Научно техническое обоснование

Вид материала

Документы

Содержание Условные обозначения и сокращения Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние исследований в настоящее время. Необходимость проведения КЭ в космических условиях Краткое описание КЭ. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками . Наименование параметра Предложения по аппаратуре измерения давления в СВА МКС Предложения по бортовому радиочастотному датчику электрических разрядов Предложения по измерению энергии ионов Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ

Подобный материал:

• Научно-техническое описание и обоснование проекта (тэо), 634.09kb.
• «Технологии, научно-техническое и информационное обеспечение в образовании, экономике, 3143.51kb.
• Положение III международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество, 96.79kb.
• Научно-практическое обоснование использования новых пробиотических препаратов в промышленном, 990.82kb.
• Техническое задание на оказание услуг по теме Научно техническое обеспечение исследований, 126.7kb.
• Обоснование для включения работы в план ниокр заказчик 01. Комплексные проблемы социального, 339.88kb.
• Целевые научно-технические программы как форма финансовой поддержки инноваций в России, 90.02kb.
• «Всероссийский нефтегазовый научно-исследовательский институт им акад. А. П. Крылова», 789.97kb.
• Философия современного научно-технического сообщества россии, 303.54kb.
• Удут осуществлять и развивать научно-техническое сотрудничество в областях, определенных, 117.7kb.

Научно - техническое обоснование

космического эксперимента


Отработка способов и средств активного контроля электроразрядной обстановки на внешней поверхности и в плазменном окружении МКС.


Шифр эксперимента: «ПЛАЗМА-ЭРП»


г.Королёв

• 2009 –
  

Оглавление

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ


АС - американский сегмент

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ВВ СБ - высоковольтная солнечная батарея

ВКД - внекорабельная деятельность

ГПО - газоплазменное образование

ДПО - двигатель причаливания и ориентации

ЖРД - жидкостной ракетный двигатель

ЗЛ - зонд Ленгмюра

ИПИ - импульсный плазменный источник

КА - космический аппарат

ККЭП - комплекс контроля электрофизических параметров

КЭ - космический эксперимент

МКС - Международная космическая станция

МПЗ - магнитное поле Земли

ОКП - окружающее космическое пространство

ОС - орбитальная станция

РС - российский сегмент

СВА - собственная внешняя атмосфера

СМ - служебный модуль

СЭП - система электропитания

ТГК - транспортно-грузовой корабль

ТК - транспортный корабль

ТМИ - телеметрическая информация

ФКП - факторы космического пространства

ЦУП - центр управления полётом

ЭВТИ - экранно-вакуумная теплоизоляция

ЭРД - электроракетный двигатель

ЭРП - электроразрядные процессы

ЭСР - электростатический разряд

FPMU - блок измерения плавающего потенциала (Floating Potential Measurement Unit)

PCU - блок плазменных контакторов-(Plasma Contactor Unit)

1. Сущность исследуемой проблемы.

Важными факторами функционирования МКС на околоземной орбите являются образование вокруг них весьма плотной собственной внешней атмосферы (СВА) и воздействия на неё электрического поля высоковольтной системы электропитания (СЭП). Под действием ионизирующих потоков и электрического поля высоковольтных солнечных батарей (ВВ СБ) в СВА возникает плазменное окружение станции с весьма неоднородными нестационарными распределениями плотности и электромагнитного поля. Размеры плазменного окружения превышают размеры станции, а плотность в ней может быть на порядки больше плотности ионосферы на высоте орбиты. При срабатывании некоторых бортовых систем параметры в плазменном окружении могут скачкообразно меняться на несколько порядков.

Источниками нестационарного плазменного окружения могут быть:

• Струи плазмы, создаваемые бортовыми электроплазменными генераторами (например, ЭРД, PCU)
  
• Струи или облака газа, создаваемые ЖРД и другими бортовыми системами. Эти потоки газа частично ионизуются под действием набегающего ионосферного потока, излучения Солнца и электрических полей;
  
• Облака газа и плазмы, возникающие при ударах микрометеоритов или при пробоях поверхностных плазменных конденсаторов на сегментах МКС или на СБ.
  

При этом разные элементы конструкции МКС оказываются в плазменном окружении, в котором возникают значительные электромагнитные поля и токи. Это вызывает перераспределение полей и токов по её поверхности.

