CC BY
24уДК 629.78.078
первый опыт очистки внешней поверхности остекления иллюминатора космического пилотируемого аппарата
© 2017 г. Белоногов г.в., воробьев ю.А., гукало А.А., магжанов р.м., Соколова С.п., Дыганков О.С.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected]
Представлена технологическая операция по очистке внешней поверхности остекления иллюминатора служебного модуля, входящего в состав Российского сегмента Международной космической станции. Работа подготовлена специалистами ПАО РКК «Энергия» имени С.П. Королёва и впервые в практике эксплуатации космических пилотируемых аппаратов выполнена в процессе внекорабельной деятельности 10 августа 2015 г. космонавтами Геннадием Падалка и Михаилом Корниенко. В статье отмечено значение чистоты остекления иллюминаторов для их целевого использования, приведены примеры их фактического состояния, изложены предположения об источниках и причинах загрязнений, обоснована актуальность задачи и показан подход к ее решению, включая демонстрацию возможности механического снятия мелкодисперсного слоя пыли в рамках космического эксперимента «Тест». Показано устройство приспособления для очистки, дано описание манипуляций и действий космонавтов при работе в открытом космосе. В качестве дополнительного результата этих работ получены предварительные данные о составе продуктов очистки, которые были возвращены на Землю и подвергнуты физико-химическому анализу. Исследования будут продолжены в интересах рационализации технологии очистки и профилактики запыления.
Ключевые слова: остекление иллюминатора, состояние поверхности, внекорабельная деятельность, мелкодисперсная пыль, механическая очистка.
first experience to clean
the external surface of the spacecraft window panel
Belonogov G.v., vorobyev Yu.A., Gukalo A.A., Magzhanov Г.м., Sokolova S.p., Tsygankov O.S.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow reg, 141070, Russian Federation, e-mail:[email protected]
The technological operation for cleaning the window panel external surface of the Service Module being part of the Russian Segment of the International Space Station is presented. The work was prepared by specialists of S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia and for the first time in practice of manned spacecraft operation was performed during extravehicular activity on August 10, 2015 by cosmonauts Gennady Padalka and Mikhail Kornienko. The article underlines the importance of cleanliness of the mentioned window panels for their intended use, the examples of their actual state are given, some assumptions about the sources and causes of pollution are stated, the urgency of this problem is substantiated and the approach to its solution is shown including demonstration of the capability of mechanical removal of the fine dust layer in the scope of space experiment Test. The cleaning device is shown, the description of manipulations and actions of cosmonauts during extravehicular activity is given. Preliminary data on the composition of the refinement products which were returned to Earth and subjected to physicochemical
analysis is obtained as an additional result of these activities. Research will be continued in the interests of rationalizing the treatment technology and dust prevention.
Key words: window panel, surface condition, extravehicular activity, fine dust, mechanical treatment.
МАГЖАНОВ P.M. СОКОЛОВА С.П. ЦЫГАНКОВ О.С.
БЕЛОНОГОВ Геннадий Викторович — начальник отдела РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
BELONOGOV Gennady Viktorovich — Head of Department at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ВОРОБЬЕВ Юрий Андреевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
VOROBYEV Yury Andreevich — Candidate of Sciences (Engineering), Senior research scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ГУКАЛО Антон Александрович — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
GUKALO Anton Alexandrovich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: [email protected]
МАГЖАНОВ Раис Мухтясибович — заместитель генерального конструктора, руководитель НТЦ РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
MAGZHANOV Rais Mukhtyasibovich — Deputy General Designer, Head of STC at RSC Energia, e-mail: [email protected]
СОКОЛОВА Светлана Павловна — начальник лаборатории РКК «Энергия», e-mail: [email protected] SOKOLOVA Svetlana Pavlovna — Head of Laboratory at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ЦЫГАНКОВ Олег Семенович — доктор технических наук, главный научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
TSYGANKOV Oleg Semenovich — Doctor of Science (Engineering), Chief research scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
введение
Все пилотируемые космические аппараты различного назначения оснащены средствами для визуальных наблюдений и оптического контакта с окружающей средой — иллюминаторами. Начиная с первых кораблей «Восток» и по сегодняшний день иллюминаторы являются неотъемлемой частью пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций. Опыт эксплуатации Международной космической станции (МКС) показал, что в процессе полета на поверхности иллюминаторов (их внешних стекол) появляются различные загрязнения, которые ухудшают оптические характеристики иллюминаторов. Отчеты, представляемые операторами после возвращения с МКС, как правило, содержат замечания к состоянию поверхностей остекления иллюминаторов. В результате было принято решение провести пробную очистку стекол иллюминаторов. Для его реализации было разработано и доставлено на борт МКС специальное приспособление. Впервые в международной практике во время выхода членов экипажа во внешнее пространство была выполнена пробная очистка внешнего стекла иллюминатора. Результаты этой работы представлены в данной статье.
