CC BY
98
УДК 629.78.017.1
В. А. Смирнов, И. А. Максимов, В. В. Иванов, А. Б. Надирадзе
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НЕГЕРМЕТИЧНОГО ПРИБОРНОГО ОТСЕКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Предлагаются подходы повышения надежности негерметичного приборного отсека (НГПО) космического аппарата (КА), основанные на улучшении защищенности аппаратуры от воздействия факторов космического пространства (ФКП) и факторов техногенного характера (ФТХ). Осуществлена математическая постановка задачи оптимизации конструктивно-компоновочной схемы НГПО в части взаимного расположения вентиляционных отверстий, поверхностей, критичных к загрязняющему воздействию, и стационарных плазменных двигателей.
Одним из факторов обеспечения конкурентных преимуществ на рынке информационных спутниковых систем является сокращение сроков их разработки и производства. Так, компании Lockheed Магііп, например, на создание одного спутника требуется не более 18 месяцев [1]. При этом требования к надежности систем и длительности сроков активного существования спутников, входящих в них, постоянно возрастают. В настоящее время общепринятое требование к сроку активного существования высокоорбитального телекоммуникационного спутника - не менее 15 лет.
Сократить сроки разработки и производства спутника позволяет модульный метод его построения, при котором спутник собирается из модуля полезной нагрузки (МПН), специализированного для каждого спутника, и унифицированного модуля служебных систем (МСС) или платформы. В настоящее время приборный отсек МСС выполняется, как правило, в негерметичном исполнении. Конструктивно-компоновочная схема НГПО унифицированной спутниковой платформы «Экспресс-1000» представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конструктивно-компоновочная схема НГПО спутниковой платформы «Экспресс-1000»
Конструктивно-компоновочная схема КА на базе унифицированной спутниковой платформы «Экспрес-1000» представлена на рис. 2.
В данном случае корпус НГПО отсека выполнен из сотовых панелей 1, на него посредством кронштейнов
устанавливается термостатированная плита полезной нагрузки 2. Аппаратура из состава МСС устанавливается на сотовых панелях и размещается преимущественно внутри НГПО. Сотовые панели имеют технологические отверстия 3 для ввода (вывода) конструктивных элементов: штанг, межблочных трубопроводов, жгутов кабелей ит. п., - и вентиляционные отверстия 4.
Рис. 2. Конструктивно-компоновочная схема КА на базе спутниковой платформы «Экспресс-1000»
Использование сотовых панелей в качестве основного конструктивного элемента НГПО позволяет уменьшить массу конструкции, а негерметичное исполнение приборного отсека - сократить сроки изготовления КА. Однако недостатком такого приборного отсека является недостаточная защищенность его внутреннего объема от воздействия паразитных электромагнитных полей и токов и заряженных частиц природного (электронов маг-нитосферной плазмы) и техногенного (ионов плазмы,
генерируемой электроракетными двигателями) происхождения.
Вышеназванные дестабилизирующие факторы способны проникать в НГПО через зазоры между сотовыми панелями, образующими корпус приборного отсека, приборным отсеком и термостатированной плитой полезной нагрузки, краями технологических отверстий и конструктивными элементами, проходящими через них, и вентиляционные отверстия. Это снижает надежность платформы и КА в целом, вызывает необходимость ужесточения требований к аппаратуре, увеличения объема ее автономной отработки, введения в ее состав дополнительных элементов защиты, повышающих массу. Данный недостаток в еще большей мере относится и к другим вариантам негерметичного исполнения приборного отсека КА, например, описанным в патентах [2; 3].
Целью данной работы является повышение надежности платформы с НГПО, выполненным из сотовых панелей. Для этого должна быть решена задача улучшения защищенности аппаратуры от воздействия ФКП и ФТХ, обусловленных негерметичным исполнением приборного отсека.
К таким факторам помимо паразитных электромагнитных полей и токов, электронов магнитосферной плазмы и ионов плазмы, генерируемой электроракетными двигателями, относится собственная атмосфера негерметичного отсека (САНО). Повреждающее и дестабилизирующее воздействие САНО проявляется, в основном, в изменении электроизоляционных характеристик высоковольтных вакуумных промежутков аппаратуры, расположенной в НГПО, и в загрязняющем воздействии на критичные поверхности КА продуктами САНО, истекающими из НГПО.
