CC BY
40УДК 629.786.2.054:531.787.084.2
измерения давления собственной внешней атмосферы на российском сегменте международной космической станции в эксперименте «контроль»
© 2021 г. Александров Э.н.1, Антипова м.С.1, Кашковский А.в.2, Крылов А.н.1, родичева А.А.1
'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
2Институт теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) Ул. Институтская, 4/1, г. Новосибирск, Российская Федерация, 630090,
e-mail: admin@itam.nsc.ru
Представлены цели и задачи космического эксперимента «Контроль» по исследованию параметров собственной внешней атмосферы Российского сегмента Международной космической станции. Описана методика обработки и анализа телеметрических данных, получаемых с помощью научной аппаратуры «Индикатор - МКС». Выполнены численные расчёты методом прямого статистического моделирования обтекания датчика давления набегающим потоком внешней атмосферы Земли в фоновых условиях измерений, а также в возмущённых условиях при работе двух корректирующих двигателей модуля «Звезда». Получена корректирующая функция датчика давления в зависимости от ориентации, температурного фактора и выбранной модели взаимодействия молекул набегающего потока с внутренними и внешними поверхностями прибора. Проведено сравнение результатов численного моделирования истечения струй корректирующего двигателя модуля «Звезда» с данными натурных измерений давления в эксперименте «Контроль».
Ключевые слова: датчик давления, орбитальная станция, собственная внешняя атмосфера, метод прямого статистического моделирования.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2021-4-100-113
pressure measurement of induced external atmosphere on the russian segment of the international space station in experiment «control»
Aleksandrov E.N.1, Antipova M.S.1, Kashkovskiy A.v.2, Krylov A.N.1, Rodicheva А.А.1
1S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
2Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (ITAM SB RAS) 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, e-mail: office@itam.nsc.ru
The goals and objectives of space experiment Control to study parameters of the induced external atmosphere of the Russian Segment of the International Space Station are presented. The processing and analysis procedure for telemetry data obtained using scientific equipment Indicator — ISS is described. Numerical calculations were performed by direct statistical modeling of the flow around the pressure sensor by incoming flotation the Earth's outer atmosphere in the background measurement conditions, as well as in disturbed conditions with two vernier engines of the Zvezda module being operated. A correction function of the pressure sensor is obtained depending on the orientation, temperature factor and selected model of interaction of incident flow molecules with the internal and external device surfaces. The results of numerical modeling of the jet flow of the Zvezda vernier engine were compared with the data obtained in full-scale pressure measurements in experiment Control.
Key words: pressure sensor, orbital station, induced external atmosphere, direct statistical modeling method.
АЛЕКСАНДРОВ Э.Н.
АНТИПОВА М.С.
КАШКОВСКИй А.В.
КРЫЛОВ А.Н.
РОДИЧЕВА А.А.
АЛЕКСАНДРОВ Эдуард Николаевич — ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: eduard.aleksandrov@rsce.ru
ALEKSANDROV Eduard Nikolaevich — Lead engineer at RSC Energia, e-mail: eduard.aleksandrov@rsce.ru
АНТИПОВА Майя Станиславовна — инженер 1 категории РКК «Энергия», e-mail: mayya.antipova@rsce.ru
ANTIPOVA Maya Stanislavovna — Engineer 1 category at RSC Energia, e-mail: mayya.antipova@rsce.ru
КАШКОВСКИЙ Александр Владимирович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН, e-mail: sasa@itam.nsc.ru
KASHKOVSKIY Aleksandr Vladimirovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at ITAM SB RAS, e-mail: sasa@itam.nsc.ru
КРЫЛОВ Андрей Николаевич — кандидат физико-математических наук, начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: andrey.n.krylov@rsce.ru
KRYLOV Andrey Nikolaevich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: andrey.n.krylov@rsce.ru
РОДИЧЕВА Анна Алексеевна — инженер РКК «Энергия», e-mail: anna.rodicheva1@rsce.ru
RODICHEVA Anna Alekseevna— Engineer at RSC Energia, e-mail: anna.rodicheva1@rsce.ru
введение
Одной из характерных особенностей функционирования космических аппаратов (КА) на орбите является образование вокруг них собственной внешней атмосферы (СВА), которая характеризуется отличными от окружающей среды давлением и химическим составом. В связи с увеличением времени эксплуатации орбитальных станций и КА, а также расширением спектра научных и прикладных задач, решаемых в условиях полёта, вопрос параметров СВА КА становится предметом всё более пристального внимания [1, 2].
