CC BY
48УДК 629.786.2-024.538:533.9
методика использования бортовой служебной и научной аппаратуры при проведении космического эксперимента «плазма-мкс» для исследования электрофизических параметров околообъектовой среды мкс
© 2016 г. Криволапова О.Ю.1, Лалетина Е.А.1, твердохлебова Е.м.2
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
2 ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» (ЦНИИмаш) Пионерская ул., 4, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: corp@tsniimash.ru
Описаны особенности околообъектовой среды Международной космической станции (МКС), связанные с протеканием токовых процессов между разноименно заряженными элементами конструкции станции. Представлены цели и задачи космического эксперимента по исследованию плазменной обстановки на внешней поверхности МКС, проведенного в рамках программы научно-прикладных исследований на Российском сегменте МКС. В ходе проведения эксперимента были определены зависимости диапазона интенсивности токовых процессов в плазменном окружении станции от ее конфигурации и положения на орбите; от работы двигателей ориентации и других газовыделяющих систем; сезонного изменения внешних космических условий. Рассмотрены различные варианты постановки сеансов измерений и методики использования в ходе их выполнения бортовой научной и служебной аппаратуры. Методики основаны на использовании имеющегося на станции оборудования без создания дополнительной научной аппаратуры, что позволяет получить новые научные результаты с минимальными финансовыми и временными затратами.
Ключевые слова: околообъектовая среда, плазменная обстановка, Международная космическая станция, космический эксперимент, научная аппаратура.
procedure for using onboard systems and scientific equipment during space experiment plasma-iss to study electrical and physical parameters of the environment in the vicinity of the iss
Krivolapova O.Yu.1, Laletina E.A.1, Tverdokhlebova E.M.2
1S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
2 Central Research Institute of Machine Building (TsNIImash) 4 Pionerskaya str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: corp@tsniimash.ru
The paper describes the features of the environment in the vicinity of the International Space Station (ISS), associated with the currents between oppositely charged structural elements of the space station. It presents objectives and tasks of a space experiment to study plasma environment on the outer surface of the ISS, conducted within the program of applied scientific research on the Russian Segment. Determined in the course of the experiment were relationships between the range of intensities of currents in the station plasma environment and its configuration and orbital position, firing of the attitude control thrusters and other systems that release gasses, seasonal variation in the external space environment. The paper discusses various options for setting up measuring sessions and procedures for using onboard science and systems equipment during these sessions.
КРИВОЛАПОВА О.Ю. ЛАЛЕТИНА Е.А. ТВЕРДОХЛЕБОВА Е.М.
КРИВОЛАПОВА Ольга Юрьевна — кандидат технических наук, начальник лаборатории РКК «Энергия», e-mail: olga.krivolapova@rsce.ru
KRIVOLAPOVA Olga Yur'evna — Candidate of Science (Engineering), Head of Laboratory at RSC Energia, e-mail: olga.krivolapova@rsce.ru
ЛАЛЕТИНА Елена Александровна — аспирант, ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: elena.laletina@rsce.ru
LALETINA Elena Alexandrovna — Postgraduate, Lead engineer at RSC Energia, e-mail: elena.laletina@rsce.ru
ТВЕРДОХЛЕБОВА Екатерина Михайловна — кандидат технических наук, начальник Управления ЦНИИмаш, e-mail: katya.tverdokhlebova@gmail.com
TVERDOKHLEBOVA Ekaterina Mikhailovna — Candidate of Science (Engineering), Head of Department at TsNIImash, e-mail: katya.tverdokhlebova@gmail.com
The procedures are based on the use of equipment available onboard the station without the need to build additional scientific equipment, which makes it possible to obtain new scientific results with minimal expenditure of funds and time.
Key words: environment in the vicinity of the vehicle, plasma environment, International Space Station, space experiment, scientific equipment.
постановка задачи исследований
Особенностью токовых процессов, происходящих в окружающей Международную космическую станцию (МКС) газоплазменной среде, является наличие высоковольтного источника — солнечных батарей (СБ) Американского сегмента (АС) МКС, вырабатывающих напряжение порядка ПСБ — 160 В, при этом оба полюса батарей имеют электрический контакт с окружающей плазмой. В соответствии с принятой американской стороной электрической схемой, отрицательный полюс СБ АС гальванически соединен с корпусом станции, в результате чего он является частью электрической цепи, по которой замыкаются токи утечки из СБ через окружающую плазму. На освещенном участке орбиты, когда СБ вырабатывают ток, станция эквивалентна электроразрядному устройству с приложенной разностью потенциалов 160...200 В между корпусом и положительным полюсом СБ.