Предотвращение проникновения в НГПО паразитных электромагнитных полей и токов может быть достигнуто посредством экранирования зазоров элементом, выполненным из специального материала, предотвращающего проникновение электромагнитного излучения. Оптическая непрозрачность материала предотвращает проникновение в приборный отсек через зазоры также и заряженных частиц, но препятствует истечению продуктов газо-выделения неметаллических конструкционных материалов, расположенных внутри НГПО и формирующих САНО. Для их отвода должны быть предусмотрены специальные вентиляционные отверстия. Этим достигается управляемость процесс отвода продуктов САНО из НГПО.
Максимально допускаемый размер вентиляционного отверстия определяется длиной волны электромагнитного излучения исходя из условия предотвращения его проникновения в НГПО. Количество вентиляционных отверстий определяется из условия минимизации механических нагрузок на конструкцию НГПО при спаде давления на участке выведения.
Суммарная площадь вентиляционных отверстий определяется по формуле
р У = отв.
е—
V
МФ
2АР
£р
ного отсека, не занятый аппаратурой; V - внутренний объем головного обтекателя ракеты-носителя; М - коэффициент расхода; ф - коэффициент скорости истечения газа; ДР - допускаемое избыточное давление в приборном отсеке; £ - коэффициент сопротивления вентиляционного отверстия; р - плотность газа.
Для минимизации загрязняющего воздействия продуктов САНО, истекающих из НГПО, через вентиляционные отверстия располагать их следует на максимальном расстоянии и вне зон прямой видимости от элементов КА, критичных к загрязняющему воздействию. Данные, представленные в работе [4], подтверждают, что отвод продуктов САНО через вентиляционные отверстия определенных размеров, расположенных в определенных местах, позволяет существенно уменьшать деградацию функциональных характеристик подсистем КА вследствие их загрязнения продуктами САНО.
Для минимизации проникновения в приборный отсек ионов плазмы, генерируемой электроракетными двигателями, через вентиляционные отверстия располагать их следует на максимальном расстоянии и вне зон прямой видимости стационарных плазменных двигателей. При этом коэффициент ослабления потоков плазмы на участке от среза сопла двигателя до вентиляционного отверстия оценивается по формуле [5]
К = !
' А * Яп
(2)
где ^1 - расстояния от среза сопла стационарного плазменного двигателя до зоны расположения вентиляционного отверстия; Я0 - радиус сечения сопла стационарного плазменного двигателя.
Дополнительное ослабление потоков как ионов плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями, так и электронов магнитосферной плазмы может быть достигнуто за счет лабиринтного исполнения вентиляционных отверстий, исключающих попадание прямых потоков частиц в приборный отсек [6].
Пример конструктивного исполнения вентиляционного отверстия лабиринтного типа в сотовой панели представлен на рис. 3.
(1)
где 2 - расход газа, вытекающего из под головного обтекателя ракеты-носителя; V - внутренний объем прибор-
Рис. 3. Вентиляционное отверстие лабиринтного типа в сотовой панели: 1 - сотовая панель; 2 - полый цилиндр;
3 - днище цилиндра; 4 - окна для отвода продуктов САНО
Ослабление потоков заряженных частиц достигается за счет их рекомбинации и нейтрализации, обусловленных большим количеством соударений частиц с поверхностями отверстия. Величина ослабления потоков заряженных частиц Косл лабиринтом определятся коэффициентом отражения частиц от поверхностей лабиринта Я и зависит от его геометрических параметров [5]
К = СЯ "а(*), (3)
осл
где С - коэффициент пропорциональности; а - коэффициент, зависящий от геометрических параметров лабиринта; I, s - геометрические параметры лабиринта.
Коэффициент отражения Я может быть определен экспериментально для интервала энергий частиц, реализуемого в условиях орбитальной эксплуатации изделия.
Для математической постановки задачи оптимизации конструктивно-компоновочной схемы НГПО в части взаимного расположения вентиляционных отверстий, поверхностей, критичных к загрязняющему воздействию, и стационарных плазменных двигателей воспользуемся подходом, описанным в работах [7; 8]. Для этого вышеназванные элементы КА необходимо разделить на элементы, подвергаемые воздействию, и элементы, обуславливающие это воздействие.
