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

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОТ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 425

Рис. 3.10.17. Результаты измерений давления внутри НГО при включении газовых двигателей через четыре месяца после выведения

Глава 3.11

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И МЕТОДЫ ЕГО УМЕНЬШЕНИЯ

3.11.1. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Для обеспечения надежной работы при боров и систем КА необходимо иметь пред ставление об условиях окружающей среды, в которой им предстоит работать, изменении ее свойств, возникающих в процессе эксплуата ции. Одним из факторов, влияющих на рабо тоспособность систем, является изменение свойств поверхностей, связанное с загрязне нием. Особенно критичны к загрязнению тер морегулирующие поверхности и оптические системы.

Загрязнение поверхностей КА и ОС вы звано несколькими источниками, основными из которых являются:

1.Газовыделение конструкционных мате риалов.

2.Выбросы дренажных систем.

3.Работа ЖРД.

4.Распыление конструкционных материа

лов.

Как правило, для околоземных ОС и сты кующихся к ним кораблей главные факторы — первые три источника, а для геостационарных спутников, оснащенных электрореактивными

двигателями, влияние распыления конструк ционных материалов становится таким же зна чимым, как и газовыделение материалов.

Для уменьшения загрязнения на совре менных КА разрабатывается целая програм ма: создаются стандарты для выбора мате риалов, устанавливаются специальные тре бования к дренажным системам, проектиру ются устройства для минимизации загрязне ний от ЖРД.

3.11.2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОТ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Загрязнения внешних поверхностей КА, связанное с газовыделением материалов, неод нократно фиксировались при проведении ви зуального осмотра и фотографировании. Рас пределение загрязнения по поверхности крайне неравномерно. Как правило, они регистриру ются вблизи зазоров в ЭВТИ в виде желтова того налета и обусловлены молекулярными потоками из пространства между ЭВТИ и кор пусом (рис. 3.11.1).

Загрязнению подвергаются чаще поверх ности, находящиеся в прямой видимости ис точника загрязнения. Характер осаждения за грязнения на неровной поверхности говорит о

том, что перенос их	ходит в свободномо
лекулярном режиме	диффузному закону,

что хорошо иллюстрируется на примере за грязнения, выявленного на модуле «Заря»

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

426	Глава 3.11. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА

Рис. 3.11.1. Загрязнение на модуле «Спектр» ОС «Мир»

МКС (рис. 3.11.2) и расположенного вблизи выходов газов из под ЭВТИ. Фотография сде лана во время экспедиции STS 98 корабля «Спейс Шаттл Атлантис».

Загрязнение от выбросов дренажных

Выбросы из дренажных систем мо гут приводить к появлению загрязнения на по верхностях, прилегающих к штуцерам сброса и находящихся в поле струи, что наглядно отра жено на рис. 3.11.3. Данное загрязнение связа но с выбросами систем жизнеобеспечения на СМ МКС. При штатном истечении через шту церы сбрасываются только газы и небольшое количество паров воды, но при нештатной ра боте произошел выброс адсорбента и потемне ние прилегающих поверхностей.

Помимо выброса газов на ОС и кораблях производится выброс жидкостей в вакуум.Так, на МКС производятся штатные процедуры сброса отработанной воды c американского сегмента и ОК «Шаттл», а на российском сег менте — продувка остатков топлива из магист ралей дозаправки. Указанные жидкости, попа дая на поверхности, могут вызывать загрязне ние из за наличия в них посторонних веществ.

В процессе выброса жидкостей в вакуум формируется сложная многофазная газопаро

жидкостная струя. Структура такой струи изучается теоретически, но в связи со слож ностью процессов основное внимание уделя ется экспериментальным методам исследова ния, в наземных условиях — в барокамерах. В случае сброса компонент топлива экспери менты производятся на модельных жидко стях, имеющих физико химические свойства, близкие к натурным.

Основная цель исследования — получе ние углового осредненного распределения жидкой фракции, размеров и скоростей ка пель, образующихся в процессе сброса, и оп ределение необходимости установки защитных устройств.