В работе [1] приведены результаты расчетов распределения потенциалов в пространстве между разноименно заряженными элементами конструкции МКС, которые учитывают влияние геомагнитного поля на динамику зарядового компонента в плазменном окружении и свойство металлодиэлектриче-ских мозаичных электродов собирать заряды. В частности, показано, что при определенных параметрах плазменного окружения (концентрация электронов п6 в пределах ~104...106 см 3; температура электронов Те ~0,1...0,5 эВ) реализуется такое распределение потенциала, при котором плазменный участок цепи остается эквипотенциальным, в прикатодном участке (вблизи корпуса МКС) потенциал падает на Дфк -10...20 В в слое толщиной до 5 см, а большая часть падает в прианодном слое (около положительного полюса СБ АС МКС) на -140...150 В. Величина тока, протекающего в пространственной цепи, не превышает значений I ~0,1...1 А.
В своем большинстве токовые процессы сопровождаются небольшим выделением энергии и не представляют опасности для аппаратуры и космонавтов. Однако, ввиду многообразия факторов, определяющих их возникновение и интенсивность, а также с учетом длительного срока функционирования МКС, не исключено появление такой совокупности факторов, когда токовые процессы могут оказаться более опасными, например, при резком возрастании потенциала поверхности станции.
Для активного контроля за потенциалом поверхности станции на сегменте фермы Z1 АС МКС установлен блок Plasma Contactor Unit (PCU), состоящий из двух плазменных контакторов, каждый из которых представляет собой газоразрядный полый катод, создающий струю ксеноновой плазмы с расходом Ñ ~1018 Ус и скоростью потока VPCU = 2 км/с, через которую происходит сброс отрицательного заряда с корпуса МКС. При работе блок PCU обеспечивает катодное падение на поверхности станции на уровне Афк < 10...15 В, при этом величина тока I варьируется в пределах ~0,1...0,3 А (при наземных испытаниях величина тока в плазменном контакторе достигала величины 12 А [2]).
Перераспределение потенциала между СБ и корпусом МКС, увеличение катодного падения Афк возможны при скачкообразном возрастании тока, собираемого анодным концом токовой цепи, т. е. положительными полюсами СБ АС. Наиболее вероятный механизм этого явления связан с существенным повышением концентрации плазмы вблизи высоковольтных концов СБ и зажигания здесь прианодных разрядов, например, при резком увеличении давления в собственной внешней атмосфере (СВА).
Электрический разряд характеризуется определенным набором параметров, таких как величина и пространственное распределение тока и напряжения, температура электронов и ионов, а также рядом других параметров, в т. ч. особенностями спектрального излучения. В ходе проведения исследований были выделены следующие потенциально реализуемые на МКС разрядные явления [1], которые могут влиять на динамику полета комплекса и, в совокупности, с учетом длительного срока активного функционирования, определять уровень надежности орбитального космического комплекса:
• возникновение плазменного моста между положительно и отрицательно смещенными участками поверхности станции в тех случаях, когда струя ксеноновой плазмы
из блока PCU под действием геомагнитного поля направляется на анодные участки СБ АС;
• резкое увеличение тока, собираемого элементами МКС из плазменного окружения во время кратковременных повышений плотности СВА в результате срабатывания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) ориентации, при операциях шлюзования, открытия люков и др.;
• появление искровых разрядов на отдельных участках поверхности МКС вследствие увеличения отрицательного потенциала корпуса станции.
Все это определяет актуальность исследований, направленных на определение амплитудно-частотного диапазона параметров околообъектовой среды, условий возникновения электрических разрядов в ней и на поверхности МКС, изучение кратковременных и долговременных (локальных и интегральных) эффектов от воздействия электроразрядных процессов, для изучения которых был разработан и проведен космический эксперимент (КЭ) «Плазма-МКС».
Цели и задачи космического эксперимента «Плазма-МКС»
Целью эксперимента являлось определение зависимости диапазона интенсивности токовых процессов в плазменном окружении станции от:
• конфигурации МКС и ее положения на орбите (ориентации МКС относительно магнитного поля Земли и вектора скорости орбитального движения, высоты орбиты, положения Солнца относительно МКС, параметров ионосферы);
• работы двигателей ориентации и других газовыделяющих систем;
• сезонного изменения внешних космических условий по характеристикам оптического излучения (включая его спектр) атомов и ионов ксенона (Хе), генерируемого плазменной струей катодов блока PCU;
• оптического излучения (включая его спектр) собственной внешней атмосферы МКС;
• оптического излучения (включая его спектр) ионизованной компоненты СВА — плазменной оболочки МКС;
• оптического излучения (включая его спектр) ионизованных струй, создаваемых бортовыми источниками газа и плазмы.
