лекция 9_конспект

Лекция 9 Факторы эксплуатации космических аппаратов

В процессе эксплуатации космический апппарат подвергается воздействию различных факторов, которые могут иметь как техногенную, так и естественную природу.

Учёт и защита КА от действия этих факторов играют важную роль в обеспечении эффективности разработки, создания и экспплуатации спутников. Кроме того, понимание природы и степени критичности каждого из этих факторов позволяет правильно спланировать и провести наземные испытания спутника.

			СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ГСО	–	геостационарная орбита;	РКН	–	ракета космического назначения;
КА	–	космический аппарат;	РН	–	ракета-носитель.

1

Этапы экспллуатации КА

Наземная эксплуатация

Выведение на орбиту

Эксплуатация на орбите

Традиционно выделяют три больших этапа эксплуатации. Каждый из этих этапов характеризуется присущими только ему факторами, воздействующими на космический аппарат и каждый из этих этапов эксплуатации должен моделироваться и оцениваться при наземной экспериментальной отработке отдельно.

Этап наземной эксплуатации включает в сеебя все работы с КА, проводимые до того, как он будет запущен на орбиту. Основными ф акторами наземной эксплуатации являются большое количество транспортировочных операций (транспортирование на заводе-

изготовителе, транспортирование на полигоон запуска, транспортирование в пределах полигона запуска) и необходимость постоянного контроля параметров окружающей среды с тем, чтобы они не оказывали значительного влияние на будущую орбитальную эксплуатацию КА.

Этап выведения на орбиту характеризуется значительными механическими нагрузками на конструкцию и приборы КА. Учёт этих нагрузок необходим для обеспечения прочности раскрываемых элементов и конструкции спутника, часто за счёт введения в конструкцию дополнительных механизмов, не участвующих в целевой работе элемента, а необходимых только на этапе выведения на орбиту.

Этап эксплуатации на орбите – наиболее длительный этап, на этом этапе КА подвергается воздействию обширной гаммы факторов, каждый из которых должен быть учтён при разработке и испытаниях спутника. Сложность учёта этих факторов заключается в том, что все измерения их влияния – опосреедованы, то есть нельзя однозначно сказать,

какой из факторов космического пространства привёл к тем или иным изменениям в работе КА, и кроме того, чаще такие измерения вызываются целой гаммой факторов, действующих одновременно.

2

Этап наземной эксплуатации

Изготовление КА

Испытания КА на заводе-изготовителе

Хранение КА

Транспортирование к месту запуска

Подготовка к запуску

Наземная эксплуатация КА начинается с момента начала изготовления деталей конструкции и приборов спутника. Наземная экксплуатация характеризуется необходимостью соблюдения компромисса между возможносттями и удобством работы с КА на Земле и исключением воздействия факторов, отсутствующих при орбитальной эксплуатации.

Это выражается, например, в требованиях по обеспечениию чистоты в помещениях, в которых проводят сборку КА, а также в трранспортировочном контейнере. Ещё одним характерным примером является использоование специальных опор при сборке и испытаниях антенн и солнечных батарей, пооскольку они рассчитаны на эксплуатацию в невесомости и могут сломаться на Земле под собственным весом.

Параметры окружающей среды

	Состав газовой	Давление	Температура	Чистота	Влажность
	среды			помещений

Состав параметров окружающей среды, коннтролируемых при наземной эксплуатации КА, определяется, в том числе, необходимостью обеспечения комфортных условий для персонала, осуществляющего работу с КА. Дрругими словами, если людям будет жарко или холодно, они не смогут работать эффективно, поэтому температура должна быть в пределах комнатной, а давление – нормальным. Состтав газовой среды и влажность определяют выпадение росы на поверхности КА, а также химическую активность этой росы. Чистота помещений необходима для исключения загряязнения поверхностей КА, что может привести к ухудшению оптических характеристик датчиков и стеклянного покрытия солнечных батарей, а также к накоплению на поверхности КА статического электричества.

