CC BY
28УДК 629.78.018:620.165.29
экспериментальная отработка на борту российского сегмента мкс прототипа системы оперативного определения координат пробоя гермооболочки космической станции
© 2020 г. марков А.в.1, Коношенко в.П.1, Нурило и.в.1, Нурило О.в.1, Соколов в.г.1, горбенко A.B.1, Буслов Е.П.2, Устинов В.В.2, Фельдштейн В.А.2, Скалкин А.С.2
1 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: [email protected]
2 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш) Ул. Пионерская, 4, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: [email protected]
Повышение безопасности эксплуатации космической станции в условиях возрастающего засорения околоземного космоса является одной из главных задач при проектировании станции. Наряду с мерами по снижению риска пробоя гермооболочки станции в результате столкновения с метеороидом или осколком космического мусора путём защиты гермооболочки модулей с помощью экранов необходима разработка мероприятий и средств по снижению катастрофических последствий пробоя.
Одним из главных факторов, обеспечивающих успешное парирование аварийной ситуации, вызванной разгерметизацией станции при пробое, является время, необходимое для нахождения места пробоя, определяющее возможные сценарии действий экипажа при проведении спасательных операций и их результат. Рассматриваемая в статье система оперативного определения координат пробоя (СООКП) обеспечивает надежную, практически мгновенную, регистрацию момента и места пробоя.
Предлагаемая концепция построения СООКП основана на использовании пьезоэлектрических датчиков акустической эмиссии, распределенных по внутренней поверхности гермооболочки модуля и соединённых с электронным блоком обработки сигналов от датчиков. В статье представлены результаты работ по научно-техническому обоснованию принципов работы СООКП, проведенных РКК «Энергия» и ЦНИИмаш, а также результаты экспериментальной отработки прототипа такой системы на служебном модуле Международной космической станции (МКС) в космическом эксперименте «Отклик» в рамках Программы научно-прикладных исследований Российского сегмента МКС.
Ключевые слова: Международная космическая станция, Российский сегмент МКС, метеороид, космический мусор, гермооболочка, система оперативного определения координат пробоя, пьезоэлектрический датчик, космический эксперимент, высокоскоростной удар, пробой.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-4-91-103
experimental development onboard the iss russian segment of the prototype system for quick localization of a puncture in the space station pressure shell
Markov A.v.1, Konoshenko v.p.1, Churilo I.v.1, Churilo O.v.1, Sokolov v.G.1, Gorbenko A.v.1, Buslov E.p.2, ustinov v.v.2, Feldstein v.A.2, Skalkin A.S.2
1S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: [email protected]
2Central Research Institute for Machine Building (TsNIImash) 4 Pionerskaya str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Improving safety of space station operations at the time when the near-Earth space is getting increasingly littered with space junk is one of the principal problems in space station design. Along with the measures to reduce the risk of the station pressure shell penetration resulting from a collision with a meteoroid or a piece of space debris that involve protection of the module pressure shells with shields, there is also a need for developing measures and equipment aimed at mitigating catastrophic consequences of the penetration.
One of the key factors allowing successful recovery from an emergency situation caused by station depressurization in case of a puncture is the time needed to locate the puncture, which determines possible scenarios for crew actions during recovery operations and their result. The Immediate Puncture Localization System (IPLS) presented in this paper provides reliable and virtually immediate detection of the time and location of the penetration.
The proposed concept for the IPLS architecture is based on the use of piezoelectric sensors of acoustic emissions distributed over the inner surface of the pressurized shell of the module that are connected to an electronic unit for processing signals from the sensors. The paper presents the results of studies of the scientific and engineering feasibility of the IPLS operating principles conducted at RSC Energia and TsNIIMash, as well as results of developmental tests on a prototype of such a system in the Service Module of the International Space Station (ISS) in the space experiment Otklik conducted under the Applied Research Program of the ISS Russian Segment.
Key words: International Space Station, ISS Russian Segment, meteoroid, space debris, pressure shell, immediate puncture localization system, piezoelectric sensor, space experiment, high-velocity impact, penetration.