В ходе эксперимента решались следующие задачи:
1) исследование влияния факторов космического пространства (таких как геомагнитное поле, солнечное излучение,
набегающие потоки ионов, потоки аврораль-ных частиц и удары микрометеоритов) на возникновение, интенсивность и длительность токовых процессов;
2) проверка физической модели взаимодействия плазменной оболочки МКС с полярно заряженными элементами конструкции МКС и с различными типами внешних покрытий РС МКС;
3) измерение величины отрицательного потенциала корпуса РС МКС и прогнозирование его изменения при различных условиях эксплуатации МКС.
Для выполнения задач эксперимента «Плазма-МКС» в 2005.2009 гг. проводились следующие измерения:
• с помощью спектральной аппаратуры «Фиалка-МВ-Космос» получены амплитудно-частотные характеристики излучения, сопровождающего разрядные процессы в оптическом диапазоне;
методика проведения сеансов космических экспериментов
Вариант «Плазменный мост-1». Задачей проведения сеансов космических экспериментов в варианте «Плазменный мост-1» являлось определение спектральных характеристик плазменного моста, возникающего между положительно и отрицательно смещенными участками поверхности станции.
На сегменте фермы АС МКС Z1 Truss Segment установлен блок PCU, который постоянно испускает плазменную струю в направлении +Z (в собственной системе координат (ССК) РС МКС). Под действием геомагнитного поля струя ксеноновой плазмы из блока PCU изменяет свою конфигурацию в зависимости от положения МКС на орбите. При определенной ориентации МКС на орбите существуют участки траектории, на которых плазменная струя замыкается на высоковольтные участки панелей СБ (сегмент фермы
• по данным служебной телеметрии получены зависимости величины тока PCU;
• с помощью зондовой аппаратуры — блока измерения плавающего потенциала поверхности станции (Floating Potential Measurement Unit — FPMU), установленного на мачте S1 Truss АС — получены значения плавающего потенциала в плазме относительно корпуса и параметров плазмы;
• получены значения углового положения солнечных панелей (с помощью служебной телеметрии);
• служебная телеметрия позволила зафиксировать моменты срабатывания жидкостных ракетных двигателей и длительность их включения.
В зависимости от научных задач, решаемых в каждом сеансе космического эксперимента, выбирался один из вариантов наблюдений, представленных в таблице.
Р6 АС МКС). В эти моменты следует ожидать усиления тока разряда, пропускаемого ксеноновой плазмой. Усиление тока должно сопровождаться увеличением интенсивности излучения в спектральных линиях атомов и ионов ксенона (Хе и Хе+) .
Измерение спектра производилось в области пространства, непосредственно граничащего с активной поверхностью панели 4В (по всей длине панели.) Так как активная сторона СБ АС МКС редко доступна для наблюдения с РС МКС, наблюдения проводились в области под панелью СБ на восходе (или закате) Солнца на определенных заранее витках и участках траектории (как правило, в южном полушарии, в течение 5 мин). Наблюдения проводились на фоне черного неба, при этом исключалось попадание в окуляр Солнца и бликующих элементов конструкции МКС.
На рис. 1 приведена геометрия проведения сеансов КЭ в варианте «Плазменный мост-1». Сеансы КЭ были организованы на всех этапах
Условное название Содержание
«Плазменный мост-1» Наблюдение из иллюминатора № 12 СМ солнечной панели 4В АС (сегмент фермы Р6 АС МКС) — направление +2 ССК РС (рис. 1) при ориентации станции -Х ||УМКС. Наблюдение в зоне терминатора при заходе Солнца в видимой части спектра
«Плазменный мост-2» Наблюдение из иллюминатора № 12 СМ солнечной панели 4В (направление +2 ССК РС) при ориентации станции +2 ||УМКС. Наблюдение на теневом участке орбиты в видимой части спектра
«Корона» Наблюдение из иллюминатора № 9 СМ пространства вблизи острых кромок (с радиусом скругления -1 мм) открытого металла на поверхности ТК (ТГК «Прогресс» и ТК «Союз-ТМА»)
«Искра-1» Наблюдение из иллюминатора № 9 СМ участка ЭВТИ ТК на освещенном участке орбиты
«Искра-2» Наблюдение из иллюминатора № 9 СМ участка ЭВТИ ТК на теневом участке орбиты
Примечание. СМ — служебный модуль; АС МКС — Американский сегмент Международной космической станции; ССК — собственная система координат; РС — Российский сегмент; ТК — транспортный корабль; ТГК — транспортный грузовой корабль; ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция.