Интенсивные электрофизические процессы вблизи МКС могут влиять на динамику полета, на работу систем радиосвязи и навигационного и оптического оборудования, усиливают деградацию поверхности элементов станции. Поэтому исследования процессов в плазменном окружении МКС и их влияния на надежность работы космического комплекса являются актуальной и практически необходимой задачей.

Международная космическая станция представляет собой прекрасную лабораторную базу для отработки средств активного контроля электроразрядных процессов, а также способов их минимизации и парирования.

Характер и интенсивность этих процессов на МКС определяется рядом особенностей системы электропитания МКС:

1. Напряжение солнечных батарей американского сегмента (АС) МКС V₀ ~ 160В.

2. Отрицательный полюс СБ АС закорочен на корпус станции.

3. Проводящие участки поверхности корпуса МКС и незащищенные торцы фотоэлементов СБ имеют контакт с окружающей плазмой.

4. Между разноименно заряженными элементами конструкции МКС через её плазменное окружение течет электрический ток, т.е. горит разряд.

5. Элементами катода в разряде являются все проводящие участки корпуса, и испускаемые струи (PCU и ЖРД); а анодом – высоковольтные участки солнечных батарей. Падение потенциала на разряде V₀ сосредоточено в прикатодном _к и в прианодном _а слоях (_к + _а  V₀ = 160В). При движении МКС по орбите _к изменяется в широких пределах .

6. Большую часть эффективной катодной поверхности обеспечивает экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) РС, внешний слой которой имеет сетку из тонких посеребрённых нитей, закороченных на корпус для защиты от электростатики.

7. Многослойные «сэндвичи» - «корпус МКС-диэлектрик- поверхностный слой ионов О⁺ - окружающая плазма» и «фотоэлементы -защитное стекло- поверхностный слой электронов - окружающая плазма» – являются плазменными конденсаторами с емкостью соответственно C~10^-2 и 10^-3Ф, с зарядом до 1 и 0,1К, и запасенной энергией до 50 и 5 Дж.

8. Покрытия метеоритных экранов АС, части корпуса АС и американского скафандра имеют пробойное напряжение порядка V_п ~60В. Такое же пробойное напряжение у плёнок конденсата продуктов сгорания ЖРД на РС.

9. Пробой плазменного конденсатора на поверхности корпуса МКС происходит при ударах микрометеоритов или при увеличении катодного падения V_к выше пробойного напряжения V_n Через канал пробоя за время t ~ 10^-3–10^-4с течет большой ток и в нем выделяется значительная часть энергии, запасенная в конденсаторе. Генерируется мощный электромагнитный импульс

10. Поверхностные слои зарядов на диэлектрике и слои зарядов в плазме (слой Дебая вблизи диэлектрических покрытий или слой Ленгмюра вблизи проводящих покрытий) обеспечивают распространение электромагнитных импульсов вдоль корпуса станции с малым затуханием.


В условиях обычной ионосферы ток разряда, протекающего через ионосферу между разноименно заряженными элементами МКС, мал (J~ 0,1A), среднее прикатодное падение потенциала в разряде _к, т.е. разность потенциалов между корпусом МКС и окружающей плазмой, также мало (_к ~ 10 – 30В). Однако, при некоторых условиях прикатодное падение может возрасти и превысить пробойное напряжение некоторых внешних покрытий МКС. Большие значения _к (выше V_п ) были неоднократно зарегистрированы после увеличения площади СБ в июне 2007г.. Вероятные при этом поверхностные электроразрядные процессы (пробои) могут создавать ряд повреждающих и помеховых эффектов, связанных с генерацией электромагнитного импульса, ускорением деградации внешних покрытий. Они могут влиять на надежность и безопасность функционирования станции. Наиболее опасными представляются следующие эффекты:

• Генерация мощных помех в сетях МКС при пробоях диэлектрических покрытий АС и плёнок конденсата на всех сегментах при превышении _к пробойных напряжений V_п.
  
• Катодное распыление поверхностей сегментов ионами О⁺, ускоренными в прикадном падении _к до энергий, превосходящими порог распыления V_P. Особенно это опасно для тонких нитей системы электростатической защиты РС, покрытых тонким слоем серебра (толщина 2 – 10 мкм, порог распыления Ag V_р=12В).
  
