CC BY
18УДК 629.784.015:530.145.7
МИКРОВОЗМУЩЕНИЯ НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
© 2013 г. Беляев М.Ю., Волков О.Н., Рябуха С.Б.
ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Россия, 141070, e-mail: post@rsce.ru
Приводятся результаты анализа микровозмущений на Международной космической станции (МКС) для различных режимов полета. Рассмотрен уровень микровозмущений на МКС при фоновой обстановке, действиях экипажа и динамических операциях.
Ключевые слова: микровозмущения на МКС, квазистатические микроускорения, вибрационные микроускорения, динамические операции, физические упражнения экипажа на МКС.
MICRODISTURBANCES ON THE INTERNATIONAL SPACE STATION Belyaev M.Yu., Volkov O.N., Ryabukha S.B.
S.P. Korolev Rocket and Space Public ^rporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russia, e-mail:post@rsce.ru
Results of microdisturbances analysis on the International Space Station (ISS) for different flight modes are given. Examined is microdisturbances level on the ISS depending upon background situation, crew actions and dynamic operations.
Key words: microdisturbances on the ISS, quasistatic microaccelerations, vibration microaccelerations, dynamic operations, crew physical exercises on the ISS.
БЕЛЯЕВ Михаил Юрьевич — дтн, профессор, заместитель руководителя НТЦ РКК «Энергия», e-mail: mikhail.belyaev@rsce.ru
BELYAEV M.Yu. — Doctor of Science (Engineering), Professor, Deputy Director of STC at RSC Energia
БЕЛЯЕВ М.Ю.
ВОЛКОВ Олег Николаевич — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: oleg.n.volkov@rsce.ru
VOLKOV Oleg Nikolayevich — Head of Subdepartment at RSC Energia
ВОЛКОВ. О.Н.
РЯБУХА Станислав Борисович — ктн, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: stanislav.ryabuha@rsce.ru
RYABUKHA Stanislaw Borisovich — Candidate of Science (Engineering), Leading Research Worker at RSC Energia
РЯБУХА С.Б.
Введение
Знание уровней микроускорений, их спектрального состава и пространственного распределения — необходимое условие эффективного использования пилотируемых комплексов для решения научных и прикладных задач, уточнения математических моделей и динамических характеристик различных конфигураций Международной космической станции (МКС) [1]. Возникновение микроускорений на космической станции связано с неоднородностью гравитационного поля в пределах станции, действием аэродинамических сил, деятельностью экипажа, колебаниями станции вокруг ее центра масс и работой некоторых бортовых систем [2, 3].
Некоторые из действующих возмущений могут быть рассчитаны по простым соотношениям [2, 3], которые использовались при оценке микроускорений на орбитальных станциях «Салют-6» и «Салют-7», а затем — «Мир» и МКС. Квазистатические ускорения рассчитывались также при определении ориентации орбитальных станций по телеметрическим измерениям [4-6].
Определение вибрационных составляющих микроускорений, обусловленных работой бортовых систем и действиями экипажа, осуществляется с помощью измерительной аппаратуры, устанавливаемой на станции [6-8]. Важной задачей при проведении исследований в области микрогравитации на МКС является изучение микроускорений при различных режимах функционирования бортовых систем и полетных операциях. Эта задача решается в рамках эксперимента «Изгиб» на МКС [9, 10].
С точки зрения влияния выполняемых полетных операций, микрогравитационная обстановка на МКС формируется тремя составляющими:
• фоновыми (постоянно действующими) возмущениями, связанными с функционированием штатного оборудования МКС (агрегатов системы терморегулирования, компрессоров бортовых кондиционеров, насосов и вентиляторов системы жизнеобеспе-
чения, вентиляторов воздуховодов и систем охлаждения научной аппаратуры);
• периодическими возмущениями, создаваемыми экипажем станции при проведении физических упражнений;
• редкими (единичными) возмущениями, связанными с проведением динамических операций (стыковок и расстыковок космических кораблей с МКС, коррекциями орбиты, передачей управления ориентацией от Американского сегмента на Российский и обратно, операциями «Выход»).
В данной статье анализируются результаты выполненных во второй половине 2011 г. и в 2012 г. измерений всех вышеупомянутых возмущений микрогравитационной среды.
Требования к значениям микрогравитации
Для МКС еще на этапе разработки были определены необходимые требования к значениям микрогравитации, согласно которым в течение не менее 180 сут в году (по 30 сут непрерывно) среднеквадратичные значения ускорений (СКУ) на станции не должны превышать нижеуказанных значений, в зависимости от частоты:
• 1,6 vg при 0,01 < f < 0,1 Гц;
• 16 f vg при 0,1 < f < 100 Гц;
• 1 600 vg при 100 < f < 300 Гц,
здесь g — ускорение свободного падения; f — частота действующих микроускорений.
