СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ КАВЕРНЫ НА ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВНЕШНЕГО СТЕКЛА ИЛЛЮМИНАТОРА ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF DEFINING CAVITY DEPTH AT OPTICAL SURFACE OF VIEWING PORT OUTER GLASS OF MANNED SPACE VEHICLE

В процессе полета космический аппарат (КА) подвергается воздействию окружающей среды: ионизирующих излучений, частиц, а также метеоритов. Большую опасность представляют даже микрометеориты, соударяющиеся со стеклами иллюминаторов КА, вследствие огромной (~8 км/с) скорости соударения, что приводит к образованию каверен на внешнем стекле иллюминатора. В качестве примера на фиг.1 приведено фото каверны на внешнем стекле иллюминатора МКС. Образовавшиеся каверны снижают прочность иллюминатора, а в критических случаях могут привести к потере его герметичности, т.е. к аварийной ситуации.
До настоящего времени непосредственно измерить величину каверны не представлялось возможным на КА в условиях полета и такие измерения не проводились. По одиночному фото невозможно достоверно определить глубину каверны.
Прототипа данного способа не обнаружено.
Задачей изобретения является достоверное определение глубины каверны (дефекта) внешнего стекла иллюминатора в условиях полета с заданной точностью.
Задача решается с помощью описываемого ниже способа.
1
2
В предлагаемом способе определения глубины каверны на оптической поверхности иллюминатора КА производят следующие действия (см. фиг.2): измеряют расстояние от центра каждого снимка стереопары до одной и той же точки изображения каверны (x и х), измеряют расстояние между оптическими осями объективов 1 и 2 для первого и второго снимков стереопары, измеряют расстояние от главной плоскости 4 объективов 1 и 2 до поверхности внутреннего стекла 5 иллюминатора, измеряют давление воздушной среды в гермоотсеке (ГО) и в межстекольном пространстве иллюминатора, а глубину каверны определяют по следующей формуле:
где
Δ - глубина каверны,
1
х- расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на первом снимке относительно центра снимка,
2
х - расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на втором снимке относительно центра снимка,
В - расстояние между оптическими осями объектива для первого и второго снимка,
0
h - расстояние от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора,
ГО
P - давление в гермоотсеке,
В12
Р - давление в межстекольном пространстве,
f - фокусное расстояние объектива,
СТ1
h - толщина первого стекла иллюминатора,
СТ2
h - толщина второго стекла иллюминатора,
В12
h - толщина межстекольного пространства иллюминатора,
КВ
n - показатель преломления кварцевого стекла,
k - коэффициент пропорциональности в зависимости между показателем преломления и давлением воздушной среды:
B
где n - показатель преломления воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве,
Р - давление воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве. Зависимость между показателем преломления и давлением показана в книге К.У.Ален Астрофизические величины. Издательство иностранной литературы, 1960, §53. Атмосферная рефракция и путь луча в воздухе.
1
2
0
ГО
В12
0
СТ1
Величины х, x, В, h, P, Р - измеряемые. В, h, f - известные величины, h,
СТ2
В12
h, h - конструктивные параметры иллюминатора.
Фотоснимок каверны, приведенный на фиг.1, был сделан на российском сегменте международной космической станции (PC MKC) при фотосъемке иллюминатора №7 в 2002 г. На снимке на внешнем стекле иллюминатора на фоне оправы иллюминатора можно различить кратер со сколами. Диаметр кратера ~ 1,5 мм. Поскольку был сделан одиночный снимок, глубина кратера не была определена.
1
2
На фиг.2 приведена схема стереосъемки каверны на внешнем стекле 6 иллюминатора. Показано два положения 1 и 2 объектива, при которых выполняется съемка двух кадров и ход двух лучей, участвующих в построении изображения точки вершины каверны 7 в фокальной плоскости объектива на обоих снимках (точки на расстояниях х и х от оси объектива на одном и на другом снимке соответственно). На границе перехода из одной среды в другую (из стекла в воздушную среду и из воздушной среды в стекло) луч изменяет направление в соответствии с законом преломления:
1
где i - угол между направлением луча в первой среде и нормалью к границе раздела двух сред,
2
i - угол направлением луча во второй среде и нормалью к границе раздела двух сред,
1
n - показатель преломления первой среды,
2
n - показатель преломления второй среды.
кв
вГО
кв
в12
10
11
Поскольку показатель преломления стекла иллюминатора больше показателя преломления воздушной среды: n>n и n>n, углы наклона лучей в воздушной среде больше углов наклона лучей в стекле, что показано на фиг.2, в частности i>i.
В результате проведения стереосъемки измерения расстояний между оптическими осями объектива при выполнении первого и второго кадра стереопары, измерения расстояния от оптической поверхности внутреннего стекла илллюминатора и главной плоскостью объектива, измерения давления в ГО и межстекольном пространстве и, наконец, вычисления по приведенной выше формуле получается искомая величина Δ, на основании которой специалисты по прочности дают заключение о надежности иллюминатора.