В дисперсной фазе: продукты, получаемые в процессе отделения космических аппаратов от

1 УДК Расчёт корректирующей функции научной аппаратуры «ИНДИКАТОР-МКС» С.А. Шиков Московский физико-технический институт (государственный университет) Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва Введение Исследования собственной внешней атмосферы (СВА) космических аппаратов были начаты уже на первых искусственных спутниках Земли. Однако, эти исследования носили несистематический характер и проводились в относительно небольшом объёме. По мере возрастания длительности эксплуатации орбитальных станций, усложнения их конфигурации, а также расширения состава научных и прикладных задач, решаемых в условиях полёта, актуальность изучения СВА возрастала. В результате систематических исследований на орбитальном комплексе «Мир», а также на кораблях «Space Shuttle» было обнаружено и подтверждено серьезное влияние СВА на эксплуатационные характеристики отдельных систем, влияющих на надежность и эффективность объекта в целом: солнечные батареи, иллюминаторы, системы ориентации. Под собственной внешней атмосферой (СВА) космических аппаратов понимается физическая система, представляющая собой сложное газопылевое образование, возникающее при обтекании орбитальных объектов набегающим потоком; при выбросах продуктов функционирования бортовых систем; за счёт собственного газовыделения и испарения неметаллических материалов конструкций с внешней поверхности комплекса; результатов взаимодействия остаточной атмосферы Земли, плотность которой соответствует высоте полёта, с продуктами функционирования бортовых систем. Источниками собственной внешней атмосферы являются: В дисперсной фазе: продукты, получаемые в процессе отделения космических аппаратов от последней ступени ракеты-носителя, продукты деградации поверхностей, возникающие в результате механического износа и разрушения; продукты выбросов из двигательных установок (ДУ) и дренажей. В газовой фазе: продукты выбросов из ДУ систем ориентации и коррекции; вещества, возникшие в момент срабатывания пиротехнических средств; выбросы из магистралей ДУ в момент продувки и вакуумирования; газы, выделяющиеся из гермоотсеков при возникновении утечки; выбросы масс при работе системы терморегулирования; продукты десорбции и сублимации материалов внешних поверхностей. 1 Постановка задачи Сложное комплексное воздействие СВА на орбитальные объекты, требует систематического изучения, что и предлагается в новом эксперименте "Контроль". Для обеспечения реализации эксперимента на борт РС МКС ТГК "Прогресс М-19М" была доставлена научная аппаратура «Индикатор-МКС», предназначенная для измерения

2 параметров собственной внешней атмосферы. В состав НА "Индикатор-МКС" входят: - штанга БВП, состоящая из блока входного преобразователя (БВП), механического интерфейса (штанги) для установки БВП на внешней поверхности МИМ2 и кабеля; - блок управления (БУ), устанавливаемый в герметичном отсеке МИМ2; - кабели, обеспечивающие межблочную связь между БВП и БУ, связь БУ с СУБА и ИУС. Состав аппаратуры приведен на рисунке 1: Рис.1.Аппаратура «Индикатор-МКС».

3 Расположение КЭ «Контроль» показано на рисунке 2: Рис.2. Расположение КЭ «Контроль» на борту модуля станции МКС. БВП предназначен для измерения параметров газовой среды, окружающей МКС и преобразования их в напряжение постоянного тока. На нём установлено два магниторазрядных преобразователя плотности(пп) инверсно-магнитронного типа. Продольные оси ПП взаимно перпендикулярны, что обеспечивает возможность контроля параметров газовой среды в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Конструкция ПП изображена на рисунке 3. Принцип работы ПП основан на явлении возникновения в его измерительной области самостоятельного разряда во взаимно перпендикулярных постоянных электрическом и магнитном полях. Ток разряда в широком диапазоне давлений имеет линейную зависимость от давления (концентрации) молекул в измерительной области ПП. Анализируя концентрацию внутри ПП, можно найти концентрацию молекул в собственной внешней атмосфере. Цель работы расчёт корректирующей функции(коэффициента соответствия концентрации разряжённого газа в измерительной области и концентрации внешних потоков).