Для обеспечения этих достаточно жестких требований необходимо первоочередное решение следующих задач:
• точно определить вклад, вносимый в суммарную мощность возмущений системой жизнеобеспечения экипажа и другими постоянно действующими системами МКС (как постоянной составляющей), тренажерами для физических упражнений экипажа (как периодически возникающей составляющей), динамическими операциями (как единичными возмущениями);
• изучить законы распространения возмущений от отдельных источников по элементам
конструкции модулей с учетом изменяющейся конфигурации станции;
• уточнить распределение полей микрогравитации по различным отсекам в зависимости от режимов эксплуатации комплекса;
• изучить передачу линейных и угловых колебаний через стыковочные узлы модулей;
• определить тактико-технические требования к системам пассивного и активного демпфирования как источников возмущений, так и прецизионной научной аппаратуры.
При проведении анализа целесообразно выделить характерные режимы функционирования станции:
1. Спокойная «ночная» фоновая обстановка, включающая отдых (сон) экипажа на фоне управления ориентацией и стабилизацией МКС гиродинами Американского сегмента (АС) МКС, во время которой могут возникать только фоновые (постоянно действующие) возмущения, связанные с функционированием штатного оборудования МКС.
2. «Дневная» фоновая обстановка, включающая выполнение экипажем штатных запланированных работ и физических упражнений на различных тренажерах на фоне управления ориентацией и стабилизацией МКС гиродина-ми АС, во время которой к фоновым возмущениям, связанным с функционированием штатного оборудования МКС, добавляются новые, в связи с проведением физических упражнений экипажем станции.
3. Динамические режимы, которые обеспечиваются при управлении ориентацией и стабилизацией МКС двигателями Российского сегмента (РС) МКС.
Для каждого из этих режимов подробно рассмотрены уровни квазистатических и вибрационных ускорений. Так как уровни квазистатических и вибрационных ускорений измерялись разными датчиками,то в начале статьи представлен анализ квазистатических ускорений для всех видов режимов функционирования станции, а завершает статью анализ вибрационных ускорений (также для всех режимов).
Анализ квазистатических ускорений
«Ночная» фоновая обстановка (отдых экипажа). Для анализа микроускорений на МКС используются датчики, установленные на РС и АС. Результаты анализа микроускорений с помощью российских датчиков АЛО и ИМУ-128 приведены в работах [9, 10]. В данной статье для анализа микровозмущений используется информация с датчиков АС МКС [1].
Низкочастотные возмущения в частотном диапазоне 0,01...1 Гц контролируются датчиком
MAMS-oss с частотой опроса Fo = 10 Гц и частотой фильтрации Fф = 1 Гц. Для исключения влияния случайных импульсных процессов на квазистационарную микрогравитационную обстановку на МКС датчик MAMS-oss оснащен фильтром с частотой среза Fф = 0,01 Гц. Квазипостоянные ускорения вычисляются как среднее арифметическое ряда данных MAMS-oss. Усредняются пакеты данных за интервалы длительностью 16 с. Результирующие файлы с частотой опроса Fo = 0,0625 Гц заносятся в архив с расширением *.ossbtmf. Такая процедура сортировки и фильтрации данных позволяет исключить влияние случайных возмущений и анализировать квазистатические ускорения за длительные промежутки времени.
В статье анализируются следующие характерные параметры квазистатических ускорений:
• среднее значение тх, pg [8] — оценки математического ожидания квазистатического ускорения,
1 i_1
(1)
Ь к=0
где xk, (k = 0, ..., L-1) — реализация случайного процесса; L — количество отсчетов дискретного временного ряда; л
• средняя мощность процесса W, pg2,
л 1 ¿-1
Ь k-0
• среднеквадратичное ускорение а, pg [8] -оценка дисперсии отрезка исходного временного ряда, _
o = Jw-m2x.
Система координат OXYZ с началом О в центре масс МКС определяется следующим образом: ось Х направлена вдоль продольной оси МКС, в сторону от РС МКС, ось Z направлена в надир, а ось Y дополняет систему до правой.
Диапазон амплитуд текущих низкочастотных возмущений, средние значения тх и СКУ при «ночной» фоновой обстановке 4 ноября 2012 г. за период с 03:01 до 06:01 гринвичского времени (GMT), по которому живет экипаж МКС, указаны в табл.1.
Таблица 1
Уровень низкочастотных ускорений во время «ночного» фона
Направление Диапазон амплитуд, pg ™х, Pg СКУ, pg
Вдоль оси +Х -5,2307 ... +8,3191 1,473 1,0009
Вдоль оси - У -5,5161 ... +15,532 5,6713 1,4907
Вдоль оси -Т -28,075 ...-1,5112 -14,646 2,3275
Суммарные значения СКУ «ночного» фона 4 ноября 2012 г. не превышали 2,95 да.
