Исследование загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы и плазмы стационарных плазменных двигателей на космическом аппарате «Экспресс-АМ» Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 629.78.067

В. А. Смирнов, А. Б. Надирадзе, И. А. Максимов, В. В. Хартов, А. К. Шатров

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ АТМОСФЕРЫ И ПЛАЗМЫ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ «ЭКСПРЕСС-АМ»

Рассмотрено загрязняющее воздействие собственной внешней атмосферы (СВА) и плазмы стационарных плазменных двигателей (СПД) на критичные поверхности космического аппарата (КА) «Экспресс-АМ». Приведены результаты численных оценок, выявлены вклады в загрязнение различных источников загрязнения и механизмов массопереноса. Особое внимание уделено влиянию конструктивно-компоновочной схемы. (ККС) КА на степень загрязняющего воздействия СВА и плазмы СПД. Представлены рекомендации по минимизации этого воздействия за счет оптимизации ККС.

Оценка загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы (СВА) и плазмы стационарных плазменных двигателей (СПД) и подготовка мероприятий по парированию их дестабилизирующего воздействия являются необходимыми требованиями к разработке и проектированию современных телекоммуникационных и других спутников со сроками активного существования (САС), достигающими 15 лет. Это в полной мере относится и к космическим аппаратам (КА) разработки Научнопроизводственного объединения прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева (НПО ПМ), в состав которых в перспективе могут быть включены оптико-электронные системы высокой степени разрешения и лазерно-радиотехнические системы связи, весьма чувствительные к загрязняющему воздействию.

Собственная внешняя атмосфера КА, формирующаяся в основном за счет продуктов газовыделения неметаллических конструкционных материалов и продуктов термокаталитической реакции разложения рабочего тела в камере термокаталитических двигателей (ТКД), может оказывать существенное дестабилизирующее воздействие на функционирование бортовых систем КА. В частности, летучие конденсирующиеся вещества (ЛКВ) из состава СВА КА, осаждаясь вследствие конденсации на поверхностях КА, образуют тонкие загрязняющие пленки.

Загрязняющее воздействие может также оказывать плазма, генерируемая СПД, в которой присутствуют ионы с энергией до 300 эВ [1]. Быстрые (или энергичные) ионы, обладающие средней энергией до 300 эВ и скоростью до 20 000 м / с, образуют плазменную струю и двигаются от среза плазменного двигателя практически по прямолинейным траекториям. Попадание плазменных струй СПД на поверхности КА вызывает их распыление (эрозию), а в результате осаждения продуктов эрозии на поверхностях КА образуются загрязняющие пленки [2; 3].

Воздействие на органические молекулы, образующие загрязняющие пленки, ультрафиолетового излучения Солнца и потоков электронов радиационных поясов Земли приводит к полимеризации многих из них и к образованию термоустойчивых полимеризированных пленок, которые могут изменять характеристики функциональных поверхностей КА, критичных к загрязнению. Вследствие загрязнения, например, могут измениться коэффициенты пропускания оптики оборудования КА и защит-

ных стекол фотопреобразователей (ФП), панелей солнечных батарей (БС), коэффициенты поглощения и излучения терморегулирующих покрытий (ТРП). Изменение физических свойств и, как следствие, снижение эксплуатационных характеристик загрязненных критичных поверхностей КА при превышении некоторого критического уровня загрязнения могут привести к сбоям и отказам в функционировании систем КА, в состав которых входят эти поверхности.

Величины загрязнения критичных поверхностей КА в существенной степени определяются их положением по отношению к источникам формирования СВА КА: ТКД и оборудованию, содержащему на внешних поверхностях значительное количество неметаллических материалов - и к поверхностям КА, распыляемым струями СПД, которые в основном и являются источниками загрязнения. В свою очередь величины распыления зависят от взаимного расположения распыляемых поверхностей и СПД. Таким образом, конструктивно-компоновочная схема (ККС) КА и ее выбор существенно влияют на степень загрязняющего воздействия СВА и плазмы СПД.

