CC BY
58
УДК 629.78.067
А. Б. Надирадзе, В. А. Смирнов, И. А. Максимов, В. В. Хартов, В. В. Тибильдеева
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ АТМОСФЕРЫ НА ЭТАПЕ ОРБИТАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Представлена программа комплексного исследования загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы, реализуемого на этапе орбитальной эксплуатации космического аппарата (КА). Сформулированы задачи, которые должны быть решены в процессе проведения эксперимента. Определены необходимые измеряемые параметры и разработан алгоритм выбора оптимального состава аппаратуры, интегрируемой в состав КА, и мест установки датчиков на КА. Намечены пути практического использования полученных данных
Верификация математических моделей для оценок воздействия на космический аппарат (КА) его собственной внешней атмосферы (СВА) и плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями (СПД), является необходимым условием включения их в систему обеспечения стойкости космического аппарата к воздействию этих факторов. Верификация моделей позволяет не только подтвердить их адекватность, но и существенно повысить точность оценок.
Для верификации моделей не достаточно результатов лабораторных экспериментов по исследованию свойств и характеристик неметаллических конструкционных материалов (в частности, по определению коэффициентов распыления и осаждения материалов внешних поверхностей КА, попадающих в струи СПД, исследованию зависимостей динамики газовыделения от температуры и т. п.). Для проверки моделей и, при необходимости, их уточнения крайне необходимы исследования параметров СВА КА и плазмы, генерируемой СПД, и параметров их повреждающего и дестабилизирующего воздействия в условиях натурной эксплуатации КА. Необходимость натурных экспериментов объясняется невозможностью полномасштабного воссоздания в лабораторных условиях сложных и многообразных процессов образования и воздействия СВА КА, протекающих в условиях влияния на них факторов космического пространства (ФКП) и плазмы, генерируемой СПД.
Кроме того, согласно [1], данные о параметрах повреждающего и дестабилизирующего воздействия СВА КА, полученные при натурной эксплуатации КА, позволяют с большей степенью достоверности прогнозировать деградацию их оптических характеристик в течение срока активного существования (САС) и оптимизировать требования по стойкости к загрязнению критичных поверхностей КА.
Следует отаметить, что Научно-производственное объединение прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева (НПО ПМ) имеет значительный опыт использования аппаратуры, регистрирующей параметры факторов, которые воздействуют на КА на этапе натурной эксплуатации, в том числе давления СВА КА и концентрации ионов плазмы, генерируемой СПД.
В частности, посредством датчиков ИМДД, установленных на КА «Экспресс-А-3, -4» зафиксировано давление СВА КА на несколько порядков меньше давления, зафиксированного на КА 11Ф647 («Экран-11, -12», в 70-х гг. XX в. Это подтверждает эффективность меропри-
ятий, направленных на снижение загрязняющего воздействия продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей КА. А с помощью датчиков регуляторов температуры (ДРТ), установленных на КА «Экспресс-А-2, -3» определен коэффициент экранирования ЭВТИ потоков низкоэнергетич-ной компоненты плазмы, генерируемой СПД.
Эти данные наряду с информацией о коэффициентах экранирования потоков плазмы СПД корпусами моноблоков РТР, полученной в лабораторных условиях, позволяют повысить эффективность мероприятий по предотвращению и парированию дестабилизирующего воздействия низкоэнергетичной компоненты плазмы, генерируемой СПД, на функционирование высоковольтного оборудования КА.
Однако этих данных явно не достаточно для решения задач верификации (проверки), уточнения и последующей квалификации математических моделей для численных оценок загрязняющего воздействия СВА КА и эро-зионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой СПД.
Прежде чем формулировать цели и задачи натурного эксперимента по исследованию параметров СВА КА и плазмы, генерируемой СПД, и параметров их повреждающего и дестабилизирующего воздействия, нам необходимо кратко охарактеризовать систему обеспечения стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА КА и эро-зионно-загрязняющему воздействию плазмы, генерируемой СПД. Данная система является комплексом организационно-технических мероприятий, обеспечивающих сохранение требуемых для устойчивого функционирования подсистем КА параметров и характеристик в условиях воздействия названных выше факторов на этапе его натурной эксплуатации.
Критерий обеспечения стойкости можно представить в следующем виде:
к, = АХ, <АХ,'Ш, (1)
где АХ, - изменение функциональной характеристики г-й критичной поверхности КА (например, коэффициентов прозрачности, поглощения, степени черноты, равновесной температуры и т. п.); АХ, Нш - допустимое изменение данной характеристики.