На рис. 1 приведены графики усредненных на интервалах Дt = 360 с квазипостоянных и среднеквадратичных ускорений в период «ночной» фоновой обстановки 4 ноября 2012 г. На графиках четко прослеживается колебательный характер низкочастотных возмущений в поперечной и продольной плоскостях МКС. Кратковременное возрастание возмущений по всем осям за период -04:00...04:12 GMT объясняется, скорее всего, изменением режима стабилизации гиродина-ми АС. Максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений не превышают 0,1 да, а среднеквадратичных — 4 да.
Время, С
б)
Рис. 1. Характеристики микроускорений во время «ночной» фоновой обстановки (сон экипажа) 04.11.2012 г.: а — квазипостоянных; б — среднеквадратичных; —■— — X; —*— — ¥;
Анализируя низкочастотную фоновую обстановку по измерениям датчика MAMS-oss во время сна экипажа, для различных экспериментов можно сделать следующие выводы: 1. Период колебаний квазипостоянных ускорений вдоль продольной оси МКС во время ночного отдыха экипажа приблизительно соответствует периоду обращения
станции (92 мин), что, скорее всего, обусловлено внешними факторами. Наблюдается колебательный характер низкочастотных возмущений и в поперечной плоскости МКС.
2. Уровень квазипостоянных ускорений находится в пределах требований к значениям микрогравитации (1 да) и даже является существенно более низким (максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений не превышали 0,1 jig). Это объясняется тем, что центр масс МКС находится в АС.
3. Среднеквадратичные значения были близки к требуемым уровням, хотя и незначительно их превышали (максимальные амплитуды суммарных среднеквадратичных ускорений достигали 4 да).
«Дневной» фон (с учетом физических упражнений экипажа). С середины 2009 г. штатный состав экипажа МКС составляет шесть человек, и хотя периодически на МКС остаются три человека, доля этого времени за год незначительна. Стандартная «дневная» фоновая обстановка на этапах без динамических операций включает в себя выполнение экипажем штатных запланированных работ и занятия на различных тренажерах при управлении ориентацией и стабилизацией МКС гиродинами АС. Физические упражнения являются обязательными ежедневными тренировками для каждого члена экипажа и выполняются космонавтами попеременно на беговой дорожке, велоэр-гометре и силовом тренажере. При выполнении физических упражнений одними космонавтами другие члены экипажа занимаются запланированными штатными работами и экспериментами.
28 марта 2012 г. в период 12:37...14:37 GMT экипажем выполнялись следующие операции:
• командир экипажа проводил замену карты памяти в компьютере PCS и выполнял физические упражнения на велоэргометре CEVIS;
• бортинженер (БИ-1) занимался техобслуживанием системы обеспечения жизнедеятельности служебного модуля (СМ) и наблюдением Земли с помощью фотоспектральной системы, установленной на иллюминатор;
• бортинженер (БИ-2) устанавливал датчики ИП-1 (измерители потока воздуха между отсеками), а затем выполнял упражнения на беговой дорожке TVIS;
• бортинженер (БИ-4) занимался экспериментом «Матрешка-Р», а затем выполнял упражнения на силовом тренажере ARED;
• у бортинженера (БИ-5) сначала было свободное время, а затем он занимался на беговой дорожке TVIS-2;
• бортинженер (БИ-6) занимался замером сопротивления изоляции нагревательных элементов и физическими упражнениями на беговой дорожке 7У/5-2.
Диапазон амплитуд текущих низкочастотных возмущений, средние значения и среднеквадратичные ускорения за этот период указаны в табл. 2.
Таблица 2
Уровень низкочастотных ускорений во время «дневного» фона
Направление Диапазон амплитуд, pg тх, pg СКУ, pg
Вдоль оси +Х -33,704 ... +50,226 1,4866 6,7295
Вдоль оси - У -47,571 ... +64,719 5,6274 8,5756
Вдоль оси -Т -66,508 ... +52,229 -14,718 9,7586
Суммарные значения СКУ «дневного» фона 28 марта 2012 г. не превышали 15 да.
На рис. 2 приведены графики квазипостоянных и среднеквадратичных ускорений «дневного» фона, рассчитанные на интервалах М = 6 мин.