• Электроразрядное усиление эрозии поверхности МКС, возникающей при ударах микрометеоритов, за счёт протекания через кратер тока пробитого конденсатора.
  
• Пульсации напряжения в приэлектродных слоях при срабатываении ЖРД и других газовых и плазменных источников и обусловленная этим генерация помех в кабельных цепях и в чувствительном оборудовании.
  

Для ограничения прикатодного падения на АС установлен блок из 2х плазменных контакторов (PCU¹). При их непрерывной работе разность потенциалов между корпусом МКС и окружающей плазмой всегда невелика (φ_к ≤ 10В), поэтому пробои невозможны и интенсивность ЭРП минимальна. Однако, ресурс PCU ограничен и практически исчерпан. После прекращения работы PCU на МКС будет отсутствовать механизм поддержания электроразрядной обстановки на безопасном уровне. Вместе с тем на сегодняшний момент нет однозначного понимания степени влияния тех или иных факторов на потенциал поверхности станции и на электроразрядные процессы, происходящие как в плазменном окружении МКС, так и на ее поверхности.

2. Краткая история и состояние исследований в настоящее время.

Натурные эксперименты на ОС «Мир»

Комплексные исследования параметров электрофизических процессов в окружении КА выполнены на ОС “Мир”. Были исследованы изменения давления в СВА, состава ее нейтральных компонентов, концентрация заряженных частиц и распределение электромагнитных полей в околообъектовом пространстве. Исследованы процессы взаимодействия плазменных струй, испускаемых с борта станции, с поверхностью аппарата, с ионосферой и магнитосферой Земли. Полученные результаты впервые экспериментально продемонстрировали возникновение переменных электрических полей вблизи ОС. Эти факторы могут вызывать электрические разряды на поверхности КА, сбои в работе научных и бортовых систем, а также деградацию материалов покрытий КА.

Исследования американских специалистов.

Проблемой ЭРП, генерируемых ВВ СБ, минусовой полюс которых закорочен на корпус КА, и связанные с ними опасности для КА американские специалисты занимались с 80-х годов применительно к КА «FREEDOM». На основе этих исследований на МКС установлено следующее оборудование:

• два PCU (плазменные газоразрядные катоды) для ограничения разности потенциалов между корпусом и окружающей плазмой через PCU,
  
• комплект зондов FPMU для непрерывных измерений потенциалов в плазме V_f относительно корпуса и параметров плазмы (концентрации n_е ~10⁴   5*10⁶ cм^-3 и температуры Т_е ~ 0.1 – 0.5 эв). с разрешением во времени ~10^-2с.
  
• измеритель тока I_p в цепи PCU - корпус МКС для непрерывной фиксации тока, текущего между корпусом и плазмой.
  

С использованием этого оборудования обнаружено, что эти параметры плазменного окружения изменяются в широких пределах, в частности на некоторых участках орбиты возникают пики потенциала V_f.

В фирме Boeing разработана методика PIM (Plasma Interaction Model) для расчёта тока I_p через PCU при работе блока и потенциала поверхности V_f при выключенном блоке PCU. В PIM используется модель ионосферы IRI-2000, описывающая изменения вдоль орбиты параметров ионосферы (n_e, T_е) и геомагнитного поля, но не учитываются параметры околообъектовой плазменной среды.

В стендовых условиях американскими специалистами исследованы закономерности электрического пробоя покрытий АС (слой анодированного алюминия толщиной δ .~ 1.2мкм ) и некоторых элементов скафандров. Установлено, что напряжение пробоя этих элементов V_п ~ 60В.

Согласно модели PIM среднее значение потенциала поверхности МКС может составлять до -80B относительно ионосферы в полной полетной конфигурации для вероятных параметров ионосферы (суточных, сезонных и многолетних). Следует отметить, что расчёты по методике PIM находятся в согласии с измеряемыми величинами только в условиях регулярной ионосферы. В моменты экстремальных изменений параметров окружающей среды, когда на МКС регистрируются скачкообразные изменения потенциала поверхности или пиковое изменение тока PCU, результаты расчетов расходятся с экспериментальными значениями.

