Содержание к диссертации
Введение
1 Постановка задачи обоснования проектных параметров научно - исследовательской низкоорбитальной автоматической микрогравита-тационной платформы 20
1.1 Анализ бортовых остаточных микроускорений и выбор конструктивной базы КА для проектирования космической микрогравитационной платформы 20
1.2 Формулировка задачи проектирования низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы 25
1.3 Выводы по первой главе 45
2 Математическая модель расчета уровня микроускорений низкоорбитальной космической Ml 11 и анализ возмущений базового КА 47
2.1 Математическая модель расчета уровня микроускорений на борту МГП 47
2.2 Численный анализ влияния внешних и внутренних возмущений базового КА 67
2.3 Анализ параметров движения вокруг центра масс базового КА по результатам измерений бортовой аппаратурой 74
2.4 Анализ остаточных микроускорений по результатам измерений бортовой аппаратурой базового КА 81
2.5 Выводы по второй главе 86
3 Пассивные методы повышения эффективности космической МГП, анализ снижения уровня бортовых остаточных микроускорений и выбор проектных параметров 88
3.1 Анализ системы показателей эффективности МГП и выбор техни ческих требований к точности положения центра масс и центра давления силы аэродинамического торможения 88
3.2 Анализ системы показателей эффективности МГП и обоснование технических требований к компоновке исполнительных элементов бортовой СТР 98
3.3 Анализ возмущений, обусловленных силами магнитного характера, и выбор проектных параметров конструктивной компоновки бортовой энергетической кабельной сети МГП 102
3.4 Анализ влияния уровня возмущений при функционировании бортового комплекса НА МГП и выбор параметров конструктивной компоновки 106
3.5 Анализ остаточных микроускорений на борту МГП при реализации пассивных методов повышения эффективности целевого функционирования в свободном неориентированном орбитальном полете 134
3.6 Выводы по третьей главе 139
4 Активный метод повышения эффективности целевого функционирования космической Mill и выбор проектных параметров устройства компенсации микроускорений 141
4.1 Принципиальная схема устройства компенсации микроускорений на борту МГП 141
4.2 Анализ зависимости системы показателей эффективности МГП от проектных параметров устройства компенсации микроускорений .. 144
4.3 Сравнительный анализ системы показателей эффективности МГП при реализации активного и пассивных методов уменьшения бортовых остаточных микроускорений 159
4.4 Выводы по четвертой главе 153
Закючение 154
Приложение 156
Литература
- Формулировка задачи проектирования низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы
- Анализ параметров движения вокруг центра масс базового КА по результатам измерений бортовой аппаратурой
- Анализ системы показателей эффективности МГП и обоснование технических требований к компоновке исполнительных элементов бортовой СТР
- Анализ зависимости системы показателей эффективности МГП от проектных параметров устройства компенсации микроускорений
Введение к работе
Диссертация посвящена актуальной задаче разработки методов и средств повышения эффективности низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы.
Исследуемые в работе вопросы относятся к области проектирования специализированного низкоорбитального автоматического КА с низким уровнем бортовых остаточных микроускорений, целью функционирования которого является проведение научных экспериментов по физике жидкости, материаловедению, биотехнологии и производство новых материалов с одновременным изучением внутриобъектовой магнитной обстановки и влияния работы обеспечивающей и научной аппаратуры на уровень остаточной микрогравитации.
1. Актуальность проблемы. За весь период практической деятельности, связанной с экспериментальными и теоретическими исследованиями научных проблем невесомости и космической технологии, в нашей стране и за рубежом выполнены многочисленные эксперименты на борту космических аппаратов (КА) различного типа. Основным итогом проведенных исследований можно считать формирование научного направления - физики и механики невесомости или микрогравитации, а также выделение приоритетных научных задач, связанных с исследованиями физических процессов в условиях микрогравитации, выращиванием высококачественных полупроводниковых и других материалов, изучением строения белков, поиском возможностей производства новых эффективных лекарств.
