Методология обеспечения стойкости космического аппарата в условиях плазмы, формируемой стационарными плазменными двигателями

УДК 629.78.067

В. В. Иванов, И. А. Максимов, С. В. Балашов, А. В. Первухин, А. Б. Надирадзе

МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ СТАЦИОНАРНЫМИ ПЛАЗМЕННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Представлена методология обеспечения стойкости бортовой аппаратуры и космического аппарата (КА) в целом к воздействию плазмы, формируемой стационарными плазменными двигателями (СПД). Разработан алгоритм организационно-технических мероприятий, позволяющий минимизировать негативное воздействие плазмы. СПД, который прошел практическую апробацию на всех стадиях создания КА и показал свою эффективность в проектах реализуемых Научно-производственным объединением прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева.

Обеспечение конкурентоспособности современных высокоорбитальных космических аппаратов (КА) связи на мировом рынке требует снижения их стоимости и повышения надежности при длительной эксплуатации. Это определяет применение нетрадиционных конструктивнотехнологических решений при создании КА.

Для космических аппаратов, в состав которых входят стационарные плазменные двигатели (СПД), существенным фактором, препятствующим успешному решению этой задачи, является негативное воздействие на КА плазмы, формируемой при работе СПД. Это связано с интенсивным взаимодействием струи СПД с поверхностью и собственной внешней атмосферой КА. При игнорировании этого дестабилизирующего фактора на этапах проектирования и наземно-экспериментальной отработки (НЭО), влияние плазмы, формируемой СПД, может оказаться для космического аппарата критичным. Именно это обстоятельство и является главным при формировании основных требований, предъявляемых к разрабатываемым моделям, методам и средствам защиты (рис. 1).

Задание требований на бортовую аппаратуру и КА в целом. При создании спутника в технические задания должны быть включены характеристики плазмы СПД и их значение, воздействие которых является критичным для надежного функционирования бортовой аппаратуры (БА) и узлов КА.

В статье [1] описаны основные зоны и компоненты струи СПД, в основном ускоренные, высокоэнергети-

ческие ионы. Плотность ионного тока в струях СПД быстро спадает от оси к ее периферии, поэтому в струе можно выделить две зоны: ядро и периферию. Ядро струи ограничено конусом с углом в 45.. .50°, в который попадает 90.95 % ионного тока. Помимо основного ионизированного компонента в струе присутствуют вторичные частицы. Прежде всего это небольшая часть не-ионизированного рабочего тела, вторичные ионы, формирующиеся в результате процессов перезарядки ионов струи и нейтральных частиц рабочего тела (эти ионы образуются в ядре струи и могут распространяться равновероятно во все стороны, в том числе и в области за срезом двигателя), частицы, образовавшиеся в результате распыления элементов конструкции двигателя, и твердые частицы, возникающие в результате разрушения изолятора.

В настоящее время в России отсутствуют нормативно-технические документы, регламентирующие задание требований к уровню воздействия плазмы, формируемой СПД, поэтому в Научно-производственным объединением прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева (НПО ПМ) эти требования были сформулированы и уточнены на базе теоретических, экспериментальных и натурных исследований [2.4] как для приборов (элементов конструкции), находящихся или частично попадающих в зону ядра струи СПД, так и для приборов (элементов конструкции), попадающих в периферийную зону струи СПД.

Этап проектирования

Определение перечня узлов КА и БА, критичных

к воздействию птзмы СПД

_\£

Проведение анализов ст ойко сти элемент гав конструкции и Б А к воздействию плазмы, формируемой СПД

Выбор ь-вт ер налов и аптишльн от  варианта юонструктивного построения БА

Выбор конструктивно -

КОМПОНОВОЧНОЙ С2£емы

КА

За дани е треб овании на БА и КА в целом

Экспериментальная

отработка

К ОН СТ р уКЦНО ЫНЫ 52

средств защиты

Пр ов едение испытаний узлов КА и блоков Б А

Пр ав едение

КБаЛИфИЕНЦИОННЫХ испытаний интериалов

В ыпуск отчета по НЭО КА в части стойкости к воздействию плазмы СПД

Этап ЛКИ

Проведение ЛКИ с р егистралци ей ур овней в оз действия

Оценка

э ф ф ективыо сти принятых защитнызс мер

М/

Выпуск отчета по комплексы ой отработке КА к воздействию плазмы, формируемой СПД

Рис. 1. Основные элементы методологии обеспечения стойкости КА к воздействию плазмы, формируемой СПД