3

Параметры окружающе й среды при наземной эксплуатации КА

Для наземного этапа эксплуатации сппутника физические свойства окружающей

его атмосферы имеют следующие значения:

давление (95,4…103,3) кПа;

температура 50 °С;

относительная влажность не более 60 % при температуре +20°С.

Впроцессе изготовления и испытаний КА окружающие климатические условия цеховые: температура воздуха в пределах 15-35 С и относительная влажность до

80% при температуре +20 С, чистота по классу Р8 (частицы меньше 0,1 мкм).

В хранилищах КА находится в упаковке при температуре воздуха в пределах 5- 35 С, относительной влажности до 100 % при температуре +20 С и чистоте по классу Р8 ИСО (частицы меньше 0,1 мкм). Время хранения может доходить до 3-5 лет,

поэтому периодически (1 раз в 1-2 года) проводится контроль состояния КА: внешний осмотр, электрические проверки и т. д.

Учитывая неблагоприятные воздействия климатических факторов, КА транспортируется в специальной упаковке – пылевлагонепроницаемой,

обеспечивающей следующие условия внутренней среды: температура от минус 50 до плюс 50 С, относительная влажность не более 60% при температуре 20 С; При необходимости в упаковке создается микрооклимат: более узкий диапазон температур от плюс 5 до плюс 35 С.

4

Параметры окружающе й среды при наземной эксплуатации КА

5

Механические нагрузки

Механические нагрузки на КА воздействуют на этапе наземного транспортирования и при проведении такелажных работ (КА находится в нерабочем состоянии), на активных участках выведенния КА на орбиту (некоторые приборы КА могут быть включены), на орбите функционирования во время работы двигательной установки КА (КА находится в рабочем состтоянии).

Механические нагрузки

Квазистатические

Акустические

Вибрационные

Ударные

Квазистатические нагрузки – это перегрузки, вызванные движением КА в составе РКН с некоторым постоянным (на каждом временном промежутке) ускорением.

Акустические нагрузки – объёмная вибрация под действием звуковых волн, генерируемых РН и головным обтекателем на этапе выведения КА на орбиту.

Вибрационные нагрузки возникают при работе движущихся агрегатов РН, при прохождении РКН через скачки уплотнения атмосферы, при колебании корпуса РКН в момент поворота и т.д., а также при работе мехханизмов КА на орбите.

Ударные нагрузки вызваны ударами при раазделении ступеней РН при выведении КА на орбиту, а также ударами при зачековке (фиксации) раскрываемых элементов конструкции КА на орбите.

6

Этапы орбитальной эксплуатации

Запуск КА в составе РКН

Выведение на целевую орбиту

Ввод в штатную эксплуатацию

Лётные исспытания

Штатная эк плуатация

Выведение из целевого использования

Этап орбитальной эксплуатации объединяяет в себя этап выведения КА на орбиту с помощью РН и этап функционирования КА на орбите. Этап орбитальной эксплуатации характеризуется отсутствием возможности влииять на КА любыми средствами кроме заранее предусмотренных, а этап выведения на орбиту – ещё и малой длительностью и быстрой сменой внешних условий (ускорение движения, направление этого ускорения, температурная нагрузка после сброса головного обтекателя и т.д.), что делает этап орбитальной эксплуатации наиболее ответствеенным этапом существования КА.

Этап выведения КА на целевую орбиту – это исправление ошибок выведения КА с помощью РН, а также приведение КА в нужную точку на ГСО.

Ввод в штатную эксплуатацию – включеение и проверка приборов КА, приведение ориентации спутника в соответствии со штатной.

Выведение из целевого использования – либо увод КА на орбиту захоронения (для высоких орбит), либо сведение с орбиты в последующим сгоранием в атмосфере Земли либо затоплением в океане.