4 Рис.3. Конструкция ПП. 1-корпус; 2-магнитная система; 3,4-разделенный на две части катод; 5,6-торцевые сетки, имеющие неравномерную проницаемость для газового потока и ориентированные относительно двух частей катода; 7-анод; 8-два коллектора(c1. c6-сетки коллекторов). 2 Обзор российских экспериментов На борту ОС - «МИР» в гг, был проведен эксперимент «Астра-2». Давление определялось как снаружи космического аппарата, так и внутри негерметичных отсеков (НГО) в различных режимах эксплуатации станции. В фоновых условиях после стыковки модуля «Спектр» с ОС «Мир» уровни давления, зафиксированные датчиками, лежали в диапазоне от 1*10-7 до 1*10-5мм.рт.ст., изменяясь в зависимости от ориентации датчиков по отношению к набегающему потоку. Пример результатов таких измерений приведен на рисунке 4.

5 Рис.4. Изменение давления в СВА на протяжении одного витка г. Резкие скачки давления в СВА возникали при работе ДУ и срабатывании дренажных систем. Уровень возмущения давления определялся интенсивностью источника, и периодичностью его работы и ориентацией датчика по отношению к источнику возмущений. Результаты измерений давления при стыковке орбитального корабля (ОК) американской многоразовой транспортной космической системы «Спейс Шаттл» и орбитальной станции «Мир» г. приведены на рисунке 5. Рис.5. Изменение давления в СВА ОС «Мир» при стыковке ОК «Спейс Шаттл». Исследования динамики изменения давления в собственной внешней атмосфере орбитальных станций позволили получить ценную информацию о поведении газовой среды

6 вблизи этих объектов. 3 Решения задачи и результаты Для решения поставленной задачи было использовано математическое моделирование взаимодействия аппаратуры «Индикатор-МКС» с набегающим потоком. Геометрическая модель НА "Индикатор-МКС" построена в модуле GEOMETRY программы Salome. Примеры показаны на рисунках 6-7. Рис.6. Геометрическая модель НА "Индикатор-МКС".

7 Рис.7. Геометрическая модель НА "Индикатор-МКС". Для обеспечения теплового режима аппаратуры использовалась экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), изображенная на рисунке 8. Рис.8. Использование экранно-вакуумной теплоизоляции.

8 На рисунке изображена геометрическая модель НА «Индикатор-МКС» с учётом ЭВТИ. ПП2 ПП1 Рис.9. Геометрическая модель НА «Индикатор-МКС» с учётом ЭВТИ. Сетка, построенная в модуле MESH программы Salome, показана на рисунке 9. Рис.10. Расчётная сетка. Для моделирования течения применялась вычислительная система SMILE, использующая

9 метод прямого статистического моделирования в качестве численного подхода. Было сделано предположение, что результаты измерений в ПП1 не зависят от наличия ЭВТИ и расположения кабелей. При моделировании было проведено несколько экспериментов, в которых менялись углы набегания внешних потоков. Для ПП1: Угол атаки a менялся в плоскости XY, пример показан на рисунке 11: a Рис.11. Изменение угла атаки а. Угол скольжения b менялся в плоскости XZ, пример показан на рисунке 12:

10 b Рис.12. Изменение угла скольжения b. Данные для моделирования: Параметры датчика: Параметры потока: Молекулярный поток разреженного газа, состоящий из Размер зоны моделирования совпадал с размером измерительной области. Измерительная область была разделена на две части и концентрация измерялась отдельно в каждой половине. Разделение изображено на рисунке 13.