Источниками СВА могут быть продукты выброса из двигателей управления (ДУ) системы ориентации (рис. 1), корректирующих двигателей (КД), дренажных систем, продукты деградации, десорбции и сублимации материалов внешних поверхностей, а также набегающий поток атмосферы Земли [3].
Рис. 1. Работа двигателей управления при расстыковке КА
Собственная внешняя атмосфера оказывает многостороннее воздействие на орбитальные объекты [4, 5]. В наземных испытательных установках моделируется воздействие одного или нескольких факторов космического пространства. Полной аналогии воздействия факторов космического пространства на исследуемые материалы достигнуть не удаётся. Принимая во внимание сложное комплексное воздействие СВА на орбитальные объекты, изучение СВА должно быть систематическим и включать в себя измерения следующих параметров:
• изменения плотности СВА во времени и пространстве;
• парциального состава СВА;
• скорости осаждения загрязнений.
Одну из этих задач, а именно —
исследование вариаций давления СВА орбитального комплекса «Российский сегмент Международной космической станции» (ОК РС МКС) — решает космический эксперимент (КЭ) «Контроль».
космический эксперимент «контроль»
Для обеспечения реализации КЭ «Контроль» на борт ОК РС МКС транспортным грузовым кораблём (ТГК) «Прогресс М-19М» была доставлена научная аппаратура (НА) «Индикатор-МКС», предназначенная для измерения давления СВА.
Научная аппаратура «Индикатор-МКС», разработанная Центральным научно-исследовательским институтом робототехники и кибернетики (ЦНИИ РТК) г. Санкт-Петербурга [6], включает в себя:
• блок входного преобразователя (БВП) (рис. 2), состоящий из двух магниторазрядных преобразователей плотности (ПП) инверсно-магнетронного типа. Ось одного ПП сориентирована по направлению полёта МКС, ось второго ПП — перпендикулярно этому направлению. Заявленный диапазон измеряемого давления — от 1,3310-7 до 1,3310-2 Па;
• блок управления (БУ), установленный внутри модуля «Звезда» ОК РС МКС;
• механический интерфейс (штанга) для установки БВП на внешней поверхности модуля «Поиск».
Рис. 2. Блок входного преобразователя научной аппаратуры «Индикатор-МКС»
Постановщиком и головным исполнителем КЭ «Контроль» является ПАО «РКК «Энергия».
Космический эксперимент «Контроль» начат во время экспедиции МКС № 36. 24 июня 2013 г. в ходе внекорабель-ной деятельности (ВКД) космонавты Ф.Н. Юрчихин и А.А. Мисуркин провели монтаж штанги блока входного преобразователя на поручнях внешней поверхности модуля «Поиск» ОК РС МКС (рис. 3).
Рис. 3. Размещение блока входного преобразователя (БВП) на поручнях модуля «Поиск»: а — расположение научной аппаратуры «Индикатор - МКС» на штанге; б — фото, сделанное при ВКД; 1 — БВП; 2 — «Союз»; 3 — «Поиск»; 4 — «Звезда»
Измерения давления проводились в различных условиях — как в возмущённых (коррекции орбиты МКС, выполнение динамических операций, стыковки пилотируемых и транспортных кораблей,
выходы космонавтов в космическое пространство, проведение выбросов из дренажных систем), так и в фоновых, когда отсутствуют вышеупомянутые операции. В результате измерений получены большие объёмы информации, проводится их обработка, анализ, привязка к событиям, происходящим на МКС, оценивается корреляция между событиями и результатами измерений.
методика обработки данных измерений
В основе работы ПП лежит зависимость разрядного тока, возникающего во взаимно перпендикулярных постоянных электрическом и магнитном полях, от концентрации молекул газа в измерительной зоне [6]. В конструкции ПП торцевые сетки имеют неравномерную проницаемость для газового потока и ориентированы по-разному относительно катода. Катод разделён на две части, измерительная зона находится между катодом и анодом. Токовые сигналы ПП преобразуются БВП в сигналы напряжения постоянного тока в диапазоне 0...5 В и выдаются в БУ. Кроме того, в БВП формируется напряжение постоянного тока, пропорциональное температуре внутри блока. БУ обеспечивает оцифровку данных и их передачу в телеметрическую систему. Датчик оттарирован в наземных условиях по воздуху и имеет четыре диапазона, для каждого из которых существует полиномиальная аппроксимация зависимости напряжения телеметрического выхода от давления. Обработка результатов измерений датчика давления в КЭ «Контроль» выполняется в несколько этапов. После первичной обработки в Центре управления полётами из получаемого цифрового массива с использованием тарировоч-ных зависимостей датчиков формируется числовой массив, и строятся графики изменения давления во время сеанса в интерактивном режиме, позволяющем масштабировать изображение в нужном диапазоне, и обзорный график в виде графического представления всего сеанса измерений. При наличии сопроводительной информации по параметрам набегающего потока, ориентации и светотеневой обстановки эта информация также отображается на графике.
