СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ РАБОТЕ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ ТЯГИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONTROLLING CONTAMINANTS OF SPACECRAFT SURFACE ELEMENTS BROUGHT ABOUT BY LOW-THRUST ROCKET ENGINE OPERATION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано для повышения эффективности режимов функционирования жидкостных ракетных двигателях (ЖРД). В частности, изобретение может быть использовано для оценки эффективности защиты элементов поверхности космических аппаратов (КА) и орбитальных пилотируемых станций (ОПС) от загрязнения контаминантами, т.е. продуктами неполного сгорания (ПНС) ракетного топлива при использовании жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРД МТ) для ориентации МКС.
Известен способ [1], предназначенный для предотвращения загрязнения искусственного спутника (ИС), возникающего при работе блока его двигателей. Действие способа основано на защите от контаминантов, переносимых газовой фазой выхлопа двигателей в соответствующем телесном угле пространства, занятого его струей, путем экранирования участка защищаемой поверхности ИС.
Однако способ не обеспечивает защиту поверхности от той части контаминантов, которая образуется в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРД МТ) и первоначально движется вдоль поверхности сопла двигателя в виде жидкой пленки. Такой способ не может быть использован для защиты поверхностей современных КА и КС блочных конструкций с пространственной компоновкой блоков. Кроме того, в [1] устанавливаемые перед участком защищаемой поверхности ИС экраны и их средства контроля недостаточно эффективны.
Известен также способ [2], предназначенный для защиты элементов межпланетного КА от загрязняющих воздействий ЖРД МТ и представляющий собой металлический экран в виде элемента цилиндрической поверхности, расположенный за блоком из шести двигателей.
Однако такой способ экранирует лишь от контаминантов из периферийной области с углами более 90° от оси выхлопной струи. Кроме того, в случае близкого расположения двигателей к корпусу аппарата, как это имеет место в большинстве случаев, применяемая в [2] конструкция экрана не может быть использована из-за неэффективности.
Известен способ [3], предназначенный для предотвращения загрязнения элементов поверхности МКС, возникающего при работе блока его двигателей. В способе защиты элементов поверхности КА и станций от загрязнений путем экранирования от образованных при истечении из сопла ракетных двигателей малой тяги реактивной струи, в которой наряду с продуктами полного сгорания топлива образуются жидкофазные контаминанты. В [3] для защиты поверхностей космического аппарата от указанных контаминантов экран выполняют с расположенным внутри него поглощающим пористым телом, осесимметрично охватывающим каждое сопло ракетного двигателя малой тяги.
Для контроля эффективности поглощающее пористое тело извлекают из экрана и доставляют на Землю для исследования в лабораторных условиях. Кроме того, в натурных условиях эксплуатации предусмотрена регенерация пористого тела путем электрического нагревания.
Способы защиты загрязнений элементов поверхности КА, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги с помощью экранов, устанавливаемых перед участком защищаемой поверхности КА и станций в [1, 2, 3], а также способы их контроля являются аналогами заявляемых технических решений.
Недостатком аналогов является их неэффективность для оперативного управления в нештатных и аварийных ситуациях полета МКС.
Известен способ защиты поверхности КА от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, и устройство для его осуществления (Описание изобретения к патенту РФ RU №2149807 B64G 1/|52 [4]). Согласно способу в изобретении [4] образующиеся при работе соответствующих систем капли жидкости собирают и повторно диспергируют. При этом часть образующихся более мелких капель выносят потоком газа в приосевую зону струи. Процесс ведут до полного удаления контаминантов с периферии струи в приосевую зону струи.
Описанный в [4] способ контроля загрязнений элементов поверхности КА, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги, близок по технической сущности заявляемому изобретению. Более подробно способ контроля, основанный на использовании однотипных планшетов в способе защиты поверхности КА от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, осуществлен в космическом эксперименте (КЭ) «Кромка» и описан в [5].
