Отправить статью по E-mail Измерение давления внутри негерметичного приборного отсека геостационарного космического аппарата
- Авторы: Мордовский С.А.1, Максимов И.А.1, Иванов В.В.1, Ситникова Н.Н.1, Трофимчук Д.А.1
-
Учреждения:
- АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
- Выпуск: Том 23, № 2 (2022)
- Страницы: 284-294
- Раздел: Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/546132
- DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-2-284-294
- ID: 546132
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В процессе летной эксплуатации космических аппаратов в негерметичном исполнении, бортовая аппаратура находится в окружении собственной атмосферы.
В АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» (АО «ИСС») совместно с Московским авиационным институтом (национальным исследовательским университетом) (МАИ) разработана и программно реализована математическая модель для оценок динамики давления собственной атмосферы негерметичного отсека и выбора проектных параметров и конструктивного исполнения вентиляционных отверстий негерметичного приборного отсека. Также проведена расчетная оценка динамики спада давления собственной атмосферы негерметичного приборного отсека по данной математической модели.
Для натурного измерения давления внутри негерметичного приборного отсека в процессе летной эксплуатации в состав геостационарного космического аппарата был интегрирован блок датчиков давления совместной разработки АО «ИСС» и Новосибирского государственного университета. Блок состоит из двух датчиков: полупроводниковый датчик на основе МЕМС-технологии (микро-электромеханическая система) и инверсно-магнетронный датчик с холодным катодом. В целом блок датчиков давления обеспечивает измерение давления от 790 до 1∙10–8 мм рт. ст. Авторами приведены результаты измерений давления внутри негерметичного приборного отсека в первые шесть месяцев эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите.
Также в данной статье проведено сравнение результатов натурного измерения давления и расчетного спада давления, полученного с помощью математической модели, в космических аппаратах с негерметичным исполнением приборного отсека.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Современный опыт развития космической техники характеризуется ростом функциональной сложности целевой аппаратуры космических аппаратов (КА), организацией обработки цифровой информации на борту КА и передачей её потребителю в реальном масштабе времени, снижением массогабаритных характеристик, увеличением автономности и сроков активного существования КА. Существенным элементом, препятствующим успешной реализации поставленных перед космической техникой задач, является негативное воздействие на бортовые системы КА факторов космического пространства (ФКП) и факторов техногенного характера (ФТХ).В АО «ИСС» более 20 лет ведется изучение влияния на КА ФКП и ФТХ [1–12].
При штатной эксплуатации КА в негерметичном исполнении бортовая аппаратура находится в окружении собственной атмосферы (СА), которая состоит из собственной внешней атмосферы (СВА) и собственной атмосферы негерметичного отсека (САНО). СВА – газовая среда вокруг космического аппарата, образующаяся в результате процессов массоотделения, САНО – газовая среда в негерметичном приборном отсеке, образующаяся в результате замещения остатков земной атмосферы продуктами газовыделения неметаллических конструкционных материалов. СА является техногенным фактором, который влияет на работоспособность бортовых систем КА посредством взаимодействия с токоведущими элементами бортовой аппаратуры, находящимися под напряжением 100 В и выше.
Известно, что электрическая прочность вакуумных промежутков между токоведущими элементами аппаратуры зависит от величины давления окружающей среды, напряжения на электродах, линейных размеров промежутков, материалов и площадей токоведущих элементов, их формы, диэлектрических покрытий и т. д. [13–15].
САНО, изменяющая изоляционные характеристики вакуумных промежутков между токоведущими элементами бортовой аппаратуры, является одним из техногенных факторов, ответственных за возникновение электрического пробоя и, как следствие, негативного воздействия на работоспособность бортовой аппаратуры [16; 17].