Для интерпретации результатов КЭ «Контроль» необходимо знать корректирующую функцию ПП, связывающую концентрацию газа внутри измерительной зоны датчика с параметрами набегающего потока внешней атмосферы Земли и СВА. Расчёт корректирующей функции может быть выполнен методом прямого статистического моделирования Монте-Карло [7, 8] с учётом эффектов интерференции и затенения элементами конструкции в полной постановке, т. е. полный расчёт обтекания МКС, который учитывает реальную внутреннюю измерительную зону ПП. Однако, такие расчёты требуют значительных затрат вычислительных ресурсов, поэтому для оперативного анализа результатов измерений может быть предложена приближенная методика.
Давление, измеряемое датчиком, связано с параметрами окружающей среды следующим образом:
р = К^БК^ +
+ р„(1 - Б))кТ^/ш + КрСВА,
где К1 — корректирующий коэффициент, связывающий концентрацию набегающего потока атмосферы на бесконечности и в невозмущенной зоне установки ПП; К2 — корректирующий коэффициент, связывающий концентрацию набегающего на датчик потока с концентрацией внутри измерительной зоны; Кз — корректирующий коэффициент магнито-разрядного ПП, зависящий от состава набегающего потока атмосферы; К4 — корректирующий коэффициент магнито-разрядного ПП, зависящий от состава потоков СВА: газовыделения, продуктов выбросов из двигателей и дренажных систем; Б — доля молекул набегающего потока атмосферы, попадающая в датчик напрямую без столкновений с окружающими элементами конструкции; — плотность набегающего потока атмосферы; ш — средняя масса молекул набегающего потока атмосферы; Т^ -температура молекул набегающего потока атмосферы; рСВА — давление СВА в зоне установки ПП.
Для оценки коэффициентов К1 и Б необходимо выполнить расчёт поля течения в точке установки датчика для фактического положения поворотных
элементов конструкции МКС при заданном режиме ориентации. Пример такого расчёта для типовой ориентации МКС перед стыковкой корабля посещения показан на рис. 4.
Коэффициент К2 для измерительной зоны ПП (рис. 5, а) может быть рассчитан для типичных углов обтекания ПП с учётом его реальной геометрии, показанной на рис. 5, б, и характеристик конструкционных материалов, которые существенно влияют на результаты.
Рис. 4. Поле течения вблизи блока входного преобразователя
ч
х
б)
Рис. 5. Геометрическая модель научной аппаратуры:
а — измерительная зона преобразователей плотности (ПП); б — блок входного преобразователя; 1 — ПП ИНД1; 2 — ПП ИНД2
Например, использование диффузной модели отражения вместо модели типа Ночиллы [9, 10] для металлической поверхности может приводить к 35%-ному завышению коэффициента К2. Влияние модели взаимодействия молекул с поверхностью и реальной геометрии прибора с учётом экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), закрывающей БВП, показано на рис. 6, 7.
Рис. 6. Влияние модели взаимодействия на корректирующую функцию преобразователей плотности:
— — модель Ночиллы для металла; — — диффузное отражение
а)
б)
Рис. 7. Влияние реальной геометрии блока входного преобразователя на показания преобразователей плотности:
а — ИНД1; б — ИНД2; — — с ЭВТИ; — — без ЭВТИ
Коэффициенты К3 и К4 для газовой смеси могут быть рассчитаны по закону Дальтона с использованием коэффициентов чувствительности для каждого компонента по формуле:
£ Л
К =
Аз-4 £ 5г.
í-l
где
г. =
Рм„
парциальное давление
газовой
компоненты
по
отношению
к азоту.
Данные по коэффициентам чувствительности для различных газов широко представлены в литературных источниках, например — в работах [11, 12].
