УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ МЕСТА ПРОБОЯ ГЕРМООБОЛОЧКИ НЕПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА КОСМИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ МЕСТА ПРОБОЯ
DEVICE FOR DETERMINATION OF POSITION COORDINATES OF UNMANNED SPACE OBJECT PRESSURE SKIN PUNCTURE BY SPACE PARTICLES AND METHOD FOR PUNCTURE POSITION COORDINATES DETERMINATION

Изобретение относится к устройствам и способам определения на борту космического объекта (КО) координат места пробоя высокоскоростными микрометеороидными или техногенными частицами гермооболочки КО.
Известно устройство для определения места течи в трубопроводе [1], содержащее два акустических датчика, один из которых присоединен к трубопроводу и акустически экранирован от акустических волн в окружающей среде, а второй акустический датчик располагается вне оболочки трубопровода для приема акустических волн только в окружающей среде. Невозможность использования технического решения [1] на борту КО обусловлена размещением второго акустического датчика в окружающей среде вне оболочки КО, т.е. в вакууме, по которому, как известно, акустические волны не распространяются. Таким образом, техническое решение [1] не может быть использовано на КО.
Известны и широко применяются на борту КО системы измерения давления, состоящие из одного и более датчиков давления, размещенных в гермообъеме КО [2], предназначенные для определения факта пробоя за счет измерения постоянной составляющей давления газа, заполняющего внутренний объем КО. Датчики давления обеспечивают надежную регистрацию падения давления при внезапной разгерметизации гермооболочки КО. Устройство внедрено на борту Служебного модуля (СМ) Международной космической станции (МКС).
К недостаткам этого технического решения следует отнести невозможность определения координат места пробоя.
Известны применяемые на борту КО течеискатели [3], состоящие из ультразвукового датчика давления и преобразователя высокочастотных колебаний в звуковой диапазон, слышимый для слуха человека. Течеискатели обеспечивают обнаружение места пробоя за счет выявления повышенных уровней ультразвуковых колебаний вблизи пробойного отверстия. Это техническое решение [3] принято авторами за прототип.
Устройство внедрено на борту Служебного модуля МКС. К недостаткам этого решения относится отсутствие оперативности обнаружения места пробоя, т.к. необходимо обследовать всю поверхность гермооболочки КО.
Известен способ определения координат места пробоя гермооболочки КО за счет выявления повышенных уровней ультразвуковых колебаний вблизи пробойного отверстия [3].
К недостаткам этого технического решения относится отсутствие оперативности обнаружения места пробоя из-за необходимости обследования всей поверхности гермооболочки КО.
Прототипа предлагаемого способа определения координат места пробоя не обнаружено.
Задачей изобретения является оперативное, в темпе пробоя, определение координат места пробоя гермооболочки непилотируемого КО высокоскоростными микрометеороидными или техногенными частицами и минимизация погрешности определения координат места пробоя за счет оптимального расположения датчиков давления.
Задача решается таким образом, что в устройство, содержащее датчик давления, введены дополнительно четыре датчика давления, которые размещены в гермообъеме КО, так что любые четыре из пяти датчиков давления располагаются попарно вблизи противоположных стенок гермообъема, а 5-й датчик - в центре гермообъема, при этом отрезки прямых, соединяющие каждую упомянутую пару датчиков, скрещиваются, а датчики внутри этих пар разнесены друг от друга на максимально возможное расстояние, причем координаты места пробоя определяются из соотношений:
,
где с - скорость звука;
0
0
0
x, y, z - искомые координаты точки пробоя;
0
t - искомое время испускания звуковой волны;
1j
j
1
Δx=x-x; ;
1j
j
1
Δy=y-y; ;
1j
j
1
Δz=z-z; ;
1j
j
1
Δt=t-t; ;
где:
j
j
j
х, y, z - координаты j-того датчика;
j
t - время прихода волны j-тому датчику;
j - целые; j=1,…, 5.
