий пробоя.
10. Рассчитывается время сбора всех членов экипажа в центральном посту СМ, исходя из случайно разыгранного местоположения каждого члена экипажа в данное время суток (при скорости перемещения экипажа 1 м/с).
11. При пробое корабля «Союз» рассматриваются два варианта:
• Пробой бытового отсека. Если время падения давления до критичного уровня меньше времени, требуемого на сбор экипажа и переход к кораблю, то фиксируется потеря экипажа и станции. Если критичное время меньше времени сбора, перехода и подготовки корабля к отстыковке, то фиксируется потеря корабля. В противном случае экипаж может отстыковаться от станции и вернуться на Землю в пробитом корабле.
• Пробой спускаемого аппарата. В зависимости от расстояния от центрального поста, у которого происходит сбор экипажа, до пробитого/непроби-того корабля возможны потеря корабля или экипажа и станции.
12. Если пробит жилой модуль, то при критичном времени, меньшем времени сбора и укрытия в ближайшем корабле, фиксируется потеря экипажа и станции. В противном случае, если критичное время больше времени на сбор, переход к кораблю и на его подготовку к отстыковке, но меньше, чем суммарное время на подготовку корабля к отстыковке, перемещение от корабля к пробитому модулю и на изоляцию модуля, то фиксируется потеря станции.
13. Расчет угловой скорости вращения станции, вызываемой истечением газа (при пробое жилого отсека или баллона с газом) или жидкости (при пробое топливного бака):
• расчет составляющих вектора силы реакции истечения через пробойное отверстие;
• определение времени истечения;
• расчет угловой скорости станции путем интегрирования уравнения вращательного движения станции в системе центра масс.
При превышении угловой скоростью станции значения 0,1 °/с фиксируется потеря ориентации станции с возможностью ее восстановления. При превышении угловой скоростью значения 2 °/с фиксируется факт невозможности покидания станции.
обработка результатов расчета .К-фактора
По окончании расчета проводится обработка полученных результатов по следующему алгоритму. После Ы0 повторений последовательности расчетов определяется относительная вероятность каждого вида катастрофических последствий для каждого отсека
К = N.. / К,
У У ' 0'
где Nij — количество зарегистрированных пробоев ^го отсека, сопровождаемых ]-м номером вида катастрофических последствий.
В программе расчета рассматриваются 11 типов последствий пробоя:
A. отрыв панелей солнечных батарей АС от фермы;
B. детонация гидразина при пробое топливного бака;
C. динамический рост трещины при пробое гермооболочки;
Б. ранение члена экипажа;
Е. потеря экипажа и станции в результате гипоксии;
¥. потеря корабля в результате пробоя бытового отсека и нехватки времени на подготовку к отстыковке или в результате пробоя спускаемого аппарата;
С. покидание станции в корабле с пробитым бытовым отсеком;
H. покидание станции в результате пробоя жилого отсека;
I. потеря ориентации станции в результате закрутки со скоростью более 0,1 °/с, но менее 2 °/с (возможность покидания станции);
]. потеря ориентации станции в результате вращения со скоростью более 2 °/с (невозможность покидания станции);
К. изоляция пробитого модуля от гермо-объема станции.
Значение К-фактора ^го отсека определяется суммированием по видам катастрофических последствий
К = Х. N.. / N..
i ] У 7 0
Значение К-фактора всего РС МКС для данного вида катастрофических последствий определяется формулой
К = Х. N.. / N..
} i У1 0
Суммарное значение К-фактора всего РС МКС определяется формулой
К = Х.Ж. / N..
У У1 0
Результаты расчетов
На диаграмме рис. 4 и в табл. 3 представлены результаты расчета Я-фактора в виде относительного вклада отдельных видов последствий пробоя.
На рис. 5 представлена гистограмма распределения вероятности пробоя алюминиевыми частицами по отсекам модулей. Это распределение использовалось в качестве исходных данных при расчетах Я-фактора.