11 Верхняя измерительная область n2 Нижняя измерительная область n1 Рис.13 Разделение измерительной области. Визуализация результатов осуществлялась в пакете ParaView. Пример на рисунке 14. Верхняя измерительная область n2 Нижняя измерительная область n1 Рис.14. Пример визуализации результатов. На рисунке 15 представлены результаты расчёта зависимости концентрации от угла атаки, а

12 также кривая, показывающая теоретические значения концентрации для тонкой пластины при тех же параметрах потока n/n 50 <n1>/n <n2>/n (n/n )теор Рис. 15. Зависимость концентрации в двух частях измерительной области, а также на поверхности плоской пластины от угла атаки. На рисунке 16 показана зависимость концентрации от угла скольжения n/n 25 <n1>/n <n2>/n b Рис.16. Зависимость концентрации в двух частях измерительной области от угла скольжения.

13 На рисунке 17 показан пример визуализации зависимости концентрации измерительной области от угла атаки a=0. в двух частях Рис. 17. Визуализация зависимости концентрации в двух частях измерительной области от угла атаки a=0. Разработчиками НА "Индикатор-МКС" был выполнен собственный расчёт корректирующей функции. В следствие этого, был проведен расчёт с идентичными данными

14 для моделирования, с целью сравнения результатов. Параметры датчика: Молекулярный поток разреженного газа, состоящий из Результаты разработчиков: <n1>/n = <n2>/n = Результаты полученные в ходе расчёта: <n1>/n = <n1>/n = Также, была найдена зависимость концентрации от размера зоны моделирования: Параметры датчика: Молекулярный поток разреженного газа, состоящий из

15 Результаты приведены на рисунке 18: <n1>/n (1) <n2>/n (1) <n1>/n (3) <n2>/n (3) <n1>/n (2) <n2>/n (2) n/n a Рис.18. Зависимость концентрации от угла атаки для разных зон моделирования. Для ПП2: Из конструкции аппаратуры следует, что для некоторых углов скольжения набегающих потоков ПП1, ЭВТИ, кабели затеняют ПП2. Эти конструктивные особенности были учтены при расчёте. Угол скольжения b менялся в плоскости XZ, пример показан на рисунке 19: 40

16 b Рис.19. Изменение угла скольжения. Данные для моделирования: Параметры датчика: Параметры потока: Молекулярный поток разреженного газа, состоящий из Размер зоны моделирования совпадал с размером измерительной области.

17 На рисунке 20 представлены результаты расчёта зависимости концентрации от угла скольжения набегающих потоков без учёта дополнительных конструктивных особенностей <n>/n 4 <n1>/n <n2>/n b Рис.20. Зависимости концентрации от угла скольжения без учёта дополнительных конструктивных особенностей. На рисунке 21 представлены результаты расчёта зависимости концентрации от угла скольжения набегающих потоков с учётом дополнительных конструктивных особенностей. 4 3,5 3 2,5 <n1>/n <n2>/n <n>/n 2 1,5 1 0, b Рис.21. Зависимости концентрации от угла скольжения с учётом дополнительных конструктивных особенностей.

18 4 Выводы Существует серьезное влияние СВА на эксплуатационные характеристики отдельных систем, влияющих на надежность и эффективность космического объекта в целом. Для проведения исследований собственной внешней атмосферы космических аппаратов необходима точная обработка данных, полученных из натурных экспериментов. В данной работе были проведены численные расчёты корректирующей функции научной аппаратуры «Индикатор-МКС». Результаты показали, что существует зависимость концентрации внутри измерительной области от направления набегающего потока (рисунки 15-16). Теоретические значения корректирующей функции для тонкой пластины и расчётные значения для НА «Индикатор-МКС» не совпадают (рисунок 15), из этого следует, что необходимо учитывать конструктивные особенности аппаратуры. Было обнаружено, что для разных размеров зон моделирования получаются разные результаты (рисунок 18). Расчёт, проведенный при добавлении преобразователя плотности, экранно-вакуумной теплоизоляции и кабелей к общей конструкции, показал, что строение аппаратуры сильно влияет на концентрацию молекул в измерительной области (рисунки 20-21). Данные результаты будут учитываться при анализе информации, полученной при проведении натурных экспериментов. Литература 1. Бёрд Г. Молекулярная газовая динамика. М. Мир, с.