7

Факторы космического пространства

Фактор ы орбитальной эксплуатации

НЕВЕСОМОСТЬ

ТЕМПЕРАТУРА

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ

ВАКУУМ И СОБСТВЕННАЯ АТМОСФЕРА КА

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУУЧЕНИЕ (СОЛНЦЕ, ЗЕМЛЯ)

КОРПУСКУЛЯРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР, СКИ, ГКИ)

МАГНИТОСФЕРА И РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ

МЕТЕОРНОЕ ВЕЩЕСТВО

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ПОВЕРХНООСТИ КА

ГАЗОВАЯ СРЕДА ГЕРМОКОНТЕЙНЕРА

Факторы космического пространства услловно можно разделить на две большие подгруппы: факторы внешней среды и факторы, генерируемые самим КА. К первой подгруппе относится подавляющее большинство факторов, а ко второй – только собственная атмосфера КА и газовая среда гермоконтейнера. Факторы, генерируемые самим КА, можно минимизировать, а влиянием факторов внешней среды управлять:

например, при отсутствии на внешних поверхностях КА токопроводящей аппаратуры фактор электризации поверхности КА является несуущественным, а фактор невесомости может приносить пользу за счёт предоставления возможности использования облегчённой конструкции спутника.

Большинство факторов космического просттранства обнаружены экспериментально, при этом многие из этих «экспериментов» привели к гибели космических аппаратов на орбите.

8

Факторы орбитальной эксплуатации. Невесомость и вакуум

Невесомость

Плюсы

Отсутствие статических нагрузок, вследствие чего конструкция элементов КА может быть лёгкой и ажурной

Минусы

1.Отсутствие гидростатических сил, следовательно для обеспечения тока жидкости необходимы насосы;

2.Отсутствие конвекции, что требует установки вентиляторов в гермоконтейнерах

Вакуум

	Плюсы					Минусы
	1. Отсутствие	сопротивления		1. Низкое	давление		приводит	к
				испарению		твёрдых	покрытий,
	движению КА по орбите;
				смазок,	выделению		газов	из
	2. Теплопередача между КА и
				внутренних		полостей КА		и
	окружающей	средой	возможна
				образованию			собственной
	только посредством		излучения,
				атмосферы КА;

что снижает тепловые потери КА

2. Теплопередача между КА и окружающей средой только посредством излучения снижает эффективность сброса в окружающее пространство излишков тепловой энергии, производимой приборами КА

Условия космического пространства характеризуются чрезвычайно низким давлением окружающей среды (10-8 – 10-13 Па). В земных условиях можно достигнуть давления 10-6 Па в хороших барокамерах.

9

Факторы космического пространства. Собственная атмосфера КА

При испарении покрытий и дегазации (исстечении газов из внутренних полостей КА) образуется собственная атмосфера спутникаа, состоящая как из нейтральных, так и из заряженных частиц.

Собственная атмосфера КА отрицательно влияет на характеристики спутника: во-первых, продуктами испарения покрытий могут загрязняться оптические элементы датчиков системы ориентации и защитное стекло фотопреобрразователей солнечных батарей; во-вторых, собственная атмосфера обладает электрической проводимостью, что представляет опасность короткого замыкания для высоковольтных кабелей, проложенных по внешней поверхности КА.

Причины

возникновения

собственной

атмосферы КА

ФАКТОРЫ КОСМИЧЕЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

УТЕЧКА ГАЗА ИЗ ГЕРРМЕТИЗИРОВАННЫХ ОТСЕКОВ

ВЫХЛОПНЫЕ ПРОДУКТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Для парирования воздействия факторов собственной атмосферы спутника, при разработке КА реализуются технические решения :

1)на наружных поверхностях спутника применяются неметаллические материалы и покрытия, удовлетворяющие требованию: потеря массы не более 0,1% и количество осажденного летучего конденсирующего вещщества не более 0,1% от массы исходного материала;

2)в первые 4…10 суток после выведения спутника на орбиту, аппаратура, имеющая высоковольтные цепи снаружи КА, не включается;

3)поле зрения оптических приборов и факелы двигателей разносятся в пространстве или их работа разносится по времени, при этом основная зона действия факела ограничивается конусом с углом раскрыва 90°;

4)для обеспечения спада давления внутри негерметичных приборных отсеков в его конструкции предусматриваются вентиляционные отверстия с суммарной площадью, зависящей от объема приборного отсека: 0,004 м2 на каждый 1 м3 объема.

10