развертывания архитектуры станции, начиная с конфигурации 11А и кончая 17 А. На рис. 1 конфигурация Международной космической станции показана на момент проведения первых сеансов КЭ в 2005 г.
Рис. 1. Схема сеанса «Плазменный мост-1»
Примечание. РСи — блок плазменных контакторов; Урси — вектор скорости РСи; УМКС — вектор скорости МКС; В — вектор индукции магнитного поля Земли; СМ — служебный модуль.
Для сопоставления спектральных данных дополнительно проводились измерения до и после рассчитанного момента времени, а также аналогичный цикл измерений на ночной стороне орбиты.
Для проведения сеансов «Плазменный мост-1» подбирались такие участки траектории, на которых одновременно реализовыва-лись следующие условия:
• ориентация МКС такая, что вектор -Х ССК РС совпадает с вектором скорости МКС, -Х \\У ;
ССК РС II г МКС'
• вектор В индукции магнитного поля Земли лежит в плоскости 2ОУ ССК РС и проходит через точку расположения блока РСи АС (сегмент фермы 21) и солнечную панель 4В (сегмент фермы Р6 АС МКС);
• Солнце при заходе вблизи видимого горизонта в зоне терминатора.
Вариант «Плазменный мост-2». Задачей проведения сеансов КЭ в варианте «Плазменный мост-2» являлась регистрация светимости плазменной струи при взаимодействии с набегающим потоком ионосферы.
Плазменная струя, создаваемая катодом РСи, очень разреженная — расход ионов ксенона в ней невелик (Ы ~1018 1/с), температура электронов низкая. Поэтому нельзя было ожидать заметных эффектов взаимодействия с набегающим потоком ионосферы. Однако, согласно модели разлета плазмы, разработанной ЦНИИмаш [3], в случае, если вектор скорости струи направлен вдоль магнитных силовых линий, магнитное поле Земли удерживает плазму от расширения, и ксеноновая струя приобретает вид спицы, направленной вдоль
силовой линии. Для максимального увеличения энергии взаимодействия плазменного потока с ионосферой необходимо, чтобы эти два потока были направлены навстречу друг другу, т. е. чтобы ксеноновая струя инжектировалась по вектору скорости станции.
Схема сеанса КЭ в варианте «Плазменный мост-2» показана на рис. 2 (приведена конфигурация МКС на момент проведения первых сеансов КЭ в 2005 г.).
Рис. 2. Схема сеанса «Плазменный мост-2» Примечание. РСи — блок плазменных контакторов; Урси — вектор скорости РСи; УМКС — вектор скорости МКС; В — вектор индукции магнитного поля Земли; СМ — служебный модуль.
Совмещение таких условий было возможно при ориентации МКС по направлению +2 ССК РС, причем в той точке пространства, где вектор магнитного поля Земли направлен также по вектору скорости станции. В этом случае набегающий поток атомарного кислорода тормозится в плазменной «спице», и можно ожидать увеличения излучения как в линиях ксенона, так и в линиях кислорода. Дополнительным условием для подобных наблюдений являлось ночное время проведения измерений (чтобы уменьшить влияние оптического фона).
Для проведения сеансов «Плазменный мост-2» подбирались такие участки траектории, на которых одновременно реализовыва-лись следующие условия:
• ориентация МКС такова, что вектор ССК РС совпадает с вектором скорости МКС, Урси \\ ^ССК РС \\УМКС, при этом желательно иметь тангаж —8° (чтобы «ось», проходящая через иллюминатор № 12 и блок РСи, лежала в плоскости местного горизонта в орбитальной системе координат);
• вектор В индукции магнитного поля Земли лежит также в плоскости местного горизонта, и угол УрсиЛВ между магнитными силовыми линиями и вектором скорости плазменной струи минимален (желательно Урси\\ В);
• Солнце ниже горизонта, так как наблюдения проводятся ночью, но ближе к утреннему терминатору;
• влияние света Луны минимально (ось АЛ > 90°), желательно КЭ проводить в «новолуние»;
• панель СБ (АС МКС) повернута к иллюминатору ребром, либо тыльной стороной.
Варианты «Корона», «Искра». Задачей проведения сеансов КЭ в вариантах «Корона» и «Искра» являлась регистрация светимости поверхности ТГК «Прогресс» при включении и после выключения двигателей причаливания и ориентации (ДПО).
При резком увеличении плотности СВА вблизи СБ АС возрастает ток, поступающий на анодный участок поверхности МКС. В результате происходит перераспределение потенциалов, и потенциал катодных участков поверхности МКС резко падает. Ситуация усугубляется в тех случаях, когда нейтральная компонента СВА и струи ЖРД дополнительно ионизуются под действием космических факторов (солнечного излучения и набегающих потоков ионов).