МАРКОВ Александр Викторович — руководитель НТЦ РКК «Энергия», e-mail: а[email protected]
MARKOV Aleksandr Viktorovich — Head of STC at RSC Energia, e-mail: а[email protected]
КОНОШЕНКО Виктор Петрович — начальник отделения РКК «Энергия», e-mail [email protected]
KONOSHENKO Viktor Petrovich — Head of Division at RSC Energia, e-mail [email protected]
ЧУРИЛО Игорь Владимирович — кандидат технических наук, начальник отдела РКК «Энергия», e-mail [email protected] CHURILO Igor Vladimirovich — Candidate of Science (Engineering), Head of Department at RSC Energia, e-mail [email protected]
ЧУРИЛО Олег Владимирович — ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail [email protected]
CHURILO Oleg Vladimirovich — Lead engineer at RSC Energia, e-mail [email protected]
СОКОЛОВ Вячеслав Георгиевич — кандидат физико-математических наук, начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: [email protected] SOKOLOV Vyacheslav Georgievich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ГОРБЕНКО Андрей Владимирович — ведущий инженер-математик РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
GORBENKO Andrey Vladimirovich — Lead engineer-mathematician at RSC Energia, e-mail: [email protected]
БУСЛОВ Евгений Павлович — кандидат технических наук, ведущий инженер ЦНИИмаш, e-mail: [email protected] BUSLOV Evgeniy Pavlovich — Candidate of Science (Engineering), Lead engineer at TsNIImash, e-mail: [email protected]
УСТИНОВ Владимир Васильевич — кандидат технических наук, начальник сектора ЦНИИмаш, e-mail: [email protected] USTINOV Vladimir Vasilyevich — Candidate of Science (Engineering), Head of Subdepartment at TsNIImash, e-mail: [email protected]
ФЕЛЬДШТЕЙН Валерий Адольфович — доктор технических наук, главный научный сотрудник ЦНИИмаш, e-mail: [email protected] FELDSTEIN Valeriy Adolfovich — Doctor of Science (Engineering), Chief research scientist at TsNIImash, e-mail: [email protected]
СКАЛКИН Александр Сергеевич — начальник сектора ЦНИИмаш, e-mail: [email protected]
SKALKIN Aleksandr Sergeevich — Head of Subdepartment at TsNIImash, e-mail: [email protected]
введение
В настоящее время актуальной задачей является обеспечение безопасной эксплуатации космической станции в условиях всё возрастающей засорённости околоземного космоса «космическим мусором» [1]. При проектировании Международной космической станции (МКС) эта задача была решена [2, 3] введением в конструкцию корпусов модулей станции специально разработанной экранной защиты, обеспечивающей приемлемый риск пробоя гермооболочки станции осколком «космического мусора», а также разработкой мероприятий по парированию аварийной ситуации, связанной с её пробоем. Одним из таких мероприятий является сокращение времени на поиск пробитого модуля с помощью датчиков воздушного потока, установленных в межмодульных люках и подключённых к системе автоматического определения пробитого модуля. Такая система обеспечивает обнаружение
пробитого модуля спустя пять минут после пробоя, требуемых на отключение системы вентиляции модулей. В случае отказа системы резервный вариант определения пробитого модуля путём последовательного ручного перекрытия экипажем межмодульных люков требует ~30 мин. Эти задержки снижают вероятность успешного парирования аварийной ситуации экипажем [4].
В начале работ по проекту МКС в РКК «Энергия» и ЦНИИмаш прорабатывался вариант оперативного определения места пробоя с помощью системы акустических датчиков, установленных в разных местах гермооболочки и соединённых с блоком регистрации и обработки акустических сигналов, поступающих от датчиков. В этом направлении были проведены поисковые и опытно-конструкторские работы, завершившиеся проведением космического эксперимента «Регистрация ударов метеорных и техногенных частиц по внешним элементам конструкции станции с помощью
пьезоэлектрических датчиков» (шифр «Отклик») в рамках реализации «Долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на РС МКС до 2024 года».
Регистрация частиц, представляющих реальную опасность пробоя гермообо-лочки космической станции, в диапазоне размеров 0,1 ...10,0 мм необходима для уточнения модели метеороидно-техногенной среды, используемой при проектных расчётах вероятности пробоя, зависящей от технических характеристик экранной защиты. Решение этой задачи требует использования детекторов ударов частиц с очень большой площадью [5]. В качестве детектирующей поверхности могут быть использованы разворачиваемые элементы конструкции станции (панели солнечных батарей, радиаторы), а регистрация ударов осуществляется с помощью датчиков акустических волн, генерируемых при ударе. Детектирование ударов микрочастиц с помощью пьезоэлектрических датчиков использовалось на ранних стадиях освоения космического пространства. Однако, при использовании пьезодатчиков на околоземных космических аппаратах сравнение результатов с данными, получаемыми другими методами (в частности, с полученными с помощью конденсаторных пробойных датчиков [6]), показало, что частота регистрации ударов частиц пьезодатчиками значительно превосходит частоту регистрации конденсаторными датчиками. Это было связано с чувствительностью пьезоэлектрических датчиков к влиянию помех, вызываемых механическим, электрическим и тепловым воздействиями окружающей среды. Электронные средства обработки сигналов от датчиков в то время были слишком примитивны, что не позволяло надёжно селектировать полезный сигнал от помех. Это явилось причиной охлаждения интереса исследователей к использованию пьезоэлектрических датчиков для регистрации ударов частиц. В связи с развитием электроники интерес к использованию пьезоэлектрических датчиков для регистрации ударов микрочастиц значительно повысился [7-9].