Этап проектирования. Организационно-технические мероприятия по обеспечению стойкости КА к негативному воздействию плазмы СПД, реализуемые на этом этапе, являются наиболее эффективными, так как здесь формируется облик КА, закладывается основа парирования негативного воздействия плазмы СПД посредством технических, технологических и конструкционных решений, оценивается эффективность защитных мер и средств относительно их стоимостных характеристик в контексте надежного функционирования КА, что в конечном итоге формирует архитектуру бортовой аппаратуры и узлов КА.

Реализация мероприятий по обеспечению стойкости на данном этапе проводится по трем направлениям: выбор конструктивно-компоновочной схемы (ККС) КА; определение перечня узлов КА и бортовой аппаратуры, критичных к воздействию плазмы, формируемой СПД; выбор материалов и оптимального варианта конструктивного построения аппаратуры.

Особое внимание при построении конструктивнокомпоновочной схемы КА уделяется интеграции двигательных установок. Основным критерием является выполнение СПД своего функционального назначения при минимизации воздействия его плазмы на бортовые системы КА. Это достигается за счет оптимального размещения как самого СПД, так и его приборов и функциональных узлов с целью исключения их попадания в зону ядра струи СПД.

Следующим направлением работ на этапе проектирования является определение перечня функциональных узлов КА и бортовой аппаратуры, критичных к воздействию плазмы СПД. Этот перечень во многом зависит от ККС КА, состава и функционального назначения узлов и приборов КА, уровней стойкости (чувствительности) бортовой аппаратуры, а также от воздействующих факторов. К этим факторам можно отнести эрозию материалов и покрытий; загрязнение продуктами распыления и конденсирующими компонентами струи; электромагнитное воздействие в оптическом диапазоне; электромагнитное воздействие в радиодиапазоне; воздействие на зарядовое состояние поверхностей; воздействие на высоковольтное оборудование КА. Для оборудования, которое вошло в данный перечень, проводится детальный анализ стойкости и при необходимости - испытания на этапе наземно-экспериментальной отработки.

Дальнейшая работа на этапе проектирования связана с выбором материалов поверхностей элементов КА и оптимального варианта конструктивного построения бортовой аппаратуры.

При выборе материалов допустимая величина поверхностной плотности загрязняющей пленки для функциональных поверхностей терморегулирующих, оптических, защитных покрытий определяется исходя из допустимых изменений коэффициентов пропускания и отражения для критичных поверхностей, получаемых после проведения анализа уровня загрязнения поверхностей КА при натурной эксплуатации. Например, для современных КА допустимый уровень загрязнения оптических поверхностей составляет не более 10-6 г / см2 [5]. Защитные экраны и покрытия, попадающие в струи плазменных двигателей, должны изготавливаться из материалов, имеющих

минимальные коэффициенты распыления и прилипания, которые определяются экспериментальным путем. Толщина защитных материалов должна выбираться с учетом допустимого уровня эрозии за весь срок функционирования КА [6]. Выбор материалов с точки зрения изменения потенциала поверхности (зарядки) осуществляется в соответствии с требованиями, изложенными в стандартах по защите от факторов электризации [7].

Выбор оптимального варианта конструктивного построения бортовой аппаратуры с целью исключения возможного негативного влияния плазмы, формируемой СПД, должен быть основан на следующих положениях:

- по возможности следует исключить свободный доступ плазмы внутрь приборов за счет применения замкнутых корпусов, защитных кожухов, защитных конструкционных лабиринтов;

- при наличии в приборах вентиляционных отверстий - установка защитных экранирующих сеток или защитных лабиринтов;

- необходимо провести герметизацию, т. е. исключение контакта с плазмой, высоковольтных компонентов токоведущих поверхностей, реализовать дополнительную защиту плат, микросборок и т. д. для исключения электрических пробоев, токов утечки, загрязнения и, как следствие, ухудшения электрической прочности;

- экранирование и металлизация приборов и бортовой кабельной сети осуществляются в соответствии с требованиями по защите от факторов электризации [7];

- следует предусмотреть наличие возможных помех в оптическом и радиодиапазонах;

- при выборе оптимального варианта построения бортовой аппаратуры, средств защиты необходимо размещение приборов на КА (в гермоконтейнере, вне гермоконтейнера, внутри и вне негерметичного приборного отсека (НГПО), в зоне ядра плазменной струи, в периферийной зоне, экранирование другими элементами конструкции КА).