Наиболее чувствительными к кратковременному сильному изменению потенциала являются участки открытого металла на РС МКС (образующиеся с течением времени в результате нарушения как лакокрасочных, так и анодированных покрытий), а также элементы металлизации экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) [4]. Если потенциал падает ниже порогового значения для данного вещества, то возможно развитие искровых разрядов и пробоев.
Оптические измерения искровых разрядов можно было проводить на любом доступном для набегающего потока ионосферных ионов и солнечного излучения участке РС МКС (т. е. находящегося вне зоны тени МКС), например, на ТК.
Объектами исследования являлись:
• заостренная металлическая поверхность (с радиусом скругления около 1 мм), электрически заземленная на корпус РС МКС — «Искра»;
• участок ЭВТИ вблизи места его заземления на корпус РС МКС — «Искра»;
• область пространства вблизи поверхности перечисленных выше участков — «Корона».
С помощью видеоаппаратуры фиксировались искровые процессы, развивающиеся на металлических кромках и в ячейках ЭВТИ при резком снижении потенциала поверхности. С помощью спектральных измерений регистрировалось изменение спектра излучения компонентов СВА.
На рис. 3 показан вид из иллюминатора № 9 служебного модуля МКС на ТГК «Прогресс», пристыкованного со стороны стыковочного отсека № 1.
Рис. 3. Вид из иллюминатора № 9 служебного модуля МКС на транспортно-грузовой корабль «Прогресс», пристыкованный на стыковочном отсеке № 1: а — расположение иллюминатора № 9 на служебном модуле; б — вид из иллюминатора № 9
Для проведения сеансов космических экспериментов «Корона» и «Искра» выбирался такой участок орбиты, на котором одновременно реализуются следующие условия:
• ориентация МКС любая, но при регистрации разрядов из иллюминатора № 9 Земля не должна попадать в зону видимости ультрафиолетовой камеры (УФК), т. е. -У ССК РС направлена в сторону от Земли. Оси системы координат РС МКС приведены на рис. 4;
• ТГК «Прогресс» или ТК «Союз-ТМА» пристыкованы к отсеку СО-1;
• угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце равен 90° (Солнце находится вблизи «полудня»), при этом условии преследуются три цели: 1 — СБ АС активны; 2 — большая часть поверхности ТК
находится в тени от СМ и функционального грузового блока; 3 — лучи Солнца не попадают в объектив УФК;
• желательно срабатывание ДПО РС МКС, т. е. управление ориентацией осуществляется РС МКС.
7~"
Рис. 4. Собственная система координат служебного модуля Российского сегмента МКС
Научная аппаратура, используемая при проведении эксперимента
При проведении эксперимента использовался комплекс научной аппаратуры — спектро-зональная система «Фиалка-МВ-Космос», разработанная и используемая на РС МКС в рамках КЭ «Релаксация» [4]. Она представляет собой комплект инструментально-измерительных и вычислительных средств, предназначенный для проведения фундаментальных научных и технологических исследований в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Эта система используется при проведении геофизических экспериментов с целью получения и регистрации изображения полей и спектров излучения изучаемых объектов наблюдения и явлений. Всего оптической аппаратурой «Фиалка-МВ-Космос» было проведено 24 цикла измерений, сгруппированных в 11 сеансов космических экспериментов.
Конструктивно аппаратура «Фиалка-МВ-Космос» выполнена по блочно-модульному принципу [5].
Состав аппаратуры:
• блок УФК; "
• блок спектрометра (СП);
• видеокамера;
• кронштейн переходной;
• комплект принадлежностей.
Из состава служебных систем в эксперименте используется бортовой компьютер, предназначенный для управления режимами регистрации спектров, регистрации и хранения экспериментальных данных. Общий вид аппаратуры «Фиалка-МВ-Космос» при работе на иллюминаторе № 9 показан на рис. 5.