Например, для случая загрязнения критичной поверхности продуктами САНО, истекающими из вентиляционного отверстия, критичная поверхность будет элементом, подвергаемым загрязняющему воздействию, а вентиляционное отверстие элементом, обуславливающим это воздействие. При рассмотрении случая проникновения ионов плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями, в НГПО через вентиляционные отверстия их следует отнести к элементам, подвергаемым воздействию, а стационарный плазменный двигатель к элементу, обуславливающему это воздействие.
Математическое описание взаимного размещения вышеназванных элементов конструкции НГПО может быть представлено следующим образом:
Р = ^ /(мР< . = 1< п} =1> т и. е
Vk (иц ) < 0 ,
Ф* (и ц) < 0 , (4)
где Р - функция цели; и.. - вектор параметров взаимного размещения элементов, подвергаемых воздействию, и элементов, обуславливающих воздействие; п, т - количество элементов, подвергаемых воздействию, и элементов, обуславливающих воздействие, соответственно; Ок - область допустимых решений; V*, ф* - ограничения на взаимное размещение элементов НГПО.
В общем случае функции цели и ограничений являются нелинейными. Область определения функции является многосвязной, задача - многоэкстремальной и относится к классу задач нелинейного математического программирования специального вида. Для данного вида задач существенным является то, что функция цели Р является многопараметрической. Основное в решении таких задач - выбор функции цели Р.
Очевидно, что функция цели Р должна являться показателем эффективности платформы и НГПО, которые для разных типов КА могут различаться. Однако такой пока-
затель эффективности НГПО, как его стойкость к воздействию внешних повреждающих и дестабилизирующих факторов, применим к любому типу КА. Оптимальное взаимное размещение элементов НГПО, подвергаемых воздействию, и элементов, обуславливающих это воздействие, уменьшающее степень дестабилизирующего и повреждающего воздействия, является необходимым условием обеспечения стойкости НГПО к воздействию ФКП и ФТХ и может быть выбрано в качестве функции цели Р как показателя эффективности НГПО.
Аргументы функции цели Р можно классифицировать по двум типам:
- аргументы габаритно-массово-инерционные;
- аргументы воздействия ФКП и ФТХ.
Связь аргументов осуществляется посредством определения зависимостей функцией цели Р (например, сохранение во времени в установленных пределах значений всех параметров аппаратуры, расположенной в НГПО, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в заданных режимах в условиях воздействия ФКП и ФТХ) и вектором параметров взаимного размещения элементов НГПО. Решение данной задачи осуществляется разделением аргументов на главные и переводимые в разряд ограничений посредством определения уровней значимости каждого из аргументов.
Для каждого типа аргументов строится функция вида
АР, %)=о,
АР, К) = о, (5)
где N.. - аргумент габаритно-массово-инерционных факторов; К.. - аргумент воздействия ФКП и ФТХ.
Итак, для решения задачи оптимизации конструктивно-компоновочной схемы НГПО в части взаимного расположения вентиляционных отверстий, поверхностей, критичных к загрязняющему воздействию, и стационарных плазменных двигателей необходимо численными методами выполнить анализ и получить оптимальное решение, исходя из положительных критериев выбранной функции цели Р, уравнения, принимающего следующий вид:
optАР, и.., И.., К.) I = 1, п,у =1, т, и.. е вк,
N.. < 0 К. < 0 ,
V , V
V * (иу) < 0,
Ф* («<,-) < 0 . (6)
Вышеизложенный подход математической постановки задачи оптимизации конструктивно-компоновочной схемы НГПО может быть распространен и на КА в целом.