Идея космического эксперимента «Отклик» заключалась в том, чтобы сделать внешнюю поверхность конструкции служебного модуля (СМ) Российского сегмента (РС) МКС чувствительной
к ударам метеороидных и техногенных частиц. Это достигается путём размещения пьезоэлектрических датчиков на внутренней поверхности гермооболочки модуля. При ударе частицы по внешним элементам конструкции модуля (противо-метеороидным экранам, радиаторам, защитным кожухам) возникают волны деформации, которые по элементам крепления достигают гермооболочки модуля и могут быть зарегистрированы пьезоэлектрическими датчиками, установленными на внутренней поверхности гермооболочки на достаточно большом расстоянии друг от друга (2-3 м). Датчики соединяются экранированными проводами с электронным блоком, обеспечивающим преобразование и обработку сигналов от датчиков. Измеряя разность времени прихода фронта волны деформации в гермооболочке, вызываемой ударом, к разным датчикам, можно определить координаты места удара. При использовании системы датчиков (10-15 шт.) вся поверхность гермооболочки модуля может быть сделана чувствительной к ударам частиц. Параметры ударного воздействия (время, местоположение удара на гермооболочке, интенсивность удара) записываются в запоминающее устройство и периодически (один раз в неделю) передаются через систему бортовых измерений на Землю. Предполагалось, что полученная информация позволит уточнить интенсивность потоков метео-роидных и техногенных частиц на орбите МКС в ненаблюдаемом другими средствами диапазоне размеров частиц (0,1.1,0 мм), близких к диапазону, представляющему опасность пробоя гермо-оболочки модуля (5.10 мм).
Удары достаточно крупных частиц (размером более 0,5 мм) могут сопровождаться пробоем внешних элементов конструкции (кожухов, радиаторов, про-тивометеороидных экранов) с образованием кратеров на внешней поверхности гермооболочки. Амплитуда регистрируемых при этом сигналов будет значительно превышать сигналы от ударов более мелких частиц, что позволит выделять их и проводить обследование места удара как изнутри, так и при проведении операций на поверхности станции с целью определения масштаба повреждения и возможного ремонта гермооболочки. В случае пробоя гермо-оболочки такая система может практически
мгновенно сообщить о координатах места пробоя, что значительно повысит эффективность мероприятий по ликвидации его последствий, сокращая время на поиск места пробоя. Вероятность таких ударов достаточно мала, поэтому в программе эксперимента дополнительно были предусмотрены работы экипажа по имитации ударов изнутри с целью определения точности регистрации координат места пробоя.
Таким образом, в космическом эксперименте «Отклик» предполагалось решить две задачи:
• получение научной информации о потоке метеороидных и техногенных частиц в диапазоне размеров частиц, не регистрируемых другими экспериментальными средствами;
• экспериментальная отработка аппаратуры для оперативного определения координат места пробоя гермооболочки СМ в реальных условиях эксплуатации на орбите.
научно-технические разработки в обоснование технического облика системы оперативного определения координат пробоя гермооболочки мкС
На начальном этапе разработки РС МКС в 1995 г., в связи с повышенными требованиями по защите МКС от ме-теороидов и осколков «космического мусора» по сравнению со станцией «Мир», российским руководством проекта был организован конкурс на предложения по техническому облику системы оперативного определения координат пробоя (СООКП) гермооболочки станции. По результатам конкурса в качестве рабочего был выбран вариант, предложенный независимо двумя коллективами авторов — РКК «Энергия» (А.П. Жежеря, С.М. Тратников, Э.С. Алгасов, В.Г. Еремин) и ЦНИИмаш (А.С. Скалкин, В.Г. Соколов, Г.Н. Сунцов, Ю.В. Яхлаков) — и основанный на использовании пьезоэлектрических датчиков акустической эмиссии, устанавливаемых на внутренней поверхности гермооболочки модулей. Дальнейшие работы по реализации СООКП проводились этими организациями согласованно.
ЦНИИмаш проводил исследования по следующим направлениям:
• разработка математических моделей генерации ударных волн в гермооболочке
при высокоскоростном ударе (пробое) и проведение расчётов параметров этих волн;
• получение экспериментальных данных по параметрам акустических сигналов, генерируемых пьезоэлектрическими датчиками в гермооболочке при пробое на высокоскоростных ударных стендах.
При высокоскоростном пробое металлической стенки ударником в ней возбуждается ударная волна, сопровождаемая плавлением и испарением материала ударника и стенки. Исследования показали, что на расстоянии нескольких толщин стенки от места удара эта ударная волна затухает и превращается в акустические колебания стенки.
По первому направлению были проведены расчёты параметров упругих волн, возбуждаемых в стенке гермоотсека СМ при ударе и пробое [10]. Результаты расчётов показали, что при высокоскоростном пробое корпуса СМ в нём возбуждаются волны растяжения-сжатия, имеющие форму узкого кольца шириной порядка нескольких сантиметров, расширяющегося в радиальном направлении. Интенсивность волны падает пропорционально —На расстоянии ~1 м от точки VГ
удара радиальное ускорение в волне имеет порядок 107 м/с2, а деформация стенки ~0,1%. Расчёты показали, что на расстоянии более метра от места пробоя интенсивность волны деформации стенки, генерируемой при пробое, достаточно высока, а фронт волны составляет десятки микросекунд.
При ударе частицы без пробоя в стенке корпуса модуля возбуждается преимущественно изгибная упругая волна. В отличие от случая пробоя эта волна значительно сильнее «размывается» и не имеет чётко выраженных фронтов.
