Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ	411

Рис. 3.9.3. Типовые уровни статического давле ния в струях ГД при Ро 1 МПа

лекторов антенн наилучшим образом подходит диффузная схема взаимодействия с полной ак

энергии.

образом, проведенные исследова ния показали, что взаимодействие струй хо газовых микродвигателей с элемента ми конструкции КА является нетривиальной

проблемой, требующей детального рассмотре ния с учетом наличия СВА, процессов конден сации в струях, особенностей взаимодействия с элементами поверхности молекул со скоро стями, близкими к тепловым, привлекая мето ды многофазных континуальных течений и прямого статистического моделирования.

Глава 3.10

СОБСТВЕННАЯ АТМОСФЕРА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

3.10.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ АТМОСФЕРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И СТАНЦИЙ

Собственная внешняя атмосфера КА

Одной из особенностей функциониро вания КА на околоземной орбите является

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

412	Глава 3.10. СОБСТВЕННАЯ АТМОСФЕРА КА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

образование вокруг них СВА. От окружаю щего космического пространства СВА отли чается б льшими давлением и плотностью, разнообразием химического состава состав ляющих ее газовых компонент, а также со держанием в ней жидких и твердых микро частиц.

Наличие СВА в ряде случаев может ока зывать существенное (вредное) влияние на боту служебных систем, бортовой служебной научной аппаратуры, а также затруднять терпретацию результатов проводимых на борту КА прикладных и научных исследований. Во прос о параметрах СВА орбитальных КА стал предметом пристального внимания более двад цати лет назад практически одновременно как в России, так и в США. Показательно, что за нимавшиеся данным вопросом научные работ ники двух стран пришли в середине 70 х годов прошлого века к одному и тому же выводу: ус пешное изучение СВА невозможно без прове дения соответствующих исследований непо средственно в натурных условиях орбитально го полета КА ввиду сложности, а иногда и не возможности, моделирования этих условий на Земле.

Проведенный с июня 1982 г. по июнь 1986 г. эксперимент «Астра 1» с помощью ап паратуры «УМР Астра», оснащенной масс спектрометрами и кварцевыми микровесами, стал первым этапом осуществляемых в России натурных исследований СВА. Полученные при его проведении результаты имели существен ное значение для реализации программы вы полняемых на станции «Салют 7» работ, а так же использовались как исходные данные при создании расчетных моделей СВА.

Для описания СВА орбитальных объек тов более сложной конфигурации, например

орбитальной станции (ОС) «Мир», получен ных в ходе эксперимента «Астра 1» данных оказалось явно недостаточно. В связи с этим на ОС «Мир» проводился эксперимент «Аст ра 2» с июня 1995 г. по 1997 г., который по зволил уточнить и дополнить уже имеющиеся данные о газовых составляющих СВА ком плекса, в том числе и в удаленных от верхности зонах, получить новые данные уровнях забортного вакуума и внутри тичных отсеков (НГО) при различных полет ных ситуациях.

В эксперименте «Астра 2» изучение СВА осуществлялось с помощью аппаратуры, уста новленной на модуле «Спектр», которая

обеспечивала измерение большого числа па раметров — давление, массовый состав и ско рость осаждения загрязнений в значительном околообъектовом пространстве, включая зо ны, удаленные от поверхности на расстояние до 2 м, благодаря размещению измерительно го блока на подвижной штанге. Размещение аппаратуры на модуле «Спектр» показано на рис. 3.10.1 и 3.10.2.

Измерения в эксперименте проводились почти два года и позволили получить обшир ный экспериментальный материал, широко используемый в настоящее время при проек тировании новых КА и станций.

Масс,спектрометрия

Масс спектрометрические измерения со става СВА проводились с начала эксперимен та. Диапазон измерений — по массовым чис лам для нейтральной компоненты 12… …120 а.е.м. с концентрацией 107…1012 см 3, а для ионной составляющей по массовым чис лам 8…140 а.е.м. с концентрацией 10…106 см 3. В фоновых условиях зафиксированы компо ненты набегающего потока верхней атмосфе ры и вода.