До июня 2007г. пока СБ состояла из двух крыльев (до конфигурации 11А – «самолёт») пики V_f не превышали 30В. С июня 2007 г. происходило интенсивное наращивание мощности СБ, и бортовая аппаратура стала регистрировать значения потенциала корпуса до V_f ~ 70   90В относительно окружающей плазмы. Они превышают и порог потенциала 40В, заданный стандартом SSP411163, и пробойное напряжение покрытий АС 60В.

Исследования специалистов ЦНИИМаш.

В ЦНИИМаш начато изучение ЭРП на МКС в 2001г. на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований динамики плазмы и электрических разрядов в электрических ракетных двигателях (ЭРД).

Эти работы сосредоточены на ЭРП, которые возникают при работе бортовых систем МКС и при образовании около неё искусственных газоплазменных образований (ГПО). Хотя время существования ГПО, как правило, невелико, однако концентрации и температура в ней гораздо больше, чем в ионосфере. Поэтому в них возникают гораздо более интенсивные ЭРП, чем в ионосферной разреженной плазме.

В ходе проведенных исследований

1. Разработаны математические модели, описывающие характеристики ГПО, возникающих около низкоорбитальных КА:

• Параметры струй и облаков плазмы, которые под воздействием геомагнитного поля принимают специфические трёхмерные формы лепестков или спиц.
  
• Параметры струй и облаков плазмы, возникающих при истечении из КА газовых потоков, которые частично ионизуются высокоэнергетическими космическими потоками.
  
• Радиофизические и оптические характеристики выше перечисленных ГПО.
  

2. Разработаны методики и проведено экспериментальное моделирование в вакуумной камере:

• Моделирование приэлектродных процессов на ЭВТИ (катодные процессы) и на СБ (анодные процессы). Установлено, что приэлектродное падение на СБ – аноде и на ЭВТИ – катоде пропорциональны концентрации плазмы, т.е. должны значительно изменяться при возникновении ГПО около СБ или корпуса МКС. Определено, что «заслуга» в том, что потенциал поверхности МКС удерживается на достаточно низком уровне, принадлежит ЭВТИ и её системы антистатической защиты. Маты ЭВТИ на внешней поверхности имеют сетку металлизированных нитей, заземленных на корпус станции, что способствует уменьшению величины прикатодного падения.
  
• Моделирование электрических разрядов на образцах диэлектрических покрытий МКС (анодированный алюминий и ЭВТИ). Показано, что электромагнитные импульсы, генерируемые этими пробоями, могут создавать помехи в электросетях бортовых кабельных систем.
  

3. Проведены натурные электрофизические эксперименты по программе «Плазма-МКС». В экспериментах «Плазменный мост 1» и «Плазменный мост 2» , исследовано влияние геомагнитного поля на околообъектовые плазменные образования. Показано, что трёхмерная математическая модель таких ГПО хорошо описывает особенности возникновения пиков I_p и V_f, Определено, что магнитное поле оказывает большее влияние на околообъектовые ГПО, чем другие существенные факторы - набегающий поток и фарадеевская поляризация корпуса МКС.


4. Разработаны методы количественных расчетов электрофизических процессов в плазменном окружении МКС

• Разработана методика SPEED для определения участков орбиты, на которых возрастает потенциал V_f или ток I_p через PCU при специальных сочетаниях геофизических и орбитальных условий.
  
• Разработана программа для расчёта параметров ГПО, а также величин токов I_p и потенциала V_f, возникающих при работе бортовых систем.
  

На основе вышеуказанных теоретических и экспериментальных работ получены физико-технические основания для разработки методов прогноза условий возникновения ЭРП на МКС и способов их парирования.

3. Необходимость проведения КЭ в космических условиях

Одной из целей КЭ «Плазма-ЭРП» является определение амплитудно-временных диапазонов параметров электрофизической среды вокруг МКС в спокойных и возмущенных условиях полета. Среди задач, заявленных для достижения этой цели, есть такие, которые невозможно провести в наземных условиях . В частности, к ним относятся:

• Регулярные измерения разности потенциалов между различными участками поверхности МКС и окружающей плазмой в спокойных и возмущенных условиях внешней среды.
  
• Определение зависимости разности потенциалов между участками поверхности МКС и окружающей плазмой от изменения геофизических параметров на орбите МКС.
  