постановка задачи
По результатам мониторинга технического состояния иллюминаторов, который проводится два раза в год, было отмечено, что на внешней поверхности стекол иллюминаторов появляются различные дефекты [1]. Кроме механических повреждений, которые образуются в результате бомбардировки поверхности МКС микрометеороидами и частицами космического мусора, на поверхности стекол иллюминаторов появляются зоны затемнения, природа появления которых не всегда понятна. Источники таких загрязнений могут быть как естественного, так и техногенного происхождения (остатки ракетного топлива, продукты газовыделения материалов внешних поверхностей станции). Изменения значений таких оптических параметров, как коэффициент светопропускания, угол отклонения, коэффициенты светорассеяния и загрязнения, снижают качество фото- и видеоматериалов.
Внутренняя часть остекления иллюминаторов, доступная экипажу со стороны гер-мообъема, может быть очищена относительно простыми средствами, не требующими
специальных приспособлений. Наружная
часть остекления иллюминаторов загрязнена значительно больше, с точки зрения обслуживания труднодоступна, и ее очистка возможна только при работе оператора в открытом космосе в процессе внекорабельной деятельности (ВКД). Так как иллюминаторы Российского сегмента (РС) МКС не могут быть заменены из-за их конструктивного исполнения, была поставлена задача провести пробную очистку иллюминатора в процессе эксплуатации станции.
подготовка к проведению очистки
Для подготовки решения данной проблемы были проведены следующие работы:
• анализ расположения, назначения и полей зрения иллюминаторов с целью определения возможных загрязнений от потока частиц космической пыли, расположения двигательных установок и прочих элементов станции как источников техногенных загрязнений;
• анализ проводимых работ в районе зон иллюминаторов РС МКС с точки зрения возможных загрязнений;
• анализ химического состава загрязнений;
• анализ взаимосвязи химического состава загрязнений и работ, проводившихся при ВКД;
• анализ качества фотоснимков в зависимости от загрязнения иллюминаторов;
• тепловые испытания вариантов чистящих средств и материалов;
• оценка влияния химического и механического воздействия чистящих средств на оптические покрытия остекления иллюминаторов.
Для определения уровня механического воздействия на оптические покрытия остекления иллюминаторов была проведена пробная очистка наземных образцов стекол от разных типов загрязнений: жировых пятен, пыли и пр. Из перечня чистящих материалов был выбран оптимальный с точки зрения качества очистки и эксплуатационных характеристик — фторлоновая ткань.
В ходе наземных экспериментов была отработана методика очистки стекол иллюминаторов и подтверждена возможность очистки с использованием разработанного приспособления.
По результатам проработки условий действия экипажа при ВКД с иллюминаторами, физико-химического состава загрязнений и прочих факторов было разработано, изготовлено и доставлено на МКС на ТГК «Прогресс» приспособление для очистки.
Перед отправкой на МКС были проведены его наземные испытания, в т. ч. пробная очистка стекол на стенде обезвешивания оператора «Селен». В обеспечение наземных испытаний на стенд был установлен специально разработанный имитатор иллюминатора, аналогичный штатным образцам, и отработана методика выполнения работ по его очистке с участием экипажа.