По второму направлению были проведены экспериментальные работы по испытаниям различных типов датчиков на воздействие акустических волн, генерируемых при ударах и пробоях имитатора стенки гермоотсека модуля МКС. Испытания 12 типов датчиков проводились с помощью пневматического ружья на созданной баллистической мини-трассе, где на общем основании были закреплены все необходимые элементы — ружьё, защитная бленда, держатель образцов-мишеней и регистрирующая
аппаратура. По результатам испытаний были отобраны типы пьезоэлектрических датчиков, имеющие предпочтительные характеристики, а также разработаны рекомендации по способам крепления датчиков к стенке гермоотсека.
Испытания датчиков на основе пьезо-керамики ЦТС-19 проводились в условиях, приближённых к натурным, на макете стенки гермоотсека СМ вафельной конструкции на баллистической установке МБУ, обеспечивающей пробой макета стенки с помощью алюминиевого ударника 06,74 мм, ускоренного до 3,85 км/с. На рис. 1 и 2 приведены осциллограммы сигналов, полученных от датчиков, расположенных от места пробоя на расстоянии 61 см (датчик № 50) и 10 см (датчик № 40). Амплитуда сигналов составила более 0,25 В на расстоянии 61 см и более 2,5 В — на расстоянии 10 см.
Рис. 1. Осциллограмма сигнала от акустического датчика № 50, расположенного на расстоянии 61 см от точки пробоя (приход фронта волны 206,5 мкс; амплитуда > 0,25 В)
Рис. 2. Осциллограмма сигнала от акустического датчика № 40, расположенного на расстоянии 10 см от точки пробоя (приход фронта волны 141,5 мкс; амплитуда > 2,5 В)
Результаты испытаний пьезоэлектрических датчиков на основе пьезоке-рамики на баллистической установке и взрывном стенде ЦНИИмаш показали, что при размерах чувствительного
элемента до 20 мм и толщинах 0,5-1,0 мм амплитуда сигналов составляет несколько вольт вблизи точки удара; до 0,5 В на расстоянии 0,5-0,7 м и 0,02-0,05 В — на расстоянии 1,3 м.
РКК «Энергия» проводила работы по СООКП по следующим направлениям:
• разработка и экспериментальная отработка основных технических принципов регистрации факта и определения места пробоя;
• определение аппаратурного состава системы и алгоритма обработки сигналов от датчиков.
Работа СООКП должна осуществляться в следующей последовательности:
• контроль ударного воздействия и определение факта наличия удара (пробоя);
• определение координат места удара;
• выдача информации экипажу;
• выдача телеметрической информации.
Общая схема построения СООКП
была определена следующим образом.
На оболочке корпуса модуля МКС устанавливается порядка 15-20 датчиков акустической эмиссии, по сигналам от которых можно установить факт удара. Определение времени прихода волны возмущения от удара к различным датчикам основано на выработке признака превышения сигнала над уровнем шума.
Алгоритм определения координат удара основан на использовании всех сигналов, поступающих от датчиков, что исключает получение ошибочных данных, связанных с неисправностями датчиков и других элементов аппаратуры. На рис. 3 схематично представлена развёртка поверхности оболочки модуля МКС, на которой располагаются датчики. Датчики фиксируют время прихода ударной волны к каждому из них. Исходим из предположения, что волна распространяется с одинаковой во все стороны скоростью С. Если удар произошёл в точке А, то датчик D7 первый зафиксирует приход ударной волны. Обозначим dTi разность между абсолютным временем прихода ударной волны на датчик Di и абсолютным временем прихода ударной волны на датчик, который первым зафиксировал её приход ^7). Время, за которое ударная волна дошла до ближайшего датчика, обозначим Т0. При N датчиках, зафиксировавших приход волны, имеем N показателей датчиков (экспериментальные величины dTi) и N координат датчиков (X, У).
¿>1.
Г
т
т
ш
оз.
Об
он
016
- П7 1- 08 1- 09 - ОН)
012 А Г)\?\ 014 01 Г)
017 - 018 ■- 019 ■-■ 020 -
А'
Рис. 3. Схема локации места удара: D1—D20 — датчики; А — место удара; С — скорость волны
Координаты удара (X , Ууд) находятся из следующего выражения:
тп + ¿т = — 4(х. х )2 + (у. у )2, (1)
о I с у 1 уд
где X., У. — координаты г-го датчика; Худ, Ууд — координаты искомой точки; С — скорость распространения ударной волны; Т0 — абсолютное значение времени хода волны от места удара до ближайшего датчика.
В выражении (1) присутствует четыре неизвестных коэффициента: Худ, Ууд, Т0, С. При регистрации N сигналов с запаздываниями ¿Т. в точках с координатами Худ, Ууд задача определения коэффициентов решается методом наименьших квадратов, то есть находятся такие коэффициенты, чтобы среднее квадратичное отклонение (с) расчётных величин ¿Т. от величин, которые зафиксированы каждым из датчиков, было минимально.
X
N
1
йТ. + Т0--V (Х- - X )2 + (У. - У )2
г 0 С У 1 У
УДу
а =
N
Для определения четырёх неизвестных коэффициентов Худ, Ууд, Т0 и С путём нахождения минимальной величины с используется метод покоординатного спуска (метод Гаусса - Зейделя) [11]. Для проверки эффективности алгоритма он был реализован в виде программы для персонального компьютера (ПК). Проведено модельное исследование работы алгоритма с использованием разработанной программы, подтвердившее его эффективность.
