CC BY
20
УДК 531/534; 629.783:523.3
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ «СПОТ-4» КАК ПРИМЕР УСПЕШНОЙ БОРЬБЫ С КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ КОМПОНЕНТОЙ МИКРОУСКОРЕНИЙ
© 2007 г. А.В. Седельников, Д.П. Подлеснова
In work the analysis of design features of French space vehicle "Spot-4" which completely have allowed to level influence Low-frequency components of microacceleration on quality of performance of the assigned problem is carried out. Estimations microaccelera-tion arising during flight space vehicle with the help of model with the analysis of movement КА and fractal are given the model using function of Weierstrass-Mandelbrot.
Проблема микроускорений стала важнейшей проблемой космического материаловедения после неудач ряда экспериментов на борту американских космических лабораторий серии «Sky lab», запущенных в космос, начиная с 14 мая 1973 г. Ее изучению и анализу посвящено большое количество работ, однако до сих пор не разработан эффективный способ борьбы с микроускорениями при проведении технологических процессов в космосе [1]. Оказалось, что микро-ускорения заложены как в конструктивно-компо-новочной схеме (ККС) КА, так и в способе управления им. Многие технологические процессы являются энергоемкими и требуют включение в ККС КА протяженных панелей солнечных батарей (ПСБ) для обеспечения стабильного энергопитания. Помимо достаточной эффективной площади ПСБ необходима их жесткая ориентация в пространстве, что приводит к активной ориентации КА с помощью управляющих ракетных двигателей системы ориентации и управления движением (УРД). Включаясь, УРД возбуждают колебания ПСБ, которые, передаваясь через узел крепления на корпус КА, порождают поле микро-ускорений во всем внутреннем пространстве аппарата.
С другой стороны, влияние микроускорений на результаты технологических процессов изучено недостаточно. Помимо жесткого ограничения модуля микроускорений, в некоторых случаях, например, при кристаллизации из расплавов необходимо ограничивать быстроту изменения микроускорений [2].
Следует отметить трудности получения достоверных экспериментальных данных, так как высокочувствительная аппаратура, с помощью которой производится оценка микроускорений, испытывает значительные перегрузки на старте и может выйти из строя. Много различных акселерометров было испытано на российских КА серии «Фотон». При этом исследователи часто сталкивались с несогласованностью данных разных приборов комплекта французской аппаратуры ВЕТА на КА «Фотон-11» [3], немецкой аппаратуры QSAM на КА «Фотон-12» [4] и т.д. Однако аппараты этой серии лишены ПСБ и вряд ли могут рассматриваться как прообразы будущих космических лабораторий, где можно осуществлять серийное производство, так как самый длительный срок их активного существования не превышает 18 сут.
Таким образом, с одной стороны, проблема микроускорений не нова, но с другой - не стоит ожидать ее быстрого решения, поскольку еще не накоплен достаточный опыт как экспериментальной базы и математического моделирования, так и влияния характеристик поля микроускорений на те или иные технологические процессы.
24 марта 1998 г. с помощью ракеты-носителя Ари-ан-4 был произведен запуск французского КА «Спот-4» в рамках европейской программы наблюдений за наземными объектами [5]. Аппаратура КА позволяла получать изображения с разрешением до 20 м. Для выполнения этой задачи необходимо было обеспечить низкий уровень микроускорений, чтобы картинка не выглядела смазанной. Процесс съемки в режиме реального времени не является столь гравитационно чувствительным, как, например, выращивание монокристаллов или получение сверхчистых материалов, однако качество выполнения задачи напрямую зависело от модуля микроускорений на борту КА во время съемки.
Низкая энергоемкость процессов, происходивших на борту КА, позволила использовать ККС с одной ПСБ, состоящей из пяти одинаковых секций с размером 2,6^1,9 м каждая. Причем эта единственная панель крепилась к корпусу КА посредством упругой штанги длиной 2 м [6]. Такие конструктивные особенности позволили разработчикам КА не учитывать квазистатическую компоненту микроускорений, передаваемую на корпус из-за собственных колебаний упругих элементов. По оценкам специалистов РКК «ЦСКБ-Прогресс», которые моделировали динамику КА на орбите, значительно больший вклад в общий уровень микроускорений вносила вибрационная составляющая, порождаемая вращением маховиков системы пассивной ориентации КА.
Для объяснения этой позиции рассмотрим случай жесткого крепления ПСБ КА к корпусу. Орбита КА высотой 832 км позволяет пренебречь влиянием на его движение аэродинамического сопротивления и гравитационной силой и моментом со стороны Земли как величинами меньше, чем 10-7 м/с2 [7]. Рассматривая только вращательное движение КА вокруг своего центра масс и представляя ПСБ пластиной, на основе вариационного принципа Гамильтона-Остроград-ского была получена оценка квазистатической компоненты микроускорений от колебаний жестко заделанной в корпус ПСБ в месте расположения телеметрической аппаратуры, учитывая, что момент от УРД КА «Спот-4» был равен 4,5 Нм. Подробно математическая модель оценки микроускорений, используя анализ движения КА по орбите, рассмотрена в [8]. Оценка показывает, что модуль квазистатической компоненты микроускорений не превышал бы в этом случае 14 мкм/с2 (рис. 1).