Для случаев загрязнения продуктами газовыделения неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей КА и продуктами эрозии поверхностей КА, попадающих в плазменные струи СПД, критерий обеспечения стойкости к загрязняющему воздействию СВА КА
и эрозионно-загрязняющему воздействию плазмы, генерируемой СПД, будет иным:
к> = Шс,, < тс,ш, (2)
где шс , - поверхностная плотность загрязняющей пленки, осажденная на г-ю критичную поверхность КА, г / см2; шСгКш - допустимая для данной поверхности поверхностная плотность загрязняющей пленки, г / см2.
Таким образом, под обеспечением стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА КА и эрозионно-заг-рязняющему воздействию плазмы, генерируемой СПД, подразумевается обеспечение уровней эрозии и уровней загрязнения критичных поверхностей КА, реализующиеся на этапе натурной эксплуатации, не превышающий допускаемых значений.
Важнейшим мероприятием по обеспечению стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА КА и эрози-онно-загрязняющему воздействию плазмы, генерируемой СПД, является проведение анализа загрязнения КА на этапе натурной эксплуатации. В рамках этого анализа на основе использования математических моделей для численных оценок загрязняющего воздействия СВА КА и эрозионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой СПД, определяются расчетные значения уровней эрозии поверхностей КА, попадающих в струи СПД, уровней загрязнения критичных поверхностей КА продуктами эрозии и уровней загрязнения критичных поверхностей КА продуктами газовыделения неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей.
Анализ загрязнения должен подтвердить эффективность и достаточность мероприятий, реализуемых в рамках обеспечения стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА КА и эрозионно-загрязняющему воздействию плазмы, генерируемой СПД. В противном случае разрабатываются дополнительные мероприятия по предотвращению и парированию повреждающего и дестабилизирующего воздействия этих факторов. Такими мероприятиями могут быть, например, замена материала, вносящего определяющий вклад в формирование загрязнения той или иной критичной поверхности, его дополнительное обезгаживание и т. п. На ранних стадиях проектирования КА (например, на этапе эскизного проектирования) возможна также коррекция конструктивно-компоновочной схемы (ККС) КА.
Анализ загрязнения КА также регламентирует возможные отступления от технологического процесса в части обезгаживания неметаллических конструкционных материалов, замены одних неметаллических конструкционных материалов на другие, применения необезгажен-ных неметаллических конструкционных материалов при изготовлении КА на заводе-изготовителе и ремонте КА на техническом комплексе.
Следовательно, адекватность моделей и точность численных оценок обусловливают правильность принимаемых технических решений. От этих факторов в конечном итоге зависит эффективность системы обеспечения стойкости космического аппарата к загрязняющему воздействию СВА КА и эрозионно-загрязняющему воздействию плазмы, генерируемой СПД. Это подтверждает необходимость верификации, уточнения и последующей квалификации используемых математических моделей.
Для успешного решения проблемы верификации моделей необходим натурный эксперимент, направленный на комплексное исследование параметров СВА КА и плазмы, генерируемой СПД, и параметров их повреждающего и дестабилизирующего воздействия (рис. 1).
Конечные цели такого эксперимента следующие:
- подтверждение адекватности и повышение точности математических моделей для численных оценок загрязняющего воздействия СВА КА и эрозионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой СПД;
- увеличение эффективности системы обеспечения стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА КА и эрозионно-загрязняющему воздействию плазмы, генерируемой СПД и придание ей законченного вида.
Для реализации натурного эксперимента необходимо решить следующие задачи:
- определить, исходя из результатов расчетов уровней эрозии и загрязнения критичных поверхностей КА, состав аппаратуры, выбрать места установки датчиков и режимов измерения, гармонизировать массогабаритные параметры аппаратуры, ее энергопотребление и необходимые информационные каналы для снятия информации с КА;
- разработать и изготовить аппаратуру, провести ее отработку, испытания и калибровку. Затем аппаратуры должна быть поставлена на завод-изготовитель и интегрирована в состав КА;
- создать программное обеспечение для обработки информации, снимаемой с борта КА;
-обработать и интерпретировать информацию;
- по результатам обработки и интерпретации информации провести уточнение (сформировать) допускаемые значения уровней эрозии и загрязнения критичных поверхностей КА, которые могут быть выражены по допускаемым величинам деградации оптических характеристик;
- по результатам обработки и интерпретации информации провести коррекцию математических моделей для численных оценок загрязняющего воздействия СВА КА и эрозионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой СПД.