Расчетная оценка динамики спада давления
Из-за характерных особенностей к целому ряду бортовой аппаратуры предъявляются особые требования к функционированию в условиях давления САНО. Для данного оборудования при наземных испытаниях определяется критичный диапазон давления, влияющий на его работоспособность с точки зрения возникновения высоковольтного электрического пробоя. С целью обеспечения безопасных условий при начальном этапе включения и функционирования бортовой аппаратуры проводится расчетная оценка параметров давления СА внутри НГПО. Для этого АО «ИСС» совместно с МАИ разработана и программно реализована математическая модель оценки динамики давления САНО, выбора проектных параметров НГПО и конструктивного исполнения вентиляционных отверстий. По оценкам в многосекционном НГПО КА давление в начальный период летной эксплуатации снижается от атмосферного до величины 1,3·10-3 Па (10-5 мм рт. ст.) в течение 36 ч (1,5 суток) при наличии в НГПО вентиляционных отверстий площадью 0,021 м2. На рис. 1 и 2 представлены результаты предварительной расчетной оценки внешнего давления и давления в НГПО КА в начальный период летной эксплуатации.
Скачкообразное увеличение давления, видимое на рис. 1 и 2, обусловлено изменением температуры в НГПО, связанное с включением приборов.
Рис. 1. Предварительные зависимости внешнего давления и давления в негерметичном приборном отсеке КА от времени в начальный период летной эксплуатации
Fig. 1. Preliminary dependencies on time for the outside pressure and for the non-hermetic equipment bay pressure at the beginning of the flight
Рис. 2. Предварительные зависимости внешнего давления и давления в негерметичном приборном отсеке КА от времени в первые 6 суток летной эксплуатации
Fig. 2. Preliminary dependencies on time for the outside pressure and for the non-hermetic equipment bay pressure during the first 6 days of the flight
Аппаратура мониторинга динамики давления
Для мониторинга динамики давления внутри НГПО в процессе летной эксплуатации в состав геостационарного КА был интегрирован блок датчиков давления (БДД) совместной разработки АО «ИСС» и НГУ.
БДД обеспечивает измерение давления от 790 до 1∙10–8 мм рт. ст.
В блоке БДД для измерения давления используются два датчика: полупроводниковый датчик на основе МЕМС-технологии (микро-электромеханическая система) для работы в диапазоне от 790 до 1∙10–4 мм рт. ст. и инверсно-магнетронный датчик с холодным катодом для работы в диапазоне от 1∙10–3 до 1∙10–8 мм рт. ст.
 |  |
Рис. 3. Полупроводниковый датчик на основе МЕМС-технологии Fig. 3. Semiconductor sensor based on MEMs technology | Рис. 4. Инверсно-магнетронный датчик Fig. 4. Inverse magnetron sensor |
Полупроводниковый датчик на основе МЕМС-технологии (рис. 3) представляет собой высокоточный измеритель значения теплопроводности исследуемого газа. Значение проводимости тепла зависит от давления газа, действующего на датчик, так как уменьшение давления ведет к уменьшению концентрации газа у поверхности датчика, что, в свою очередь, приводит к уменьшению переноса тепла от одной рабочей части датчика к другой.
Инверсно-магнетронный датчик с холодным катодом (рис. 4), использующийся в БДД, измеряет абсолютное давление, ионизируя остаточный газ в рабочем объеме датчика. Цилиндрический корпус датчика используется как катод с нулевым потенциалом. На анод, расположенный в центре датчика, во время работы подается напряжение более 1500 В. Магнитная система, удерживает свободные электроны в области датчика, заставляя их двигаться по эпициклоидам внутри рабочего объема датчика. При столкновении электронов с молекулами остаточного газа происходит ионизация молекул. Ионы, при взаимодействии с катодом вызывают эмиссию вторичных электронов, ток которых пропорционален ионному току.
Переключение датчиков производится в автоматическом режиме при достижении давления 1,4·10–4 мм рт. ст. Погрешность измерения БДД составляет 20 % при давлении в диапазоне от 790 до 1∙10–4 мм рт. ст. и 50 % в диапазоне 1∙10–4 до 1∙10–8 мм рт. ст.
БДД расположен внутри НГПО на приборной панели. Расположение БДД в составе КА представлено на рис. 5.
Рис. 5. Размещение БДД в составе КА (сотовая панель не показана)
Fig. 5. Pressure sensors block inside the spacecraft (honeycomb panel is not shown)
Результаты измерений динамики давления в НГПО
В соответствии с программой летных испытаний, было произведено измерение давления на участке выведения КА.
