Стенд для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве
STAND FOR NATURAL TESTING OF EQUIPMENT IN OUTER SPACE

Изобретение относится к средствам испытания бортовой аппаратуры космических аппаратов и может быть использовано для упорядочения разработки, испытаний и сокращения затрат на создание модулей бортовой аппаратуры космического назначения при воздействии дестабилизирующих факторов космического пространства в связи с проявлением синергетического эффекта. На практике изобретение может быть использовано для определения на орбите характеристик бортового оборудования в виде унифицированных модулей с использованием Международной космической станции (МКС) и/или станции РОСС.
Из уровня техники известно [1] техническое решение, относящееся к тепловым имитационным стендам для испытаний аппаратуры космических аппаратов, выводимых на околоземную орбиту. Стенд содержит малогабаритную вакуумную камеру с криогенным и соосным ему дополнительным экранами, выполненными из материала с высокой теплопроводностью и нанесенным на его внутреннюю и внешнюю поверхности покрытием с максимальной степенью черноты. Имеется приспособление, например, в виде имитатора термоплаты для установки объекта испытаний внутри дополнительного экрана. В кольцевой полости между экранами равномерно расположены нагреватели с регулируемой мощностью. В торцевой части вакуумной камеры могут быть установлены инфракрасные нагреватели. Недостатки данного технического решения заключаются в низкой функциональности, связанной с проведением исключительно имитационных наземных термовакуумных испытаний и, следовательно, недостаточной достоверностью испытаний, что связано с невозможностью аппаратной оценки совокупного синергетического воздействия на аппаратуру космических аппаратов.
Известна [2] система полетного тестирования, включающая бортовое оборудование спутника и наземную станцию, содержащую радиочастотный усилитель и радиочастотную передающую антенну. Усилитель формирует на входе антенны широкополосные (не менее полосы приема бортового транспондера спутника) тестовые тепловые шумы с регулируемой спектральной плотностью мощности. Ретранслированные оборудованием тепловые шумы поступают в порт испытательного стенда, содержащего устройства сбора, хранения и корреляции данных, связанных с тепловыми шумами, соединенного портом с инфраструктурой дистанционного управления и телеметрии. Недостатки данного технического решения заключаются в недостаточной достоверности испытаний, связанной с отсутствием фиксации воздействующих факторов окружающей среды, и оценкой лишь функционирования бортового оборудования радиоканала. Выявленные в процессе испытаний недостатки можно будет устранить только на космических аппаратах, проектирование и производство которых предполагается в дальнейшем.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является система (стенд) для проведения на орбите натурных испытаний сложных унифицированных модулей бортовой аппаратуры (декодер командно-программной и телеметрической информации, унифицированный модем высокоскоростная радиолиния, бортовая ЭВМ) космического аппарата [3]. Сложные унифицированные модули бортовой аппаратуры компонуются в выносной блок, размещенный в открытом космическом пространстве и представляющий собой крейт. Проведение испытаний обеспечивает тестовая аппаратура, размещенная частично в выносном блоке, частично в герметичном отсеке космического аппарата. Применение крейта для размещения испытуемой аппаратуры в космическом пространстве повысит достоверность оценки поведения унифицированных модулей под воздействием дестабилизирующих факторов космического пространства в связи с проявлениями синергетического эффекта при натурных испытаниях.
Синергетический эффект заключается том, что на испытуемые блоки в реальности одновременно и периодически воздействуют условия эксплуатации (отрицательная температура в период времени нахождения станции в тени Земли и положительная температура в период времени нахождения станции на солнечной стороне орбиты, ионизирующее излучение (в особенности при прохождении бразильской аномалии), вакуум, тяжелые заряженные частицы, атомарный кислород, микрометеориты, атмосфера станции) и функциональное взаимодействие с реальными полями мировых систем наземной и космической инфраструктуры (реальное навигационное поле на орбите, гравитационные и/или магнитные поля Земли, Солнца и Луны). Одновременное воздействие указанных факторов и определяет синергизм испытаний, при котором результат всех наземных испытаний не будет равнозначен результату натурных испытаний, учитываемый благодаря применению крейта.
Выявлены недостатки известной [3] системы проведения на орбите натурных испытаний, заключающиеся в недостаточной достоверности результатов испытаний, связанной с отсутствием средств фиксации воздействующих факторов окружающей среды, а также в ограниченности перечня оцениваемых функций.
В свою очередь предлагаемый стенд для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве позволит решить выявленные технические проблемы, предложить перечень технических средств для их решения при лучшей технологичности конструкции за счет унификации и повышенной эффективности испытаний за счет повышения функциональности бортовой аппаратуры при ее испытаниях в космическом пространстве в широком диапазоне температур и уменьшении помех для других космических аппаратов при испытаниях.