Задача решается также способом для определения координат места пробоя гермооболочки непилотируемого КО космическими частицами, в котором определяют и запоминают координаты пяти датчиков давления в заданной системе координат, фиксируют времена прихода звуковой волны к каждому (j-тому) датчику, а координаты места пробоя определяют из соотношений:
,
где с - скорость звука;
0
0
0
x, y, z - искомые координаты точки пробоя;
0
t - искомое время испускания звуковой волны;
1j
j
1
Δx=x-x; ;
1j
j
1
Δy=y-y; ;
1j
j
1
Δz=z-z; ;
1j
j
1
Δt=t-t; ;
где:
j
j
j
x, y, z - координатыу-того датчика;
j
t - время прихода волны j-тому датчику;
j - целые; j=1,…, 5.
Техническими результатами изобретения являются:
- оперативное, в темпе пробоя, определение координат места точки пробоя;
- оптимальное расположение датчиков для минимизации погрешности определения координат места пробоя.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами:
на фиг.1 приведена схема размещения датчиков в гермообъеме космического объекта;
на фиг.2 приведена структура расчетной сетки по теоретически возможным местам пробоя на цилиндрической модели КО;
на фиг.3 приведены нормированные модули определителей систем линейных уравнений, составленных по теоретически возможным местам пробоя, расположенным в узлах расчетной сетки цилиндрической модели КО, для оптимальной схемы расположения датчиков;
на фиг.4 представлены расчеты погрешностей определения положения теоретически возможных мест пробоя на цилиндрической модели методом Монте-Карло;
на фиг.5 показано расположение датчиков на экспериментальной установке по определению координат места пробоя высокоскоростной частицей стенки, моделирующей гермооболочку КО, где:
1, 2, 3, 4, 5 - датчики давления;
6 - центр гермообъема космического объекта;
7 - стенки гермообъема космического объекта;
8 - скрещивающиеся прямые;
9 - декартова система координат;
10 - передний торец цилиндрической модели КО;
11 - цилиндрическая поверхность цилиндрической модели КО;
12 - задний торец цилиндрической модели КО;
13 - цилиндрическая модель КО с теоретически возможным местом пробоя на цилиндрической поверхности;
14 - цилиндрическая модель КО с теоретически возможным местом пробоя на кромке торца;
15 - цилиндрическая модель КО с теоретически возможным местом пробоя в центре торца;
16 - место пробоя.
При пробое либо соударении высокоскоростной микрометеороидной или техногенной частицы с гермооболочкой КО в воздушной среде гермообъема в месте пробоя возникает ударная волна, которая на некотором расстоянии от этого места, зависящем от энергии взаимодействия частицы с преградой, вырождается в звуковую волну и распространяется далее с известной скоростью звука.
j
j
j
В гермообъеме КО согласно схеме устройства, приведенной на фиг.1, датчики давления 1, 2, 3, 4 устанавливаются попарно вблизи противоположных стенок 7 на скрещивающихся прямых 8 так, чтобы расстояния между датчиками в парах были максимальными. Датчик 5 устанавливается в центре гермообъема. Согласно способу, определяют и запоминают координаты x, y, z каждого (j-того) датчика в декартовой системе координат 9, связанной с космическим объектом (j=1,…, 5).
j
В момент времени прохождения фронта звуковой волны датчик реагирует заметным повышением амплитуды сигнала на выходе усилителя по сравнению с фоновым шумом работающего на борту КО оборудования. Сигналы с датчиков опрашиваются с помощью многоканальной аналого-цифровой платы (АЦП), подсоединенной к персональному компьютеру (ПК). Согласно способу, времена прихода волны t к каждому (j-тому) датчику фиксируются на ПК в моменты времени превышений сигналами заранее заданных пороговых уровней по каждому (j-тому) каналу АЦП.
При реакции пяти датчиков на прохождении фронта звуковой волны за определенный промежуток времени, равный максимально возможному времени распространения звуковой волны внутри гермообъема, производится расчет на ПК координат места пробоя по формуле:
,
где с - скорость звука;
0
0
0
x, y, z - искомые координаты точки пробоя;
0
t - искомое время испускания звуковой волны;
1j
j
1
Δx=x-x; ;
1j
j
1
Δy=y-y; ;
1j
j
1
Δz=z-z; ;
1j
j
1
Δt=t-t; ;
где:
j
j
j
x, y, z - координаты j-того датчика;
j
t - время прихода волны к j-тому датчику;
j - целые; j=1,…, 5.