Одновременно с подготовкой очистки был проведен космический эксперимент «Тест», задачей которого было взятие проб-мазков с различных элементов наружной поверхности станции для определения химического состава загрязнений и оценки возможности снятия загрязнения. Были взяты пробы по периметру остекления иллюминатора, что позволило убедиться в возможности удаления слоя загрязнений [2].
иллюминаторы в составе российского сегмента мкС
В составе РС МКС имеется 17 иллюминаторов, из них:
• в служебном модуле (СМ) — 13;
• в модуле МИМ2 — 2;
• в стыковочном отсеке — 2.
На рис. 1 показана схема расположения иллюминаторов СМ РС МКС.
№7 №9
Рис. 1. Иллюминаторы служебного модуля РС МКС
В табл. 1 приведены типы используемых иллюминаторов.
Таблица 1
основные характеристики используемых иллюминаторов
Световой диаметр, мм Внешний оптический диаметр, мм Фокусное расстояние, м Количество
426 490 20 000 1
228 228 10 000 15
80 80 5 000 1
Все иллюминаторы — двухстекольные, камерного типа, заполненные сухим азотом под давлением 1 кг/см2. В качестве остекления иллюминаторов используются кварцевые стекла марки КВ, на которые нанесены прозрачные покрытия, обеспечивающие пропускание световых волн в диапазоне 400...2 500 нм.
Для очистки был выбран иллюминатор № 2 как наиболее загрязненный.
устройство приспособления для очистки
Приспособление для очистки состоит из трех основных составных частей: рамки, очистителей и емкости для хранения загрязнений. На рис. 2 показан общий вид приспособления.
3
Рис. 2. Приспособление для очистки остекления иллюминаторов МКС. Общий вид: 1 — лирка; 2 — очистители; 3 — рамка; 4 — емкость
Рамка служит несущей конструкцией, на которой закреплены все элементы приспособления. Два очистителя с помощью пружинных элементов (лирок) крепятся на рамке и фиксируются от перемещений внутри емкости. Емкость выполнена в виде сменного цилиндра и служит для закрепления очистителей и хранения загрязнений после очистки иллюминаторов.
Очиститель состоит из сменной кассеты и ручки.
Сменная кассета после использования извлекается из очистителя и фиксируется специальными крепежными элементами в емкости, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Емкость с установленными в ней отработанными кассетами: 1 — крепежные элементы; 2 — кассета; 3 — емкость
технология очистки
Действия космонавтов состоят из двух стадий:
• обеспечение доступа к иллюминатору, принятие и стабилизация рабочей позы;
• подготовка приспособления к использованию и движения для механического снятия слоя пыли.
Иллюминатор № 2 расположен в зоне поверхности СМ, которая не оснащена средствами фиксации в непосредственной близости от иллюминатора. Обеспечение доступа выполнено путем взаимодействия двух космонавтов.
Экипажу было предложено две возможных схемы расположения. На рис. 4 показана схема, по которой оператор О1, удерживаясь за продольный поручень, ориентирует оператора О2, придерживая его за ногу. На рис. 5 показана схема, согласно которой О1 прижимает О2 к поверхности СМ, опираясь рукой на ранец его скафандра. По инициативе экипажа реализована была первая схема.
Рис. 4. Схема № 1 расположения космонавтов при чистке иллюминатора
Рис. 5. Вариант № 2 расположения космонавтов во время чистки иллюминатора
После принятия рабочей позы оператор поочередно (для проверки возможности достижения лучшего эффекта) проводит работу каждым из очистителей: извлекает из закрепления очиститель, установленный на рамке, проводит очистку оптической поверхности иллюминатора и возвращает очиститель обратно.
Для следующего цикла работ емкость с отработанными сменными кассетами внутри гермообъема заменяется на новую, на очистители устанавливаются чистые кассеты. Отработанные емкости с кассетами утилизируются или возвращаются на Землю. Безопасность операторов при замене емкости с отработанными сменными кассетами обеспечивается ее конструктивным исполнением: чистящие поверхности сменных кассет утоплены внутрь емкости и зафиксированы специальными крепежными элементами.