Основные технические данные аппаратуры:
Ультрафиолетовая камера Область чувствительности, нм 220...380
Общее поле зрения, ° 10,5±0,5
Мгновенное поле зрения, рад <3-10-4
Разрешающая способность по центру изображения: - для объектива, линий/м - для электронно-оптического преобразователя (ЭОП), линий/мм 40 25
Чувствительность по освещению, Вт/см2 2-10-17
Размер изображения на выходе ЭОП, мм 15
Количество ступеней регулировки усиления яркости 4
Потребляемая мощность, Вт <10
Масса, кг <6,5
Габариты, мм 470x230x200
Спектрометр Поле зрения, ° 7,2
Область чувствительности, нм 190.790
Входная щель, мкм 100
Спектральное разрешение, нм не менее 2,5
Точность отсчета длины волны, нм <0,25
Воспроизводимость отсчета длины волны, нм <0,05
Величина рассеянного света (на X ~330 нм) <0,2%
Чувствительность, фотонов/отсчет 10
Приемник охлаждаемая матрица 64x1024 элементов, причем первые 400 колонок пикселей предназначены для УФ
Время экспозиции, с от 0,01 до 60
Отношение сигнал/шум 20 000 : 1
Динамический диапазон >50 000
Рис. 5. Общий вид аппаратуры «Фиалка-МВ-Космос» при работе на иллюминаторе № 9: 1 — фильтр; 2 — бленда; 3 — объектив спектрометра; 4 — рабочий иллюминатор (иллюминатор № 9 служебного модуля МКС); 5 — световод; 6 — блок спектрометра; 7 — кабель интерфейса; 8 — плата интерфейса; 9 — управляющий компьютер Laptop 3; 10 — блок питания PCS PWR SUPPLY; 11 — кабель питания (к РБС А338); 12 — кросс-блок; 13 — кабель питания (к РБС А334Х1); 14 — кабель металлизации (к клемме металлизации); 15 — кабели питания (3 шт.); 16 — преобразователь напряжения видеокамеры; 17 — видеокамера; 18 — кабель соединительный; 19 — блок ультрафиолетовой камеры; 20 — переходной кронштейн
Методические особенности проведения измерений аппаратурой « Фиалка- МВ- Космос»
Для вариантов «Корона», «Искра-1» и «Искра-2» УФК устанавливалась на съемный кронштейн, который на время проведения сеанса наблюдений крепился на иллюминаторе № 9 в гермоотсеке служебного модуля МКС (рис. 5). Был задействован канал УФК для получения и записи изображений объектов наблюдения и канал СП для накопления и регистрации спектров исследуемых источников излучения.
Для вариантов «Плазменный мост-1» и «Плазменный мост-2» проведение КЭ наблюдения осуществлялось космонавтами через иллюминаторы № 12 и 13 без использования УФК. Использовались спектрометр и видеокамера, объектив спектрометра закреплялся с помощью специально разработанной оснастки на видеокамере, которую космонавт держал в руках. Для правильной интерпретации полученных результатов проводились тестовые измерения светотеневой обстановки из иллюминаторов № 12 и 13 [6].
После ориентации оси визирования аппаратуры на объект исследования оператор выполнял регистрацию изображения
и спектров. Интервал дат проведения эксперимента зависел от условий его проведения и определялся за три недели до реализации сеанса эксперимента.
При проведении эксперимента изображение объекта наблюдения записывалось на видеокассету, которая затем доставлялась на Землю.
Сбор спектрометрических данных обеспечивался блоком СП. Информация о спектрах излучения записывалась и хранилась в памяти управляющего компьютера в виде файлов. Полученные данные, перенесенные на сменные носители, затем доставлялись на Землю.
Проведение каждого сеанса КЭ включало:
• разработку исходных данных и планирование в Центре управления полетами;
• подготовку радиограммы для космонавта;
• запрос для американской стороны о включении РСи и/или ГРМи на время эксперимента;
• оценку интенсивности излучения исследуемого объекта;
• расчет значений параметров спектрометра для данного эксперимента;
• проведение переговоров с космонавтом для уточнения его действий и ответов на его вопросы [7-9].
Действия космонавта при выполнении измерений с применением аппаратуры «Фиалка-МВ-Космос» включали в себя:
• сборку схемы эксперимента;
• проведение измерения;
• наблюдение за объектом и комментарий голосом;
• запись файлов с экспериментальными данными на компьютер;
• перенос файлов результатов эксперимента на блок сопряжения с телеметрией для последующей передачи информации на Землю;
• демонтаж аппаратуры.
В ходе проведения эксперимента с привлечением экипажа были проблемы с планированием сеансов из-за большой загруженности экипажа, а также со сложностью обеспечения зоны обзора из иллюминатора в переходном отсеке станции (вблизи иллюминатора находится рама, загораживающая подход к нему) — рис. 6.
Рис. 6. Космонавт Юрчихин Ф.Н. проводит эксперимент «Плазма-МКС» через иллюминатор № 12 в переходном отсеке: 1 — рама, загораживающая подход к иллюминатору
Направление наблюдения объекта исследования при проведении измерений из иллюминатора № 12 представлено на рис. 7. Расположение объектов исследования, регистрируемых из иллюминаторов № 12 и 13, показано красным цветом на рис. 8 и 9, соответственно.