Заключительным шагом на этапе проектирования является проведение расчетных оценок (анализов) воздействия плазмы СПД, реализуемого в натурных условиях, прогнозирования его негативного влияния, а также определение стойкости бортовой аппаратуры и узлов КА к этапу воздействию. Для проведения анализа стойкости, в рамках совместных работ с Московским авиационным институтом (МАИ), разработаны физические модели, математический аппарат и комплекс программного обеспечения, позволяющие проводить расчет уровней эрозии, уровней загрязнения ее продуктами, зарядки поверхностей конструкции КА и оценку стойкости высоковольтного оборудования [3]. По результатам этих работ формируются рекомендации по размещению оборудования на КА, выбору материалов, реализации дополнительных средств защиты, а также определяются уровни моделирования и объемы наземно-экспериментальной отработки.

Этап наземно-экспериментальной отработки. Данный этап является завершающей стадией подготовки КА к натурной эксплуатации и требует проведения достаточного набора испытаний, которые должны гарантированно подтвердить необходимый уровень стойкости элементов конструкции и бортового оборудования к воздей-

ствию плазмы, формируемой СПД. Поставленная цель потребовала создания соответствующих методик, стендового оборудования и средств контроля качества защиты.

В настоящее время в рамках предложенной методики испытания проводятся в трех направлениях: проведение квалификационных испытаний материалов и покрытий внешних поверхностей конструкции КА; экспериментальная отработка конструкционных средств защиты от воздействия плазмы СПД; проведение квалификационных испытаний бортовой аппаратуры с целью определения ее чувствительности или подтверждения стойкости к воздействию плазмы.

Форсированные испытания материалов проводятся для получения данных о скорости эрозии и, как следствие, для прогнозирования функционального ресурса материалов и покрытий в условиях натурной эксплуатации. Результаты испытаний используются при принятии конструкторских решений, выборе типа и толщины материала в зависимости от его размещения на КА.

Экспериментальная отработка конструкционных средств защиты, представленных корпусами приборов, защитных кожухов, экранирующих сеток и т. д., является необходимым условием для функционирования аппаратуры, находящейся в непосредственном контакте с потоками плазмы СПД. Как известно, при работе СПД в окрестности КА присутствуют ионы самых разных энергий (от 0 до 300 эВ) [2]. Эти ионы с той или иной вероятностью могут проникать под крышки приборов, а также в негерметичный приборный отсек через технологические и вентиляционные отверстия. Попадание плазмы во внутренние полости приборов и НГПО определяется главным образом процессами рекомбинации ионов на поверхностях [3]. При этом необходимая информация таких процессах может быть получена только экспериментальным путем.

Третьим направлением работ являются испытания узлов КА и блоков бортовой аппаратуры в модельных условиях, воссоздающих условия натурной эксплуатации. Энергия и концентрация плазмы в месте размещения испытываемого оборудовании в вакуумной камере определяется или требованиями технического задания на оборудование, или предельными значениями энергии и концентрации, реализуемыми при натурной эксплуатации космических аппаратов с СПД типа М-100 [4]. По результатам испытаний дается заключение о соответствии оборудования требованиям по стойкости к воздействию плазмы СПД.

Результаты испытаний по всем направлениям, проведенные НПО ПМ совместно с МАИ, подробно изложены в [3; 8; 9].

Этап летно-конструкторских испытаний. Работы на этапе летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) проводятся по двум направлениям.

Первое направление - это регистрация уровней воздействия плазмы СПД посредством аппаратуры мониторинга. Результаты измерений в натурных условиях используются в следующих целях:

- для задания (уточнения) требований на бортовую аппаратуру и КА в целом;

- уточнения и дополнения методов и методик расчета при проведении анализов стойкости элементов конст-

рукции и БА к воздействию плазмы СПД на этапе проектирования;

- моделирования условий и уровня воздействия при проведении испытаний на этапе наземно-экспериментальной отработки;

- контроля соответствия уровня воздействующих факторов (характеристик плазмы) на элементы конструкции и бортовую аппаратуру КА на этапе ЛКИ.