Экспериментальная проверка алгоритма определения координат места удара проводилась на испытательном стенде, в состав которого входили:
• фрагмент обечайки вафельной конструкции из алюминиевого сплава, имитирующий корпус модуля станции;
• датчиковая аппаратура, укрепленная на внутренней поверхности фрагмента обечайки;
• усилитель выходных сигналов;
• аналого-цифровой преобразователь;
• ПК со специальным программным обеспечением по обработке сигналов от датчиков.
Удар имитировался падением на панель железного шарика с определенной высоты. При испытаниях использовались высокочастотные датчики акустической эмиссии резонансного типа. В качестве чувствительных элементов применялись кристаллы цилиндрической формы 010 мм и толщиной 1 мм, изготовленные из пьезо-керамики марки ПЭСДП.
Макетный эксперимент показал, что рассчитанные координаты мест ударов имеют погрешность, величина которой зависит от расположения места удара по отношению к датчикам. Причём при нанесении удара в местах, окружённых установленными датчиками, погрешность определения места удара не превышала 15 см. При нанесении же удара на краю панели погрешность возрастала до 30 см.
Частота опроса сигналов датчиков в данных испытаниях составляла ~20 кГц, что обуславливает погрешность в определении времени прихода волны ~0,5-10-3 с. При скорости распространения волны, равной 3 000 м/с, это соответствует расстоянию, равному 15 см. При повышении частоты опроса в 10 раз точность определения места удара должна повыситься до ~1,5 см.
С целью апробирования принципов, заложенных в проект СООКП, в натурных условиях эксплуатации на орбите был разработан и в 1999 г. включён в программу научно-прикладных исследований РКК «Энергия» на МКС космический эксперимент «Регистрация ударов метеорных и техногенных частиц по внешним элементам конструкции станции с помощью пьезоэлектрических датчиков» (шифр «Отклик»). Разработка аппаратуры для космического эксперимента «Отклик» проводилась с 2009 по 2013 г. в ОКБ «Феррит» (г. Воронеж).
2
Состав научной аппаратуры «Отклик»
Блок-схема системы обработки информации от пьезоэлектрических датчиков изображена на рис. 4.
Сигнал от датчика
Ограничитель сигнала
1
Усилитель мощности
Фильтр
I
Аиалого-1 1,ифроной
иреооразонагель
Процессор
Рис. 4. Блок-схема системы обработки сигналов от датчиков
Состав научной аппаратуры (НА) «Отклик»:
• блок контроля;
• консоль оператора;
• пьезоэлектрические первичные преобразователи (датчики) с предварительным усилителем (13 шт.) (рис. 5);
• кабельная сеть.
Рис. 5. Пьезоэлектрический датчик
Блок контроля осуществлял следующие функции:
• приём нормированных аналоговых сигналов от датчиков;
• формирование выходной информации;
• выдача ТМ-информации в БИТС;
• перезагрузка алгоритмов диагностики и корректировка констант;
• приём данных, имитирующих работу датчиков, при проведении проверок работы блока контроля.
Датчики с предварительным усилителем предназначены для преобразования акустических колебаний в гермообо-лочке, вызванных ударом метеороидной или техногенной частицы, в электрический сигнал и передачи его в блок контроля. В качестве чувствительного элемента датчиков используется вибропреобразователь АР28И (разработчик — ООО «Глобал Тест», г. Саров, Нижегородская обл.), показавший лучшую помехоустойчивость по сравнению с другими акустическими датчиками.
Технические характеристики НА «Отклик»: напряжение источника питания 23-29 В;
мощность, потребляемая НА от источника питания:
— в установившемся режиме не более 75 Вт;
— при максимальной загрузке центрального процессора не более 110 Вт; количество подключённых
датчиков 13 шт.;
скорость обработки
сигнала 100 000 выборок/с.
Наземная отработка научной аппаратуры «Отклик»
Калибровочные испытания пьезодат-чиков при высокоскоростном ударном воздействии на макет гермооболочки, имитирующем столкновение с метеоро-идной или техногенной частицей, проводились на высокоскоростном ударном стенде в ЦНИИмаш. Схема и общий вид экспериментальной установки приведены на рис. 6. Крепление экрана, имитирующего радиатор СМ, к корпусу макета соответствовало реальной конструкции.
Имитация ударного воздействия при пробое и непробое экрана производилась с помощью алюминиевых шариков 02 мм, выстреливаемых из пороховой пушки со скоростью 700-800 м/с. С помощью поглотителя в виде нескольких слоёв картона скорость ударника снижалась до величины 100-150 м/с, обеспечивающей имитацию импульса реальной частицы в режиме непробоя экрана с минимальной величиной импульса 10-3 кг-м/с. При этом амплитуда сигналов от датчиков, расположенных на расстоянии несколько метров от места
удара, превышала фоновый уровень в несколько раз. При средних скоростях соударения для техногенных (10 км/с) и метеороидных (20 км/с) частиц этот импульс соответствует реальным частицам размером =0,5 мм. Таким образом, экспериментальная отработка режима
регистрации подтвердила возможность регистрации частиц с размерами в десятые доли миллиметра.