Наиболее интересные результаты были получены при стыковке ОК Shuttle к ОС «Мир» 15 ноября 1995 г. Масс спектрометр работал в течение ~10 мин, непосредственно перед «зависанием» ОК «Шаттл». За этот промежуток времени на масс спектрах в раз ных его местах и только по одному разу за регистрированы мощные пики: 10 при ана лизе нейтрального и 10 при анализе ионного составов окружающей среды. Пики связаны с компонентами, входящими в состав струй двигателей управления, тем более, что время появления семи из них относительно хоро шо коррелирует с работой двигателей управ ления корабля «Шаттл». Появление осталь ных масс пиков приходится связывать с компонентами струй двигателей управления комплекса «Мир».

Данные обстоятельства учтены при фор мировании табл. 3.10.1. В первой колонке представлены массовые числа Mi зарегистри рованных компонентов, во второй — предпо ложительная химическая формула газовой компоненты, соответствующая Mi. Вопроси тельные знаки в этой колонке означают: один «?» — концентрация компонента i, непосред ственно после формулы которого он стоит су щественно ниже концентрации компонента i,

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ	413

Рис. 3.10.1. Размещение и состав аппаратуры эксперимента «Астра 2»:

ПМИ1, 2 — датчики давления (с горячим катодом); ДВЛС11, 12, 21, 31, 32 — датчики давления (магниторазрядные с холодным катодом); МС1, 2 — масс спектрометры; КМВ1, 2 — кварцевые микровесы; СКУ — сканирующее устройство; НГО — негерметичный отсек

Рис. 3.10.2. Установка аппаратуры «Астра 2»:

а — размещение на модуле «Спектр»; б — установка блока А 22

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

414Глава 3.10. СОБСТВЕННАЯ АТМОСФЕРА КА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

3.10.1.Спектры, полученные в эксперименте «Астра 2» 15.11.95 на витке № 55651

M,			Структурная										Концентрация в приемнике масс спектрометра, NiΡ см 3
													Компонент СВА		Компонент струй двигателей управления
а.е.м				формула
													Ni	Время регистрации	Ni	Время регистрации
1						2							3	4	5
14				CH2; N									1,3 109	9.18.33,72	5,3 1011	9
															5,6 1010	9
15				CH3; NH									1,9 109	9.18.33,83	2,2 1011	9.15.56,30
															2,3 1010	9.15.56,30
					CH			;							3,5 1011	9.22.57,95
16							4						1,1 109	9.18.33,94
				NH			; O?								3,7 1010	9.22.57,95
						2
17			NH ; OH?										1,5 109	9.18.34,05
						3
18					H		O						3,1 109	9.18.34,16
						2
24						???									2,2 1010	9.15.39,79
25						???									3,5 109	9.15.39,90
26		CHCH; CN?													2,0 109	9.15.40,01
27					HCN										6,4 109	9.15.40,12
28	N ; CO; CH CH ?												4,0 109	9.18.35,26	3,1 1010	9.15.40,24
		2						2			2
30	NO; CH				CH ; HCHO?								1,5 109	9.18.35,46	5,3 109	9.15.40,45
				3			3
31				CH			NH		2						3,1 109	9.15.40.55
						3
40				Ar; CN2?											2,2 1011	9.20.39,50
															2,3 1010	9.20.39,50
44			CO			; N O?							1,3 109	9.
						2		2
45	(CH ) NH; CH N H ??												1,3 109	9.15.42,08
		3	2						3	2		2
45	(CH ) NH; CH N H ??												1,5 109	9.15.42,20
		3	2						3	2		2
46	NO		; CH NHNH ??										1,5 109	9.15.42,20
		2				3					2
45	(CH ) NH; CH N H ??												1,2 109	9.15.43,01	2,9 109	9.15.08,08
		3	2						3	2		2
46	NO		; CH NHNH ??										1,2 109	9.15.43,01	2,9 109	9.15.08,08
		2				3					2
52				(CN)				??							2,7 1010	9.17.28,13
							2
53		CH			CHCN??										3,1 1010	9.17.28,16
				2
54		CH		CHCHCH ??											6,1 109	9.17.28,21
			2							2
	CH CH CH CH ??														3,2 1010	9.18.38,37
56			2			2		2			2				3,2 1010
	CH			CH CHCH ??												9.18.38,37
			3			2				2
			(CH ) CO??												1,9 109	9.17.28,37
58						3	2								1,9 109
	CH CH CH CH ??															9.17.28,37
			3			2		2			3
59	(CH ) N; CH CONH ??														1,9 109	9.17.28,37
		3 3					3					2
	CH COCH COCH ??;														6,6 1010	9.18.22,37
100		3					2				3				6,6 1010
		(CH				CO) O??										9.18.22,37
					2			2
		C	H CH(CH ) ;												1,0 109	9.21.01,32
	C		5	5					3		2				1,0 109	9.21.01,32
120		H CH CH CH CH ,
	6	5			2		2			2		3			1,0 109	9.21.01,32
		C		H C H CH							3
			6		4	2		5