Анализ выполненных наземных исследо ваний и результатов видеосъемок в условиях орбитального полета на МКС и ОК «Шаттл» показывает, что в процессе выброса жидкости в вакуум можно выделить два режима течения, отличающихся различной устойчивостью струи и угловым распределением разлета ка пель.

В начале (или в конце) сброса в вакуум жидкость «взрывается» вблизи выходного от верстия с образованием паро газо капельно го широкого факела с выделенным вперед направлением. Капли разлетаются во все

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

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОТ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 427

Рис. 3.11.2. Загрязнение поверхности модуля «Заря». Фотография сделана во время полета ОК «Шаттл»

Рис. 3.11.3. Загрязнение около штуцеров системы жизнеобеспечения на служебном модуле МКС

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

428	Глава 3.11. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА

Рис. 3.11.4. Сброс жидкости в вакуум. Данные наземных испытаний в барокамере «Викинг» ИТФ СО РАН

стороны, в том числе в направлении, обрат ном выбросу (рис. 3.11.4). За первой стадией следует вторая, с более стабильным течением, с меньшим угловым разлетом капель, глав ным образом, срывающихся с выходной кромки.

Размеры капель и скорость их движения определяются диаметром выходного отверстия и динамическими условиями истечения Ско рости движения капель находятся в

от 0,3 до 30 м/c, размеры достигают несколь ких миллиметров в диаметре. В условиях кос мического пространства капли быстро замер зают и могут в течение длительного времени (до нескольких часов) двигаться в атмосфере, медленно сублимируя.

На рис. 3.11.5 представлена иллюстрация сброса воды с американского модуля LAB. Ви деосъемка выполена в условиях орбитального полета.

Рис. 3.11.5. Сброс воды с американского модуля LAB. Стабильная (a) и конечная (б) стадии сброса. Видеосъемка выполнена в условиях орбитального полета

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

	ЗАГРЯЗНЯЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРУЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ОРИЕНТАЦИИ					429
		В установившейся стадии полураствор
		струи близок к прогнозируемому и не пре
		вышает 10 , при этом заметны колебания
		струи в поперечном направлении. В на4
		чальной и конечной стадиях наблюдается
		большое количество частиц с углами разле
		та от оси выброса до 90 , размер некоторых
		частиц по визуальной оценке заметно пре
		вышает 1 мм.
		В отдельные моменты			происходит
		взрывной плотный выброс частиц льда,
		обусловленный образованием пробок в ма
		гистралях. Наблюдается попадание частиц
		и появление бликов на снимающей камере.
		Некоторые частицы дрейфуют вдоль кон
		струкции МКС уже после столкновения с
		ее элементами и друг с другом.
		Выводы:
		1. Большое количество крупных час
		тиц, движущихся в непосредственной бли
	Рис. 3.11.6. Влияние защитных экранов на угловое	зости от конструкций станции, свидетель
		ствует о достаточно большой вероятности
	распределение жидкой фракции в струе модельной
	жидкости (фреон):	их попадания на оптические поверхности
	1 — конический патрубок без экрана; 2 — кониче	уже в процессе выброса и в дальнейшем.
	ский патрубок с одним экраном; 3 — конический	Вероятность практически не зависит от
	патрубок с двумя экранами	ориентации станции.
		2. Фактические размеры частиц и раз
	В целях уменьшения загрязняющего воз	брос направления их выброса превышает
		данные, полученные для выброса отработан
	действия, обусловленного попаданием капель
		ной воды с ОК «Шаттл». Результатом такого
	на поверхность аппарата, с которого произво
		превышения является возможность возвраще
	дится выброс, и для формирования более уз
		ния к станции отброшенных частиц даже при
	конаправленной струи на некоторых штуце
		существующих параметрах атмосферы (F10,7 ~
	рах сброса жидкостей устанавливаются за
		~ 150, H ~ 400 км).
	щитные устройства — экраны, уменьшающие
		3. Полную гарантию		несоударения		со
	угол разлета капель. Конструкция экранов
	разрабатывается, исходя из параметров исте	станцией частиц, отброшенных от нее, может
	чения и свойств жидкостей. На рис. 3.11.6	дать только ориентация оси отброшенной
	представлены данные по влиянию экранов	струи, близкой к направлению «на торможе
	на угловое распределение жидкой фракции в	ние».
	струе.	4. Вероятность	соударения уменьшается,
	Анализ видеосъемки выброса конденсата	если ориентация оси струи нормальна орби
		тальной плоскости станции.
	из модуля LAB и выводы из увиденного
	Видеозапись выброса из американского	3.11.3. ЗАГРЯЗНЯЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
	модуля LAB, входящего в состав МКС, вы
		СТРУЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ОРИЕНТАЦИИ
	полнена 7.09.2001 в ходе эксперимента SDTO
		НА ЭЛЕМЕНТЫ КОСМИЧЕСКИХ
	(Station Detailed Test Objective) 16004 А. Вы
		ОБЪЕКТОВ
	брос проводился одновременно из двух дре
	нажных отверстий, расположенных вблизи	Основными исполнительными органами
	торцевой поверхности модуля. Зафиксирова	систем ориентации и маневров ОС, КА и верх
	ны начальная, установившаяся и конечная	них ступеней ракет являются жидкостные ра4
	стадии выброса. Структура струи и размер	кетные двигатели	малой	тяги	(ЖРДМТ).
	ность частиц на этих стадиях существенно	К этому классу отнесены двигатели с тяговы
	различны.	ми параметрами от 5 до 4 000 Н.