0.12 0.09 0.06 0,03
к
S -
W
а. □
S
и И
3
-
1 о 5 с я к
d =
Й
о
0.03 0.06 0.09 0,12
ш г 6\jfl,8 vit! 14,2
Время,
а)
б)
Рис. 2. Характеристики микроускорений во время «дневной» фоновой обстановки (при выполнении экипажем штатных работ и физических упражнений) 28.03.2012 г.: а — квазипостоянных; б — среднеквадратичных; —■--X; —*— — ¥;
На графиках четко прослеживается колебательный характер низкочастотных возмущений в поперечной плоскости МКС. Максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений не превышают 0,12 да, а среднеквадратичных — 21 jig. Таким образом, уровень квазипостоянных ускорений по сравнению с «ночным» фоном незначительно (в 1,2 раза) увеличился, а суммарные среднеквадратичные ускорения «дневного» фона более чем в пять раз превысили соответствующие параметры «ночной» фоновой обстановки.
Также был проанализирован период жизнедеятельности экипажа, который не включал физические упражнения космонавтов. Таких периодов во время бодрствования экипажа три: утренний, обеденный и вечерний. Утренний период — это осмотр станции, утренний туалет, завтрак, выполнение работ в течение одного часа после завтрака. Обеденный — собственно обед и выполнение работ в течение одного часа после него. Вечерний период начинается с конференции планирования, продолжается ужином, подготовкой суточных рационов питания, вечерним туалетом. Был проанализирован вечерний период жизнедеятельности экипажа, который назван, по аналогии с ранее рассмотренными, периодом «вечерней» фоновой обстановки.
Диапазон амплитуд текущих низкочастотных возмущений, средние значения и среднеквадратичные ускорения во время «вечерней» фоновой обстановки с 19:01 до 21:32 GMT указаны в табл. 3.
Таблица 3
Уровень низкочастотных ускорений во время «вечернего» фона
Направление Диапазон амплитуд, pg тх, Mg СКУ, pg
Вдоль оси +Х -32,825 ... +31,677 1,4743 4,9
Вдоль оси - У -33,636 ... +79,051 5,6727 4,5417
Вдоль оси -Т -70,958 ... +35,124 -14,641 6,8641
Суммарные значения СКУ «вечернего» фона 4 ноября 2012 г. не превышали 9,6 да.
На рис. 3 приведены графики квазипостоянных и среднеквадратичных ускорений «вечернего фона» 4 ноября 2012 г., рассчитанные на интервалах М = 360 с.
Максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений не превышали 0,12 да, а среднеквадратичных ускорений — 14 да. Средние значения квазипостоянных ускорений «дневной» и «вечерней» фоновых обстановок оказались примерно одинаковыми, а максимальные амплитуды и средние значения СКУ «вечерней» фоновой обстановки — в полтора раза ниже, чем во время «дневной». Если же сравнивать «вечернюю» и «ночную» фоновые обстановки,
то здесь различия СКУ существенно выше: суммарные СКУ «вечерней» обстановки более чем в три раза превышают «ночную», а максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений «вечерней» фоновой обстановки в 1,2 раза превышают показатели «ночной».
а)
20.6
21.4 Время, с
б)
Рис. 3. Характеристики микроускорений во время «вечерней» фоновой обстановки (при выполнении экипажем штатных работ без физических упражнений) 04.11.2012 г.: а — квазипостоянных; б — среднеквадратичных; —■--X; —*— — ¥;
Анализируя рассмотренные варианты низкочастотной активной жизнедеятельности экипажа, которая включала в себя физические упражнения космонавтов, можно сделать следующие выводы:
• колебательный характер низкочастотных возмущений фоновой обстановки во время активной жизнедеятельности экипажа («дневной» фон) сохранился, однако период колебаний квазипостоянных ускорений вдоль продольной оси МКС уже не соответствует периоду обращения станции (92 мин), из чего можно сделать вывод об увеличении влияния внутренних факторов;
• максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений во время «дневной» и «вечер-
ней» фоновых обстановок не превышают 0,12 да, что незначительно выше соответствующих параметров «ночной» фоновой обстановки;
• уровни среднеквадратичных ускорений «вечерней» фоновой обстановки почти в пять раз превышают уровень СКУ «ночной», достигая 14 да, а уровни СКУ «дневной» доходят до 21 да, превышая в семь раз СКУ «ночной» фоновой обстановки.
Динамические режимы. К динамическим операциям относятся не только стыковки и расстыковки космических кораблей с МКС, коррекции орбиты, которые осуществляются во время поддержания ориентации станции двигателями РС МКС, но и передача управления ориентацией МКС от Американского сегмента на Российский и обратно во время разрузки гиродинов. Анализ возмущений во время проведения динамических операций, в т. ч. зафиксированных российскими датчиками микроускорений ИМУ-128, описан в работе [10].
В данном разделе рассмотрен режим одно-импульсной коррекции орбиты МКС с использованием двух двигателей СМ 19 октября 2011 г. на фоне отключенной системы кондиционирования воздуха.