Предложен стенд для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве, включающий платформу для размещения испытуемых блоков, подвергающихся воздействию внешних и эксплуатационных факторов, и тестовую аппаратуру, состоящую из электрически и информационно связанных внутреннего и внешнего блоков. Платформа для размещения испытуемых блоков и внешний блок тестовой аппаратуры выполнены в виде выносного крейта, располагаемого в открытом космическом пространстве вне герметичного отсека космического аппарата. В отличие от ближайшего аналога, в выносном крейте размещены сенсоры для оценки параметров условий внешней окружающей среды, для каждого испытуемого блока выделен унифицированный разъем с информационными, управляющими цепями и цепями питания и разъем с цепями специализированных входов-выходов.
В качестве унифицированного разъема может быть применен разъем типа PC 19, имеющий девятнадцать контактов, или аналогичный по конструкции и функциональному назначению [4].
Под специализированными входами/выходами понимается класс входов/выходов, которые используются для взаимодействия с датчиками (сенсорами) и устройствами, обладающими нестандартными параметрами-уровнем сигнала, специфическими исходя из особенностей устройства параметрами питания и программной обработкой [5].
Выносной крейт электрически и информационно связан с внутренним блоком тестовой аппаратуры, располагаемым внутри герметичного отсека космического аппарата, посредством проводного канала передачи данных и расположен на расстоянии от космического аппарата. Сенсоры для оценки параметров условий внешней окружающей среды связаны через датчико-преобразующую аппаратуру с вычислительным устройством внутреннего блока тестовой аппаратуры. Внутренний блок тестовой аппаратуры содержит вычислительное устройство, интерфейсы взаимодействия с бортовой телеметрической системой, интерфейсы взаимодействия с бортовой вычислительной машиной и блок питания. Выносной крейт электрически и информационно связан с внутренним блоком тестовой аппаратуры посредством трос-кабеля через гермопереходы внешней поверхности космического аппарата и шарнирно закреплен на внешней поверхности космического аппарата.
На схеме стенда для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве обозначено:
поз. 1 - выносной крейт;
поз. 2 - электрически и информационно связанный внутренний блок;
поз. 3 - герметичный отсек космического аппарата;
поз. 4 - трос-кабель;
поз. 5 - блок сенсоров;
поз. 6 - датчико-преобразующая аппаратура;
поз. 7 - испытуемые блоки;
поз. 8 - разъем с цепями питания;
поз. 9 - разъем с унифицированными информационными цепями;
поз. 10 - разъем с цепями специализированных входов-выходов;
поз. 11 - цепи питания;
поз. 12 - цепи унифицированных информационных связей;
поз. 13 - цепи специализированных входов-выходов;
поз. 14 - гермопереходы;
поз. 15 - внешняя поверхность космической станции;
поз. 16 - вычислительное устройство;
поз. 17 - блок питания;
поз. 18 - интерфейс с бортовой телеметрической системой;
поз. 19 - интерфейс с бортовой вычислительной машиной;
поз. 20 - интерфейс с системой электропитания;
поз. 21 - штанга;
поз. 22 - шаровой шарнир;
поз. 23 - элементы крепления;
поз. 24 - элементы фиксации положения;
поз. 25 - внешний разъем крейта.
Работу стенда для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве можно пояснить следующим образом.
Выносной крейт 1 для каждого испытуемого блока 7 бортовой аппаратуры содержит унифицированный разъем, с информационными, управляющими цепями 9 и цепями питания 8 и разъем с цепями специализированных входов-выходов 10, что обеспечивает универсальность стенда с точки зрения блоков 7 испытуемой аппаратуры и их унификацию. Очевидно, что блоки 7 испытуемой аппаратуры могут быть разработаны и изготовлены различными компаниями на разных предприятиях, но выходы блоков 7 испытуемой аппаратуры должны сопрягаться с унифицированным разъемом с информационными, управляющими цепями 9 и цепями питания 8 и разъемом с цепями специализированных входов-выходов 10 (данная возможность сопряжения разнотипных испытуемых блоков в одной системе обусловлена существующими тенденциями по унификации бортовой аппаратуры космических аппаратов). Для оценки параметров условий внешней окружающей среды при испытаниях in situ выносной крейт 1 содержит блок сенсоров (датчиков) 5, а тестовая аппаратура содержит датчико-преобразующую аппаратуру для уменьшения влияния атмосферы станции на его функционирование выносной крейт 1 закреплен на штанге 21 длиной не менее метра на шаровом шарнире 22, содержит элементы крепления 23 и фиксации 24 положения на внешней поверхности 15 космического аппарата. Выносной крейт 1 и электрически и информационно связанный внутренний блок 2 тестовой аппаратуры связаны между собой трос-кабелем 4 через гермопереходы 14 внешней поверхности 15 космического аппарата, что обеспечивает, по сравнению с применением беспроводного канала передачи данных, снижение уровня помех для иной аппаратуры, повышает электромагнитную совместимость цепей питания 11, цепей унифицированных информационных связей 12, цепей специализированных входов-выходов 13, проходящих через трос-кабель 4 внешний разъем крейта 25 и гермопереходы 14 внешней поверхности 15 космического аппарата.