Выбор исследуемых параметров и состава аппаратуры необходимо проводить для каждого конкретного КА в зависимости от особенностей загрязняющего воздействия СВА КА и эрозионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой СПД, которые, в свою очередь, определяют особенности ККС КА. Ограничимся рассмотрением аспектов воздействия указанных факторов, присущих наиболее распространенным ККС КА.
Известно, что основное загрязняющее воздействие на чувствительные элементы оптико-электронных приборов системы ориентации и стабилизации (СОС) оказывают возвратные потоки продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей КА, обусловленные рассеянием частиц массоотде-ления на частицах СВА КА. Величина этих потоков прямо пропорциональна давлению в окрестности КА. Прогнозирование уровня давления в окрестности КА по данным лабораторных измерений динамики массоотделения конструкционных материалов практически невозможно, из-за наличия значительных погрешностей измерений и силь-
ного влияния на кинетику ФКП: ультрафиолетового излучения, радиационного воздействия и т. п. Таким образом, очевидно, что для достоверного прогнозирования загрязняющего воздействия СВА КА необходимо знать и прогнозировать давление вблизи КА.
Основной вклад в загрязнение терморегулирующих покрытий (ТРП) радиаторов системы терморегулирования (СТР) вносят продукты эрозии. В случае отсутствия в составе КА СПД, загрязнение ТРП радиаторов СТР формируется в основном прямыми и переотражен-ными потоками продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей КА. При этом изменение оптических характеристик ТРП и других критичных поверхностей КА определяется массой контаминанта, структурой пленки, воздействием ФКП, типом покрытия, условиями наземной эксплуатации. Следовательно, для повышения достоверности прогнозирования загрязняющего воздействия СВА КА на этапе натурной эксплуатации КА необходим контроль массы осадка на критичные поверхности КА, деградации оптических характеристик критичных поверхностей КА, скоростей эрозии и осаждения продуктов эрозии, зависимостей интенсивности газовыде-
ления неметаллических конструкционных материалов от воздействия ФКП.
Критичные поверхности КА можно очищать воздействием ионов перезарядки. Учет этого воздействия может существенно уточнить результаты прогнозирования загрязняющего воздействия СВА КА на этапе натурной эксплуатации КА.
Очевидно, что исследование названных выше проблем возможно только в рамках натурного эксперимента.
Таким образом, для получения необходимой информации аппаратура, интегрированная в состав КА, должна обеспечивать на этапе его натурной эксплуатации контроль и регистрацию следующих параметров, характеризующих загрязняющее воздействие СВА КА и эрозионно-загрязняющее воздействие плазмы, генерируемой СПД:
- уровней загрязнения критичных поверхностей КА продуктами газовыделения неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей КА и продуктами эрозии;
- деградации свойств критичных поверхностей;
- зависимостей интенсивности газовыделения неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей КА;
Рис. 1. Схема системы обеспечения стойкости КА к воздействию СВА КА и плазмы, генерируемой СПД
- давления СВА КА.
Исследуемые параметры, методы их измерения и использование полученной в ходе эксперимента информации сведены в таблицу, представленную ниже.
Для исследования отмеченных параметров в состав аппаратуры для натурного эксперимента (рис. 2) должны быть включены следующие датчики:
- датчики осажденной массы;
- датчики изменения коэффициента поглощения А и степени черноты е;
- датчики изменения прозрачности;
- датчики изменения параметров ФП;
- датчики эрозии;
- датчики давления.
Все датчики, кроме датчиков давления, могут быть выполнены по планарной технологии, преимущество которой заключается в возможности миниатюризации датчиков. Это позволяет разместить в различных точках КА столько датчиков, сколько достаточно для обеспечения
высокой надежности системы даже при относительно невысокой надежности отдельных датчиков, и получить общую картину загрязнения критичных поверхностей КА. Ориентировочные габариты датчиков, выполненных по планарной технологии, - 30 х 15 х 75 мм, энергопотребление - не более 2,5 Вт, масса - менее 20 г.
В основу создания датчиков предлагается положить следующие физические принципы.
Датчик осажденной массы может быть выполнен в виде кварцевых микровесов с дифференциальным принципом измерения, суть которого заключается в следующем. Два кварцевых резонатора находятся при одинаковой температуре. Один резонатор установлен так, что на его поверхность осаждаются частицы загрязняющего вещества. Второй резонатор защищен от попадания частиц загрязняющего вещества. Разница частот кварцевых резонаторов характеризует массу осажденного вещества.