Экстремальные амплитуды текущих низкочастотных возмущений, средние значения и среднеквадратичные отклонения при построении ориентации для коррекции орбиты на двигателях РС МКС в интервале 14:30...15:00 GMT указаны в табл. 4.
Таблица 4
Уровень низкочастотных ускорений
при построении ориентации на двигателях РС МКС
Направление Диапазон амплитуд, Mg тх, Mg СКУ, pg
Вдоль оси +X -47,003 ... +66,846 1,3241 5,2571
Вдоль оси - ^ -55,449 ... +92,738 5,6242 7,3024
Вдоль оси ^ -102,04 ... +78,122 -14,675 7,6536
Суммарные значения СКУ при построении ориентации для коррекции орбиты 19 октября 2011 г. не превышали 12 да.
На рис. 4 приведены графики квазипостоянных и среднеквадратичных ускорений при передаче управления от АС к РС и построении ориентации для коррекции орбиты двигателями СМ, рассчитанные на интервалах Дt = 360 с. Эти графики показывают, что момент передачи управления характеризуется существенным изменением квазипостоянных ускорений вдоль оси Y МКС. Максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений во время передачи управления от АС к РС примерно в 20 раз выше максимальных значений «дневной» фоновой обстановки.
а)
б)
Рис. 4. Характеристики микроускорений при выполнении динамической операции: передача управления ориентацией от АС к РС и построение ориентации МКС на двигателях РС МКС 19.10.2011 г.: а — квазипостоянных; б — среднеквадратич-
Разворот характеризуется пиками среднеквадратичных ускорений, особенно в поперечной плоскости. Максимальные амплитуды суммарных значений СКУ достигают примерно 40 pg, что почти в два раза превышает максимальные амплитуды суммарных значений СКУ «дневного» фона. Однако средние значения СКУ «дневного» фона иногда даже выше средних значений СКУ при построении ориентации.
По плану Центра управления полетами (ЦУП) включение двигателей СМ планировалось в 16:06 GMT, приращение скорости AV = 1,7 м/с. Датчиком MAMS-oss зафиксирована работа двигателей с 16:15:27 до 16:17:21 GMT (длительность корректирующего импульса At = 114 с). Экстремальные амплитуды текущих низкочастотных возмущений, средние значения и среднеквадратичные отклонения за период с 16:00 до 17:00 GMT, включающий корректирующий импульс, восстановление
дежурной ориентации и передачу управления Американскому сегменту приведены в табл. 5.
Таблица 5
Уровень низкочастотных ускорений при коррекции орбиты МКС двигателями СМ
Направление Диапазон амплитуд, pg тх, Mg СКУ, pg
Вдоль оси +Х -999,97 ... +10 000 53,679 315,47
Вдоль оси - -1 969,9 ... +271,68 6,1272 33,553
Вдоль оси ^ -1 969,9 ... +1 371,1 -16,508 39,693
Суммарные значения СКУ при коррекции орбиты двигателями СМ 19 октября 2011 г. достигали 320 да.
На рис. 5 приведены графики квазистатических и среднеквадратичных ускорений при работе корректирующих двигателей служебного модуля, рассчитанные на интервалах Д; = 5 с.
а)
б)
Рис. 5. Характеристики микроускорений при выполнении динамической операции (коррекция орбиты двумя двигателями СМ) 19.10.2011 г.: а — квазипостоянных; б — среднеквадратичных;
Эти графики показывают, что начало выдачи импульса характеризуется резким изменением квазипостоянных ускорений вдоль оси Х МКС, доходящим до 2 300 да. Во время выдачи импульса уровень квазипостоянных ускорений остается в пределах 1 600 да . СКУ в начале выдачи импульса достигает значения 2 800 да, а затем остается во время выдачи импульса в пределах 300 да. Максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений во время коррекции орбиты двигателями СМ примерно в 150 раз выше максимальных значений «дневной» фоновой обстановки. Интегральные параметры низкочастотных возмущений во время коррекции орбиты более чем в 20 раз превышают соответствующие параметры при передаче управления ориентацией и во время «дневной» фоновой обстановки.
Для сравнения рассмотрена коррекция орбиты МКС средствами европейского транспортного корабля ЛТУ-3. По плану ЦУП включение двигателей ЛТУ-3 планировалось на период 19:06 ...19:16 СЫТ 5 апреля 2012 г., приращение скорости: Д V = 2,15 м/с, (длительность работы двигателей Дt ~ 10 мин).
Экстремальные амплитуды текущих низкочастотных возмущений, средние значения и среднеквадратичные отклонения во время активного динамического режима за период 18:42...19:42 СЫТ указаны в табл.6.