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

					ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ				415
									Окончание табл. 3.10.1
				2		3	4	5		6
	C	H N(CH )			2			1,0 109		9.21.01,32
121	6		5	3				1,0 109		9.21.01,32
	(CH ) N HNO
		3	2	2	3
122	C6H5CH2CH2OH,							1,0 109		9.21.01,32
	C6H5COOH							1,0 109		9.21.01,32

которому отвечает предшествующая формула; два «??» — есть сомнения в правильности идентификации компонента i, непосредствен но после формулы которого они стоят; три «???» — идентификацию компонента не уда лось осуществить. В колонках 3 и 5 приведены максимальные значения концентрации компо нента с массовым числом Mi в приемнике масс спектрометра, зарегистрированного им при анализе нейтрального состава СВА ком плекса «Мир», а также струй ОС и корабля «Шаттл», колонки 4 и 6 — время регистрации масс спектрометром максимального значения концентрации компонента.

Указанных измерений оказалось доста точно для определения основных нейтральных газовых составляющих СВА комплекса «Мир» при работе двигателей управления.

Измерения давления

Вэксперименте «Астра 2» выполнен большой объем измерений давления в раз личных условиях эксплуатации. Все приве денные данные — результаты измерений давления внутри полости измерительных приборов и пересчет их на значения пара метров в окружающей среде, что представля ет собой отдельную достаточно сложную и важную задачу, требующую специального рассмотрения.

Вфоновых условиях после стыковки мо дуля «Спектр» к ОС «Мир» уровни давления,

зафиксированные датчиками, лежат в диапазо не 10 5…10 3 Па (10 7…1 10 5 мм рт. ст.) и слабо изменяются по времени. Результаты измере ний для этого случая приведены на рис. 3.10.3. Отчетливо видна разница в давлениях на на

Рис. 3.10.3. Давление в фоновых условиях

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

416	Глава 3.10. СОБСТВЕННАЯ АТМОСФЕРА КА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

ветренной стороне модуля (ДВЛС21), в негер метичном отсеке модуля «Спектр» (ДВЛС11 и ДВЛС12) и на подветренной стороне модуля (ПМИ1 и ПМИ2).

Наиболее интересные данные по динами ке изменения давления в СВА получены при измерениях во время работы двигателей управ ления в период стыковки и расстыковки ОК «Шаттл» и при коррекции орбиты.

Стыковка ОК «Шаттл» STS,74

Некоторые результаты измерений давле ния при стыковке ОК «Шаттл» 15.11.95 приве дены на рис. 3.10.4. Ионизационные датчики давления ПМИ ориентированы таким обра зом, что их приемные отверстия находятся в затененной зоне. Тем не менее, наблюдается пиковое изменение давления, обуслов ленное срабатываниями двигателей на ОК «Шаттл» и ОС

Наряду с существенным увеличением уровня внешнего давления при срабатывании двигателей управления на два четыре порядка наблюдается увеличение давления в негерме тичном отсеке модуля «Спектр» согласно по казаниям датчиков ДВЛС11 и ДВЛС12. Время релаксации к исходному уровню составляет несколько десятков секунд.

Расстыковка ОК «Шаттл» STS,74

(Space Transportation System)

Некоторые результаты измерений давле ния при расстыковке ОК «Шаттл» приведены на рис. 3.10.5.

Расстыковка ТК «Прогресс»

При расстыковке ТК «Прогресс» со сто роны базового блока (ББ) ОС «Мир» было проведено включение аппаратуры «Астра 2». На рис. 3.10.6 приведены результаты измере ния давления при срабатывании двигателей причаливания.