Остаточная микрогравитация (практические условия невесомости на борту КА) включает в себя действие различного рода микроускорений, обусловленных влиянием внешней среды и действием внутренних возмущений из-за работы бортовых обеспечивающих систем, комплекса научной аппаратуры (НА) и деятельности экипажа. Величина бортовых остаточных
микроускорений является основным показателем, который определяет возможность проведения научных экспериментов в условиях орбитального полета.
Основная часть проведенных экспериментов обеспечивалась пилотируемыми космическими комплексами «Салют-5, -6, -7», «Мир», Международной космической станцией, автоматическими КА, а также высотными ракетами. Анализ полученных результатов показал, что условия по уровню микрогравитации, достигнутые на универсальном научно - исследовательском КА «Фотон», обеспечили проведение большого числа научных экспериментов и позволили обнаружить новые эффекты при выращивании монокристаллов/1,2,3/.
Повышение эффективности результатов экспериментов связано со сни-жением уровня остаточных микроускорений на борту низкоорбитальной специализированной научно - исследовательской автоматической микрогравитационной платформы (МГП).
С точки зрения снижения затрат целесообразен вариант разработки космической МГП на конструктивной базе КА «Фотон», уровень бортовых остаточных ускорений которого обеспечивает работу комплекса научной аппаратуры (НА) и допускает проведение значительной части возможных научных экспериментов. Конструктивной особенностью такого типа МГП является высокая плотность энергоемкой обеспечивающей и научной аппаратуры, которая является источником возмущений в спектральном диапазоне частот от 0 до 400 Гц, ухудшающих микрогравитационную обстановку на борту.
В этой связи актуальной является проблема, связанная с обоснованием технических требований и выбором проектных параметров, обеспечивающих повышение эффективности научно-исследовательской низкоорбитальной автоматической МГП путем поэтапной реализации пассивных и активного методов снижения уровня остаточных микроускорений.
2. Состояние исследований в избранной области. В настоящее время
известно значительное число работ, в которых рассматриваются проблемы,
связанные с индустриализацией космоса и исследованиями влияния внут-
риобъектовой среды КА на состав и структуру рабочей среды в технологи
ческих установках. Это* в первую очередь работы B.C. Авдуевского, И.В.
Бар мина, В. И. Полежаева, С. Д. Гришина, А.В. Картавых, М.Г. Мильвид-
ского, В.В. Сазонова, СЮ. Чебукова, Н.Д. Семкина, а также зарубежных
авторов D. Thierion, A. Verga, P. Baglioni, Т. Beuselinck, С. Van Bavmchove,
D. Claessens, S. Wuyts, D. Schwabe, S. Benz/ 1,2,3,16,17,18,20 /.
Вопросам создания специализированных низкоорбитальных космических Ml И посвящены в основном работы научно-практической школы Д.И. Козлова ( ГЛ. Аншаков, Г.Е. Фомин, А.В. Соллогуб, В.Ф. Агарков, В.Д. Козлов )/15,19/.
3. Цель работы, задачи исследований. Целью работы является разра
ботка методов и средств повышения эффективности низкоорбитальной
космической МГП, выбор проектных параметров, обеспечивающих мини
мизацию бортовых остаточных микроускорений до уровня допустимых
значений.
В рамках решения этой задачи сформулированы следующие частные задачи исследования.
Провести анализ остаточных микроускорений на борту орбитальных автоматических КА, включая «Фотон», пилотируемых станций и многоразовых космических систем, и определить требования к допустимому значению уровня микрогравитации.
Разработать методический подход к повышению эффективности МГП, включающий комплексную, поэтапную реализацию пассивных и активного методов уменьшения бортовых остаточных микроускорений до требуемого уровня значений.
Методический подход к повышению эффективности Mil і основан на реализации следующих методов и средств уменьшения уровня бортовых остаточных микроускорений:
пассивные, основанные на принципах обеспечения технических требований и конструктивных решений, направленных на уменьшение возмущений внутреннего и внешнего характера без использования бортовых источников энергии;
активные, основанные на использовании бортовых источников энергии.