результаты обработки данных измерений
На рис. 8 показаны некоторые результаты регистрации давления в измерительной зоне преобразователей плотности в фоновых условиях и при наличии возмущающих факторов. Параметры ИНД1 и ИНД2 на рисунке соответствуют показаниям двух датчиков:
• параметр ИНД1, обозначенный красным цветом, соответствует датчику, ось которого сориентирована по направлению продольной оси МКС (как правило, по направлению полёта);
• параметр ИНД2, обозначенный синим цветом, соответствует второму датчику, ось которого перпендикулярна продольной оси МКС.
В фоновых условиях в режиме мониторинга заметно лишь незначительное периодическое возмущение собственной внешней атмосферы РС МКС, вызванное работой систем жизнеобеспечения (рис. 8, е).
В возмущённых условиях при работе двигателей управления РС МКС и кораблей посещения наблюдаются значительные всплески давления, максимальные значения которых приведены в табл. 1. При этом следует учитывать, что в периферийных зонах струй ДУ повышено содержание водорода, и фактические значения давления могут быть в полтора-два раза больше в зависимости от его доли.
14:00 16:00 18:00 а)
16:10 б)
в)
г)
Т\ Пи 10"3
10-4
10-°
ю-7
1
А / ^
А "" д
А_ А- 1 А
02:25 02:30
02:35 д)
02:40
г, ч:мин
е)
Рис. 8. Давление в измерительной зоне преобразователей плотности в различных условиях измерений:
а — при ВКД из Американского сегмента (АС) МКС 15.11.2019 г.; б — при выбросе метана из АС МКС 11.04.2019 г.; в — при продувке магистралей горючего и окислителя корабля «Прогресс» 03.07.2020 г.; г — при работе двух КД СМ 19.04.2020 г. в 8:09; д — при расстыковке корабля «Союз» от МИМ2 22.10.2020 г. в 2:30; е — в режиме мониторинга 12.10.2020 г.
Таблица 1
Давление СБА в возмущённых условиях
Источник возмущений СВА Максимальное давление, Па
Коррекция орбиты средствами двух КД СМ 1,010-3
Коррекция орбиты средствами 8 ДУ ТГК 5,0-10-5
Стыковка японского корабля ИТУ-9 к АС 1,010-3
Расстыковка японского корабля ИТУ-9 от АС 6,0-10-4
Стыковка американского корабля ЗрХ к АС 3,510-4
Расстыковка американского корабля ЗрХ от АС 1,510-4
Стыковка корабля «Прогресс» к модулю «Пирс» 2,0-10-3
Расстыковка корабля «Прогресс» от модуля «Пирс» 2,0-10-3
Расстыковка американского корабля N0-13 от АС 2,5-10-4
Стыковка американского корабля N0-14 к АС 3,510-4
Стыковка корабля «Прогресс» к модулю «Звезда» 1,510-3
Стыковка корабля «Прогресс» к модулю «Пирс» 1,310-3
Стыковка корабля «Союз» к модулю «Рассвет» 4,0-10-4
Стыковка корабля «Союз» к модулю «Поиск» 3,010-3
Расстыковка корабля «Союз» от модуля «Поиск» 4,0-10-3
Продувка магистралей корабля «Прогресс» 2,0-10-4
Сброс метана из АС МКС 6,0-10-4
ВКД из АС МКС 1,010-4
численное моделирование работы кд См
Работа ДУ ОК РС МКС при коррекции орбиты вызывает значительные возмущения в СВА. Для оценки этого влияния было проведено численное моделирование истечения струй КД и сравнение результатов с данными измерений в КЭ «Контроль».
Течения от струй реактивных двигателей в вакууме характеризуются очень быстрым уменьшением плотности и давления. Режимы течения меняются от сплошной среды в районе среза сопла до сильно разреженного (переходного) и даже свободномолекулярного режимов на расстоянии от нескольких десятков до сотен диаметров сопла. Поэтому для моделирования дальнего поля струй или обратных течений необходимо использовать как методы сплошной среды при расчётах в сопле и ближнем поле возле среза сопла, так и кинетические методы в областях, где методы для сплошной среды уже неприменимы.
В расчётах струйных течений традиционно используется многозонный подход [13, 14], в котором вся область течения разбивается на несколько вложенных друг в друга областей (зон). Вычисления в зонах проводятся последовательно, начиная с внутренней, и результаты расчёта в какой-либо зоне используются как стартовые (граничные) для расчётов в следующей зоне.