Регистрация уровня воздействия плазмы СПД в натурных условиях реализована на двух КА «Экспресс-А», которые спроектированы на базе модуля служебных систем (МСС), аналогичного целому ряду спутников, таких как «Sesat», «Экспресс-АМ» (7 изделий) и др., в составе которых размещены двигательные установки СПД типа М-100.

Аппаратура мониторинга характеристик плазмы, формируемых СПД, разработана НПО ПМ совместно с Новосибирским государственным университетом и имеет в своем составе модуль плазменных зондов (МПЗ) и датчики электрического поля (ДЭП). Модуль плазменных зондов (два плоских сетчатых зонда с энергоанализатором) производит измерения плотности ионного тока в диапазоне от 10-11 до 10-4А / см2 и регистрацию энергий низкотемпературной плазмы в диапазоне от 10 до 250 эВ. Три датчика электрического поля измеряют напряженность электрического поля в диапазоне 0.300 кВ / м.

Ниже показаны результаты измерений, выполненные аппаратурой мониторинга в натурных условиях (рис. 2.4) [4].

Рис. 2. Показания датчиков электрического поля при включении СПД

Рис. 3. Показания модуля плазменных зондов при двух включениях разных СПД

При включении СПД датчики электрического поля фиксируют изменение заряда поверхностей КА. Отрицательный потенциал, наведенный космической плазмой, нейтрализуется. Сразу после включения двигателя напряженность электрического поля возрастает до 2 кВ / м, что

соответствует потенциалу поверхности +250.300 В. Через некоторое время напряженность поля спадает до 200.300 В / м, что соответствует плавающему потенциалу СПД, равному 25.30 В.

ИМ

Рис. 4. Энергетическое распределение ионов плазменной струи в районе модуля плазменной нагрузки при включенном СПД

Измерения, проведенные модулем плазменных зондов (см. рис. 4) показали, что основная масса ионов (~80 %) в районе модуля полезной нагрузки имеет энергию в диапазоне до 50 эВ, концентрация ионов составляет величину ~3 • 108 см-3, что хорошо согласуется с расчетно-теоретическими оценками [3; 9]. В спектре в основном присутствуют вторичные ионы перезарядки и упругоотраженные ионы струи. Датчик модуля плазменных зондов, установленный под ЭВТИ, не зафиксировал наличия ионов (показания датчика были на уровне чувствительности ~ 10-11 А / см2).

Второе направление при проведении ЛКИ - это оценка эффективности принятых защитных мер, и подтверждение правильности конструкторских решений, полученных на этапе проектирования, а также достаточности методов и средств испытаний на этапе НЭО для гарантированного обеспечения стойкости КА в условиях воздействия плазмы, формируемой СПД. Данная оценка проводится по получаемой с КА телеметрической информации о работоспособности бортовой аппаратуры в период работы стационарных плазменных двигателей. Оценивается нормальное функционирование высоковольтного оборудования; целевого оборудования по помехоустойчивости в радиодиапазоне; приборов ориентации и стабилизации по помехоустойчивости в оптическом диапазоне, а также загрязнения оптических поверхностей; системы электропитания КА; температурных характеристик критичных поверхностей КА и их изменения за счет загрязнения и эрозии.

По результатам этапа ЛКИ готовится отчет по комплексной отработке КА к воздействию плазмы СПД, включающий результаты работ на всех этапах создания КА. Тем самым завершается полный цикл организационнотехнических мероприятий, позволяющий гарантировать надежность функционирования КА в условиях воздействия плазмы СПД в течение всего срока активного существования.

В заключение сформулируем следующие выводы:

1. Разработана методология обеспечения стойкости бортовой аппаратуры и КА в целом в условиях воздей-

ствия плазмы, формируемой СПД. Предложен алгоритм организационно-технических мероприятий, реализация которого на всех стадиях создания КА позволит гарантировать надежность функционирования бортовых систем в условиях воздействия плазмы СПД. Данная методика положительно себя зарекомендовала и полностью реализована в НПО ПМ в проектах «Sesat», «Экспресс-А», «Экспресс-АМ».

2. На базе теоретических, экспериментальных и натурных исследований разработаны требования к элементам конструкции и бортовой аппаратуре КА, в состав которых входят двигательные установки СПД типа М-100. Данные требования реализованы в технических заданиях на бортовое оборудование целого ряда КА.