Выбрать систему показателей эффективности и состав проектных параметров автоматической низкоорбитальной Mill.
Сформулировать задачи выбора проектных параметров космической Ml 11 в соответствии с разработанным методическим подходом к снижению бортовых остаточных микроускорений до уровня допустимых значений.
Разработать математическую модель расчета уровня бортовых остаточных микроускорений космической Mill .с номинальными техническими характеристиками и проектными параметрами, учитывающую влияние внешних возмущений аэродинамического, гравитационного, магнитного характера и внутренних возмущений, обусловленных работой бортовых обеспечивающих систем и комплекса НА.
Получить зависимости бортовых остаточных микроускорений в диапазоне допустимых значений проектных параметров Ml И и, в соответствии с принятым критерием и методическим подходом к повышению эффективности, выбрать проектные параметры, обеспечивающие требуемый уровень микрогравитации.
4. Научно-практическая новизна. Научная новизна работы заключается в следующем.
1) Обоснована математическая модель расчета уровня бортовых остаточных микроускорений низкоорбитальной космической МГП, учитывающая влияние внешних возмущений (аэродинамических, гравитационных и
магнитных) и внутренних возмущений, обусловленных работой бортовых обеспечивающих систем и комплекса НА,
Разработан методический подход к повышению эффективности МГП, включающий комплексную, поэтапную реализацию пассивных и активного методов уменьшения бортовых остаточных микроускорений до требуемого уровня значений.
Сформулированы проектные задачи, проведен анализ и получены зависимости бортовых микроускорений от проектных параметров МГП.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Проведен анализ экспериментальных данных, полученных на КА «Фотон», включая параметры орбитального и углового движения, остаточные микроускорения, которые обеспечили выбор математической модели расчета уровня микрогравитации МГП.
Снижены остаточные микроускорения низкоорбитальной МГП за счет выбора проектных параметров рабочей орбиты, бортовых обеспечивающих систем терморегулирования (СТР), кабельной сети (БКС), электропитания, комплекса НА и устройства компенсации микроускорений.
Повышена точность расчета движения МГП вокруг центра масс и бортовых остаточных микроускорений в неориентированном орбитальном полете путем математического моделирования с учетом действия внешних и внутренних возмущений,
Разработанные методы и средства повышения эффективности МГП внедрены в проектную документацию КА типа «Фотон-М».
5. Основные положения, выносимые на защиту:
модель функциональной связи технических характеристик и проектных параметров МГП с показателем эффективности, характеризующим уровень бортовых остаточных микроускорений;
математическая модель расчета уровня бортовых остаточных микроускорений, учитывающая влияние внешних факторов орбитального полета,
включая возмущения аэродинамического, гравитационного и магнитного характера, а также внутренние возмущения, обусловленные работой бортовых обеспечивающих систем и комплекса НА;
пассивные методы и средства уменьшения уровня микрогравитации параметрами конструктивной компоновки обеспечивающих систем МГП и комплекса НА;
активный метод повышения эффективности МГП специальным бортовым устройством компенсации микроускорений;
методический подход к повышению эффективности МГП пассивными и активным методами до требуемого уровня значений бортовых микроускорений.
6. Внедрение. Результаты работы нашли применение на предприятии «Государственный научно - производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» при разработке специализированных низкоорбитальных автоматических МГП «Фотон» №12, «Фотон-М» №1, №2.
Внедрение и реализация пассивных методов повышения эффективности, как первый этап разработки МГП, при проведении сравнительного анализа с эффективностью базового КА, показал снижение остаточного микроускорения для всех уровней оценки в диапазоне номинальных орбит, а именно:
от 2,1 до 3,7 раза при оценке показателя по уровню математического ожидания и от 1,8 до 2,3 раза при оценке показателя по уровню максимального значения.
Несмотря на полученный положительный результат пассивные методы повышения эффективности МГП не обеспечивают требуемый уровень остаточных микроускорений.