результаты очистки
10.08.2015 г. во время выхода в открытый космос впервые в международной практике была проведена очистка наружной части остекления иллюминатора (иллюминатор № 2
РС МКС) космонавтами Михаилом Корниенко и Геннадием Падалка. Процесс очистки иллюминатора продолжался не более 30 мин, в течение которых космонавт с определенным усилием перемещал приспособление по окружности стекла иллюминатора.
Результаты очистки стекол иллюминатора № 2 показаны на рис. 6 и 7.
Рис. 6. Иллюминатор № 2 служебного модуля РС МКС до очистки (26.06.2015 г.)
Рис. 7. Иллюминатор № 2 после очистки во время вне-корабельной деятельности 10.08.2015 г.
Недостатком в обеспечении процесса очистки было отсутствие опор для фиксации положения оператора, что привело к невозможности создания необходимого для полной очистки усилия на поверхность стекла со стороны оператора. Таким образом, была
доказана принципиальная возможность очистки иллюминаторов, но максимального результата при этом достигнуть не удалось.
На рис. 8 показано расположение оператора относительно плоскости иллюминатора и способ хвата рукоятки очистителя.
Рис. 8. Космонавт Михаил Корниенко проводит очистку иллюминатора № 2
По окончании очистки отработанные кассеты (рис. 9) были возвращены с борта РС МКС на Землю с целью определения химического состава загрязнений.
Рис. 9. Отработанная кассета, извлеченная из емкости
На рис. 10 приведен кадр, полученный в процессе исследования загрязнения на микрочастицы в рентгеновском свете.
В табл. 2 показан химический состав микрочастиц загрязнений чистящей поверхности отработанной кассеты.
По результатам проведения очистки иллюминаторов РС МКС было выпущено заключение о положительных результатах пробной очистки.
Рис. 10. Исследуемая частица в рентгеновском свете
Таблица 2
химический состав микрочастиц загрязнений
1. Проведенная очистка показала принципиальную возможность проведения очистки иллюминаторов при ВКД.
2. Визуальный осмотр с борта РС МКС показал, что после очистки иллюминатора № 2 качество изображения значительно улучшилось.
3. Проделанные работы дают возможность в дальнейшем проводить очистку иллюминаторов РС МКС отработанными методами с минимальными затратами средств и времени, чтобы в определенной степени восстановить их оптические характеристики.
Список литературы
1. Воробьев Ю.А., Магжанов Р.М., Семенов В.И., Устинов В.В., Фельдштейн В.А., Чернявский А.Г. Влияние высокоскоростных ударов метеороидов и частиц космического мусора на прочность стекол иллюминаторов модулей Международной космической станции // Космическая техника и технологии. 2015. № 1(8). С. 53-66.
2. Цыганков О.С., Гребенникова Т.В., Дешевая Е.А., Лапшин В.Б. и др. Исследование мелкодисперсной среды на внешней поверхности Международной космической станции в эксперименте «Тест»: обнаружены жизнеспособные микробиологические объекты // Космическая техника и технологии. № 1. 2015. С. 31-41.
Статья поступила в редакцию 28.02.2017 г.
Элементы C O F Al Si S K Zn Сумма
Содержание, % 17,72 15,56 4,92 0,37 0,19 0,04 0,38 60,82 100,00
Быводы
Reference
1. Vorob'ev Yu.A., Magzhanov R.M., Semenov V.I, Ustinov V.V., Fel'dshtein V.A., Chernyavskii A.G. Vliyanie vysokoskorostnykh udarov meteoroidov i chastits kosmicheskogo musora na prochnost' stekol illyuminatorov modulei Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii [The effect of high-velocity impacts of meteoroids and space debris on the strength of glass in the windows of the International Space Station modules]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 1(8), pp. 53 -66.
2. Tsygankov O.S., Grebennikova TV, Deshevaya E.A., Lapshin V.B. i dr. Issledovanie melkodispersnoi sredy na vneshnei poverkhnosti Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii v eksperimente «Test»: obnaruzheny zhiznesposobnye mikrobiologicheskie ob»ekty [Study of the environment finely dispersed on the outer surface of the International Space Station and detection of microbiological objects in space experiment «Test»]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 1(8), pp. 31-41.