Испытания с пробоем экрана показали, что при пробое экрана сигналы от датчиков имеют четкую границу прихода акустической волны от места удара (рис. 7).
а)
б)
Рис. 6. Испытательная установка: а — схема: 1 — пороховая баллистическая установка; 2 — экран; 3 — датчики; 4 — макет фрагмента корпуса СМ; 5 — ложемент; 6 — силовой пол; б — общий вид
Рис. 7. Сигналы от датчиков в испытании № 15 (диаметр ударника 2 мм, скорость 800 м/с, пробой экрана)
Разность времён прихода фронта акустической волны, пропорциональная разности расстояний от датчиков до места удара, использовалась в алгоритме точного определения места удара в режиме регистрации пробоя экрана. Как следует из рис. 7, разность времени прихода фронта акустической волны к датчикам соответствует разности расстояний датчиков от места удара, что обеспечивает возможность измерения координат места удара.
Проведение эксперимента «Отклик» на РС МКС
Научная аппаратура «Отклик» была доставлена на РС МКС в мае 2014 г. в составе транспортного грузового корабля «Прогресс-М-23М». На внутренней поверхности гермооболочки служебного модуля РС МКС космонавтами были установлены 13 датчиков акустической эмиссии путём вворачивания датчиков в установочные гнёзда, приклеенные к гермооболочке в специально подготовленных местах на заключительном этапе наземной подготовки СМ.
Результатом эксперимента являлась информация, передаваемая в сеансах связи в виде набора файлов с цифровыми массивами. Частично результаты передавались в виде фотографий экрана консоли оператора, снимаемых членом экипажа во время проведения сеанса по изменению параметров настройки аппаратуры.
Космический эксперимент «Отклик» выполнялся на РС МКС с 2014 по 2018 гг. В течение периода времени с июня 2014 по декабрь 2015 г. основная задача заключалась в нахождении такой комбинации параметров настройки НА (коэффициента усиления и порога чувствительности), при которой регистрация ударов от внутренних источников в виде различных электромеханических приборов сводилась к минимуму. Изменения параметров производились экипажем по радиограммам. Кроме того, экипаж периодически (один раз в неделю) производил фотографирование записей параметров регистрируемых сигналов на экране консоли оператора и передавал их на Землю. Передача информации осуществлялась также по телеметрии.
Анализ результатов, полученных при различных значениях параметров настройки
НА, показал, что регистрация слабых ударных воздействий, характерных для частиц малого размера (доли миллиметра) и не сопровождаемых пробоем внешних элементов конструкции модуля (радиаторов, защитных кожухов и противо-метеороидных экранов), маскируется многочисленными сигналами от внутренних источников ударов, вызываемых работой электромеханических устройств бортовых систем. На рис. 8 представлено распределение источников ударных воздействий, вызываемых работой бортовых систем, полученное по результатам анализа сигналов, зарегистрированных НА «Отклик».
Рис. 8. Расположение источников акустических сигналов по левому борту: ■ — места расположения датчиков
Перечень внутренних источников зарегистрированных акустических сигналов, идентифицированных по результатам статистической обработки зарегистрированных сигналов, представлен в таблице.
Перечень внутренних источников акустических сигналов, зарегистрированных НА «Отклик»
№ точки Источник сигналов
1 Блок очистки атмосферы
2 Блок разделения и перекачки конденсата, коллектор КВ, блок колонок очистки
3 Привод электромеханический Б16М
4 Блок очистки от микропримесей
5 Вентилятор, блок контроля и фильтрации
6 Коммутатор матричный
7 Каюта космонавта
8 Блок очистки от микропримесей, вентилятор
Для подавления сигналов от внутренних источников акустических сигналов и выделения сигналов, вызываемых пробоем внешних, экранирующих гермо-оболочку, элементов, параметры настройки аппаратуры (коэффициент усиления и порог регистрации) были установлены в максимальные значения в течение
одного года. Результаты такого длительного экспонирования представлены на рис. 9. Сигналы от внутренних источников регистрировались только в двух местах (блок очистки атмосферы (точка № 1) и электромеханический привод вращения солнечных панелей (точка № 3)). Отмеченный звёздочкой сигнал предположительно может быть вызван внешним воздействием, связанным с пробоем радиатора. Оценки с использованием модели техногенной среды показали, что такое событие может происходить в среднем с частотой около одного раза в год.
Рис. 9. Результаты длительной регистрации при максимальных значениях параметров настройки: большие синие квадраты — места расположения датчиков; малые красные квадраты — места внутренних ударов; области № 1 и 3 — расположение источников внутренних ударов; ☆ — предположительно, внешний удар
Дополнительной задачей являлось определение точности регистрации координат ударов путём нанесения космонавтом ударов по внутренней поверхности корпуса с помощью ручного инструмента (удлинитель в виде металлического стержня) в заранее определённых местах. С этой целью было проведено три сеанса работы экипажа. В целях безопасности удары наносились не по вафельной части гермооболочки, а по шпангоутам и кронштейнам крепления иллюминатора. На рис. 10 представлено распределение координат ударов, зарегистрированных в одном из сеансов, по поверхности гермооболочки относительно мест нанесения ударов. Разброс зарегистрированных координат ударов не превышает 0,5 м и связан с неидентичностью силы нанесения отдельных ударов, что вызывает погрешность в определении времени прихода акустической волны к датчикам на фоне шумовых помех.