С целью анализа путей снижения вероятности катастрофических последствий пробоя были проведены расчеты для различных вариантов предлагаемых мероприятий:
• Процедура определения пробитого модуля занимает значительную долю времени на проведение экипажем спасательных операций (5 мин в базовом варианте автоматического определения пробитого модуля с помощью датчиков воздушного потока, установленных в стыковочных узлах; до 30 мин — в варианте последовательного перекрытия экипажем межмодульных люков). Введение в состав станции системы оперативного определения координат места пробоя с помощью акустических датчиков обеспечит практически мгновенную регистрацию места пробоя с автоматическим оповещением экипажа, что повысит выживаемость станции и экипажа в результате пробоя. В рамках программы научно-прикладных исследований, проводимых на РС МКС, было проведено два эксперимента по отработке системы оперативного определения координат места пробоя гермооболочки, вызванного высокоскоростным ударом, подтвердивших
возможность создания такой системы. В эксперименте «Отклик» на внутренней поверхности гермооболочки СМ было установлено 13 пьезоэлектрических датчиков, распределенных по всей поверхности модуля и соединенных кабелями с электронным блоком, регистрирующим время прихода к датчикам фронта акустической волны, распространяющейся в гермооболочке от места удара. В эксперименте «Пробой» регистрация звуковых волн, распространяющихся в объеме СМ от ударной волны, генерируемой в месте пробоя, осуществлялась с помощью шести акустических датчиков, распределенных вблизи панельных стенок в объеме модуля. Проведенные эксперименты с имитаторами ударного воздействия на гермооболочку подтвердили работоспособность таких систем, обеспечивающих точность оперативной регистрации места удара (пробоя) в диапазоне 0,1.0,5 м [11].
Рис. 4. Распределение вероятности всех возможных видов последствий пробоя гермооболочки РС МКС алюминиевыми частицами
МИМ1 ТГК1 ТГК2 Отсек модуля
Рис. 5. Распределение вероятности пробоя по отсекам модулей для алюминиевой компоненты космического мусора
Примечание. Обозначения приведены в примечании к рис. 1 и в тексте.
реабилитационной процедуры для экипажа после спасательных операций величина критического давления может быть снижена до 200 мм рт. ст., что увеличивает время падения давления до критичного уровня в 3,3 раза.
Расчеты проводились для пяти вариантов расчетных параметров, задаваемых в соответствии с табл. 4.
Таблица 3 результаты расчетов й-фактора
Тип последствия пробоя (пробитый модуль) Описание последствия пробоя R-фактор, %
— катастрофические последствия пробоя (красный цвет на рис. 4) 13,34
Тип A Отрыв панелей солнечных батарей АС от фермы 0,4342
Тип B Взрыв топливных баков 0,2726
Тип C Динамический рост трещины при пробое гермооболочки 0,7869
Тип D Ранение члена экипажа 4,253
Тип E Потеря экипажа и станции в результате гипоксии 3,879
Тип H Эвакуация экипажа (с потерей станции) 3,716
Тип J Потеря ориентации станции без возможности отстыковки корабля 0
— некатастрофические последствия пробоя (синий цвет на рис. 4) 86,66
Тип F Потеря корабля в результате пробоя бытового отсека и нехватки времени на подготовку к отстыковке или в результате пробоя спускаемого аппарата 18,86
Тип G Эвакуация экипажа с пробитым БО ТПК1 или БО ТПК2 21,59
Тип I Потеря ориентации станции с возможностью восстановления 0,29
Тип K (СМ) Изоляция СМ 2,386
Тип K (ФГБ) Изоляция ФГБ 0,1537
Тип K (МИМ1) Изоляция МИМ1 0,0402
Тип K (МИМ2) Изоляция МИМ2 0,8218
Тип K (СО1) Изоляция СО1 4,283
Тип K (ТГК1) Изоляция ТГК1 4,804
Тип K (ТГК2) Изоляция ТГК2 30,18
— Пробои баков и баллонов, не вызывающие катастрофических последствий 3,25
Примечание. См. обозначения к рис. 1.
Таблица 4
параметры различных вариантов расчета Ä-фактора
Вариант расчета Время на определение пробитого модуля, мин Критическое давление для немедленной эвакуации, мм рт. ст.