В данной статье на примере КА «Экспресс-АМ» исследуются особенности загрязняющего воздействия СВА и плазмы СПД, определяемые ККС КА. Здесь необходимо отметить, что расчетные значения уровней эрозии и уровней загрязнения, полученные для КА «Экспресс-АМ», не превышают допускаемых значений. Данный космический аппарат выбран для анализа благодаря тому, что его ККС, хотя и обладает рядом особенностей, но вместе с тем универсальна и достаточно широко распространена.

Космические аппараты серии «Экспресс-АМ» (рис. 1), являющиеся самыми современными и мощными российскими телекоммуникационными спутниками, спроектированы по модульному методу на базе универсальной спутниковой платформы 767.МСС. Основным конструктивным элементом платформы является гермоконтейнер цилиндрической формы, внутри и снаружи которого расположено оборудование платформы. Модуль полезной нагрузки (МПН) соединяется с платформой посредством фермы. Конструкция МПН выполнена в виде набора сотовых панелей, на которых устанавливается оборудование и антенны.

Анализ загрязняющего воздействия СВА и плазмы СПД на КА «Экспресс-АМ» был выполнен с использо-

ванием программного комплекса «СоПат-2000», математические модели и программное обеспечение (ПО) для которого разработаны сотрудниками Московского авиационного института (МАИ) при участии специалистов НПО ПМ [4].

n(R,0) = n0 ■ ф(0)

R

(2)

где п0 - параметр источника, который равен концентрации частиц на расстоянии R = R0 вдоль оси струи; ф(8) -функция, которая определяет угловое распределение плотности тока ионов в струе.

При расчетах распыления поверхностей КА ионами струи СПД использовалась модель [6], согласно которой передача энергии и импульса бомбардирующего иона атомам материала поверхности вызывает каскады упругих столкновений атомов, смещаемых от своих равновесных состояний, в результате чего происходит распыление (рис. 3).

Рис. 1. КА «Экспресс-АМ» в рабочей конфигурации на геостационарной орбите

Программный комплекс «СоПат-2000» включает в себя следующее программное обеспечение:

- для расчетов уровней эрозии, вызываемой воздействием струй СПД;

- расчетов уровней загрязнения продуктами эрозии;

- расчетов уровней загрязнения продуктами газовы-деления неметаллических конструкционных материалов внешних поверхностей КА.

При моделировании струи СПД использовалась модель нитевидного источника (рис. 2), предложенная М. П. Бургасовым (МАИ). Согласно этой модели, предполагается, что распределение плотности потока ионов на срезе СПД сходно с распределением потока частиц, эмитируемых с некоторого кольцевого нитеобразного источника. Эта визуальная аналогия позволяет описать зависимость числа ионов, уходящих в единицу времени в элемент телесного угла dQ в направлении угла 8 с элемента длины dl нитеобразного источника, выражением:

йЫ = J0М 008 (8)МО. (1)

Рис. 3. Графическое представление модели загрязнения продуктами распыления

Скорость эрозии поверхности вычисляется с учетом реальной функции распределения ионов струи по энергиям и ионного флюенса, накопленного поверхностью:

| / (Е) • ^ (Е, 8, Ф)МЕ

Ь = — cos 0J Р

J f (E )dE

(3)

где j - плотность потока ионов в заданной точке поверхности; Sm (E, 0, Ф) - массовый коэффициент распыления в функции угла падения ионов 0 и ионного флюенса Ф; f (E) - функция распределения ионов струи по энергиям; р - плотность распыляемого вещества, г / см3.

