Способ защиты космического аппарата от статического электричества и устройство для его осуществления
PROTECTION METHOD OF SPACECRAFT FROM STATIC ELECTRICITY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области обеспечения надежного функционирования бортового оборудования (агрегатов, устройств), служебной и целевой аппаратуры космических аппаратов (КА) всех типов как пилотируемых, так и автоматических, а также обеспечения безопасности полетов экипажей космических и орбитальных кораблей, орбитальных станций и т.д. Может быть применимо к ракетным (разгонным) блокам и к другим видам летательных аппаратов, совершающих полет в верхних сильно разреженных слоях атмосферы (ионосфере, экзосфере).
Одной из серьезнейших конструктивных проблем, с которой приходится сталкиваться разработчикам КА, является защита бортового оборудования, элементов конструкций, экипажей (для пилотируемых кораблей и станций) от статического электричества, которое может накапливаться в течение длительных полетов, особенно на околоземных орбитах, до больших потенциалов [Космические аппараты/Под общ. ред. К.П. Феоктистова. - М.: Воениздат, 1983 (Ракетно-космический комплекс), с. 35-36; Инженерный справочник по космической технике / Под ред. А.В. Солодова. - Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Воениздат, 1977, с. 33-34]. При движении по орбите КА проходит пояса со скоплением заряженных частиц и через потоки свободных электронов и протонов. Совместное воздействие корпускулярной и коротковолновой радиации, а также взаимодействие КА с окружающей его плазмой вызывает появление так называемого поверхностного заряда [Космические аппараты / Под общ. ред. К.П. Феоктистова. - М.: Воениздат, 1983 (Ракетно-космический комплекс), с. 35-36]. Распределение потенциала на КА в принципе неравномерно, так как зависит от соотношения потока фотоэлектронов, испускаемых поверхностью, освещенной Солнцем, приходящегося на КА потока электронов и ионов плазмы космического пространства и вторичной электронной эмиссии, вызываемой энергичными электронами, а также от внешней конфигурации КА и свойств его материалов. Возникновение поверхностного заряда, влияние его на работу систем КА и меры его «нейтрализации» на сегодняшний день изучены, к сожалению, мало. В подтверждение тому можно отметить, что впервые в мировой практике космических исследований только на российском КА «Электро-Л» №1, запуск которого состоялся в январе 2011 года, в состав модуля служебных систем была включена система контроля электризации (СКЭ), предназначенная для сбора и обработки данных о параметрах электроизоляции КА с целью оценки эффективности использования применяемых способов защиты служебной аппаратуры, элементов конструкции КА и целевой аппаратуры от вредного воздействия статического электричества [Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований / Под общ. ред. Д.т.н., проф. Г.М. Полищука и д.т.н., проф. К.М. Пичхадзе. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010, с. 562-563]. Однако сегодня уже с большей степенью достоверности можно предполагать, что это явление стало причиной неоднократно зафиксированных случаев ложного срабатывания электронных систем (особенно построенных на элементах микроэлектроники), ухудшения характеристик терморегулирующих поверхностей на искусственных спутниках Земли, работающих на синхронной орбите, где они могут заряжаться, как отмечалось выше, до весьма высоких потенциалов, искажения измерений, получаемых научной аппаратурой (например, данных регистрации электростатических полей и концентрации частиц малых энергий), возникновения нежелательных последствий из-за разницы поверхностных потенциалов при стыковке космических кораблей (КК), находившихся в длительном автономном полете, возвращении на КК или орбитальную станцию членов экипажа, длительное время находившихся за их пределами, или при переходе членов экипажа на другой корабль и т.п.
Известен и широко применяется практически на всех летательных аппаратах (ЛА) способ защиты бортового оборудования и элементов конструкции от статического электричества металлизацией [Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г.П. Свищев. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994]. Суть его состоит в соединении токопроводящими деталями элементов конструкции, аппаратуры и агрегатов ЛА для обеспечения между ними надежного электрического контакта. Все элементы конструкции и бортового оборудования соединяют «в общую массу» на внешней поверхности (корпусе) ЛА. Для выполнения металлизации оборудования (аппаратуры, узлов, агрегатов) используют гибкие проводники-перемычки, шины; для металлизации элементов конструкции - перемычки, заклепки, болты, хомуты и т.д. Вся служебная и целевая аппаратура через перемычки и шины «заземляется» на корпус ЛА.