Электрически и информационно связанный внутренний блок 2 тестовой аппаратуры расположен внутри герметичного отсека 3 космического аппарата для уменьшения и/или нивелирования действия факторов космического пространства, так как внутри герметичного отсека полностью отсутствует ряд факторов космического пространства, например, вакуум, атомарный кислород, широкий диапазон температур. Электрически и информационно связанный внутренний блок 2 тестовой аппаратуры герметичного отсека содержит вычислительное устройство 16, интерфейсы с бортовой телеметрической системой 18, с бортовой вычислительной машиной 19, с системой электропитания 20 и блок питания 17. Сенсоры крейта 5 для оценки параметров условий внешней окружающей среды через датчико-преобразующую аппаратуру 6 связаны с вычислительным устройством 16 блока тестовой аппаратуры герметичного отсека 3, что обеспечивает обработку получаемой информации и ее преобразование в цифровой вид.
Размещение испытуемых блоков бортовой аппаратуры космических аппаратов, подвергающихся воздействию внешних и эксплуатационных факторов на платформе и применение внешнего блока тестовой аппаратуры, выполненного совместно с платформой для размещения испытуемых блоков в виде выносного крейта, располагаемого в открытом космическом пространстве вне герметичного отсека космической станции обеспечивает мониторинг одновременного воздействия внешних факторов космического пространства, что невозможно достичь при испытаниях бортовой аппаратуры космического аппарата только в земных условиях.
Можно привести следующий практический пример практической реализации предлагаемого стенда для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве, не исключающий иные варианты осуществления, соответствующие существу предложенного изобретения.
Пример реализации. Для измерения температуры предложено использовать цифровой датчик температуры типа ЦДТ-1 разработки и производства АО «НИИФИ» (г.Пенза), обеспечивающий цифровой выход при измерении температуры от минус 85°С до +125°С [6]. Величину ионизирующего излучения предложено измерять по изменению обратносмещенного p-n перехода шунтирующих диодов для солнечных батарей космических аппаратов. Термостабилизацию крейта предложено осуществлять с применением экранно-вакуумной тепловой изоляции и окраски внешних поверхностей крейта специальной краской типа ЭКОМ производства АО «Композит» (г. Королев Московской области). Испытуемой аппаратурой могут служить декодер командно-программной и телеметрической информации, унифицированный модем высокоскоростной радиолинии, бортовая ЭВМ [3]. После экспозиции на орбите испытуемые блоки могут быть возвращены на Землю для детального анализа результатов испытаний.
Таким образом, предложен стенд для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве, конструкция которого обеспечит достоверность испытаний за счет синергетического действия факторов космического пространства, при лучшей технологичности, следствием чего является стабильность функционирования бортовой аппаратуры в течение всего срока активного существования при ее эксплуатации в космическом пространстве в широком диапазоне температур.
Литература.
1. К.В. Егоров, В.А.Алексеев, В.3. Копылов, Л.В. Карабан. Стенд для тепловых испытаний радиоэлектронных устройств космических аппаратов. Патент RU 2 553 411. Опубликовано: 10.06.2015. Бюл. №16. Патентообладатель: ОАО «Научно-исследовательский институт точных приборов».
2. С.-О. Тессандори, Э. Буске, А.-Д. Дюран. Способ выявления характеристик функционирования бортового оборудования спутника на орбите и соответствующая система орбитальных испытаний (ЮТ). Патент RU 2 714 061. Опубликовано: 11.02.2020. Бюл. №5. Патентообладатель: ТАЛЬ.
3. А.А. Жуков, А.Е. Тюлин, О.Е. Хромов, И.В. Чурило. Концепция натурных испытаний сложных унифицированных блоков бортовой аппаратуры космического назначения. Международная конференция. «Космические системы». 27 апреля 2021 г. Тезисы. - М. Издательство «Перо», МАИ. 2021 [Электронное издание]. С. 14-15.
4. Электронный ресурс http://www.ru.wikipedia.org/wiki/8P8C. Дата обращения: 22.07.2021.
5. Электронный ресурс http://www.compei.ru/lib/98415. Дата обращения: 22.07.2021.
6. НИИФИ. Российские космические системы. Датчики и преобразователи, с. 253. Электронный ресурс http://www.russianspacesystem.ru. Дата обращения: 20.07.2021.