Внедрение и реализация на втором этапе перспективной разработки космической МГП активного метода повышения эффективности с помощью устройства компенсации микроускорений в диапазоне номинальных орбит
обеспечивают значительное повышение эффективности целевого функционирования и практическое решение поставленной задачи.
Уровень оценки показателей бортовых остаточных микроускорений на интервале времени 15 суток свободного неориентированного полета не превышает диапазона следующих значений:
от 0,5-Ю"5 м/с2 (0,5-10-6 g0) до 10*5 м/с2 ( 10"6 go) при оценке показателя по уровню математического ожидания и от 10~5 м/с2 ( Ю*6 go) до 2,6-10"5 м/с2 (2,6-10"6 g0) при оценке показателя по уровню максимального значения.
7. Публикация и апробация работы. Общее содержание работы и ее
отдельные результаты докладывались и обсуждались на международных
конференциях «PROCEEDINGS of the Interaational Conference Scientific and
Technological Experiments on Russian Foton/Bion Recoverable Satellits:
Results, Problems, and Outlooks», проведенных в 2000 и 2001 годах в Сама
ре /20, 48, 58 /, международных конгрессах IAF-99-J.3.06 50th, IAF-00-J.3.08
51st и IAF-01-J.3.07 52nd International Astronautical Congress, проведенных,
соответственно, в 1999, 2000 и 2001 годах /56, 57, 59 /, а также отражены в
тезисах докладов международной конференции по астронавтике и аэронав
тике, проведенной в 2000 году / 34/.
Основные результаты работы опубликованы в 10-ти научно-технических отчетах /16, 17, 24, 35,37, 38, 49, 50, 52, 55/, в патенте на изобретение устройства компенсации микроускорений / 25 / и в 7-ми публикациях / 18, 23, 26, 44, 45, 47, 60/.
8. Структура работы и личный вклад автора. Работа состоит из вве
дения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы из 60
наименований. Общий объем диссертации 187 страниц, в том числе 144
страницы основного текста, 5 страниц с таблицами, 19 страниц с рисунка
ми и схемами, 20 страниц расчетно-графического материала.
В указанных работах автору принадлежит: общая постановка задач и выбор методов их решения, включая методический подход к повышению эф-
фективности космической МГП, а так же ряд конкретных теоретических и практических конструктивных решений, анализ и обобщение результатов научно-практических исследований и натурных экспериментов. В первой главе диссертации приведены следующие материалы.
Проведен анализ остаточных микроускорений на борту орбитальных автоматических КА, включая «Фотон», пилотируемых станций и многоразовых космических систем, определены требования к допустимому значению уровня микрогравитации на борту МГП.
Принята система показателей анализа и оценки эффективности МГП, характеризующая уровень бортовых остаточных микроускорений.
Разработан методический подход к повышению эффективности МГП на основе комплексной, поэтапной реализации пассивных и активного методов уменьшения уровня бортовых остаточных микроускорений.
Сформулированы задачи, связанные с выбором проектных параметров низкоорбитальной космической МГП, а именно:
выбор математической модели анализа эффективности космической МГП, учитывающей влияние внешних и внутренних возмущений;
обоснование технических требований к точности положения центра масс и центра давления силы аэродинамического торможения МГП;
обоснование технических требований и выбора проектных параметров бортовой обеспечивающей СТР;
обоснование технических требований к проектным параметрам компоновки БКС системы энергопитания;
обоснование технических требований к проектным параметрам конструктивной компоновки бортового комплекса НА;
обоснование проектных параметров устройства компенсации микроускорений МГП;
выбор параметров рабочей орбиты МГП из диапазона номинальных значений.
Во второй главе работы приведены следующие материалы.
Разработана математическая модель расчета уровня микроускорений, учитывающая внешние возмущающие факторы аэродинамического, гравитационного и магнитного характера, а также внутренние возмущения, связанные с работой бортовых обеспечивающих систем и комплекса научной аппаратуры.
На основе данных, полученных в результате полета КА «Фотон-12», проведена оценка адекватности математической модели на интервале неориентированного орбитального полета с оценкой параметров орбитального движения, углового движения (скорости вращения вокруг центра масс), остаточных микроускорений.