3. Определены основные направления формирования перечня оборудования КА, критичного к воздействию плазмы СПД, выбора материалов и архитектуры построения конструкции бортовой аппаратуры.

4. Определены основные направления проведения наземно-экспериментальной отработки, включающие квалификационные испытания материалов и покрытий, испытания конструкционных средств защиты и квалификационные испытания узлов КА и бортовой аппаратуры. Получены экспериментальные данные по совместимости бортового оборудования с СПД, а также коэффициентам экранирования средств защиты в различном исполнении.

5. Впервые реализована система мониторинга характеристик плазмы СПД в натурных условиях на базе комплекса диагностической аппаратуры, установленного на КА «Экспресс-А». Показано, что основная масса ионов (~80 %), зарегистрированная в районе размещения модуля полезной нагрузки, обладает энергий до 50 эВ. Концентрация ионов составляет ~3 • 108 см-3. Экспериментально установлен коэффициент экранирования ЭВТИ, изготовленной по штатной технологии. Полученные данные хорошо согласуются с расчетно-теоретическими оценками и результатами лабораторных экспериментов.

6. При работе СПД потенциал поверхности в начальный момент времени возрастает до 250.300 В, а затем снижается 25.30 В, что соответствует плавающему потенциалу стационарного плазменного двигателя. При работе двигателя наблюдается нейтрализация заряда, наведенного космической плазмой.

Библиографический список

1. Надирадзе, А. Б. Вторичные частицы в струях ЭРД / А. Б. Надирадзе // Электризация космических аппаратов и совершенствование их антистатической защиты как средства увеличения надежности и сроков активного существования : сб. тез. докл. V Межотрасл. науч.-техн. конф., 16-17 мая 2002 г. / ЦНИИ машиностроения. Королев, 2002. С. 84-87.

2. Absalamov, S. K. Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effects on spacecraft components / S. K. Absalamov [et. al.] // 28-th Joit Propulsion Conference and Exhibit, 6-8 July 1992. Nashive, 1992.

3. Надирадзе, А. Б. Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и систе-

мы космических летательных аппаратов : дис. ... д-ра техн. наук / А. Б. Надирадзе. М., 2002.

4. Результаты летных испытаний патрульной аппаратуры в составе КА «Экспресс-А» № 2, 3 : техн. отчет № 2502-1 / Науч.-произв. об-ние прикл. механики ; ис-полн. : И. А. Максимов, В. В. Иванов, В. В. Хартов и др. Железногорск, 2001.

5. SST-AN-4000-NPPM-01004. Оценка уровней загрязнения поверхностей КА «Sesat» в процессе натурной эксплуатации / Науч.-произв. об-ние прикл. механики. Железногорск, 1998.

6. РТМ 154-31-99. Порядок обеспечения стойкости БА и КА в целом к загрязняющему воздействию СВА / Науч.-произв. об-ние прикл. механики. Железногорск, 1999.

7. Основные правила повышения безопасности космических аппаратов в условиях радиационной электризации : руководство для конструкторов / Г. В. Бабкин, О. С. Г рафодатский, И. А. Максимов и др. ; ЦНИИ машиностроения. М., 1990. С. 144-154.

8. Экспериментальное определение величины эрозии каптонового покрытия ЭВТИ поддерживающих конструкций антенн КА «Sesat» от воздействия плазменной струи двигателей коррекции / А. Б. Надирадзе, В. В. Шапошников, И. А. Максимов и др. ; Моск. авиац. ин-т. М., 1998.

9. Надирадзе, А. Б. Исследование механизмов формирования собственной атмосферы высоковольтных устройств негерметичного исполнения под воздействием вакуума и плазмы ДУ / А. Б. Надирадзе [и др.] ; Моск. авиац. ин-т. М., 1998.

V. V. Ivanov, I. A. Maksimov, S. V. Balashov, A. V. Pervukhin, A. B. Nadiradze

THE METHODOLOGY TO ENSURE IMMUNITY OF THE SATELLITE EQUIPMENT OF PLASMA FROM THE STATIONARY PLASMA THRUSTERS

Here is provided the methodology to ensure the satellite and its on-board equipment resistance to the impact of plasma generated by stationary plasma. The algorithm of technical-organizational measures allowing to minimize the detrimental impact ofplasma from stationary plasma thruster was developed; this algorithm realized during all stages of satellite manufacturing and showed its efficiency in the framework of NPO PM projects.