Рис. 10. Взаимное расположение источников ударов и зарегистрированных сигналов: большие синие квадраты — места расположения датчиков; большие розовые квадраты — места нанесения ударов; малые красные квадраты — места регистрации сигналов
Заключение
Результаты космического эксперимента «Отклик» подтвердили возможность использования пьезоэлектрических датчиков, закреплённых на внутренней поверхности гермооболочки, для создания штатной системы оперативного определения координат места пробоя гермообо-лочки в результате удара метеороидной или техногенной частицы.
Разброс регистрируемых координат места точечного ударного воздействия на гермооболочку, имитируемого космонавтом с помощью ручного инструмента, не превышал 0,5 м. С учётом того, что удар наносился не по гермооболочке, а по местам крепления оборудования и шпангоутам, а также учитывая слабость имитируемого удара по сравнению с высокоскоростным ударом, сопровождаемым пробоем гермооболочки, следует ожидать, что в реальных условиях пробоя сигнал будет значительно превышать шумовой фон, и точность определения координат пробоя существенно повысится.
Как показали результаты экспериментов, проведенных на ударных стендах ЦНИИмаш, величина акустического сигнала при пробое гермооболочки на порядок величины превышала соответствующую величину при непробое. Это даёт основание путём введения пороговых элементов во входных цепях усилителей сигналов от датчиков регистрировать только факты пробоя.
Анализ вероятности катастрофических последствий пробоя гермооболочки РС МКС, проведённый в работе [4], показал, что использование СООКП снизит вероятность потери станции в результате пробоя, сопровождаемой эвакуацией экипажа, в три раза (с 3,716 до 1,190%) по сравнению с реализованной в настоящее время на МКС технологией нахождения пробитого модуля с использованием датчиков потока воздуха, установленных в межмодульных люках, и в 30 раз (с 36,60 до 1,19%) — по сравнению с нештатным вариантом, связанным с ручным перекрытием межмодульных люков. Определение точного места пробоя даёт дополнительные шансы оперативного ремонта гермооболочки.
Альтернативная концепция системы определения координат пробоя основана на фиксации переднего фронта звуковой волны, распространяющейся в атмосфере модуля от точки пробоя, датчиками акустического давления, расположенными внутри объёма модуля. Такая система разрабатывалась ЦНИИмаш совместно с РКК «Энергия» и экспериментально отрабатывалась в космическом эксперименте «Пробой» [12, 13].
При разработке штатной бортовой системы СООКП целесообразно использовать опыт, полученный при экспериментальной отработке обоих вариантов системы. Для повышения точности и надёжности срабатывания штатной системы СООКП возможно объединение двух систем.
В заключение авторы статьи хотели бы отметить большой вклад, который внесли на начальной стадии этих работ бывшие сотрудники РКК «Энергия» и ЦНИИмаш: Жежеря Александр Павлович (дтн, ПАО «РКК «Энергия»), Яхлаков Юрий Викторович (ктн, АО «ЦНИИмаш»), Сунцов Герман Николаевич (ктн, АО «ЦНИИмаш»), а также выразить благодарность разработчикам НА «Отклик» (ОКБ «Феррит», г. Воронеж) за высокий профессионализм, обеспечивший надежность работы аппаратуры.
Список литературы
1. Preservation of Near-Earth Space for Future Generations / Ed. by J. A. Simpson. Cambridge University Press, 1994. DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9780511564925.
2. Christiansen E.L. Design Practices for Spacecraft Meteoroid/Debris (M/D)
Protection // Proceedings of Hypervelocity Shielding Workshop, Galveston, Texas, USA, March 8-11, 1998. P. 1-9.
3. Марков А.В., Коношенко В.П., Беглов Р.И., Соколов В.Г., Горбенко А.В. Основные направления и результаты работ по защите Российского сегмента МКС от метеороидов и космического мусора // Космическая техника и технологии. 2018. № 4(23). С. 16-28.
4. Соколов В.Г., Горбенко А.В. Анализ последствий повреждения конструкции Российского сегмента МКС, вызванного столкновением с осколком космического мусора // Космическая техника и технологии. 2019. № 4(27). С. 65-76.
5. Bauer W, Romberg O, Wiedemann C, Drolshagen G., Vorsmann P. Development of in-situ Space Debris Detector // Advances in Space Research. 2014. V. 54. Issue 9. P. 1858-1869.
6. Ковалёв И.И., Коношенко В.П., Соколов В.Г., Сорокин И.В., Соловьёв В.В. Регистрация микрометеороидных и техногенных частиц с помощью конденсаторных датчиков, установленных на служебном модуле МКС // Доклад на Международном Астронавтическом конгрессе (/AC). Глазго, Великобритания, сентябрь 2008 г. ^-08^6.5.1.
7. Prosser W.H., Gorman M.R., Humes D.H. Acoustic Emission Signals in Thin Plates Produced by Impact Damage // Journal of Acoustic Emission. 1999. V. 17(1-2). P. 29-36.