• Измерение пространственно-временных масштабов возмущений электрофизической среды при инжекции плазменных и газовых струй с борта МКС.
  
• Определение амплитудно-частотных характеристик электрических разрядов на поверхности МКС.
  

Поэтому необходимо проведение КЭ «Плазма-ЭРП» в реальных бортовых условиях на МКС.

4. Краткое описание КЭ.

Для отработки способов и средств контроля электроразрядной обстановки на внешней поверхности и в плазменном окружении МКС и осуществления регулярного и непрерывного мониторинга российский сегмент будет оснащен аппаратурой регистрации газоплазменного окружения – аппаратурой АРГО, позволяющей проводить измерения следующих параметров:

• Электронная и ионная концентрация в СВИ в диапазоне 10¹⁰ – 10¹⁶ м^-3,
  
• Температура электронов в СВИ от 0.1 до 10 эВ;
  
• Разность потенциалов между поверхностью станции и окружающей плазмой в диапазоне  200 В
  
• Давление в СВА в диапазоне от 10^-3 до 10^-7 мм рт.ст.
  
• Электрическое поле на поверхности МКС с напряженностью  1 мВ/м. в частотном диапазоне от 10 кГц до 1
  
• Магнитное поле вблизи поверхности МКС с чувствительностью 6x10^-4 нТл/Гц^1/2 в частотном диапазоне 10Гц
  
• Энергетический спектр ионов, поступающих из СВИ на поверхность МКС, в диапазоне от 0.5 до 50 эВ
  
• Молекулярный состав СВА и СВИ
  

Научная аппаратура АРГО позволит проводить регулярные измерения параметров околообъектовой среды с помощью набора датчиков и передавать данные на интегрированный компьютер, в котором в автоматическом режиме проводится анализ электроразрядной обстановки. Анализ проводится с учетом перечня и диапазонов возможных значений физических величин, характеризующих внешние факторы риска возникновения электростатических разрядов (ЭСР). По результатам анализа определяются моменты опасного сочетания факторов риска, и выдается сигнальная команда о критическом уровне электроразрядной обстановки. Сеанс КЭ будет заключаться в непрерывном измерении параметров околообъектовой среды в течение суток при различных сочетаниях орбитальных условий:

• освещенность Солнцем,
  
• направление магнитного поля,
  
• ориентация МКС на орбите,
  
• включение/выключение бортовых источников плазменных и газовых струй (ЖРД, PCU и др.),
  
• положение солнечных батарей американского сегмента и их энерговооруженность,
  
• осуществление операций причаливания и отчаливания,
  
• технологические выбросы жидкостей и газов.
  

Результаты измерений и сформированные при этом сигнальные команды записываются в цифровом виде в файл и передаются Постановщику после каждого сеанса КЭ по телеметрическим каналам.

5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями

Научная аппаратура АРГО должна измерять, регистрировать, анализировать, определять моменты опасного сочетания факторов риска и выдавать рекомендации для быстрого устранения критической ситуации. На настоящий момент создание такого комплекса не предусмотрено ни в одном из заявленных экспериментов.

Ближайшим отечественным аналогом аппаратуры является плазменно-волновой комплекс, предназначенный для исследований параметров тепловой плазмы, электрических и магнитных полей, спектров надтепловых электронов, электромагнитных волн в ближней зоне и разрабатываемый ИКИ РАН в обеспечение КЭ «Обстановка». Но, во-первых, в КЭ «Обстановка» большой состав международной кооперации, что потребует согласований с большим числом участников при каждом акте задействования аппаратуры за рамками эксперимента, а, во-вторых, практически все диагностическое оборудование иностранного производства. Из всего сказанного следует, что есть веская причина для создания и оснащения РС МКС специализированной бортовой системой контроля российского производства

Ближайшим зарубежным аналогом аппаратуры является блок FPMU² , позволяющий измерять разность потенциалов между корпусом МКС и набегающей ионосферной плазмой в месте установки блока и параметры плазмы (температуру и плотность электронов).