Схема расположения датчиков давления согласно устройству (фиг.1) обеспечивает интегрально определение с наименьшей погрешностью координат теоретически возможных мест пробоя, равновероятно распределенных на всей поверхности гермооболочки модуля, по отношению к другим возможным положениям датчиков давления.
Численные расчеты по оптимальному расположению датчиков проводились на цилиндрической модели космического объекта. Выбранные размеры цилиндрической модели приблизительно соответствуют реальным геометрическим размерам космических объектов, используемых на практике (например, Служебный модуль МКС). Длина цилиндра составляет 9 м, диаметр - 4,1 м. Данная цилиндрическая модель была покрыта сеткой с максимальным шагом ~0,1 м.
На фиг.2 приведена структура сетки. В узлах сетки были размещены теоретически возможные места пробоя, для каждого из которых рассчитывались времена прихода звуковой волны к датчикам давления при условии прямолинейного беспрепятственного распространения волны от источника к приемникам.
Согласно предложенному устройству и способу координаты теоретически возможных мест пробоя определяются из решения системы линейных уравнений.
В реальных условиях исходные данные, подставляемые в систему, имеют погрешности, которые приводят к погрешности определения координат места пробоя. Необходимо максимизировать устойчивость системы линейных уравнений за счет размещения датчиков давления. Известно, что близкий к нулю определитель соответствует неустойчивой системе линейных уравнений, поэтому в качестве критерия устойчивости системы линейных уравнений был выбран модуль определителя . Максимизация модулей определителей  систем линейных уравнений, составленных по всем теоретически возможным местам пробоя на гермооболочке космического объекта, была выбрана в качестве критерия оптимальности размещения датчиков давления в гермообъеме.
На фиг.3 приведены нормированные модули определителей  систем линейных уравнений, составленных по теоретически возможным местам пробоя, равномерно распределенным на цилиндрической поверхности модуля, для оптимальной схемы размещения 5 датчиков, показанной на фиг.1. По оси абсцисс на фиг.3 отложена циклическая развертка теоретически возможных мест пробоя по узлам расчетной сетки фиг.2, начиная с центра переднего торца 10 цилиндрической модели и кончая центром заднего торца 12.
На фиг.4 представлены расчеты по определению координат теоретически возможных мест пробоя в центральной 13 и торцевых 14, 15 областях цилиндрической модели космического объекта с внесением случайных погрешностей в исходные данные (метод Монте-Карло).
Как видно из фиг.4, в центральной области цилиндрической модели 13, где модули определителей максимальны (см. 11 на фиг.3), наблюдается наибольшая устойчивость расчетной схемы к вносимым в исходные данные случайным погрешностям, что подтверждает верность выбранного критерия максимизации модулей определителей систем линейных уравнений.
Интервалы равномерно распределенных случайных погрешностей, вносившихся в исходные данные по методу Монте-Карло, составляют:
- для скорости звука ±3 м/с;
- для координат датчиков ±0,1 м;
-5
- для моментов времени прохождения фронта звуковой волны -±2·10 с.
Проведены предварительные испытания на экспериментальной установке, размеры гермообъема которой сопоставимы со Служебным модулем МКС, с осуществлением реального пробоя стенки, моделирующей гермооболочку КО, высокоскоростной частицей (V~5 км/с). На фиг.5 приведена схема экспериментальной установки, на которой показано в проекциях расположение 5 датчиков в гермообъеме установки и приведено положение точки пробоя 16.
В итоге в испытаниях с реальным пробоем стенки, моделирующей гермооболочку КО, координаты места пробоя определялись в темпе пробоя в течение менее 1 с после пробоя, а погрешность определения координат места пробоя составила ~0,1 м, что является приемлемым для практического применения устройства и способа оперативного определения координат точки пробоя на борту непилотируемых космических объектов.
Литература
1. Патент RU 25943, МПК: G01 M3/24.
2. В.Истомин, «Хроника полета экипажа МКС-1», 6 февраля, 99 сутки, «Новости космонавтики», 2001 г.
3. В.В.Борисов и др. «Перспективы применения дистанционных средств для обнаружения мест негерметичности конструкции Международной космической станции и контроля ее состояния», Космонавтика и ракетостроение, № 4(49), 2007 г.