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

430	Глава 3.11. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА

Работа двигателей малой тяги сопровож дается выбросами продуктов неполного сгора4 ния (ПНС) компонентов топлива, масса кото рых по разным источникам в зависимости от длительности импульса определяется величи ной ~1…10 % от расхода топлива [1].

В отечественных двигателях в качестве компонентов топлива используются несим метричный диметилгидразин и азотный тет раксид, а в зарубежных — монометилгидразин и азотный тетраксид.

Расход топлива только на ориентацию ОС «Мир» за 12 лет эксплуатации составил ~30 т. А на МКС для управления ориентацией двигателями, установленными на служебном модуле (СМ) и кораблях «Прогресс», ежегодно расходуется от 1,6 до 5 т.

К особенностям работы ЖРДМТ, ис пользуемых в качестве двигателей ориента ции на ОС «Мир» и МКС, относится пре имущественно импульсный характер их ра боты. Типовые циклограммы работы двига телей ориентации при разворотах ОС и раз грузке силовых гироскопов содержат от 20 до 200 включений длительностью 100 мс ка ждый и несколько импульсов длительностью от 1 до 10 с.

Неполное сгорание топлива обусловлено самой конструкцией ЖРДМТ как способа

предотвращения нагрева двигателя выше тем пературы, допустимой для материалов, ис пользуемых для изготовления камеры сгора ния и сопла [2].

Выбросы ПНС вносят существенный вклад в формирование СВА вокруг КА. На фо тографиях ОС «Мир», сделанных космонавта ми, зафиксированы многочисленные зоны за грязнения, образованные выбросами из двига телей ориентации (рис. 3.11.7).

Осаждение ПНС на внешних поверхно стях КА, таких как СБ, радиаторы систем тер морегулирования, линзы и зеркала оптической аппаратуры, иллюминаторы, может сущест венно их рабочие характеристики и ресурс работы. Данный фактор также значи тельно усложняет работу космонавтов в от крытом космосе из за риска загрязнения эле ментов скафандров с последующим внесением высокотоксичных ПНС в обитаемые отсеки (рис. 3.11.8).

Зоны выбросов капель ПНС из сопел ЖРДМТ показаны на рис. 3.11.9 и 3.11.10.

Зона 1 ограничена конической поверхно стью с полууглом 1 ~ 15…25 . Размеры капель (диаметр) в центральной части струи составля ют от 1 до 25…40 мкм.