Новизна предлагаемого комплекса АРГО состоит в том, что она будет обеспечивать следующие измерения:

-потенциала окружающей плазмы относительно корпуса КА в пределах от -200 до +200В;

-медленно меняющихся концентраций нейтральной n_o и заряженной n_e компонент атмосферы КА, обусловленных выбросами из СЖО или работой двигателей коррекции в диапазонах: 10⁸  n_o  10¹³ см^-3; 510⁵  n_e  10⁹ см^-3;

-локально и быстро (10^-210^-3с) меняющихся концентраций нейтральной n_o и заряженной n_e компонент атмосферы КА с целью регистрации пробоев и микровзрывов в диапазонах: 10⁸  n_o  10¹³ см^-3; 510⁵  n_e  10¹⁰ см^-3;

-внешних электромагнитных импульсов (в основном средней и небольшой интенсивности), излучаемых при пробоях диэлектрических покрытий и микровзрывах на поверхностях КА, ожидаемая напряженность электрического поля которых может изменяться в пределах от десятка мВ/м до единиц В/м.

Так как влияние различных факторов риска на развитие разрушительных разрядных явлений (особенно дуговых) на поверхностях и в окрестности аппарата не равнозначно, то в алгоритме анализа измерений, проводимого автоматически бортовым компьютером, выделена их основная и дополнительная совокупность, которым соответствуют основная и дополнительная системы измерений. Основная система измерений служит для измерения и контроля основных факторов риска, которые формируют условия возникновения и развития опасных разрядных процессов. Эти факторы характеризуются величинами: напряжения внешних высоковольтных систем, потенциала окружающей плазмы и давления внешней атмосферы МКС. Дополнительная система измерения определяет совокупность физических величин, характеризующих дополнительную совокупность факторов риска. Они появляются или могут стать опасными лишь в результате уже сформировавшихся условий для возникновения и развития разрядных процессов, то есть при достижении критических значений параметров, характеризующих основные факторы риска.

6. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование

В результате выполнения программы исследований будут:

• определены амплитудно-временные диапазоны параметров электрофизической среды вокруг МКС в спокойных и возмущенных условиях полета;
  
• выбраны способы измерения и управления электроразрядной обстановкой на внешней поверхности и в плазменном окружении МКС;
  
• определен минимально достаточный комплект бортовой аппаратуры для контроля параметров электрофизической среды и создан прототип его бортового варианта;
  
• отработаны алгоритмы применения средств активного контроля электроразрядной обстановки на внешней поверхности и в плазменном окружении МКС.
  

Планируемые направления исследований характеристик ЭРП на МКС и их воздействия на бортовые системы

1. Исследование параметров плазменного окружения МКС.
   

1.1. Исследование закономерностей изменения распределения параметров газо-плазменного окружения МКС вблизи его корпуса (_р, n_е, T_e, B) при движении МКС по орбите.

1.2.  . Исследование параметров ГПО, создаваемых бортовыми системами (ЖРД, ЭРД, PCU, ИПИ).

1.3. Исследование пульсаций параметров ГПО (, n, B) при возникновении экстремальных режимов (пробой, удар метеоритов).

1.4. Разработка и верификация математических моделей ГПО в реальных условиях на орбите МКС.

2. Исследование механизмов возникновения ЭРП в ГПО и на поверхности МКС.
   

2.1. Определение в натурных экспериментах зависимости параметров ЭРП от комплекса геофизических условий на орбите (геомагнитное поле, ориентация Солнца, параметры ионосферы).

2.2 Исследование влияния на ЭРП газовых и плазменных потоков , создаваемых около МКС (ЖРД, ЭРД, PCU, ИПИ, шлюзование, сброс воды, ВКД, плазменное облако микрометеорита).

2.3. Исследование влияния на ЭРП изменения ориентации и геометрии (формы) МКС (стыковки, монтаж дополнительных блоков).

2.4. Развитие и верификация математических моделей параметров ЭРП при возникновение различных ГПО

3. Исследование влияния ЭРП на бортовые системы МКС.
   

3.1. Исследования деградации поверхности МКС (ЭВТИ – распыление нитей, теплорегулирующие покрытия - изменение их теплофизических и оптических характеристик).

3.2. Регулярная фиксация на борту МКС случайных электромагнитных импульсов (ЭМИ), определение их связи со временем возникновения максимумов _р.

3.3. Определение корреляции ЭМИ с ударами микрометеоритов.