Такой подход возможен только в сверхзвуковых течениях (что практически всегда реализуется в струйных течениях), поскольку исключается влияние течения во внешних зонах на течение во внутренних зонах. Многозонный подход удобен в разреженных течениях, в которых существенно изменяются параметры течения и методы решения.
В расчётах использовалось четыре зоны:
1) ближнее поле одиночной струи КД;
2) периферийная область течения двух взаимодействующих струй для получения стартовых условий обратного течения;
3) область течения вокруг МКС с учётом фактического положения поворотных элементов конструкции, которые могут существенно влиять на течение в районе датчика;
4) область вблизи датчика, включая измерительную зону ПП, внутри которой проводилось осреднение измеряемого датчиком давления.
В 1-ой зоне для области сплошного течения выполнялся расчёт течения в сопле и в ближнем поле струи с использованием программного пакета ПвБЮ [15, 16] (рис. 9).
Рис. 9. Ближнее поле течения струй корректирующих двигателей
При выборе стартовой поверхности для 2-ой зоны приняты во внимание нижеследующие факторы:
1. Уравнения Навье-Стокса неприменимы в сильно разреженной среде. Для устойчивого решения задавалось фоновое давление, которое заметно выше, чем на орбите. При истечении сверхзвуковой недорасширенной струи в затопленное пространство образуются бочки, которые были видны в этих расчётах. Так как эти бочки в этой задаче нефизичны, стартовую поверхность можно брать только в области, где не сказывается влияние этих бочек. На кромке сопла происходит разворот потока в вакуум, и фактически бочка начинается сразу за кромкой сопла. Поэтому стартовая поверхность должна начинаться на кромке сопла.
2. Стартовую поверхность желательно иметь подальше от оси сопла, так как с падением плотности легче производить расчёты методом прямого статистического моделирования (ПСМ).
3. Стартовую поверхность нельзя делать чрезмерно большой, так как она может оказаться рядом или даже пересечься со стартовой поверхностью от другого двигателя, что приведёт к заметному искажению результатов.
В результате проведения ряда тестовых расчётов была выбрана стартовая поверхность в виде конуса и цилиндра максимальным радиусом 0,5 м. На рис. 10 показано наложение поля плотности, полученного в решении сплошной среды (обозначена заливкой цветом) и методом ПСМ (обозначена красным прямоугольником). Жёлтыми (сплошная среда) и белыми линиями (ПСМ) обозначены изолинии плотности. Жёлтые линии слева принадлежат внешнему фронту бочки, о которой говорилось выше. По белым линиям угадывается форма стартовой поверхности.
Рис. 10. Выбор стартовой поверхности 2-ой зоны (описание см. в тексте)
Данный тестовый расчёт проводился программным комплексом SMILE-GPU [11, 12] на 12 видеокартах NVIDIA Tesla V100 с использованием миллиарда частиц и более 130 млн столкнови-тельных ячеек. Выбранная стартовая поверхность использовалась в дальнейших вычислениях.
Зона 2 охватывает область истечения струй на торце модуля «Звезда» (рис. 11) и имеет размеры 2,2x6,0x6,0 м. В расчёте использовались миллиард частиц, ~170 млн столкновительных ячеек и ~3,6 млн ячеек для сбора статистической информации по параметрам течения. Так как на обратное течение приходится ~1-2% потока из сопла, для получения хорошей статистики необходимо выполнить как можно больше шагов. При развороте течения давление падает практически в 1 000 раз.
Время счёта на восьми видеокартах NVIDIA Tesla V100 составляло 72 ч.
-0,002 1,0е-03
Рис. 11. Поле течения во 2-ой зоне
При расчёте поля течения в зоне 3 необходимо учитывать переотражение молекул от элементов конструкции МКС, влияющих на показания датчика. Поле течений для двух вариантов конфигураций станции показаны на рис. 12.
Отчётливо видно, как элементы конструкции затеняют поток. Течение хоть и сильно разреженное, но происходит в переходном режиме обтекания. Число Кнудсена (по диаметру служебного модуля (СМ)) вдоль СМ меняется в пределах 0,5-15,0; в районе датчика ■ около 200. Поэтому большого числа частиц не требовалось, и 100 млн частиц использовались только для получения более качественной статистики.
Синим параллелепипедом на торце СМ показана стартовая граница, которая совпадает с границей расчётной области зоны 2.