В зону 2 вылетают капли, срывающиеся с кромки сопла, ее границы определяются зна

Рис. 3.11.7. Загрязнение поверхности модуля «Квант» на ОС «Мир» выбросами ПНС из ЖРДМТ:

1 — центральная (приосевая) зона; 2 — периферийная зона

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

ЗАГРЯЗНЯЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРУЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ОРИЕНТАЦИИ	431

Рис. 3.11.8. Загрязнение в зонах работы космонавтов на СМ МКС:

1 — осадок ПНС на поверхности поручня; 2 — осадки ПНС на экране блока двигателей крена

чениями углов 2 ~40 и 3 6 90…150 . Раз меры капель в этой зоне определяются диапа зоном от 1 до 100 мкм, отдельные капли могут достигать размеров ~3 мм [3].

В зоне 3 капли отсутствуют или их коли чество во много раз меньше, чем в остальном пространстве.

Суммарное за цикл работы двигателя рас пределение интенсивности потока ПНС по уг лу сферической системы координат, связан ной с центром среза сопла, при R const (рис. 3.11.9) и его составляющие части показа ны на рис. 3.11.10.

Первичный поток капель образуется в ка мере сгорания в основном на этапах запуска и останова ЖРДМТ. Характеристики данного потока (размеры и количество капель) зависят

от совершенства системы смесеобразования, времен выхода двигателя на стационарный ре жим работы и спада давления в камере сгора4 ния (КС) после выключения.

В дозвуковой части сопла капли под дей ствием сил аэродинамического сопротивления ускоряются в направлении критического сече ния сопла.

Часть капель, увлекаемых потоком газо вой фазы, пролетает сквозь критическое сече

Рис. 3.11.9. Зоны выбросов капель ПНС из сопла

Рис. 3.11.10. Распределение ПНС в струе

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

432	Глава 3.11. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА

ние и вылетает в сверхзвуковую	сопла. За
его срезом поток вылетает в	зону
струи (зона 1).

Остальные капли из образовавшихся в КС выпадают на стенке сужающейся дозвуко вой части сопла и образуют пленку жидкости, которая под действием силы трения газового потока двигается в направлении критического сечения и далее к кромке сопла, где раcпадается на капли, вылетающие в зону 2.

На всех этапах работы двигателей ориен тации (запуск, стационарный режим и оста нов) образуются многомолекулярные кластеры ПНС. Угловое распределение потока кластер ной фазы имеет вид, сходный с функцией рас пределения потока газовой фазы.

Величина вклада кластерной фракции ПНС в суммарное распределение линейно за висит от длительности импульса и может дос тигать 1,5…2 % от расхода топлива.

Вид суммарной функции распределения ПНС по углу зависит от длительности им пульса ЖРДМТ [2]. При малых длительностях работы dt ~ 25…50 мс вклад кластерной фазы в суммарное распределение достаточно мал, и ре зультирующая функция будет иметь локальный максимум при значениях ~ 80…120 , опреде ляемый величиной потока капель ПНС, приле тевших в эту зону с кромки сопла. При увеличе нии времени работы двигателя до ~0,2…0,3 с вклад кластеров становится заметным, а локальный максимум распределения в зоне 2 вырождается [4].

Решение проблемы, связанной с загряз нением элементов КА выбросами ПНС, обес печивается разработкой методов расчета коли чественных параметров выбросов ПНС из ЖРДМТ и модели динамики испарения их осадков в условиях орбитального полета [5], а также способов экранирования приборов слу жебного и научного назначения и зон работы космонавтов от выбросов ПНС из сопел дви гателей ориентации с использованием газоди намических защитных устройств [4, 6, 7].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Rebrov S., Gerasimov Yu. Investigation of the Contamination Properties of Bipropellant Thrusters. // 35th AIAA Thermophysics Conf. June 2001. Anaheim, CA. Part 1. P. 2001–2818.

2.Герасимов Ю.И. Параметры капель про дуктов неполного сгорания в соплах жидкост ных ракетных двигателей малой тяги // Химиче ская физика. 2006. Т. 25. № 11. С. 25–34.