Датчик изменения коэффициента поглощения А и степени черноты е может представлять собой образец
Параметр Метод измерения Использование
Давление СВА вблизи поверхности КА Датчик давления Расчет возвратных потоков, коррекция математической модели
Масса осажденного вещества Датчик осажденной массы Проверка математических моделей, их коррекция
Изменение прозрачности стекла Датчик изменения прозрачности Определение оптических свойств пленок в видимом диапазоне. Прогноз влияния загрязнения на деградацию оптических характеристик критичных поверхностей КА в течение САС
Изменения коэффициента поглощения Л3 и степени черноты Е Датчики изменения коэффициента поглощения Л3 и степени черноты Е То же
Изменение параметров фотопреобразователей (ФП) Датчик изменения параметров ФП Прогноз влияния загрязнения на деградацию параметров ФП в течение САС
Эрозия материалов Датчик эрозии Контроль эрозии материалов в условиях натурной эксплуатации, уточнение коэффициентов распыления, определение стойкости материалов к воздействию плазменных струй СПД
ОСО-С с высокоэффективной теплоизоляцией. Принцип измерения датчика основан на регистрации динамики изменения температуры образца при изменении его освещенности. Если имеется информация о величине светового потока, специальная математическая обработка данных по изменению температуры образца позволяет восстановить изменение значения коэффициентов поглощения A и степени черноты е.
Датчик изменения прозрачности может являться образцом кварцевого стекла (например, К208 или К215). Принцип работы датчика основан на измерении светового потока проходящего через стекло в различные моменты времени, т. е. в датчике реализован дифференциальный метод измерения.
Датчик изменения параметров ФП может представлять собой стандартный фотоэлемент, используемый в панелях БС. Принцип измерения датчика основан на измерении вольт-амперной характеристики фотоэлемента в различные моменты времени. Датчик должен осуществлять регистрацию прямой и обратной ветви вольт-ам-перной характеристики ФП. Дополнительно фиксируется температура датчика. Для измерений может быть использован высокоточный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), что позволяет отслеживать динамику изменения параметров ФП по времени.
Датчик эрозии может быть образцом материалов внешних поверхностей КА, расположенных в зонах воздействия плазменной струи СПД. Принцип измерения датчика основан на измерении времени износа определенной толщины материала (около 10.. .15 мкм). Датчик должен осуществлять регистрацию скорости эрозии материала.
Состав и количество датчиков, включаемых в состав аппаратуры, определяется наличием имеющихся на КА
ресурсов: массовых, энергетических и информационных. Места установки датчиков выбираются исходя из решаемых в рамках эксперимента задач с учетом результатов анализа загрязнения КА на этапе натурной эксплуатации.
Электроника для первичной обработки информации размещается в корпусе датчиков. Группа датчиков коммутируется по схеме «звезда» и подключается к разветвителю, обеспечивающему обмен информацией с датчиками (см. рис. 2). К одному разветвителю может быть подключено до 8 датчиков. От разветвителя информация передается на основной блок электроники, обеспечивающий хранение информации и сопряжение аппаратуры с телеметрической системой КА. Количество подключаемых к блоку электроники разветвителей - 8 шт. Таким образом, максимальное количество датчиков в аппаратуре может составлять 64 шт.
Блок электроники содержит преобразователи напряжений питания и осуществляет управление питанием датчиков, коммутацию и преобразование сигналов от датчиков, управление работой датчиков. Возможно хранение, накопление и сжатие информации для пакетного сброса. Ориентировочные габариты блока электроники
- 75 х 55 х 180 мм, масса - 1,8 кг. Общее энергопотребление (при подключении 64 датчиков) - не более 15 Вт.
Библиографический список
1. Assessment of Cleanliness Requirements for Space Optical Instruments / A. Orban, M. Henrist, S. Habraken, P. Rochus // Third International Symposium on Environmental Testing for Space Programs, 24-27 June 1997. Noordwiik, 1997.
A. B. Nadiradze, V. A. Smirnov, I. A. Maksimov, V. V. Khartov, V. V. Tibildeeva
THE EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE CONTAMINATION INFLUENCE OF THE OWN OUTSIDE ATMOSPHERE ON THE STAGE OF SPACECRAFT ORBITAL OPERATION
In this work is presented the program of the complex research of the contamination influence of the own outside atmosphere, realized on the stage of the spacecraft in - orbit operation. This report formulates the tasks, which must be solved in the process of experiment. It determined all necessary measured parameters and developed the choosing algorithm of the optimal equipment, integrated on the spacecraft, sensors installation places on the spacecraft. There also were marked the ways of the received data usage.