В космическом эксперименте (КЭ) «Кромка» выбросы ПНС фиксировались на однотипных планшетах, устанавливаемых на длительное время за срезом сопла около двигателей ориентации (ДО) CM MKC, в которых на контрольной пластине из сплава алюминия с силикатным терморегулирующим покрытием в качестве регистрирующих элементов были размещены контрольные образцы материалов и покрытий с характерными размерами 30-40 мм. Далее эти материалы с необходимыми предосторожностями доставлялись на Землю и передавались для химического обследования в специализированные химические лаборатории.
Описанный в [4, 5] способ контроля близок по технической сущности заявляемому изобретению и может быть указан в качестве его прототипа.
Недостатком способа контроля, описанного в [5], является неоперативный статистический характер сбора информации о функционировании жидкостных реактивных двигателях малой тяги (ЖРД МТ) при их использовании в качестве исполнительных органов в системах коррекции и ориентации на борту международной космической станции (МКС), который неэффективен для оперативного управления в нештатных и аварийных ситуациях полета МКС.
Задачей изобретения является разработка оперативной системы диагностики параметров среды элементов поверхности МКС при функционировании на борту МКС двигателей коррекции и ориентации на основе ЖРД МТ, которая может быть полезной полезный для оперативного управления в нештатных и аварийных ситуациях полета МКС.
Для решения задачи в способе контроля загрязнений элементов поверхности КА, образующихся в виде жидких капель (контаминантов) при работе ракетных двигателей малой тяги, который основан на выносе контаминантов потоком газа, сформированным коаксиально расположенными, охватывающими сопло двигателя защитными экранами, сборе контаминантов на планшете, установленном у кромки внешнего экрана в периферийной зоне струи двигателя, фиксировании контаминантов на контрольной пластине и фиксирующих элементах пластины планшета, осуществляют селективное пьезоэлектрическое преобразование параметров контаминантов на контрольной пластине и фиксирующих элементах пластины вышеуказанного планшета и других однотипных планшетов, размещенных в выбранных для контроля загрязнений зонах поверхности КА, в электрические сигналы и передают сигналы на Землю по каналам штатной телеметрической системы.
Известно устройство [1], предназначенное для предотвращения загрязнения искусственного спутника (ИС), возникающего при работе блока его двигателей, и представляющее собой дискообразные панели, устанавливаемые перед участком защищаемой поверхности ИС, которое основано на защите от контаминантов, переносимых газовой фазой выхлопа двигателей в соответствующем телесном угле пространства, занятого его струей, путем экранирования участка защищаемой поверхности ИС.
Устройство [1] и средства контроля эффективности являются аналогами заявляемых технических решений.
Однако экраны, устанавливаемыми перед участком защищаемой поверхности ИС, непригодны для защиты поверхностей современных КА и ОПС блочных конструкций с пространственной компоновкой блоков, например, при функционировании ЖРД МТ системы коррекции и ориентации на поверхности МКС. Кроме того, экраны в [1], устанавливаемые перед участком защищаемой поверхности ИС, и их средства контроля недостаточно эффективны.
Известно также устройство [2], предназначенное для защиты элементов межпланетного КА от загрязняющих воздействий ЖРД МТ, и представляющее собой металлический экран в виде элемента цилиндрической поверхности, расположенный за блоком из шести двигателей.
Однако такой устройство экранирует лишь от контаминантов из периферийной области с углами более 90° от оси выхлопной струи. Кроме того, в случае близкого расположения двигателей к корпусу аппарата, как это имеет место в большинстве случаев, применяемая в [2] конструкция экрана не может быть использована из-за неэффективности.
Более эффективным является известное устройство [3], предназначенное для предотвращения загрязнений элементов поверхности МКС, содержащихся в реактивных струях, истекающих из сопел ракетных двигателей на химическом топливе. В устройстве защиты элементов поверхности КА и станций от загрязнений [3] каждое из сопел снабжено осесимметричным ему устройством защиты в виде экрана с расположенным внутри поглощающим телом, торцевые поверхности которых герметично примыкают к срезу сопла, причем снаружи между экраном и поглощающим телом выполнен вентиляционный зазор. В устройстве [3] для контроля эффективности поглощающее пористое тело извлекают из экрана и доставляют на Землю для исследования в лабораторных условиях. Кроме того, в натурных условиях эксплуатации предусмотрена регенерация пористого тела путем электрического нагревания.