1 (базовый) 5 (с помощью датчиков ИП1) 490
2 30 (перекрытием люков) 490
3 0 (с помощью акустических датчиков) 490
4 5 380 (с кислородными масками)
5 5 200 (с кислородными масками + наличие гиперборической камеры)
• Использование кислородных масок при проведении спасательных операций снижает критическое давление, при котором обеспечивается работоспособность экипажа, от 490 до 300 мм рт. ст., и увеличивает время падения давления в объеме станции до критического уровня в 1,6 раза. При использовании гипербарической камеры для проведения
Анализ результатов расчетов
Выводы результатов анализа проведенного исследования заключаются в следующем:
• основной вклад в общую вероятность пробоя вносят транспортные корабли (81,7%);
• суммарный Я-фактор для базового варианта расчета, связанный с гибелью экипажа и/или потерей станции, составил 13,34%;
• вероятность потери одного из кораблей в результате пробоя спускаемого аппарата составляет 18,86%;
• вероятность эвакуации экипажа в корабле с пробитым бытовым отсеком составляет 21,59%;
• основной вклад в вероятность катастрофического исхода при пробое жилых отсеков вносят СМ (52,7%) и транспортные корабли (46,1%);
• наименьший вклад в вероятность катастрофического пробоя вносят модули ФГБ и МИМ1 (0,72%);
• вероятность экстренной эвакуации из-за угрозы гипоксии, сопровождаемой потерей станции:
- в базовом варианте определения пробитого модуля с помощью датчиков потока воздуха (3,716%);
- при последовательном перекрытии люков (36,6%);
- в варианте оперативного определения места пробоя с помощью акустических датчиков (1,19%).
Таким образом, использование системы оперативного определения координат места пробоя с помощью акустических датчиков снижает вероятность потери станции по типу Н в три раза по сравнению с базовым вариантом системы, и в 30 раз — по сравнению с вариантом ручного перекрытия люков. Введение в состав станции системы оперативного определения координат места пробоя с помощью акустических датчиков, распределенных на внутренней поверхности гермооболочки модулей станции (~10 датчиков на каждый модуль) резко снизит вероятность потери станции, связанной с ее разгерметизацией, в результате аварийного покидания станции экипажем из-за угрозы гипоксии.
• результаты расчета Я-фактора для трех вариантов величины критического давления (490, 380 и 200 мм рт. ст.) — 3,879; 3,314 и 2,773% — показали, что
вероятность катастрофического исхода по типу Е, связанного с гипоксией экипажа, снижается на 14,6% при использовании экипажем кислородных масок при проведении спасательных операций и на 28,5% — при использовании кислородных масок во время спасательных операций и гипербарокамеры — после их проведения.
Заключение
Разработанная программа для расчета вероятностных характеристик последствий повреждения конструкции МКС в результате столкновения с осколком космического мусора позволяет проводить количественный анализ возможных сценариев, связанных с такой аварийной ситуацией, с целью разработки мероприятий по минимизации вероятности катастрофических последствий.
Проведенные расчеты вероятности различных вариантов последствий пробоя Российского сегмента МКС показали, что относительная вероятность катастрофического исхода пробоя конструкции Российского сегмента, связанная с гибелью экипажа и/или потерей станции, составляет 13,34%.
Расчеты проводились с использованием экспериментальных данных, полученных при исследовании воздействия высокоскоростных алюминиевых ударников на экранные защитные конструкции, используемые на МКС, а также на энергоемкие элементы бортовых систем (топливные баки, баллоны высокого давления). В последней техногенной модели ORDEM 3.0, разработанной NASA, наряду с алюминиевыми частицами присутствуют стальные частицы, вклад которых в вероятность пробоя является значительным. Отсутствие экспериментальных данных по размерам пробойных отверстий для стальных частиц ограничило проведенные расчеты учетом только алюминиевых частиц.
В сценарии действий экипажа по парированию катастрофической ситуации отсутствует вариант возможности заделки пробойного отверстия с помощью ремонтного оборудования, имеющегося на станции. Это связано с большой неопределенностью параметров такой ситуации. Не рассматривался также выход из строя критичных элементов бортового оборудования в результате пробоя.
Дальнейшее совершенствование методики и программы расчета катастрофических рисков пробоя позволит получать более надежные количественные характеристики аварийной ситуации, вызванной пробоем гермооболочки станции, с целью повышения эффективности мероприятий по ее парированию.
Список литературы
1. SSP41163, Russian Segment Specification, International Space Station Program, Revision J, 28 November 2008.
2. SSP50094, Объединенный документ NASA/РКА по спецификациям и стандартам для Российского сегмента МКС. Программа Международной космической станции. Редакция А. 20 июня 1997 г.