Данный способ, успешно применяемый на всех типах самолетов, где отводимый на корпус самолета заряд статического электричества с помощью специальных устройств «стекает» в окружающее воздушное пространство, является мало эффективным для КА, осуществляющих полет в безвоздушном пространстве.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка эффективного способа защиты агрегатов и аппаратуры КА от статического электричества с «нейтрализацией» поверхностного заряда.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении надежности и живучести бортовых агрегатов, устройств, систем, аппаратуры КА различного назначения, а дополнительно - в повышении безопасности экипажей пилотируемых аппаратов.
Указанный технический результат по объекту - «способ» достигается тем, что шины металлизации отдельно агрегатов и аппаратуру служебных систем с одной стороны и комплекса целевой аппаратуры с другой выводят на корпуса двух изолированных друг от друга фермой и/или переходным отсеком из электроизоляционного материала (например, стекло или органопластика) частей космического аппарата, концы шин подсоединяют к обкладкам электрического конденсатора большой емкости, разряжаемого по достижении определенной разности потенциалов на омическое (активное) сопротивление; выделившуюся на нем тепловую энергию через штатные элементы системы обеспечения теплового режима или системы терморегулирования космического аппарата отводят в окружающее пространство.
Указанный технический результат по объекту - «устройство» достигается тем, что устройство для защиты бортового оборудования и аппаратуры КА от статического электричества содержит две шины металлизации с выведенными на них отдельно корпусами агрегатов и приборов служебных систем на одну шину и корпусами целевой аппаратуры на другую, конденсатор большой емкости, высокоомный вольтметр, омическое сопротивление, пусковое реле включения сопротивления в электрическую цепь, либо теплопроводы на базе аксиальных или контурных тепловых труб, либо желоба-воздуховоды и космический радиатор-охладитель.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектовых изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявляемых объектов группы - устройство предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - способа защиты бортового оборудования и аппаратуры космического аппарата от статического электричества. При этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Между существенными признаками изобретения и заявленным техническим результатом существует причинно-следственная связь.
Изобретение поясняется приведенной на чертеже принципиальной схемой защиты оборудования и аппаратуры КА от статического электричества, с помощью которой реализуется заявленный способ и устройство, где 1 - корпуса агрегатов и приборов служебных систем; 2 - шина металлизации комплекса служебных систем; 3 - ферма или перекидной отсек из электроизоляционного материала; 4 - шина металлизации комплекса целевой аппаратуры; 5 - корпуса комплекса целевой аппаратуры; 6 - электрический конденсатор большой емкости; 7 - высокоомный вольтметр; 8 - омическое сопротивление; 9 - теплопровод и/или желоб-воздуховод; 10 - пусковое реле включения сопротивления; 11 - радиатор-охладитель.
Способ посредством устройства осуществляется следующим образом.
Электростатические заряды с корпусов агрегатов и приборов служебных систем 1 или с корпусов комплекса целевой аппаратуры 5 по соответствующим шинам металлизации 2 или 4 стекают на обкладки электрического конденсатора большой емкости 6. При накоплении определенной разности потенциалов на обкладках конденсатора 6 по сигналу высокоомного вольтметра 7 бортовая система управления КА запитывает обмотку пускового реле 10, которое своими контактами подключает к конденсатору 6 омическое сопротивление 8. В результате разряда конденсатора 6 на резистор 8 на корпусе последнего выделяется тепло, которое с помощью штатных элементов системы обеспечения теплового режима КА - теплопроводов на базе тепловых труб и/или желобов-воздуховодов 9 отводится на радиатор-охладитель 11, расположенный на теневой стороне космического аппарата.
Цикл накопления заряда статического электричества на обкладках конденсатора 6 с последующим разрядом его на омическое сопротивление 8, выделением на поверхности его тепла и отводом последнего через радиатор-охладитель 11 в окружающее пространство повторяется многократно, что исключает накапливание поверхностного заряда на корпусе КА и гарантированно защищает бортовые агрегаты, аппаратуру от сбоев в работе и полного выхода их из строя. Одновременно с этим существенно снижается опасность поражения членов экипажа космического корабля (станции) статическим электричеством.