Рис. 6. График спада давления внутри негерметичного приборного отсека в течение участка выведения на КА № 2
Fig. 6. Pressure drop graph inside the non-hermetic equipment bay duringthe launch for spacecraft № 2
На рис. 6 приведен график спада давления внутри НГПО КА № 2 в течение участка выведения. Начальная ровная полка на графике – измерение атмосферного давления от момента инициализации БДД до момента старта РН (ракетоноситель). Более подробное изменение давления под головным обтекателем и внутри НГПО на участке выведения приведено на рис. 7.
Рис. 7. График спада давления под обтекателем и внутри негерметичного приборного отсека в течение первых 120 с полета РН
Fig. 7. Pressure drop graph inside the fairing and inside the non-hermetic equipment bay for the first 120 sec of the launch vehicle flight
Измеренное давление внутри НГПО соответствует расчетным значениям спада давления под головным обтекателем. После отделения от РН давление резко упало. При включении маршевых двигателей (МД) разгонного блока «Бриз-М» фиксируется возрастание давления на время работы двигателей. Кратковременное повышение давления было зафиксировано при сбросе дополнительного топливного бака (ДТБ) и отделением КА. Значение давления на момент отделения КА от РН (контакт отделения – КО), рассчитанное ПО PKDYN, разработки МАИ, и измеренное совпало.
Измерение динамики давления после КО
Величина измеренного давления и температура панели внутри НГПО КА № 1 за период от КО (21.12.2018) по 21.11.2019 представлена на рис. 8. На графике показаны данные: давление – синий цвет (верхняя кривая), температура панели – зеленый (нижняя кривая).
Анализ результатов измерений показывает, что величина давления внутри НГПО зависит от температуры панелей НГПО. В результате повышения температуры внутри НГПО усиливаются процессы газовыделения материалов бортовой аппаратуры и, следовательно, давление возрастает. Более подробно эта зависимость представлена на рис. 9, где приведены значения давления (синяя кривая) и температуры (красная кривая) в период с 3 по 10 февраля 2019 В этот период времени на КА № 1 провели частную программу для проверки системы терморегулирования. После отключения обоих жидкостных контуров температура в районе БДД возросла до 30 ºС, в результате этого давление кратковременно возросло до 10-4 мм рт. ст.
Рис. 8. График спада давления (верхняя синяя кривая) и температуры (нижняя зеленая кривая) внутри негерметичного приборного отсека на КА № 1
Fig. 8. Pressure (upper blue line) and temperature (lower green line) drop graph inside the non-hermetic equipment bay for spacecraft № 1
Рис. 9. Давление и температура в период с 3 по 10 февраля 2019 г.
Fig. 9. Pressure and temperature between 3th and 10th February 2019
На рис. 10 приведен график спада давления (синяя кривая) и температура панели (зеленая кривая) внутри НГПО на КА № 2. Динамика спада давления на КА № 1 и 2 совпадает. На КА № 2 также видна зависимость давления от температуры панели.
На рис. 11 приведены расчетные значения спада давления и показания двух датчиков давления: полупроводникового датчика на основе МЕМС-технологии (датчик давления 1) и инверсно-магнетронного датчика с холодным катодом (датчик давления 2). Расчетные значения приведены в соответствии с математической моделью. На момент КО расчетное значение давления и измеренное совпадает. Далее имеются некоторые расхождения. В соответствии с расчетами, должно быть существенное увеличение давления при включении системы преобразования и управления (СПУ) и бортового ретрансляционного комплекса (БРТК). Однако на КА № 1 отмечено только незначительное увеличение давления с 2∙10–6 до 4∙10–6 мм рт. ст. во время проверочных включений БРТК в течение с 20 января по 2 февраля 2019 Возрастание давления во время включения СПУ не зафиксировано.