Поток частиц распыленного вещества в элемент телесного угла dOB в направлении угла 0AB с элемента A можно представить в виде

фs (0 ^ )*SAd О „ (4)

где фs (0 AB) - угловая функция распыления материала. Тогда для плотности потока частиц на площадке ASB, пришедших с площадки ASa, можно получить следующее выражение:

cos 0

= Фs (0ab )-

Рис. 2. Графическое представление модели нитевидного источника

В работе [5] показано, что на достаточно большом расстоянии от среза сопла плазменного двигателя (более 30.. .50 см) соотношение для концентрации частиц в окрестности СПД имеет следующий вид:

lABl

(5)

Суммируя приход массы в точке B со всех элементов поверхностей КА, подверженных распылению и находящихся в прямой видимости из точки B, суммарную плотность потока nvBA можно представить в виде _ _ cos 0 BA

X nVBA = X$S (0AB ) -j------TT ASa, • (6)

'■ lA,Bl

nV

BA

Скорость осаждения распыленной массы рассчитывается следующим образом:

тс = У • ППВА • ms, (7)

где у - коэффициент осаждения распыленного вещества; тБ - молекулярная масса атомов распыленного вещества.

Опишем математическую модель загрязнения продуктами газовыделения неметаллических материалов, разработанную на основе физической модели процессов массопереноса. Применительно к процессам формирования СВА и ее воздействия на КА принято рассматривать следующие механизмы массопереноса [5]:

- прямой массоперенос частиц от поверхности мас-сотделения к поверхности осаждения - прямые потоки массы (ППМ);

- массоперенос с переотражением частиц от элементов конструкции КА, что может обеспечить попадание переотраженных частиц на элементы конструкции КА, прямо не видимые с поверхности массоотделения, - отраженные потоки массы (ОПМ);

- рассеяние частиц за счет столкновений друг с другом, в результате чего частицы могут возвращаться к поверхностям КА (саморассеяние), - возвратные потоки массы (ВПМ).

Расчет уровней загрязнения по данной методике проводится в два этапа.

На первом этапе для модели КА определяются коэффициенты массопереноса, характеризующие вклад того или иного механизма в загрязнение критичных поверхностей КА. Исходными данными (ИД) для данного расчета являются геометрические размеры и взаимное расположение поверхностей и оборудования КА.

На втором этапе на основе конкретных характеристик неметаллических конструкционных материалов: массы материалов, параметров потери массы (ПМ) и ЛКВ -вычисляются значения уровней загрязнения.

Для определения уровней загрязнения элементов критичной поверхности КА используется следующее соотношение [5]:

т+=Х т- К +Р * + 7* ], (8)

где т+ - масса осажденного вещества на г-м элементе критичной поверхности КА (контрольной площадке) за весь САС КА; т- - суммарное массоотделение ЛКВ с у-го элемента КА (интегральный параметр ЛКВ j-го элемента КА); а* - коэффициент прямого массопереноса, определяющий долю вещества, выделившегося с у-го элемента и осажденного на г-ю контрольную площадку; в* - коэффициент переотражения, определяющий долю вещества, выделившегося с у-го элемента и осажденного на г-ю контрольную площадку в результате переотражения частиц СВА от поверхностей КА; у* - коэффициент возврата, определяющий долю вещества, выделившегося с у-го элемента и осажденного на г-ю контрольную площадку в результате саморассеяния частиц СВА.

Коэффициенты массопереноса определяются численно, с использованием метода трассировки лучей Монте-Карло. Суть этого метода, применительно к объектам сложной геометрической формы, состоит в последовательном слежении за большим числом траекторий час-

тиц и осреднении соответствующих молекулярных признаков, переносимых этими частицами на контролируемые поверхности. Старт частиц начинается с поверхности объекта. При этом координаты точек старта разыгрываются с учетом возможной неравномерности газовы-деления поверхностей КА.

Рассмотрим далее геометрическую модель КА «Экс-пресс-АМ» (рис. 4) и примеры представления результатов расчетов (рис. 5-7) [7].