Устройства осуществления контроля загрязнений в [1, 2, 3] являются аналогами устройств осуществления контроля загрязнений заявляемых технических решений.
Недостатком аналогов является неэффективность контроля загрязнения для оперативного управления в нештатных и аварийных ситуациях полета МКС.
Более эффективным является известное устройство для защиты поверхности в [4], которое содержит экран, охватывающий сопло или патрубок. Экран выполнен из коаксиальных, заглушенных с тыльной стороны цилиндров. Передние кромки внутреннего и внешнего цилиндров выступают вперед соответственно относительно среза сопла (патрубка) и внутреннего цилиндра. Устройство для защиты поверхности в [4] имеет устройство контроля, описанное в [5]. Для проведения КЭ "Кромка 1» в [5] использовались однотипные планшеты, которые в сеансах выходов в открытый космос космонавты устанавливали на длительные периоды около двигателей СМ.
Описанное в [5] устройство контроля близко по технической сущности заявляемому изобретению и может быть указано в качестве его прототипа.
Недостатком способа контроля, описанного в [5], является неоперативный статистический характер сбора информации о функционировании жидкостных реактивных двигателей малой тяги (ЖРД МТ) при их использовании в качестве исполнительных органов в системах коррекции и ориентации на борту международной космической станции (МКС), который полезен для констатации стабильного функционирования МКС, но не пригоден для оперативного управления в аварийных и нештатных ситуациях полета МКС.
Задачей заявляемого устройства для осуществления способа контроля загрязнений элементов поверхности КА, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги, является разработка оперативной системы диагностики параметров среды элементов поверхности МКС при функционировании на борту МКС двигателей коррекции и ориентации на основе ЖРД МТ.
Для решения задачи в устройство для осуществления способа контроля загрязнений элементов поверхности КА, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги, которое содержит охватывающие сопло двигателя сдвоенные коаксиально расположенные защитные экраны и размещенный за кромкой внешнего защитного экрана планшет с контрольной пластиной и фиксирующими элементами, введены селективные пьезоэлектрические датчики и другие однотипные вышеуказанному планшеты с контрольными пластинами и фиксирующими элементами, которые установлены в других контролируемых элементах поверхности КА и оснащены в зоне фиксирующих элементов селективными пьезоэлектрическими датчиками, выходы которых подключены к входам штатной телеметрической системы.
Устройство для осуществления способа контроля загрязнений элементов поверхности КА, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги, иллюстрируют Фиг.1-4.
На Фиг.1 на представлен планшет с установленными датчиками 1-8 на контрольной пластине 9 кассеты 10. В нише кассеты размещены «аккумуляторы свежих контаминантов» 11.
На Фиг.2 приведена геометрия газодинамических защитных устройств (ГЗУ, см. [5]), на которых представлены защитные экраны 12 и 13 с установленными на них датчиками температуры 15 и давления 16.
На Фиг.3 приведена блок-схема устройства осуществления способа контроля загрязнений элементов поверхности КА, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги. Блоки электроники 17, связанные с датчиками, размещенными на планшете и на поверхности экранов двигателей ориентации (здесь не показаны), связаны также с бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ) 18 и штатной радиотелеметрической системой (ТМ) 19.
На Фиг.4 показана конструктивная схема планшетов с элементами 14.