3.4. Исследование закономерностей распространения ЭМИ вдоль поверхности МКС в его плазменном окружении.

4. Исследования методов парирования возникновения ЭРП и их помеховых и повреждающих воздействий на бортовые системы.
   

4.1. Опробование методов прогноза условий возникновения ЭРП и характеристик их воздействия на бортовую аппаратуру.

4.2.  Опробование способов минимизации интенсивности и продолжительности ЭРП (минимизации величины пиков  _р )

4.3. Опробование способов оперативного автоматического реагирования на внезапные и импульсные ЭРП.

4.4. Определение облика комплекса бортовой аппаратуры, обеспечивающей фиксацию параметров и предотвращение возникновения ЭРП.

7. Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками .

Согласно ТЗ на КЭ в состав НА входят:

• блок измерений,
  
• блок питания,
  
• управляющий компьютер.
  

Блок измерений структурно представляет собой платформу, на которой устанавливается комплект датчиков. Базовый комплект будет включать следующие датчики: датчики давления в СВА, датчик ЭСР, зонды Ленгмюра, зонд плавающего потенциала, энергоанализатор ионов.

Основные технические характеристики аппаратуры АРГО приведены ниже:

Наименование параметра	Диапазон
Плотность электронов и ионов, м-3 частота измерений, Гц Температура электронов, эВ Разность потенциалов между поверхностью и окружающей плазмой, В на расстоянии от поверхности, см частота измерений, Гц Давление в СВА, мм рт.ст. На расстоянии от поверхности, см Частота измерений, Гц Внешний электромагнитный импульс, В/м Энергия анализируемых ионов, эВ ток коллектора, мкА частота измерений, Гц	1010  1016 10 0.1  10 200 10 100 10-3 10-7 50 10 10-210 050 10-5  100 10

Предложения по аппаратуре измерения давления в СВА МКС

Из отечественных аналогов датчиков давления является датчики, разрабатываемые ЦНИИРТК. Характеристики датчиков ЦНИИРТК:

- диапазон от 10^-3 до 10^-7 мм рт.ст.

- один блок электроники на 2 датчика, блок электроники размещается в негерметичном отсеке,

- датчики размещаются на наружной поверхности станции, расстояние между блоком электроники и датчиками до 1м;

- габаритные размеры блока электроники ~260х100х125 мм, масса до 2,5 кг,

- габаритные размеры датчика не более чем в СКДСА (см. рис.1), масса до 1 кг,

- энергопотребление 1 канала не более 7,5 Вт;

- телеметрическая информация о давлении выдается в аналоговом виде, общее количество каналов - 10;

- включение (выключение) подачей (снятием) питания.

Предложения по бортовому радиочастотному датчику электрических разрядов

Одним из существенных факторов, влияющих на качество и надежность функционирования бортовой аппаратуры МКС, являются процессы электризации и возникающие при этом разрядные процессы. Поэтому достаточно обоснованным и актуальным является создание датчика контроля разрядов на основе регистрации электромагнитного излучения разрядного процесса для включения его в состав бортовой системы контроля. Такой датчик был предусмотрен в проектном составе аппаратуры ККЭП (КЭ «Импульс»), но в летном комплекте аппаратуры в настоящий момент отсутствует.

Радиочастотный датчик разрядных процессов должен иметь в своем составе антенну и усилительное устройство. Антенна может быть размещена на корпусе усилителя или быть выносной. Для проверки функционирования датчика должно быть создано устройство калибровки.

Технические характеристики радиочастотного датчика:

• частотный диапазон от 10 кГц до 1 МГц;
  
• напряженность регистрируемых электромагнитных полей  1 мВ/м;
  
• высота антенны < 60 мм
  
• габаритные размеры усилителя 604030 мм.
  

Предложения по измерению плавающего потенциала и параметров плазмы

Наиболее надежным и простым датчиком для измерения потенциала плазмы в окрестности МКС является холодный плавающий зонд. Однако, учитывая низкую концентрацию плазмы и её зависимость от расположения зонда (в набегающем потоке или в тени КА) и от работы МКС, размеры и конструкция измерительной поверхности зонда, а также параметры предусилителя сигнала, должны быть различными для каждого из зондов, чтобы корректно измерять параметры плазмы в большом диапазоне.