Расчёт обтекания для «малой» конфигурации даёт заниженные на 25% значения давления в зоне установки ПП.
Учитывая габариты расчётной области (более 9 000 м3 для малой области и более 62 000 м3 — для большой), получить достаточное пространственное разрешение в измерительной зоне ПП и необходимую статистику практически невозможно. Поэтому по результатам расчёта 3-ей зоны задавались граничные условия для расчёта обтекания датчика в 4-ой зоне, обозначенной на рис. 12 красным параллелепипедом с датчиком внутри. Использовалась диффузная модель взаимодействия газового потока с поверхностями ПП.
а)
б)
Рис. 12. Поле течения в 3-ей зоне: а — «малая» конфигурация станции (только ОК РС МКС); б — «большая» конфигурация (ОК РС и частично АС МКС)
Поле течения около ПП и в его измерительной зоне показано на рис. 13. Пространственное разрешение для поля течения в данном расчёте 2 мм - достаточное для анализа течения внутри ПП.
Поскольку тарировка ПП была выполнена только для воздуха, при сравнении результатов расчёта и эксперимента необходимо принимать во внимание состав газов, попадающих в ПП. Расчётные данные по составу газовой фазы, обтекающей ПП, и корректирующему фактору Si приведены в табл. 2.
Расчётная величина давления от струй КД, осред-нённая по измерительной зоне ПП ИНД1, составила 7,210-5 Па, для ПП ИНД2 7,8-10-6 Па. Результаты расчётной оценки вклада в давление от набегающего потока атмосферы приведены в табл. 3.
Данные о среднем давлении, измеренном в эксперименте при проведении коррекции орбиты МКС средствами двух КД модуля «Звезда» с учётом коэффициентов чувствительности для газовых компонент КД, приведены в табл. 4.
Отличие измеренного и расчётного значений близко к 30% погрешности измерений ПП. Следует отметить, что в расчёте не учитывались дополнительные возмущения, вызванные срабатыванием двигателей
ориентации, требующие углублённого дополнительного анализа, а также влияние модели отражения от внешних и внутренних поверхностей датчика и их температуры на результаты измерений.
а)
б)
Рис. 13. Обтекание ПП возвратными потоками струй корректирующих двигателей:
а — поле течения вблизи ПП; б — поле течения в измерительной зоне датчика
Таблица 2
Состав газов, обтекающих преобразователи плотности
Газовая компонента Объёмная доля,% S,
н2 71 0,46
H2O 11 1,12
n2 10 1,00
co2 4 1,42
CO 4 1,05
Таблица 3
Расчётное давление в ПП от набегающего потока атмосферы
Дата Плотность атмосферы, р^ Давление ИНД1, Па Давление ИНД2, Па
27.04.2017 г. 5,7-10-13 3,410-6 9,110-7
17.01.2018 г. 1,110-12 6,2-10-6 1,610-6
20.09.2018 г. 1,110-12 6,0-10-6 1,210-6
03.07.2019 г. 2,3-10-13 1,510-6 2,4-10-7
14.09.2019 г. 4,3-10-13 2,4-10-6 7,010-7
19.04.2020 г. 1,110-12 3,110-6 3,010-7
Таблица 4
Давление, измеренное ПП,
при работе корректирующих двигателей
Заключение
В космическом эксперименте «Контроль» получен большой объём данных по вариациям давления в СВА в различных условиях эксплуатации ОК РС МКС, позволяющий проводить
как прогноз состояния СВА ОК РС МКС, так и оценку достоверности методик расчёта струйных течений и течений разреженного газа, возникающих при стыковках и расстыковках кораблей посещения, а также при работе двигателей управления и коррекции ОК РС МКС.
Космический эксперимент «Контроль» закончен в октябре 2020 г. Дальнейшие исследования СВА ОК РС МКС планируются в рамках эксперимента «Кварц-М».
Список литературы
1. Акишин А.И., Дунаев Н.М., Константинова В.В. Собственная атмосфера космических аппаратов и её влияние на бортовые приборы и технологию в космосе // Космическое материаловедение и технология. М.: Наука, 1977. С. 65-77.
2. Машиностроение. Энциклопедия. М.: Машиностроение. Ракетно-космическая техника. Т. IV-22 / Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М. и др.; под ред. Легостаева В.П. В 2 кн. 2012. Кн. 1. С. 412-415.
3. Модель космоса: науч.-инф. изд. В 2 т. / Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М.: КДУ, 2007. 1144 с.