Проведен системный анализ влияния внешних и внутренних возму-щающих факторов на характер движения КА «Фотон», который методом математического моделирования практически повторил динамику углового движения Mill.
В третьей главе диссертации приведены результаты первого этапа проектирования МГП, реализованного в рамках пассивных методов повышения эффективности и выбором проектных параметров. Минимизация бортовых остаточных микроускорений МГП пассивными методами обеспечивается результатами решения следующих проектных задач.
1) В целях минимизации возмущений аэродинамического характера, проведено обоснование проектных параметров, включая технические требования к точности положения центра масс и центра давления, а также возможное изменение массовых характеристик при технологической операции приведения фактического положения центра масс к требуемому диапазону значений.
2) В целях минимизации возмущений, обусловленных действием сил гироскопической реакции, возникающих от работы исполнительных элементов (воздушных вентиляторов) бортовой СТР и углового возмущенного
движения МГП, проведено обоснование проектных параметров этой системы.
Приняты критерии выбора проектных параметров СТР и решены следующие проблемы:
проведен анализ проектных параметров исполнительных элементов СТР базового КА;
разработан для математической модели структурный модуль расчета возмущающего гироскопического момента вращения МГП, функционально связанного с проектными параметрами СТР, параметром углового движения МГП и показателями эффективности;
выбраны проектные параметры СТР МГП,
3) В целях минимизации возмущений, обусловленных действием сил магнитного характера (силы Ампера), возникающих от взаимодействия бортовой энергетической кабельной сети и магнитного поля Земли, проведено обоснование проектных параметров этой системы.
Принят критерий выбора проектных параметров БКС и решены следующие проблемы;
проведен анализ конструктивных схем организации энергетической кабельной сети СЭП, включая подключение типового состава бортового комплекса НА и обеспечивающих систем, базового КА;
разработан для математической модели структурный модуль расчета возмущающего момента вращения МГП, функционально связанного с проектными параметрами, возмущающим моментом вращения МГП магнитного характера от СЭП, состоянием геомагнитного поля и системой показателей эффективности;
- выбрана схема подключения обеспечивающих систем и НА от борто
вых источников энергопитания постоянного тока.
Для решения задачи, связанной с проведением оценки неустранимого возмущения, характеризующего момент вращения от намагниченных элементов конструкции, решены следующие проблемы:
проведен анализ циклограммы энергопотребления на борту базового КА;
разработан для математической модели структурный модуль расчета возмущающего момента вращения МГП, функционально связанный с техническими и конструктивными характеристиками КА, состоянием геомагнитного поля и системой показателей эффективности.
Критерием оценки возмущения магнитного характера принято условие адекватности углового движения на интервале времени орбитального полета и целевого функционирования базового КА,
Для интервала времени длительностью 15 суток орбитального полета МГП по результатам математического моделирования проведена оценка уровня возмущений магнитного характера и проведен анализ влияния этого типа возмущения на характер углового движения.
4) В целях минимизации возмущений внутреннего и внешнего характера, проведено обоснование и выбор проектных, параметров конструктивной компоновки бортового комплекса НА.
Принят критерий выбора проектных параметров бортового комплекса НА и решены следующие проблемы:
- проведен анализ типового состава бортового комплекса НА базового
КА и разработан для математической модели структурный модуль расчета
возмущающего момента вращения МГП, обусловленного работой комплек
са НА, функционально связанного с его техническими характеристиками,
параметрами движения вокруг центра масс МГП, состоянием геомагнитно
го поля и системой показателей эффективности;
разработан алгоритм выбора проектных параметров бортового комплекса НА с учетом технических ограничений на параметры установки некоторых типов научной аппаратуры;
выбраны проектные параметры, разработан вариант компоновки бортового комплекса НА для -ML 11 с типовым составом аппаратуры и проведен анализ уровня микрогравитационной обстановки.