Для постоянного контроля потенциала корпуса МКС необходимо выбрать, относительно какого значение будет вестись отсчет потенциала корпуса: относительно «плавающего» потенциала плазмы, определяемого по «экспресс» методу, или относительно полного потенциала плазмы, определяемому по вольт-амперной характеристике (ВАХ) зонда. В первом случае аппаратная реализация автономной системы будет значительно проще и частота измерений выше, чем при использовании второго способа. Однако в каждом случае измерения будут дискретными, с интервалом измерения не менее сотен мкс по «экспресс» методу, и десятков мс или даже секунд по второму методу. При дискретных измерениях с такой частотой отсутствует возможность фиксировать изменения потенциала корпуса, возникающие в результате пробоев на корпус МКС. Поэтому для фиксации пробоев на корпус и коррекции на их основе результатов измерения потенциала плазмы, необходимо использовать способ непрерывного контроля потенциала корпуса МКС.

Подробные проектные проработки реализации зондовых измерений на борту РС МКС проведены в ЦНИИмаш и НИИПМЭ.

Плоский электростатический зонд состоит из коллектора, охранного кольца 2, защитного изолятора и узла электрических выводов. Коллектор зонда предпочтительно изготовлять из тантала, имеющего малый коэффициент вторичной электронной эмиссии. Для измерений на расстоянии (0,5-1)м диаметр коллектора может быть выбран равным (5-10)мм. Защитный изолятор может быть изготовлен из высокотемпературных керамик типа АБН, БГП и др. Охранное кольцо может быть изготовлено из нержавеющей стали. Зонд может быть закреплен на держателе перемещающего его устройства хомутом, охватывающим корпус зонда.

Цилиндрический зонд в простейшем виде представляет собой керамическую трубку, в которую вставлена вольфрамовая проволока диаметром (1-1.5)мм

Для задач постоянного мониторинга зонды должны быть установлены в нескольких точках (в спутном следе, вблизи ДПО,..). Вся поступающая с зондов информация должна аккумулироваться в компьютере АРГО для последующей совокупной обработки с другими данными измерений.

Предложения по измерению энергии ионов

Энергоанализатор, разработанный в НИИ ПМЭ, имеет входную апертуру 20мм, габаритные размеры : диаметр-36мм, длина-42 мм.

Энергоанализатор работает в двух режимах:

1. Режим снятия углового распределения ионного тока. В этом режиме на отсечную сетку зонда подается отрицательное смещение ≤30В, относительно корпуса энергоанализатора. Это обеспечивает отсечку электронной компоненты плазмы и пропускание положительных частиц, которые после попадания на коллектор регистрируются схемой измерения. Для отсечки медленных ионов плазмы на коллектор зонда подается постоянный потенциал +30В относительно корпуса зонда.

2. Режим измерения функции распределения энергии ионов.

В этом режиме в отличие от предыдущего режима на коллектор подается сканирующее напряжение пилообразной формы до величины V, пока кривая задержки ионного тока на коллектор зонда не выйдет на нулевое значение. Это соответствует отсутствию частиц в плазме с энергией большей, чем eV, где V – величина потенциала сетки. Длительность сигнала составляет 200мкс. Схема измерения, входящая в состав блока управления датчиками, регистрирует ток коллектора.


Таким образом, на настоящий момент в организациях ЦНИИРТК, НПО ИТ, НИИПМЭ– соисполнителях КЭ имеется достаточный научно-технический задел для разработки НА в сроки согласно календарному плану выполнения КЭ.

8. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ

Экипаж привлекается для установке НА АРГО на внешней поверхности станции (ВКД), для проверки работоспособности НА и, возможно, для проведения сеансов КЭ, в частности, для включения \ выключения управляющего компьютера и блока измерений, установки режимов программного обеспечения и внесения изменений в ходе проведения сеанса КЭ, для сохранения части информации по итогам проведения измерений и передачи данных по каналам телеметрии.

Рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ, не предвидится, за исключением «штатных» рисков, связанных с однократным осуществлением внекорабельной деятельности.


Научный руководитель КЭ,

начальник лаборатории 12051

ФГУП ЦНИИмаш, к.т.н. Е.М. ТВЕРДОХЛЕБОВА