Реализацию способа контроля загрязнений элементов поверхности КА, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги, а также устройства для его осуществления предполагается провести на борту Служебного модуля (СМ) МКС. Поэтому на Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3 максимально использованы установленные на борту СМ МКС элементы (см. [5]). Например, планшет "Кромка 1-0" был установлен в ноябре 2001 г.на агрегатном отсеке служебного модуля МКС на поручне около блока ДО + Р (двигатель ориентации - рыскание +). Положение планшета относительно сопел блока ДО+Р показано на рис.14 в материалах статьи (см. [5]). Период экспозиции планшета в открытом космосе составил - 100 суток. Планшет '"Кромка 1-1" был установлен в январе 2002 г. после демонтажа планшета "Кромка 1-0" одновременно с установкой ГЗУ на блоки ДО СМ. Планшет был закреплен на рукоятке-поручне ГЗУ блока ДО+Т (двигатель ориентации -тангаж +) (см. рис.15 в [5]). Исследование выбросов ПНС из сопел ДО СМ проведено в КЭ "Кромка-1." (см. [5]).
Для проведения КЭ "Кромка-1" использовались однотипные планшеты, которые в сеансах выходов в открытый космос космонавты устанавливали на длительные периоды около двигателей СМ. Планшеты состояли из кассеты в виде открытого короба с размерами 235×140×20 мм (см. [5]) и средств фиксации (замок, ручка-поручень).
В качестве регистрирующих элементов использовались образцы материалов и покрытий 1-8 (см. [5]) с характерными размерами 30-40 мм, установленные на контрольной пластине 9 из сплава алюминия с силикатным терморегулирующим покрытием класса "Солнечные отражатели" марки ТР-СО-12. В полостях кассеты 10 под контрольной пластиной устанавливались диски -"аккумуляторы свежих контаминантов" 11 (АСК) с диаметром ~20 мм и толщиной 1 или 3 мм, изготовленные из углерода с объемной пористостью на основе SiC или TiC. Перед установкой АСК взвешивались на аналитических весах с точностью 0.001 г. Вес самих АСК в зависимости от толщины его диска составлял -0.240 или -0.620 г.
В контрольной пластине в местах установки АСК сделаны калиброванные отверстия 08 мм. За время экспонирования материалы АСК впитывали в себя и абсорбировали поток свежих ПНС, пролетевших через отверстия в пластине. На поверхности контрольной пластины и на контрольных образцах свежие осадки ПНС под действием факторов космического полета испарялись, оставляя сухой осадок. После возвращения на Землю в лабораторных условиях определялись весовые параметры осадков ПНС на контрольной пластине, контрольных образцах, размещенных на позициях 1-8 и в АСК, а также химические составы ПНС, изменения значений оптических коэффициентов покрытий образцов (см. [5]).
В контрольной пластине и в местах установки контрольных образцов, размещенных на позициях 1-8, согласно данному изобретению предполагается разместить телеметрические датчики и пьезоэлектрические преобразователи параметров загрязнений и параметров струи для их преобразования в электрические сигналы и трансляции на Землю непосредственно во время работы бортовых двигателей ориентации на МКС.
Литература
1. JP, заявка, 62-48088, кл. В64G 1/52, 1987.
2. H.Trinks,.R.J.Hoffman. Exprimental Investigation of bipropellant exhaust plume flowfrield, heating and contamination, and comparation with the CONTAM computer model predictions. AIAA-83-1447. 1983.
(11)
3. Описание изобретения к патенту РФ RU 2111904 С1 (51) 7 6 B64G 1/52 Управляющая двигательная установка космических аппаратов и станций с ракетными двигателями малой тяги (Варианты). Заявка 97111516/28. Дата подачи заявки: 1997.07.02 Авторы: Поскачеев Ю.Д., Ребров С.Г., Герасимов Ю.И.
(11)
(13)
4. Описание изобретения к патенту РФ RU 2149807 C1 (51) 7 B64G 1/52. Способ защиты поверхности КА от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, и устройство для его осуществления. Заявка: 99111097/28; Заявитель: Институт теплофизики СО РАН. Дата подачи заявки: 1999.05.24 Авторы: Герасимов Ю.И., Мишина Л.В., Приходько В.Г., Ярыгин В.Н.
5. Герасимов Ю.И., Крылов А.Н., Приходько В.Г.; Ярыгин В.Н., Ярыгин И.В. Моделирование в вакуумных камерах процессов внешнего загрязнения МКС струями двигателей ориентации. // Хим. Физика. 2006. Т 25. №11. С 35-47.