В заключение можно констатировать следующее:
1) обеспечение защиты аппаратуры, размещенной внутри НГПО, от дестабилизирующего воздействия паразитных электромагнитных полей и токов и заряженных частиц на уровне приборного отсека позволяет снизить предъявляемые к ней требования, что в конечном итоге значительно упрощает разработку и наземную экспериментальную отработку (НЭО) аппаратуры и КА в целом, сокращает длительность процесса изготовления КА;
2) управляемый отвод продуктов САНО через вентиляционные отверстия, размеры и количество которых задаются, позволяет контролировать процесс обезгажива-ния НГПО посредством расчетно-аналитического метода и обеспечивать режимы функционирования высоковольтной и высокочастотной аппаратуры, безопасные с точки зрения возникновения электрического пробоя;
3) отвод продуктов САНО через вентиляционные отверстия определенных размеров, расположенных в определенных местах, позволяет существенно снизить степень их загрязняющего воздействия. Так, согласно [4], прогнозируемое уменьшение деградации мощности панелей солнечных батарей для спутников GPS, достигаемое за счет вышеописанного подхода, составляет 3 % (при суммарной деградации мощности вследствие воздействия всех факторов, равной 31 %);
4) решение уравнения (6) с использованием формализованных моделей или информационно-прогнозиру-ющих систем позволяет добиться оптимального взаимного размещения вентиляционных отверстий, поверхностей, критичных к загрязняющему воздействию, и стационарных плазменных двигателей как элементов НГПО, подвергаемых воздействию, и элементов, обуславливающих воздействие, при приоритетном учете габаритно-массово-инерционного фактора. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить степень дестабилизирующего и повреждающего воздействия ФКП и ФТХ.
Таким образом, используя вышеназванные подходы можно существенно повысить надежность платформы с НГПО, выполненного из сотовых панелей, и КА в целом,
обеспечив требуемые сроки активного существования, сохраняя при этом сжатые сроки разработки и изготовления КА.
Библиографический список
1. Aviation Week and Space Technology. 2005. 21/III. #12.
2. Пат. США, B 64 G 1/10, 244-159. № 4715566. 1987.
3. Пат РФ. C1, 6 B 64 G 1/22. № 2089466. 1997.
4. Tribble, A. C. Revised Estimates of Photochemically Deposited Contamination on the Global Positioning System Satellites / A. C. Tribble ; Rockwell International Corporation // Spacecrafts and Rockets. 1998.
5. Проведение работ по обеспечению стойкости космического аппарата темы 771к воздействию плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями : Отчет о ОКР М. : МАИ, 2006.
6. Надирадзе, А. Б. Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и системы космических летательных аппаратов : дис. ... д-ра техн. наук / А. Б. Надирадзе. М., 2003.
7. Shulepov, A. One approach to the task of soft spacecraft structure elements location / A. Shulepov, S. Andreev // Proceeding of fourth Ukraine-Russia-China symposium on space science and technology. Kiev, 1996.
8. Шулепов, А. И. Размещение оборудования космических аппаратов с учетом воздействия метеорных и техногенных частиц / А. И. Шулепов, Г. В. Мятишкин, Ю. Л. Тарасов // Двойные технологии. 2002. N° 4.
V. А. Smirnov, I. A. Maximov, V. V. Ivanov, A. B. Nadiradze RELIABILITY RISE OF THE SPACECRAFT NON-SEALED INSTRUMENT MODULE
It is proposed approaches to the reliability rise of the non-sealed instrument module of the spacecraft, based on the improvement of the apparatus protectability from the influence of the outer space factors and also from the factors of the man-caused nature. Here is realized the mathematical statement of the non-sealed instrument module constructive layout diagram optimization in the part of mutual location of the vents, surfaces, which are critical to contaminant influence and stationary plasma thrusters.
Принята к печати в декабре 2006 г.
УДК 533.95
М. В. Краев, В. С. Славин
ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ В ПРОЕКТАХ ОСВОЕНИЯ КОСМОСА XXI ВЕКА
На основе анализа развития имеющихся средств и возможного создания энергодвигательных установок будущего рассматриваются стратегия и перспективы освоения ближнего и дальнего космического пространства мировым сообществом.
Достижения космонавтики XX в. обеспечены создани- 3 000.. .4 500 м/с. Двигательные установки (ДУ) космичес-
ем высокоэнергетических энергодвигательных установок ких аппаратов (КА), работающие на орбитах, имеют не-
ракет-носителей и разгонных блоков. Наиболее широко сколько двигателей малой тяги. Химические двигатели КА
распространены двухкомпонентные жидкостные ракетные имеют малый удельный импульс, величина которого нахо-
двигатели (ЖРД) тягой от нескольких килограммов по не- дится на уровне 2 000.2 500 м/с. Наиболее перспектив-
скольких сотен тонн и удельным импульсом в диапазоне ные электрореактивные двигатели (ЭРД), в которых под-