Рис. 10. График спада давления и температуры внутри негерметичного приборного отсека на КА № 2
Fig. 10. Pressure and temperature drop graph inside the non-hermetic equipment bay for spacecraft № 2
Рис. 11. Расчетные значения спада давления (красная кривая) и показания БДД: полупроводниковый датчик на основе МЕМС-технологии (зеленая кривая) и инверсно-магнетронный датчик (синяя кривая) на КА № 1
Fig. 11. Pressure drop calculated values (red line) and pressure sensors block data: semiconductor sensor based on MEMs technology (green line) and inverse magnetron sensor (blue line) for spacecraft № 1
Аналогичные результаты измерений динамики спада давления внутри НГПО зафиксированы на КА № 2 (рис. 12). Включение СПУ было 11.08.2019 при давлении ~ 2∙10-5мм рт. ст., включение БРТК было 02.09.2019 при давлении ~ 2∙10-6мм рт. ст., что соответствовало разрешенному диапазону давления, заявленному в конструкторской документации, для включения данного оборудования.
Рис. 12. Спад давления на КА № 2
Fig. 12. Pressure drop for spacecraft № 2
Заключение
В ходе проведенных работ впервые экспериментально в натурных условиях определена динамика спада давления в негерметичном отсеке для КА определенной конструктивной компоновкой схемы от момента старта до начала использования по целевому назначению. В настоящее время массив информации содержит данные за 2 года и 9 месяцев эксплуатации.
Летные испытания подтвердили правильность выбора типов датчиков для выполнения поставленной задачи. Подтверждена возможность проводить непрерывные измерения давления в диапазоне от 790 до 10–7 мм рт. ст. Чувствительность датчиков давления позволяет фиксировать изменения давления при изменении температуры ~ 5 ºС.
Определены временные значения прохождения критической области давления для чувствительной к этому параметру бортовой аппаратуры, расположенной внутри НГПО, что позволит оптимизировать программу включения высоковольтного оборудования и существенно сократить время включения полезной нагрузки на полную мощность.
Проведенная верификация расчетной модели показала, что:
- имеются некоторые расхождения между расчетными значениями давления и измеренными. Таким образом, необходима корректировка модели спада давления и формирования СВА внутри НГПО;
- возрастание давления во время включения СПУ не зафиксировано, что свидетельствует о правильности конструктивного исполнения вентиляционных отверстий в корпусе НГПО;
- значительное возрастание давления во время включения БРТК не зафиксировано, что объясняется правильным применением материалов с потерей массы не более 1 %, реализацией процессов обезгаживания при изготовлении узлов бортовой аппаратуры, замедлением процессов дегазации в НГПО.
Длительный мониторинг динамики давления внутри НГПО показал, что данный параметр при данной конструктивно-компоновочной схеме с определенным набором вентиляционных отверстий в течение полугода вышел на равновесный стационарный режим и величина давления в НГПО составляет ~10–6 мм рт. ст.
Об авторах
Сергей Александрович Мордовский
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Автор, ответственный за переписку.
Email: mordovsky@iss-reshetnev.ru
начальник группы
Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Игорь Александрович Максимов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Email: mia@iss-reshetnev.ru
доктор технических наук, начальник отдела
Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Владимир Васильевич Иванов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Email: ivanov@iss-reshetnev.ru
кандидат технических наук, заместитель начальника отдела
Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Нинель Николаевна Ситникова
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Email: nns@iss-reshetnev.ru
ведущий инженер
Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Денис Александрович Трофимчук
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Email: trofimchukda@iss-reshetnev.ru
ведущий конструктор
Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Список литературы
- Максимов И. А., Кочура С. Исследование влияния факторов космического пространства и техногенных факторов на космические аппараты, разработка методов и средств защиты : монография. Красноярск, 2011, 182 с.
- Максимов И. А. Проблемы обеспечения надежного функционирования современных космических аппаратов в условиях дестабилизирующего воздействия факторов космического пространства и факторов техногенного характера // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 4(30). С. 100–102.
- Экспериментальное исследование загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы на этапе орбитальной эксплуатации космического аппарата / А. Б. Надирадзе, И. А. Максимов, В. А. Смирнов и др. // Вестник СибГАУ. 2006. Вып. 1(8). С. 91–95.