5) Проведен анализ первого этапа разработки МГП при комплексной реализации пассивных методов повышения эффективности, направленных на минимизацию внешних и внутренних возмущений, действующих на КА в орбитальном полете.
Полученные результаты, несмотря на достигнутое в целом снижение уровня микрогравитации от реализации пассивных методов повышения эффективности МГП, не обеспечивают требуемый уровень бортовых остаточных микроускорений в диапазоне высот номинальных орбит.
В четвертой главе диссертации приведены результаты второго этапа перспективной разработки МГП, основанного на реализации активного метода повышения эффективности МГП, с обоснованием проектных параметров и установкой на борту специального устройства компенсации остаточных микроускорений, которое защищено патентом на изобретение № 2185311.
Повышение эффективности МГП с выбранным составом проектных параметров, включая устройство компенсации остаточных микроускорений, связано с минимизацией возмущений внутреннего и внешнего характера в диапазоне номинальных орбит, выбором которых обеспечивается минимизация возмущений аэродинамического характера.
Принцип компенсации микроускорений с составом проектных параметров основан на управлении движением вокруг центра масс МГП управляющим магнитным моментом вращения, создаваемым взаимодействием
магнитного поля Земли и специальной системой магнитных токонесущих . контуров.
Принят критерий выбора проектных параметров устройства компенсации микроускорений и решены следующие проблемы:
разработан для математической модели структурный модуль расчета возмущающего момента вращения МГП, обусловленного работой устройства компенсации микроускорений, функционально связанного с его проектными параметрами, параметрами орбитального движения и движения вокруг центра масс Ml 11, состоянием геомагнитного поля и системой показателей эффективности;
разработана конструктивная схема компоновки управляющих токовых контуров устройства компенсации микроускорений;
выбрана циклограмма работы токовых контуров;
определен аппаратурный состав, а также пространственно-геометрические и массовые характеристики устройства;
по данным имитационного математического эксперимента получена зависимость изменения уровня микрогравитации Ml И от энергетических характеристик устройства;
выбраны проектные параметры устройства, включая энергетические характеристики работы устройства компенсации микроускорений.
Проведена оценка увеличения общей массы Mill с выбранной системой проектных параметров относительно массы базового КА с учетом массы возможной установки балансировочных грузов, вентилятора СТР и устройства компенсации микроускорений.
Проведена оценка уровня микрогравитации на борту космической МГП при комплексной, поэтапной реализации пассивных и активного метода повышения эффективности с устройством компенсации микроускорений и выбранным составом проектных параметров в диапазоне номинальных орбит, которая позволяет сделать следующие выводы.
Достигнуто значительное повышение эффективности Ml 11 на интервале времени 15 суток свободного неориентированного полета с уровнем остаточных микроускорений, диапазон значений которых соответствует допустимому (от 0,5-Ю"6 gQ до 10"6 go), при оценке показателя по уровню математического ожидания и превышает его от 1,0 до 2,6 раза при оценке показателя по уровню максимального значения.
Принимая во внимание условие отсутствия одинакового требования к обеспечению минимально допустимого уровня микрогравитации для всего состава бортового комплекса НА, задача проектирования космической Ml 11 и выбора проектных параметров путем реализации в два последовательных этапа методов пассивного и активного повышения эффективности, практически решена.
В заключение диссертации приведены основные результаты работы, раскрывающие следующие аспекты, определенные задачами исследований:
1) Использование экспериментальных данных базового КА, накоплен
ных в условиях реального орбитального полета, в следующих целях:
определения допустимого уровня значений остаточных микроускорений на борту низкоорбитальной космической Ml 11, который обеспечивает возможность проведения основного числа научных экспериментов с высокой эффективностью;
выбора математической модели расчета уровня бортовых остаточных микроускорений.
Отмечены особенности методического подхода к повышению эффективности космической МГП с конструктивными и техническими характеристиками базового КА, путем выбора состава проектных параметров, снижающих бортовые остаточные микроускорения до уровня допустимых значений.