8. Schafer F, Janovsky R. Impact sensor network for detecting of hypervelocity impacts on spacecraft // IAC-04-IAA.5.12.04, 55th International Astronautical Congress 2004, Vancouver, Canada.
9. Liu Wugang, Sun Fei, Pang Baojun, Zhang Wei Acoustic emission detection and location for hypervelocity impacts // Proceedings of the Fourth European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany, 18-20 April 2005.
10. Фельдштейн В.А. Упругие волны в оболочках, возбуждаемые сосредоточенным импульсом // Космонавтика и ракетостроение. 2017. Вып. 6(99). С. 38-45.
11. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970. С. 575-576.
12. Половнев А.Л. Определение координат точки пробоя высокоскоростной частицей на борту служебного модуля Международной космической станции //
Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность. 2009. № 138. С. 198-204.
13. Авершьев С., Липницкий Ю., Ма-каревич Г., Мамадалиев Н., Пелипенко Л., Половнев А., Скалкин А., Третьяков П., Шоколов А. Пробой стенки гермоотсека
космического аппарата высокоскоростной частицей с образованием акустических волн // Учёные записки ЦАГИ. 2015. Т. ХЬУ1. Вып. № 1. С. 42-51. Статья поступила в редакцию 05.03.2020 г. Окончательный вариант — 07.08.2020 г.
Reference
1. Preservation of Near-Earth Space for Future Generations. Ed. by J.A. Simpson. Cambridge University Press, 1994. DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9780511564925.
2. Christiansen E.L. Design Practices for Spacecraft Meteoroid/Debris (M/D) Protection. Proceedings of Hypervelocity Shielding Workshop, Galveston, Texas, USA, March 8—11, 1998, pp. 1-9.
3. Markov A.V., Konoshenko V.P., Beglov R.I., Sokolov V.G., Gorbenko A.V. Osnovnye napravleniya i rezul'taty rabot po zashchite Rossiiskogo segmenta MKS ot meteoroidov i kosmicheskogo musora [Main areas and results of work to protect the ISS Russian Segment from meteoroids and space debris], Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2018, no. 4(23), pp. 16-28.
4. Sokolov V.G., Gorbenko A.V. Analiz posledstvii povrezhdeniya konstruktsii Rossiiskogo segmenta MKS, vyzvannogo stolknoveniem s oskolkom kosmicheskogo musora [Analysis of consequences of structural damage to the ISS Russian segment caused by collision with space debris], Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2019, no. 4(27), pp. 65- 76.
5. Bauer W., Romberg O., Wiedemann C., Drolshagen G., Vorsmann P. Development of in-situ Space Debris Detector. Advances in Space Research, 2014, vol. 54, issue 9, pp. 1858-1869.
6. Kovalev 1.1., Konoshenko V.P., Sokolov V.G., Sorokin I.V., Solov'ev V.V. Registratsiya mikrometeoroidnykh i tekhnogennykh chastits s pomoshch yu kondensatornykh datchikov, ustanovlennykh na sluzhebnom module MKS [Micrometeoroid and space debris particle registration by means of condensing sensors on-board ISS Service module], Report presented on International Astronautics Congress (IAC), Glazgo, UK, September 2008, IAC-08-A6.5.1.
7. Prosser W.H., Gorman M.R., Humes D.H. Acoustic emission signals in thin plates produced by impact damage. Journal of Acoustic Emission, 1999, vol. 17(1-2), pp. 29-36.
8. Schafer F., Janovsky R. Impact sensor network for detecting of hypervelocity impacts on spacecraft. IAC-04-IAA.5.12.04, 55th International Astronautical Congress 2004, Vancouver, Canada.
9. Liu Wugang, Sun Fei, Pang Baojun, Zhang Wei. Acoustic emission detection and location for hypervelocity impacts. Proceedings of the Fourth European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany, 18-20 April 2005.
10. Feldshtein V.A. Uprugie volny v obolochkakh, vozbuzhdaemye sosredotochennym impul'som [Elastic waves in shells excided by concentrated momentum], Kosmonavtika i raketostroenie, 2017, issue 6(99), pp. 38-45.
11. Korn G, Korn T. Spravochnik po matematike dlya nauchnykh rabotnikov i inzhenerov [Mathematical handbook for scientists and engineers], Moscow, Naukapubl., 1970. P. 575-576.
12. Polovnev A.L. Opredelenie koordinat tochki proboya vysokoskorostnoi chastitsei na bortu sluzhebnogo modulya Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii [Coordinates determination of puncture point caused by high-velocity particle on-board of the Service module of International Space Station], Nauchnyi vestnik MGTU GA. Ser. Aeromekhanika iprochnost', 2009, no. 138,pp. 198-204.
13. Aversh'ev S, Lipnitskii Yu., Makarevich G., Mamadaliev N., Pelipenko L, Polovnev A., Skalkin A., Tretyakov P., Shokolov A. Proboi stenki germootseka kosmicheskogo apparata vysokoskorostnoi chastitsei s obrazovaniem akusticheskikh voln [Spacecraft pressure wall penetration by high velocity particle accompanied by acoustic waves generation], Uchenye zapiski TsAGI, 2015, vol. XLVI, issue 1, pp. 42-51.