Рис. 7. Направление наблюдения объекта исследования (пространства вблизи солнечных батарей АС МКС) из иллюминатора № 12
Рис. 8. Вид из иллюминатора № 12 в направлении сегмента фермы Р6 АС МКС (красным отмечена зона наблюдения) :
а — расположение иллюминатора № 12 в переходном отсеке; б — вид из иллюминатора № 12
Рис. 9. Вид из иллюминатора № 13 в направлении сегмента фермы Р6 АС МКС (красным отмечена зона наблюдения):
а — расположение иллюминатора № 13 в переходном отсеке; б — вид из иллюминатора № 13
Заключение
В данной статье представлены методики исследования околообъектовой среды МКС в рамках космического эксперимента «Плазма-МКС», который проводился силами экипажа станции без создания дополнительной целевой научной аппаратуры. Были разработаны специальные циклограммы привлечения разнородных бортовых средств Российского и Американского сегментов станции, включая служебную и научную аппаратуру, что позволило сократить временные и финансовые затраты на подготовку и проведение исследований.
Анализ технических возможностей служебных систем космического аппарата и сопутствующих диагностических бортовых и наземных средств должен быть необходимым этапом подготовки любого космического эксперимента для повышения эффективности и научной результативности проводимых экспериментов за счет привлечения более разнообразного оборудования и использования результатов других экспериментов.
Список литературы
1. Габдуллин Ф.Ф., Карабаджак Г.Ф., Кор-сун А.Г., Твердохлебова Е.М., Волков О.Н., Лалетина Е.А., Манжелей А.И. Электрофизические процессы в плазменном окружении Международной космической станции // Космонавтика и ракетостроение. 2007. № 49(4). С. 118-145.
2. Patterson M., Verhey T., Soulas G., Zakany J. Space Station Cathode Design, Performance and Operating Specifications // 25th International Electric Propulsions Conference. Cleveland, 1997. 1EPC-97-170, p. 6.
3. Корсун А.Г., Карабаджак Г.Ф., Твердохлебова Е.М., Лалетина Е.А., Волков О.Н., Манжелей А.И., Хахинов В.В. Постановка эксперимента и первые результаты исследований взаимодействия плазменного окружения МКС с ионосферой и магнитосферой Земли // 6-ая Украинская конференция по космическим исследованиям, Евпатория, 3-10 сентября 2006 г. С. 78-91.
4. Bоrisov B.S., Gabdullin F.F., ^rsun A.G., Kozyrev N.V., Tverdokhlebova E.M. Simulation of near-electrode processes of a electric discharge in the ISS environment // 44th AIAA ASME, Reno, 200б. AIAA-2006-0S?2, p. 140-144.
5. Лалетина E.A., Твердохлебова Е.М., Kçи-волапова О.Ю., Сизов A.A. Tребования к составу и характеристикам бортовой аппаратуры для регистрации электроплазменной обстановки вокруг МКС // XLVIII Научные чтения памяти Циолковского. Калуга, 2013. С. 5б-бб.
6. Твердохлебова Е.М., Ko.рабаджак Г.Ф., Лавренко Е.Г., Лалетина E.A. Проблемы исследований плазменного окружения МКС // Tезисы доклада Международного аэрокосмического конгресса IAC2006, Москва, 200б. С. 51-69.
?. Твердохлебова Е.М., ^риволапова О.Ю., Лалетина E.A., Köрсун A.L, Kарабаджак Г.Ф., Волков О.Н., Манжелей A.И. Исследование плазменной обстановки на внешней поверхности МКС по характеристикам оптического излучения // Сборник трудов VII Международной конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании». Пицунда, Абхазия, 2011. С. 227-244.
S. Твердохлебова Е.М., ^рсун A.L, Ko^ра-баджак Г.Ф., Габдуллин Ф.Ф., Лавренко Е.Г., Волков О.Н., Kриволапова О.Ю., Лалетина E.A., Манжелей AM. Результаты исследований электрофизических процессов вокруг Международной космической станции в ходе космического эксперимента «Плазма-МКС» // Научные чтения, посвященные 90-летию со дня рождения Ю.А. Мозжорина. Королёв: ЦНИИмаш, 2010. С. 199-217.
9. Твердохлебова Е.М., ^рсун A.L, Ko^ра-баджак Г.Ф., Габдуллин Ф.Ф., Лавренко Е.Г., Волков О.Н., Kриволапова О.Ю., Лалетина E.A., Манжелей A.M. Формирование плазменного окружения и электрических полей вокруг МКС по результатам космического эксперимента «Плазма-МКС» // Сборник трудов VI Международной конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании». Пицунда, Абхазия, 2010 г. М.: МГУПИ, 2011. С. 48-67. Статья поступила в редакцию 1S.12.2015 г.