Таблица 6
Уровень низкочастотных ускорений
при коррекции орбиты МКС двигателями ATV-3
Направление Диапазон амплитуд, Mg т^ Mg СКУ, Mg
Вдоль оси +Х -67,892 ... +1 000 63,382 108,63
Вдоль оси - У -98,36 ... +107,55 6,8791 14,899
Вдоль оси -Т -150 ... +105,3 -16,176 14,77
Суммарные значения СКУ при коррекции орбиты двигателями ЛТУ-3 5 апреля 2012 г. достигали 110 да.
На рис. 6 приведены графики усредненных на интервалах Дt = 60 с квазипостоянных и среднеквадратичных ускорений режима коррекции орбиты средствами ЛТУ-3. При работе двигателей максимальные амплитуды квазипостоянных ускорений достигали значений 250,81 да, а суммарные среднеквадратичные ускорения не превышали 113 да.
Сравнивая полученные значения по двум коррекциям орбиты, можно видеть, что максимальный уровень квазипостоянных ускорений при коррекции орбиты средствами СМ на порядок превышает уровень квазипостоянных возмущений при коррекции с использованием
ЛТУ-3. Это же относится и к максимальным уровням СКУ. Средние значения СКУ двух коррекций отличаются в три раза.
Рассмотрим теперь еще один вид динамических операций: стыковку корабля ЛТУ-3 к агрегатному узлу СМ 28 марта 2012 г.
250 г-г
а)
Время, с
6)
Время, с
Рис. 6. Характеристики микроускорений при выполнении динамической операции (коррекция орбиты средствами европейского грузового корабля ATV-3) 05.04.2012 г.: а — квазипостоянных; б — среднеквадратичных; —■--X; —*— — Y;
Экстремальные амплитуды текущих низкочастотных возмущений, средние значения и среднеквадратичные отклонения за период с 18:37 до 22:37 GMT, включающий режим операций в ближней зоне («сближение, стыковка»), указаны в табл. 7.
Таблица 7
Уровень низкочастотных ускорений при стыковке к РС МКС корабля ATV-3
Направление Диапазон амплитуд, Mg т^ Mg СКУ, Mg
Вдоль оси +Х -999,97 ... +286,93 1,5008 10,221
Вдоль оси - У -1 374,9 ... +240,66 5,4928 10,347
Вдоль оси -Т -1 374,9 ... +560,19 -14,649 11,55
Суммарные значения СКУ при стыковке корабля АТУ-3 28 марта 2013 г. не превышали 20 да.
На рис. 7 приведены графики усредненных на интервалах № = 1 мин квазипостоянных и среднеквадратичных ускорений во время механического контакта и выравнивания осей корабля АТУ-3 и МКС.
а)
Время, с
22,4
22.5
22,6
22.7
Время, с
б)
Рис. 7. Характеристики микроускорений при выполнении динамической операции (стыковка корабля ATV-3 к агрегатному узлу СМ) 28.03.2012 г.: а — квазипостоянных; б — сред-
Эти графики показывают, что максимальный уровень квазипостоянных ускорений достигает 7 да, что в три раза выше, чем при передаче управления ориентацией с АС на РС, но значительно ниже любой из коррекций орбиты. С СКУ картина принципиально другая. Максимальные значения СКУ при стыковке достигают 160 да, что больше, чем при коррекции орбиты средствами ATУ-3 (120 да), и на порядок отличаются от максимальных уровней СКУ при передаче управления ориентацией с АС на РС (38 да). Средние значения СКУ (~20 да) при стыковке более сравнимы с показателями при «дневной» фоновой обстановке
и передаче управления ориентацией с АС на РС (15 и 12 jig соответственно), чем со средними СКУ при коррекциях орбиты средствами СМ и ATV-3 (320 и 110 да соответственно).