В части разработки и выбора математической модели расчета уровня микроускорений низкоорбитальной космической МГП приведены основ-
ные внешние и внутренние возмущающие факторы, определяющие микрогравитационную обстановку на борту.
4) Сформулированы задачи выбора проектных параметров и приведены
данные сравнительного анализа результатов эффективности базового КА с
аналогичными показателями космической МГП для двух этапов ее разра
ботки, представляющих последовательность реализации методов снижения
уровня микрогравитации.
На первом этапе разработки, основанном на реализации пассивных методов повышения эффективности, обеспечивается снижение остаточных микроускорений, но диапазон их значений превышает допустимый уровень.
Второй этап перспективной разработки МГП связан с комплексной pea-лизацией пассивных и активного методов повышения эффективности, что обеспечивает снижение остаточных микроускорений до уровня допустимых значений.
5) Отмечена практическая значимость полученных результатов работы,
включая зависимости изменения показателей эффективности МГП в диапа
зоне допустимых значений проектных параметров, которые внедрены в
проектную документацию разработки КА «Фотон-М» №2.
В приложении к диссертации приведены основные технические характеристики базового КА, используемые в работе, а также некоторые расчет-но-графические материалы и схемы МГП.
Автор выражает благодарность научному руководителю Д.И. Козлову за постоянное внимание к работе и ценные советы, а также работникам ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» ведущему инженеру-конструктору Ю.Я. Пузину и инженеру - конструктору II кат. О.А. Крыловой за проведение расчетов и оформление результатов.
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАУЧНО- ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ НИЗКО-ОРБИТАЛЬНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ МИКРОГРАВИТАЦИОННОЙ ПЛАТФОРМЫ
Формулировка задачи проектирования низкоорбитальной космической микрогравитационной платформы
С помощью серии низкоорбитальных, автоматических КА «Фотон», запущенных с №1 по №12 в период с 1985 по 1999 годы, были достигнуты важные результаты при изучении проблем выращивания монокристаллов полупроводников, затвердевания металлических сплавов, а также в области биотехнологических исследований, а сравнительно хорошие микрогравитационные условия позволили обнаружить ряд новых эффектов/1, 14/.
Различные бортовые системы регистрации ускорений устанавливались на КА с 1986г., и в настоящее время получен большой объем данных по ускорениям в полосе рабочих частот от 0 до 400 Гц в различных точках при различных режимах работы оборудования /14,15/,
С высокой достоверностью показано, что с ростом частот механических возмущений в орбитальном полете уровень линейных ускорений растет от Ю"6 на низких частотах (от 0 до 0,01 Гц) до 0,03go на высоких частотах (от 0,01 до 400 Гц).
Относительно малые уровни ускорений в области низких частот (до 30 Гц) связаны с внешними источниками, а именно: точностью гашения угловых скоростей и ускорений системы ориентации на момент ее отключения (в целях исключения влияния работы системы на проведение научных экспериментов, то есть, МГП переходит в режим неориентированного орбитального полета); силой аэродинамического торможения МГП в атмосфере Земли; моментом вращения МГП вокруг центра масс, обусловленной аэродинамической силой; моментом вращения МГП вокруг центра масс, обусловленной гравитационным полем Земли; моментами вращения МГП вокруг центра масс от сил, возникающих при работе бортового комплекса научной аппаратуры и обеспечивающих систем, включая систему энергопитания (СЭП) и систему обеспечения теплового режима (СТР); адъювантными ускорениями, вызванными разностью ускорений свободного падения в центре масс МГП и в заданной расчетной точке установки или расположения научной аппаратуры.
Бортовые системы измерения ускорений типа «СИУ-03» и «QSAM» обеспечили контроль линейных ускорений в области низких частот от 0 до 0.01 Гц. Измерения ускорений в этой области частот находятся в пределах от 5-Ю"6go до lO go. Порог чувствительности системы «СИУ-03» составляет L,7 10"7go. Приведенные результаты измерений остаточных бортовых ускорений подтверждаются измерениями датчиками системы ориентации и стабилизации Mill.