3. Герасимов Ю.И., Крылов А.Н., Соколо ва С.П., Ярыгин В.Н. и др. Газодинамические аспекты проблемы загрязнения Международ ной космической станции. Натурные экспери менты // Теплофизика и аэромеханика. 2003. Т. 10, № 4. C. 575–586.

4. Герасимов Ю.И., Крылов А.Н., Яры гин В.Н., Приходько В.Г., Ярыгин И.В. Моде лирование в вакуумных камерах процессов внешнего загрязнения Международной косми ческой станции струями двигателей ориента ции // Химическая физика. 2006. Т. 25. № 11.

C.35–47.

5.Герасимов Ю.И. Динамика испарения осадков продуктов неполного сгорания топлива жидкостных ракетных двигателей при эксплуа тации орбитальных станций // Космонавтика и ракетостроение. 2003. № 4 (33). С. 151–158.

6.Герасимов Ю.И., Мишина Л.В., Приходь ко В.Г., Ярыгин В.Н. Способ защиты поверхности космического аппарата от загрязнений, образую щихся при дренаже гидравлических магистралей

иработе реактивных двигателей, и устройств для его осуществления / Пат. RU № 2149807. МПК В64G1/52. Опубл. 27.05.2000.

7.Поскачеев Ю.Д., Ребров С.Г., Гераси мов Ю.И. Управляющая двигательная установ ка космических аппаратов и станций с ракет ными двигателями малой тяги / Пат. RU № 2111904. МПК В64G1/52. Опубл. 27.05.98.

3.11.4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ ОТ РАСПЫЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НАРУЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ РАБОТЕ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Впоследнее время для решения задачи управления движением геостационарных спут ников связи активно применяются электроре активные стационарные плазменные двигатели

(СПД).

Вкачестве рабочего тела в двигателях ис пользуется ксенон (МXe 131). Струи двигате лей характеризуются высокой скоростью ионов (до 20 км/с), характерным «узким» рас пределением плотности и большой кинетиче ской энергией ионов (рис. 3.11.11). С исполь зованием СПД при проектировании КА воз никли новые вопросы, среди которых важную роль играет оценка распыления материалов элементов конструкции КА струей плазменно го двигателя и последующее загрязнение чув ствительных элементов КА.

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

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ	433

Рис. 3.11.11. Угловая зависимость плотности потока ионов и средней кинетической энергии иона в струе двигателя СПД70 на расстоянии 1 м:

азимутальный угол считывается от центра среза сопла

Для определения плотности струи на дру гих расстояниях среза сопла разработчики СПД предлагают использовать аппроксимации вида:

N(R, ) N(R, ) /R2,

(3.11.1)

где N(R, ) — плотность на расстоянии R; R — расстояние в метрах; N(R, ) — плотность на расстоянии 1 м, полученная по результатам ис пытаний; угол от оси двигателя.

По угловому распределению энергии и концентрации ионов можно определить вели чину распыления материала, попадающего в зону распространения струи. Детальные расче ты взаимодействия с конструкционными мате риалами решаются численно с учетом плотно сти струи, энергии, угла от оси двигателя, угла падения на поверхность.

Для расчета распыления используется следующая методика:

• определяется коэффициент распыле ния Kр, атом/ион, равный количеству атомов вещества, распыляемого при попадании иона

на поверхность. Для каждого материала Kр яв ляется функцией энергии иона и угла его паде ния на поверхность;

• рассчитывается количество атомов ве щества, распыленных с 1 см2 за время t, по формуле

N Kрqt,

(3.11.2)

где q — плотность потока ионов, т.е. количе ство ионов, попадающих на 1 см2 в единицу времени t;

• толщина слоя материала, распыляемо го за время t, определяется по формуле

(t) (Nмi) /7 , (3.11.3)

где мi — масса иона, г; 7 — плотность распы ляемого материала, г/см3.

Коэффициенты распыления Kр опреде ляются экспериментально и сильно варьиру ются в зависимости от материала. Для всех материалов наблюдается их возрастание с увеличением энергии иона ксенона и почти трехкратное возрастание на скользящих уг