Анализируя рассмотренные варианты динамических операций, можно сделать следующие выводы:
• максимальные уровни квазипостоянных ускорений при «ночной», «вечерней» и «дневной» фоновых обстановках находятся в пределах 0,08...0,12 да, соответствуют требованиям к значениям микрогравитации (1 да) и даже являются существенно более низкими. Это объясняется расположением центра масс МКС в АС, где и проводились измерения;
• максимальный уровень среднеквадратичных ускорений существенно зависит от деятельности экипажа и возрастает от 4 jig во время сна экипажа («ночная» фоновая обстановка) до 13 да при штатной жизнедеятельности экипажа без физических упражнений, и до 20 j g во время «дневной» фоновой обстановки, когда экипаж кроме служебных операций занимается физическими упражнениями;
• динамические операции создают гораздо более высокий уровень микроускорений. При этом динамические операции можно разделить на две группы: группу, в которую входят все виды коррекций орбиты с очень высоким, по сравнению с фоновой обстановкой, уровнем микроускорений, и группу, в которую входят остальные динамические операции;
• коррекции орбиты, какими бы средствами они ни проводились, существенно превышают максимальные уровни квазипостоянных ускорений: от 250 j g при коррекции средствами ATV-3 до 2 300 да — двигателями СМ. Другие динамические операции имеют существенно более низкий уровень квазипостоянных ускорений: от 2,5 j g при построении ориентации на двигателях РС до 7 jg — при стыковке корабля ATV-3;
• максимальный уровень СКУ при построении ориентации на двигателях РС в два раза выше максимального показателя СКУ при «дневной» фоновой обстановке и более чем в три раза — при «вечерней» фоновой обстановке;
• максимальный уровень СКУ при коррекции орбиты средствами ATV-3 (120 да) оказался сопоставим с максимумом СКУ при стыковке корабля ATV-3 (160 да) и в то же время на порядок ниже максимального уровня СКУ при коррекции орбиты средствами СМ (2 850 jg).
Таким образом, при низких частотах в диапазоне 0,01...1 Гц только коррекции орбиты не удовлетворяют условиям по уровню микроускорений, заложенных при проектировании МКС. Впрочем, это относится только к АС МКС.
Анализ вибрационных ускорений
Вибрационные возмущения на АС МКС фиксируются различными высокочастотными датчиками, из которых для анализа были отобраны следующие:
• SAMSES-es05 с частотой опроса F = = 62,5 Гц и частотой среза фильтра Fф = 25,3 Гц, установленный в отсеке LABI S3, CIR, Front Panel модуля Destiny;
• SAMS-121/02 с частотой опроса Fo = 500 Гц и частотой среза фильтра Fф = 200 Гц, установленный в отсеке LAB1S2, MSG, Upper Le/t Seat Track модуля Destiny;
• датчики SAMS-2, которые были взяты для анализа из-за возможности их перенастройки на фильтр с частотой среза Fф = 6 Гц, при необходимости анализа низкочастотных вибровозмущений фильтруются.
В данной статье проводится анализ вибрационных возмущений, измеренных датчиком SAMSES-es05 вдоль конструкционных осей МКС при коррекции орбиты МКС двумя корректирующими двигателями СМ 19 октября 2011 г. При этом динамическом режиме выделяются три различных интервала: собственно сама коррекция орбиты, режим построения ориентации для коррекции орбиты на двигателях СМ и управление ориентацией на гиродинах Американского сегмента. Необходимо отметить, что у датчика SAMSES-es05 наблюдаются значительные «уходы нулей»: по оси X ~80 pg, по оси Y ~2 mg, по оси Z ~3,5 mg. В табл. 8 отражены параметры, зафиксированные датчиком SAMSES-es05.
Суммарные среднеквадратичные ускорения в диапазоне 0,03...25 Гц за период маневра коррекции не превышали 1 mg.
5 апреля 2012 г. вибровозмущения в модуле Destiny измерялись датчиками аппаратуры SAMS-2, в частности датчиком 121/02006 с частотой опроса Fo = 198 Гц и частотой среза фильтра Fф = 6 Гц. Рассмотрено три режима:
• «ночной» фон — время отдыха экипажа;
• «дневной» фон — выполнение штатных работ и ФУ;
• динамический режим, коррекция орбиты МКС средствами корабля ATV-3.
Результаты измерений представлены в табл. 9.
Сравнивая полученные значения, можно видеть, что интегральные параметры вибровозмущений в диапазоне 0,04.6,0 Гц «дневного» фона почти на порядок превышают соответствующие параметры «ночного» фона.
Квазипостоянные ускорения при работе двигателей корабля ATV-3 незначительно влияют на интегральные параметры вибровозмущений.
Работа двигателей почти не вызывает вибраций вдоль продольной оси. Максимальные вибровозмущения с амплитудой до 2 mg при нестационарных режимах возникают в поперечной плоскости МКС.
Сравнивая интегральные параметры возмущений в диапазоне 0,04. 6,0 Гц при различных режимах, можно видеть, что при активной жизнедеятельности экипажа экстремальные амплитуды текущих низкочастотных (до 6 Гц) возмущений и среднеквадратичные ускорения в 2,5-3,5 раза превышают соответствующие параметры фоновых возмущений. При стыковке эти параметры увеличиваются еще в 2-3 раза.