Рис. 4. Геометрическая модель КА «Экспресс-АМ»

Рис. 5. Средняя скорость эрозии защитных стекол панелей БС

Рис. 6. Средняя скорость осаждения материала защитных стекол панелей БС, распыляемого струями СПД коррекции долготы, на эллиптический радиатор СТР

В программном комплексе «СоПат-2000» геометрическая модель КА формируется из ряда примитивов и их групп. Примитивы представляют собой фрагменты поверхностей 1-го и 2-го порядка: прямоугольника, треугольника, диска, сферы, конуса, параболоида и т. п. Для

позиционирования более 20 видов примитивов предусмотрены процедуры переноса и поворота его системы координат относительно главной системы координат моделируемого объекта. Несколько примитивов могут быть объединены в группу, имеющую иерархическую структуру практически неограниченной степени сложности.

Рис. 7. Средняя скорость осаждения материала защитных стекол панелей БС, распыляемого струями СПД коррекции долготы, на радиатор СТР МПН

При проведении расчетов определены критичные поверхности КА «Экспресс-АМ» продуктами газовыделения:

- ТРП эллиптического радиатора системы терморегулирования (СТР), входящего в состав платформы;

- ТРП радиатора СТР МПН;

- оптика приборов системы ориентации и стабилизации (СОС);

- защитные стекла ФП панелей БС.

Также были приняты следующие допущения:

- в соответствии с ГОСТ Р 50109 параметр ПМ определяется как потеря массы образца, находящегося в вакууме при температуре 125 °С в течение 24 ч, а параметр ЛКВ - как масса вещества, осевшая на поверхностях, имеющих температуру 25 °С. Очевидно, что реальные температуры КА в натурных условиях лежат в более широком диапазоне;

-данные о зависимостях коэффициентов прилипания материалов от температуры поверхностей отсутствуют, поэтому коэффициент прилипания для всех материалов принимался равным 1,0 (по максимуму).

Данные допущения завышают результаты расчетов. Однако такой подход оправдан, так как при проектировании КА необходимо гарантировать, что уровни загрязнения не превысят допускаемых значений и не приведут к дестабилизации функционирования подсистем космического аппарата.

Анализ результатов численных оценок уровней загрязнения критичных поверхностей КА «Экспресс-АМ» и сопоставление их с информацией по вкладам в загрязнение различных источников загрязнения и механизмов массопереноса, а также с данными по массам и параметрам ПМ и ЛКВ неметаллических материалов из состава основных источников загрязнения, показывает следующее:

- наиболее загрязняемой критичной поверхностью КА является ТРП радиаторов СТР;

- максимальный вклад в загрязнение ТРП радиаторов СТР вносят продукты распыления;

- на загрязнение ТРП радиаторов СТР продуктами распыления наибольшее влияние оказывают продукты распыления материала защитных стекол фотопреобразователей, панелей солнечных батарей. Это объясняется тем, что воздействие плазменной струи СПД направлено непосредственно на панели БС, а критичная поверхность (ТРП радиаторов СТР) и распыляемые поверхности панелей БС как источники загрязнения расположены в одной плоскости КА;

- при загрязнении ТРП эллиптического радиатора СТР продуктами газовыделения неметаллических материалов определяющий вклад в загрязнение вносят ППМ. Это объясняется тем, что источники загрязнения - раскрываемые антенны - находятся в зоне прямой видимости ТРП эллиптического радиатора СТР как критичной поверхности;

- на загрязнение ТРП радиатора СТР МПН продуктами газовыделения неметаллических материалов прямые и отраженные потоки массы влияют практически одинаково. Это связано с тем, что источники загрязнения (часть конструкции и оборудования МПН, оборудования РТР, ЭВТИ МПН) расположены в зоне прямой видимости ТРП радиатора СТР модуля полезной нагрузки как критичной поверхности. Кроме того, стационарные антенны, являющиеся источниками ППМ, могут стать и причиной возникновения ОПМ с элементов конструкции и оборудования МПН, оборудования РТР, ЭВТИ МПН. А большие значения уровней загрязнения ТРП радиатора СТР МПН по сравнению со значениями, реализованными на ТРП эллиптического радиатора СТР, объясняются тем, что источники загрязнения в этом случае расположены на значительно меньших расстояниях.