Reference
1. Gabdullin F.F., Karabadzhak G.F., Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Volkov O.N., Laletina E.A., Manzheley A.I. Elektrofizicheskie protsessy v plazmennom okruzhenii Mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii [Electrophysical processes in the plasma environment of the International Space Station]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2007, no. 49(4), pp. 118-145.
2. Patterson M., Verhey T., Soulas G., Zakany J. Space Station cathode design, performance and operating specifications. 25th International Electric Propulsions Conference. Cleveland, 1997, lEPC-97-170, p. 6.
3. Korsun A.G., Karabadzhak G.F., Tverdokhlebova E.M., Laletina E.A., Volkov O.N., Manzheley A.I., Khakhinov V.V. Postanovka eksperimenta i pervye rezul'taty issledovaniy vzaimodeystviya plazmennogo okruzheniya MKS s ionosferoy i magnitosferoy Zemli [Staging the experiment and the first results of studies into the interaction between the ISS plasma environment and the Earth ionosphere and magnetosphere]. 6th Ukrainskaya konferentsiya po kosmicheskim issledovaniy am, Evpatoriya, 3-10 September 2006,pp. 78-91.
4. Borisov B.S., Gabdullin F.F., Korsun A.G., Kozyrev N.V., Tverdokhlebova E.M. Simulation of near-electrode processes of an electric discharge in the ISS environment. 44th AIAA ASME, Reno, 2006, AIAA-2006-0872, p. 140-144.
5. Laletina E.A., Tverdokhlebova E.M., Krivolapova O.Yu., Sizov A.A. Trebovaniya k sostavu i kharakteristikam bortovoy apparatury dlya registratsii elektroplazmennoy obstanovki vokrug MKS [Requirements for the configuration and characteristics of the onboard equipment for recording electrical and plasma environment around the ISS]. XLVIII Nauchnye chteniya pamyati Tsiolkovskogo, Kaluga, 2013, pp. 56-66.
6. Tverdokhlebova E.M., Karabadzhak G.F., Lavrenko E.G. Laletina E.A. Problemy issledovaniy plazmennogo okruzheniya MKS [Problems in the studies of the ISS plasma environment]. Tezisy doklada Mezhdunarodnogo aerokosmicheskogo kongressa IAC2006, Moscow, 2006, pp. 51-69.
7. Tverdokhlebova E.M., Krivolapova O.Yu., Laletina E.A., Korsun A.G., Karabadzhak G.F., Volkov O.N., Manzheley A.I. Issledovanie plazmennoy obstanovki na vneshney poverkhnosti MKS po kharakteristikam opticheskogo izlucheniya [A study into the plasma environment on the ISS outer surfaceusing optical radiation properties]. Sbornik trudov VII Mezhdunarodnoy konferentsii «Informatsionnye tekhnologii v nauke, tekhnike i obrazovanii». Pitsunda, Abkhaziya, 2011, pp. 227-244.
8. Tverdokhlebova E.M., Korsun A.G., Karabadzhak G.F., Gabdullin F.F., Lavrenko E.G., Volkov O.N., Krivolapova O.Yu., Laletina E.A., Manzheley A.I. Rezul'taty issledovaniy elektrofizicheskikh protsessov vokrug Mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii v khode kosmicheskogo eksperimenta «Plazma-MKS» [The results of studies into electrophysical processes around the International Space Station in the course of space experiment Plasma-ISS]. Nauchnye chteniya, posvyashchennye 90-letiyu so dnya rozhdeniya Yu.A. Mozzhorina. Korolev: TsNIImashpubl., 2010. Pp. 199-217.
9. Tverdokhlebova E.M., Korsun A.G., Karabadzhak G.F., Gabdullin F.F., Lavrenko E.G., Volkov O.N., Krivolapova O.Yu., Laletina E.A., Manzheley A.I. Formirovanie plazmennogo okruzheniya i elektricheskikh poley vokrug MKS po rezul'tatam kosmicheskogo eksperimenta «Plazma-MKS» [Forming plasma environment and electric fields around the ISS based on the results of space experiment Plasma-ISS ]. Sbornik trudov VI Mezhdunarodnoy konferentsii «Informatsionnye tekhnologii v nauke, tekhnike i obrazovanii». Pitsunda, Abkhaziya, 2010. Moscow, MGUPI publ., 2011. Pp. 48-67.