Таблица 8
Коррекция орбиты Построение ориентации Управление ГД АС, ФУ
Направление At = 16:13... 16:23 GTM At = 16:23... 17:03 GTM At = 17:03... 17:57 GTM
Диапазон амплитуд, pg СКУ, pg Диапазон амплитуд, pg СКУ, pg Диапазон амплитуд, pg СКУ, pg
Вдоль оси +Х -2 522...+2 700 104,01 -676,55...+470,21 49,329 -1 557...+943,58 65,918
Вдоль оси - У -3 573...+5 071,3 124,17 2 10-3...2 270,6 36,319 210-3...3 118,8 52,814
Вдоль оси -Т -8 713...-310-3 670,47 -3 642,5...-3-10-3 35,977 -4 848,7...-3-10-3 52,91
Таблица 9
Уровень вибровозмущений в диапазоне 0,04.6,0 Гц при различных режимах
«Ночной» фон «Дневной» фон Динамический режим
Направление At = 03:41+04:37 GTM At = 16:36... 18:41 GTM At = 19:05+19:52 GTM
Диапазон амплитуд, pg СКУ, pg Диапазон амплитуд, pg СКУ, pg Диапазон амплитуд, pg СКУ, pg
Вдоль оси +Х -238,5...+165,18 8,6436 -857,9...+602,47 42,573 -498,5...+363,13 38,45
Вдоль оси - У -134,5...+137,78 11,623 -1 524...+1 599,9 82,694 -1 736...+1 399,2 174,33
Вдоль оси -Т -141,6...+194,19 11,027 -2 301...+2 298,6 65,406 -2 136...+2 016,8 47,59
Уровень вибровозмущений в диапазоне 0,03...25 Гц при различных динамических режимах
Выводы
Результаты анализа микроускорений, возникающих при различных режимах полета МКС, показывают, что пилотируемая космическая станция может быть пригодна для проведения исследований, чувствительных к уровню микрогравитации в интервале между коррекциями орбиты, при условии размещения соответствующей аппаратуры вблизи центра масс станции. Приведенные в статье данные о микроускорениях в различных режимах функционирования станции могут быть использованы при планировании и проведении экспериментов, чувствительных к уровню микрогравитационной обстановки на МКС [11]. Для полного исследования микрогравитационной обстановки во всех модулях станции планируется доставка на МКС переносной аппаратуры измерения микроускорений.
Список литературы
1. Климов Д.М, Полежаев В.И., Беляев М.Ю., Иванов А.И., Рябуха С.Б., Сазонов В.В. Проблемы и перспективы использования невесомости в космической технологии // Труды ХЬП чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (17-19 сентября 2007). Казань. 2008. С. 25-44.
2. Беляев М.Ю. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях. М.: Машиностроение, 1984.
3. Беляев М.Ю., Воронков В.Н., Тян Т.Н. Управление движением КА при проведении программы технологических экспериментов // Идеи Ф.А. Цандера и вопросы астродинамики. М.: ИИЕТ АН СССР, 1982. С. 133-137.
4. Сарычев В.А., Беляев М.Ю, Сазонов В.В., Тян Т.Н. Определение микроускорений на орбитальных комплексах «Салют-6» и «Салют-7» //
Космические исследования. 1986. Т. 24. Вып. 3. С. 337-344.
5. Бабкин Е.В., Беляев М.Ю., Ефимов Н.И., Сазонов В.В., Стажков В.М. Определение квазистатической компоненты микроускорения, возникающего на борту Международной космической станции // Космические исследования. 2004. Т. 42. Вып. 2. С. 162-171.
6. Беляев М.Ю., Зыков С.Г., Рябуха С.Б, Сазонов В.В., Стажков В.М. Математическое моделирование и измерение микроускорений на орбитальной станции «Мир» // Известия Академии наук. Механика жидкости и газа. 1994. № 5. С. 5-14.
7. Рябуха С.Б, Киселев С.В. Некоторые особенности вибрационных возмущений на борту орбитального комплекса «Мир» // Космические исследования. 2001. Т. 39. № 2. С. 129-135.
8. Беляев М.Ю, Брюханов Н.А., Рябуха С.Б., Стажков В.М., Лукьященко А.В., Обыденников С.С. Микровозмущения, возникающие в процессе эксплуатации Российского сегмента Международной космической станции // Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИмаш. 2007. № 1(46). С. 121-129.
9. Беляев М.Ю., Волков О.Н., Рябуха С.Б. Микровозмущения при выполнении физических упражнений экипажем на Международной космической станции // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королева. 2011. Сер. XII. Вып. 1-2. С. 71-96.
10. Беляев М.Ю., Бабкин Е.В., Волков О.Н., Рябуха С.Б. Микровозмущения при динамических операциях на Международной космической станции // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королева. 2011. Сер. XII. Вып. 1-2. С. 51-70.
11. ЛегостаевВ.П., Марков А.В., СорокинИ.В. Целевое использование РС МКС: значимые научные результаты и планы на следующее десятилетие // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С. 3-19.
Статья поступила в редакцию 31.05.2013 г.