4. Rebrov S, Gerasimov Y. Investigation of the contamination properties of bipropellant thrusters // 35 th AIAA Thermophysics Conference. Anaheim, CA. AIAA 2001-2818 2001. P. 1.
5. Naumov S.F., Gerasimov Y.I., Sokolova S.P. et al. Influence orientation thrusters fuel/oxidizer reaction products on thermo-optic properties of spacecraft thermal control coating // 9th International Symposium on Materials in a Space Environment (9th ISMSE), Noordwijk, the Netherlands, 2003. P. 419.
6. Котенев В.Д., Рабинович Б.А., Розанов Л.Н., Чебыкин В.А. Исследование параметров разреженной газовой среды на орбитальных космических аппаратах // Вакуумная техника и технология. 2010. Т. 20. № 3. С. 185-190.
7. Kashkovsky A.V. 3D DSMC computations on a heterogeneous CPU-GPU cluster with a large number of GPUs // 29th International Symposium Rarefied Gas
Дата Длительность импульса, с Давление ИНД1, Па Давление ИНД2, Па Отличие расчётных и экспериментальных значений, %
27.04.2017 г. 13,0 5,6 ■ 10-5 5,2 ■ 10-6 26 40
17.01.2018 г. 15,0 5,8 ■ 10-5 — 26 —
20.09.2018 г. 15,6 6,7 ■ 10-5 6,5 ■ 10-6 14 28
03.07.2019 г. 33,0 4,5 ■ 10-5 — 39 —
14.09.2019 г. 39,0 5,0 ■ 10-5 5,9 ■ 10-6 33 31
19.04.2020 г. 30,2 5,8 ■ 10-5 — 23 —
Dynamics (RGD), China, Xian, 13-18 July 2014. Proceedings AIP Conference. Melville; New York, 2014. V. 1628. P. 192-198.
8. Kashkovsky A.V., Vashchenkov P.V., Shevyrin A.A.. Krylov A.N., Skorovarov A.Yu., Shuvalov M.P. Effect of the physicochemical models of the Direct Simulation Monte Carlo method on the aerodynamic characteristics of reentry vehicles // Thermophysics and Aeromechanics. 2020. V. 27. № 4. P. 489-506.
9. Nocilla S. The surface re-emission law in free molecular flow // Proc. of 3rd Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics. 1963. V. 1. P. 327-346.
10. Ерофеев А.И., Никифоров А.П. Угловое распределение отражённого от поверхности твёрдого тела свободно-молекулярного потока газа // Учёные записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 6. С. 50-66.
11. Bartmess J.E., Georgiadis R.M. Empirical methods for determination of ionization gauge relative sensitivities for different gases // Vacuum. 1983. 33(3). 149 p.
12. Эшбах Г.Л. Практические сведения по вакуумной технике. М.-Л.: Изд-во «Энергия», 1966. 286 с.
13. Ivanov M., Markelov G., Kashkovsky A., Giordano D. Numerical analysis of thruster plume interaction problems // Second Europian Spacecraft Propulsion Conference, ESA SP-398, August 1997. P. 603 -610.
14. Giordano D., Ivanov M.S., Kashkovsky A.V., Markelov G.N., Tumino G., Koppenwallner G. Application of the numerical multizone approach to the Study of Satellite Thruster Plumes // J. Spacecraft and Rockets. 1998. V. 35. № 4. P. 502-508.
15. Бовтрикова А. С., Мордвинцев Г.Г. Расчётное исследование газодинамических процессов при запуске двигательной установки системы аварийного спасения // Инженерный журнал: наука и инновации. 2016. Вып. 4(52). DOI: 10.18698/2308-6033-2016-4-1484.
16. Sobachkin A., Dumnov G. Numerical Basis of CAD-Embedded CFD // Presented at NAFEMS World Congress, 2013. 19 p. Статья поступила в редакцию 07.05.2021 г. Окончательный вариант — 11.06.2021 г.
Reference
1. Akishin A.I., Dunaev N.M., Konstantinova V.V. Sobstvennaya atmosfera kosmicheskikh apparatov i ee vliyanie na bortovye pribory i tekhnologiyu v kosmose [Induced atmosphere of spacecraft and its effect on onboard devices and space technology]. Kosmicheskoe materialovedenie i tekhnologiya. Moscow, Naukapubl., 1977, pp. 65-77.