- Оценка времени обезгаживания негерметичного приборного отсека космического аппарата / А. Б. Надирадзе, А. А. Чиров, В. В. Шапошников и др. // Вестник СибГАУ. 2007. Вып. 1(14). С. 95–98.
- Повышение надежности негерметичного отсека космического аппарата / И. А. Максимов, В. А. Смирнов, В. В. Иванов и др. // Вестник СибГАУ. 2007. Вып. 1(14). С. 88–90.
- Экспериментальное определение загрязняющего и эрозионного воздействия струй электроракетных двигателей на материалы космических аппаратов / А. Б. Надирадзе, Е. Б. Паршина, В. В. Шапошников и др. // Авиация и космонавтика – 2005 : материалы 4 Междунар. конф., 10–13 ноября, 2005 г., Москва. М. : МАИ, 2005. 1 с.
- Математическое моделирование загрязнения внешних поверхностей космического аппарата выхлопами электроракетных двигателей и компонентами собственной внешней атмосферы / А. Б. Надирадзе, В. В. Шапошников, В. М. Арбатский и др. // Материалы IV междунар. аэрокосмич. конгресса, 18–23 августа 2003, Москва. 1 с.
- Мониторинг радиационной обстановки на геостационарной орбите в максимуме 23-го цикла солнечной активности / Т. А. Иванова, Н. Н. Павлов, С. Я. Рейзмани и др. // Физические проблемы экологии : материалы 3-й Всерос. науч. конф., 22–24 мая 2001 г., Москва, МГУ. М., 2001. Т. 6. 8 с.
- Контроль радиационной обстановки на высокоапогейных КА / Н. А. Власова, И. В. Гецелев, Т. А. Иванова и др. // Электризация космических аппаратов и совершенствование их антистатической защиты как средства увеличения надежности и сроков активного существования : материалы V межотраслевой науч.-технич. конф., 16–17 мая 2002 Королев, ЦНИИмаш, 2002. 1 с.
- Моделирование и мониторинг радиационной обстановки в магнитосфере Земли на высокоапогейных космических аппаратах / Э. Н. Сосновец, М. И. Панасюк, Н. А. Власова и др. // Солнечно-земная физика : материалы конф. по физике солнечно-земных связей, 24–29 сентября 2001 г., Иркутск. 2002. Т. 2 (115).1 с.
- Создание системы мониторинга внешних воздействующих факторов, возникающих в результате функционирования КА / И. А. Максимов, Ю. М. Прокопьев, В. В. Хартов и др. // Материалы IV междунар. аэрокосмич. конгресса, 18–23 августа 2003, Москва. 1 с.
- Крылов А. Н., Мишина Л. В., Чудина Н. А. Динамика изменения давления в негерметичных отсеках спутников на геостационарных орбитах // Авиационное приборостроение. 2006. № 3. С. 55–58.
- Моделирование процессов формирования СВА и загрязнения поверхности КА / Надирадзе А. Б., Шапошников В. В., Хартов В. В. и др. Гл. 1.1. Модель Космоса : 8 изд. Т. 2. М., 2007.
- Новиков Л. С. Современное состояние и перспективы исследований взаимодействия космических аппаратов с окружающей средой. Введение. Модель Космоса : 8 изд. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование КА. М., 2007.
- Исследование загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы и плазмы стационарных плазменных двигателей на КА «Экспресс-АМ» / В. А. Смирнов, А. К. Шатров, И. А. Максимов и др. // Вестник СибГАУ. 2006. Вып. 2(9). С. 46–50.
- Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effects on spacecraft components / S.K. Absalamov etc. // 28th Joint Propulsion Conference and Exhibition, 6–8 July, 1992. Nashive, 1992.
- Rantanen, R.O. Determination of Space Vehicle Contamination / R. O. Rantanen, L. E. Bareiss, E. B. Ress // Proc. Of Centre Natianal D’Etudes Spatiales Symphosium on Evaluation of Space Environment on Materials, held at Toulouse. France. P. 211–232.
Дополнительные файлы