3. Preservation of Near-Earth Space for Future Generations / Edited by John A. Simpson. University of Chicago, Department of Physics and Enrico Fermi Institute. Cambridge University Press. 1994.
4. Orbital Debris, a Technical Assessment / National Research Council, National Academic Press, 1995.
5. Bjorkman M.D., Christiansen E.L., Lear D.M. Bumper 3 Software User Manual. NASA/TM2014-218559, October, 2014.
6. Соколов В.Г., Горбенко А.В., Афанасьев В.О., Бровкин А.Г. Расчет вероятностных
характеристик процесса столкновения космического аппарата с метеороидными и техногенными частицами в околоземном космическом пространстве («Защита КА»). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012616117. 4 июля 2012 г.
7. Williamsen J., Blacklock K., Evans H.J., Guay T.D. Quantifying and reducing International Space Station vulnerability following orbital debris penetration // Journal of Spacecraft and Rockets. 1999. January - February. V. 36. № 1. P. 133-141.
8. Lutz B.E.P., Goodvin C.J. Catastrophic Failure Modes Assessment of the International Space Station Alpha / Meyer Analytics, Inc., NASA Contractor Report 4720, February 1996.
9. Williamsen J.E. Quantifying and Enhancing Space Station Safety Following Orbital Debris Penetration. Презентация для Национального Исследовательского Совета, США, 1996.
10. NASA Orbital Debris Engineering Model ORDEM 3.0, User's Guide, NASA/ TP-2014-217370, Johnson Space Center, Houston, Texas, April 2014.
11. Половнев А.Л. Определение координат точки пробоя высокоскоростной частицей на борту служебного модуля МКС // Научный вестник МГТУ ГА. 2009. № 56. С. 198-203.
Статья поступила в редакцию 18.04.2019 г.
Reference
1. SSP41163, Russian Segment Specification, International Space Station Program, Revision J, 28 November 2008.
2. SSP50094, Ob "edinennyi dokument NASA/RKA po spetsifikatsiyam i standartam dlya Rossiiskogo segmenta MKS. Programma Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii. Redaktsiya A. [SSP50094, NASA/RSC Joint Document on Specifications and Standards for the ISS Russian segment. The International Space Station Program. Revision A]. 20 June 1997.
3. Preservation of Near-Earth Space for Future Generations. Ed. by John A. Simpson. University of Chicago, Department of Physics and Enrico Fermi Institute. Cambridge University Press. 1994.
4. Orbital Debris, a Technical Assessment. National Research Council, National Academic Press, 1995.
5. Bjorkman M.D., Christiansen E.L., Lear D.M. Bumper 3 Software User Manual. NASA/TM 2014-218559, October, 2014.
6. Sokolov V.G., Gorbenko A.V., Afanas'ev V.O., Brovkin A.G. Raschet veroyatnostnykh kharakteristik protsessa stolknoveniya kosmicheskogo apparata s meteoroidnymi i tekhnogennymi chastitsami v okolozemnom kosmicheskom prostranstve («Zashchita KA»). Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2012616117 [Calculation of probability characteristics for spacecraft collision with meteoroid and debris particles («Zaschita KA»), Computer program state registration certificate M № 2012616117]. 4July 2012.
7. Williamsen J., Blacklock K, Evans H.J., Guay T.D. Quantifying and reducing International Space Station vulnerability following orbital debris penetration. Journal of Spacecraft and Rockets, January-February 1999, vol. 36, no. 1,pp. 133-141.
8. Lutz B.E.P., Goodvin C.J. Catastrophic failure modes assessment of the International Space Station Alpha. Meyer Analytics, Inc., NASA Contractor Report 4720, February 1996.
9. Williamsen J.E. Quantifying and enhancing Space Station safety following orbital debris penetration. Presentation for National Research Council, USA, 1996.
10. NASA Orbital Debris Engineering Model ORDEM 3.0, User's Guide, NASA/TP-2014-217370, Johnson Space Center, Houston, Texas, April 2014.
11. Polovnev A.L. Opredelenie koordinat tochki proboya vysokoskorostnoi chastitsei na bortu sluzhebnogo modulya MKS [Determination of coordinates of high velocity particle impact lead to breach of the ISS Service module pressure shell]. Nauchnyi vestnik MGTU GA, 2009, no. 56, pp. 198-203.