2. Adzhyan A.P., Akim E.L., Alifanov O.M. et al. Mashinostroenie. Entsiklopediya [Mechanical engineering. Encyclopedia]. Ed. by Legostaev V.P. Moscow, Mashinostroenie. Raketno-kosmicheskaya tekhnika publ., 2012. In 2 books. Vol. IV-22, book 1, pp. 412-415.
3. Model' kosmosa: nauch.-inf. izd. [Space model: sci.-inf. ed.]. In 2 vol. Ed. by M.I. Panasyuk, L.S. Novikov. Vol. 2: Vozdeistvie kosmicheskoi sredy na materialy i oborudovanie kosmicheskikh apparatov [The impact of the space environment on spacecraft materials and equipment]. Moscow, KDU publ., 2007. 1144 p.
4. Rebrov S., Gerasimov Y. Investigation of the contamination properties of bipropellant thrusters. 35th AIAA Thermophysics Conference. Anaheim, CA, AIAA 2001-2818 2001, p. 1.
5. Naumov S.F., Gerasimov Y.I., Sokolova S.P. et al. Influence orientation thrusters fuel/oxidizer reaction products on thermo-optic properties of spacecraft thermal control coating. 9th International Symposium on Materials in a Space Environment (9th ISMSE), Noordwijk, the Netherlands, 2003, p. 419.
6. Kotenev V.D., Rabinovich B.A., Rozanov L.N., Chebykin V.A. Issledovanie parametrov razrezhennoi gazovoi sredy na orbital'nykh kosmicheskikh apparatakh [Investigation of parameters of rarefied gaseous environment on orbital spacecraft]. Vakuumnaya tekhnika i tekhnologiya, 2010, vol. 20, no. 3, pp. 185-190.
7. Kashkovsky A.V. 3D DSMC computations on a heterogeneous CPU-GPU cluster with a large number of GPUs. 29th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (RGD), China, Xian, 13-18 July 2014. Proceedings AIP Conference. Melville; New York, 2014, vol. 1628, pp. 192-198.
8. Kashkovsky A.V., Vashchenkov P.V., Shevyrin A.A., Krylov A.N., Skorovarov A.Yu., Shuvalov M.P. Effect of the physicochemical models of the Direct Simulation Monte Carlo method on the aerodynamic characteristics of reentry vehicles. Thermophysics and Aeromechanics, 2020, vol. 27, no. 4, pp. 489 -506.
9. Nocilla S. The surface re-emission law in free molecular flow. Proc. of 3rd Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics, 1963, vol. 1, pp. 327-346.
10. Erofeev A.I., Nikiforov A.P. Uglovoe raspredelenie otrazhennogo ot poverkhnosti tverdogo tela svobodnomolekulyarnogo potoka gaza [Angular distribution of a free-molecular gas flow reflected from the a solid surface]. Uchenye zapiski TsAGI, 2014, vol. XLV, no. 6, pp. 50-66.
11. Bartmess J.E., Georgiadis R.M. Empirical methods for determination of ionization gauge relative sensitivities for different gases. Vacuum, 1983, 33(3), 149 p.
12. Eshbakh G.L. Prakticheskie svedeniya po vakuumnoi tekhnike [Practical information on vacuum technology]. Moscow-Lenigrad, Energiyapubl, 1966. 286p.
13. Ivanov M., Markelov G., Kashkovsky A., Giordano D. Numerical analysis of thruster plume interaction problems. Second Europian Spacecraft Propulsion Conference, ESA SP-398, August 1997, pp. 603-610.
14. Giordano D., Ivanov M.S., Kashkovsky A.V., Markelov G.N., Tumino G., Koppenwallner G. Application of the numerical multizone approach to the Study of Satellite Thruster Plumes. J. Spacecraft and Rockets, 1998, vol. 35, no. 4,pp. 502-508.
15. Bovtrikova A.S., Mordvintsev G.G. Raschetnoe issledovanie gazodinamicheskikh protsessov pri zapuske dvigatel'noi ustanovki sistemy avariinogo spaseniya [Computational study of gas-dynamic processes when activating the propulsion system of the emergency rescue system]. Inzhenernyi zhurnal: nauka i innovatsii, 2016, issue 4(52). DOI: 10.18698/2308-6033-2016-4-1484.
16. Sobachkin A., Dumnov G. Numerical Basis of CAD-Embedded CFD. Presented at NAFEMS World Congress, 2013, 19 p.