Все эти характерные особенности загрязняющего воздействия СВА и плазмы СПД на критичные поверхности КА «Экспресс-АМ» обусловлены его конструктивнокомпоновочной схемой. При разработке ККС как перспективных КА, так и спутниковых платформ, особенно при выборе проектного облика объекта, исходя из его функционального назначения, целесообразно учитывать следующие рекомендации, позволяющие предотвратить или минимизировать загрязняющее воздействие СВА и плазмы СПД на критичные поверхности КА: - оптимальное, с точки зрения эрозионного воздействия, расположение СПД; - такое взаимное расположение критичных поверхностей КА и источников загрязнения (например, распыляемых поверхностей и оборудования, содержащего значительное количество неметаллических материалов), при котором реализующиеся уровни загрязнения будут минимальными.

Проведенное исследование показала, что степень загрязняющего воздействия СВА и плазмы СПД на критичные поверхности КА определяется его ККС. Выбор оптимального с точки зрения загрязняющего воздействия СВА и плазмы СПД взаимного расположения критичных поверхностей, СПД и источников загрязнения позволяет уменьшить уровни загрязнения на несколько порядков. Другие мероприятия по парированию загрязняющего

воздействия СВА, такие как дополнительное обезгажива-ние неметаллических материалов или их замена на материалы с меньшими параметрами ПМ и ЛКВ, не всегда могут дать такие же высокие результаты.

Таким образом, наиболее эффективно минимизировать загрязняющее воздействие СВА и плазмы СПД можно только на первоначальном этапе проектирования КА

- при выборе его проектного облика и конструктивнокомпоновочной схемы.

Библиографический список

1. Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effects on spacecraft components / S. K. Absalamov etc. // 28th Joint Propulsion Conference and Exhibition, 6-8 July, 1992. - Nashive, 1992.

2. Надирадзе, А. Б. Методы прогнозирования воздействия струй электроракетных двигателей на малые космические аппараты / А. Б. Надирадзе // Малые космические аппараты : сб. тр. конф.-выставки. - Королев, 2000. -

С. 152.

3. Simulation of Erosion and Contamination of Spacecraft Surfaces Induced by Plasma Thrusters Plume / A. B. Nadiradze, E. B. Parshina, V. V. Shaposhnikov etc. // International Space Propulsion Conference, 2-4 June. 2004.

- Cagliari, 2004.

4. Математическое моделирование загрязнения внешних поверхностей космических аппаратов выхлопами электроракетных двигателей и компонентами собственной внешней атмосферы / А. Б. Надирадзе, В. В. Иванов, И. А. Максимов и др. // Сб. тез. докл. IV Междунар. аэрокосмич. конгресса, 18-23 авг. 2003 г. - М., 2003. - С. 200-201.

5. Разработка моделей газопылевого окружения космического аппарата и оценка его влияния на функционирование систем КА : отчет о НИР / Моск. авиац. ин-т.

- М., 1996.

6. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / пер. с англ. ; под ред. Р Бериша. - М. : Мир, 1984.

7. Анализ уровней эрозии и загрязнения функциональных поверхностей космического аппарата «ЭкспрессАМ» при натурной эксплуатации : отчет о НИР / Моск. авиац. н-т. - М., 2004.

V. A. Smirnov, A. B. Nadiradze, I. A. Maximov, V. V. Hartov, A. K. Shatrov

THE INVESTIGATION OF CONTAMINATION INFLUENCE OF OWN OUTSIDE ATMOSPHERE AND PLASMA OF THE STATIONARY PLASMA THRUSTERS ON «EXPRESS-AM» SPACECRAFT

In this work is reviewed the contamination influence of the own outside atmosphere and plasma of the stationary plasma thrusters on the critical surface of «Express-AM» spacecraft. This work presented the results of numerical evaluations, brought to light the contributions in contamination of different contamination sources and mechanisms of mass transportation. Special attention is paid to the influence of the spacecraft layout on the degree of contamination influence of the own outside atmosphere and plasma of the stationary plasma thrusters. This work gives the recommendations on minimization of this influence by optimization of the spacecraft layout.