При получении данной оценки учитывались первые десять форм собственных колебаний ПСБ. На рис. 1 показана динамика изменения модуля квазистатической компоненты микроускорений в первые 5 с после выключения УРД.
Микроускорения, мкм/с 2
Проводя оценку с помощью фрактальной модели [9] без учета демпфирования собственных колебаний ПСБ, можно утверждать, что максимальное значение модуля было бы примерно 10 мкм/с2. Данной ситуации соответствуют значения Ь=0,1 и Б=1,992 действительной части функции Вейерштрасса - Ман-дельброта, которая положена в основу фрактальной модели, где не имеет место нормальный закон распределения микроускорений [9]. На рис. 2 представлена зависимость модуля квазистатической компоненты микроускорений между двумя включениями УРД, согласно этой модели.
Оценка модуля квазистатической компоненты микроускорений для случая крепления ПСБ с помощью упругого стержня проводилась по модели [8] с применением метода начальных параметров [10]. Она показывает, что благодаря такому конструктивному решению уровень микроускорений, передаваемых на корпус из-за собственных колебаний ПСБ, был снижен практически на два порядка (рис. 3).
При этом частота первого тона возросла с 0,04 до 0,66 Гц. Этот факт позволяет утверждать о полном уничтожении квазистатической компоненты (частота до 0,1 Гц) и переводе ее в вибрационную составляющую микроускорений.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что при низкой энергоемкости технологических процессов можно успешно бороться с квазистатической компонентой микроускорений, используя конструктивные методы, такие как минимизация числа и размеров ПСБ, а также упругое их крепление к корпусу КА. Правда, в этом случае невозможно достичь жесткой ориентации ПСБ на Солнце. Например, при разработке в 80-90-х гг. ХХ в. российской космической лаборатории «Ника-Т» для удовлетворения всех потребителей энергопитанием и отвода лишнего тепла пришлось включать в ККС КА две ПСБ и одну панель радиатора, причем косинус угла между направлением солнечных лучей и нормалью к поверхности ПСБ не
t, c
Рис. 1. Оценка модуля квазистатической компоненты микроускорений при условии жесткого крепления ПСБ к корпусу
t, c
Рис. 2. Оценка модуля квазистатической компоненты микроускорений при условии жесткого крепления ПСБ к корпусу с помощью фрактальной модели
Микроускорения, мкм/с2
Рис. 3. Оценка модуля квазистатической компоненты микроускорений при условии упругого крепления ПСБ к корпусу
должен был быть меньше, чем 0,9. Поэтому пример КА «Спот-4» нельзя рассматривать как универсальное средство для создания благоприятного поля микроускорений на борту КА. Однако если сравнивать срок активного существования КА серии «Фотон» (не более 18 сут) и КА серии «Спот» (3 года для «Спот 1-3»
и 5 лет для «Спот 4, 5»), то наряду с развитием микрогравитационных платформ, которые считаются в настоящее время самым перспективным направлением для эффективного решения проблемы микроускорений, этот вариант можно рассматривать как прообраз космических лабораторий для серийной реализации некоторых низко энергоемких технологических процессов.
Литература
1. Седельников А.В. // Современные наукоемкие технологии. 2005. № 4. С 15-22.
2. Земсков В.С., Раухман М.Р., Шалимов В.П. // Механика невесомости. Итоги и перспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем: Сб. тр. VII Рос. симп. 2001. С. 34-51.
3. Сазонов В.В. и др. // Космические исследования. 2001. Т. 39. № 4. С. 419-435.
4. Абрашкин В.И. и др. // Космические исследования. 2003. Т. 41. № 6. C. 632-651.
5. Frazer R. H., Li Z., Landry R. // International Journal of Remote Sensing. 2000. Vol. 21. № 18. Р. 3525-3532.
6. Achard F. et al. The Vegetation Instrument on Board SPOT-4-A Mission for Global Monitoring of the Continental Biosphere. Toulouse, 1990.
7. Седельников А.В., Бязина А.В., Иванова С.А. // Научные чтения в Самарском филиале РАО. Ч. 1: Естествознание. М., 2003. C 137-158.
8. Авраменко А.А., Седельников А.В. // Изв. вузов. Авиационная техника. 1996. № 4. C. 22-25.
9. Седельников А.В. // Изв. вузов. Авиационная техника. 2006. № 3. C. 1-3.
10. Титов Б.А., Вьюжанин В.А., Дмитриев В.В. Формирование динамических свойств упругих космических аппаратов. М., 1995.
Институт энергетики и транспорта Самарского государственного аэрокосмического университета
17 ноября 2006 г.