На расстоянии ~20…25 м от ББ штатно выдается импульс на увод корабля в течение восьми девяти секунд (рис. 3.10.7). При этом датчики давления ПМИ1 и ПМИ2 попадают в дальнюю приосевую зону струи этих двигате лей. Во время работы двигателей оба датчика ПМИ зашкаливают. Время релаксации давле ния к исходному уровню составляет две три минуты после окончания импульса.

На рис. 3.10.8 приведены данные по из менению давления в месте установки датчиков ПМИ при использовании корректирующего двигателя корабля «Прогресс» для коррекции орбиты ОС «Мир». Датчики попадают в даль нюю периферийную зону струи корректирую

Рис. 3.10.4. Давление при стыковке орбитального корабля «Шаттл»

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ	417

Рис. 3.10.5. Давление при расстыковке орбитального корабля «Шаттл» и орбитальной станции «Мир»

Рис. 3.10.6. Давление при расстыковке транспортно грузового корабля «Прогресс»

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

418	Глава 3.10. СОБСТВЕННАЯ АТМОСФЕРА КА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

Рис. 3.10.7. Давление при срабатывании двигателей причаливания и ориентации при расстыковке транспортно грузового корабля «Прогресс»

Рис. 3.10.8. Изменение давления при коррекции орбиты с помощью корректирующего двигателя «Прогресс»

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ	419

щего двигателя (угол между осью и направле нием на датчик около 140 ). Результаты изме рений показывают, что даже после длительной работы двигателя в периферийной зоне струи возврат давления к фоновому уровню состав ляет не более 100 с.

Измерения в эксперименте PIC

Эксперимент PIC (Plume Impingement Contamination) проводился совместно россий ской и американской стороной на ОС «Мир» в целях изучения загрязняющего воздействия управляющих двигателей в нескольких сериях их импульсных включений. На фоне этого эксперимента аппаратурой «Астра 2» проведе на регистрация уровня давлений. Результаты измерения давлений приведены на рис. 3.10.9. Видно, что при импульсной работе двигателей, газовое облако не успевает рассеиваться и идет постепенное увеличение уровня фонового дав

в СВА.

Измерения уровня осаждения загрязнений на кварцевых микровесах

Результаты обработки результатов пока заний кварцевых микровесов (КМВ) приведе ны на рис. 3.10.10, где представлена зависи мость толщины осаждения на КМВ от вре мени. При пересчете ухода частоты КМВ в

толщину осадка плотность осадка принима лась равной 1000 кг/м3.

КМВ показывают медленный средний прирост массы, причем заметных изменений осевшей массы при стыковках «Шаттл» и ко раблей «Союз» и «Прогресс», а также при проведении эксперимента PIC не зафиксиро вано. Средняя скорость осаждения для КМВ составила значение порядка 5 10 11 г/(см2 с)

за период от вскрытия весов до 8.09.95, 1 10 12 г/(см2 с) от 8.09.95 до 26.12.95 и

1 10 12 г/(см2 с) от 26.12.95 до 26.12.96. Одновременно с измерениями в экспери

менте «Астра 2» на борту ОС «Мир» Европей ским космическим агентством проведен экс перимент Euromir 95 по измерению потоков атомарного кислорода, космической пыли и осаждения загрязнений с использованием ап паратуры ICA, в состав которой входили квар цевые микровесы QCM.

Результаты измерений осаждения загряз нения, полученные с помощью аппаратуры ICA, в сопоставлении с результатами экспери мента «Астра 2» за эти же периоды времени и данными светотеневой обстановки на орбите приведены на рис. 3.10.11.

Именно в это время впервые зафиксиро вано резкое увеличение скорости осаждения загрязнений на солнечных витках орбиты, ко

Рис. 3.10.9. Изменение давления при проведении эксперимента PIC

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

420	Глава 3.10. СОБСТВЕННАЯ АТМОСФЕРА КА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

Рис. 3.10.10. Зависимость толщины осаждения на КМВ2 от времени

Рис. 3.10.11. Сравнение результатов измерений экспериментов ICA и «Астра 2»