Несмотря на относительно небольшие значения остаточных ускорений от внешних возмущающих факторов, их влияние существенно и заметно на выращиваемых структурах кристаллов и других образцах научных экспериментов / 14,15,16 /.
Значительный уровень ускорений на частотах выше 30 Гц связан с внутренними факторами, в основном с вибрацией работающих агрегатов технологических установок, блоков управления научной аппаратуры (НА) и системы обеспечения терморегулирования (СТР). Системы измерения ускорений «СИУ-01» и «СИУ-02» обеспечили контроль знакопеременных линейных ускорений в диапазоне частот от 1 до 400 Гц. Уровни ускорений в этой области частот находятся в пределах от 10 go до 2-10" go, при единичных выбросах до 3-10" g0 в момент включения приводов технологических установок. Выявлены резонансные частоты конструктивных элементов с максимальной добротностью. Наибольшая интенсивность механических возмущений соответствует частотам 45, 75, 110, 220, 370 Гц в различных режимах работы оборудования, но уровни возмущений в указанной области частот быстро затухают при удалении от источника возмущений. На расстояние от 0,5 до 0,7 м от источника возмущения (агрегата) уровень ускорения снижается до уровня "шума" при неработающем источнике интенсивных возмущений. Это подтверждается анализом измерений ускорений системой типа «QSAM», установленной на корпусе одной из экспериментальных установок. Характер этих измерений не был искажен работой окружающих установок / 15 /.
Необходимо отметить, что по данным измерения ускорений на всех КА, кроме "Фотон", не проводился подробный анализ движения при проведении научных экспериментов.
Сравнивая полученные результаты условий микрогравитации на различных КА, на которых проводились эксперименты по космическому материаловедению, видно, что по сравнению со всеми пилотируемыми комплексами автоматическая низкоорбитальная КА типа "Фотон" имеет существенно меньшие уровни ускорений в низкочастотной части спектра (до 30 Гц), но уступает по этому показателю автоматическому К A "EURECA", функционирующему на высокой круговой орбите.
Анализ параметров движения вокруг центра масс базового КА по результатам измерений бортовой аппаратурой
Оценка общего характера орбитального движения вокруг центра масс базового КА выполнена по данным результатов измерений уровня линейных ускорений и угловых скоростей в местах установки приборов бортовой системой измерения «Синус» / 16,17,18,20 /. Обобщенный анализ результатов измерений показал, что весь полет МГП можно условно разделить на три следующих этапа:
1) Ориентируемый орбитальный полет, во время которого с момента отделения МГП от ракеты-носителя до момента выключения бортовой системы ориентации и стабилизации, наблюдается нерегулярное движение вокруг центра масс относительно всех трех осей МГП;
2) Неориентированный орбитальный полет, во время которого с момента отключения бортовой системы ориентации и стабилизации до ее включения после окончания научных экспериментов, характер движения вокруг центра масс относительно всех трех осей МГП становится регулярным;
3) Ориентированный орбитальный полет, во время которого с момента включения системы ориентации и стабилизации до момента начала работы тормозного двигателя, характер движения вокруг центра масс МГП снова приобретает нерегулярный характер.
Свободный, неориентированный орбитальный полет МГП составляет основной промежуток времени, во время которого проводятся все научные эксперименты на борту, поэтому анализ характера движения вокруг центра масс проведен для этого участка полета.
Анализ результатов измерения угловых скоростей вращения МГП показал, что в сигналах датчиков по осям OcYe и OcZc практически отсутствуют постоянные составляющие, в то время как уровни переменных составляющих угловых скоростей по этим осям совпадают с уровнем, измеренным датчиками системы измерения ускорений. В сигнале датчика, установленного на оси ОсХс, имеется постоянная составляющая угловой скорости при малом уровне гармонической переменной составляющей. Анализ динамики изменения этого сигнала в течение всего полета показывает, что характер его изменения совпадает с характером изменения суммарной постоянной составляющей линейного ускорения в плоскости YeOcZc, измеренной датчиками низкочастотных ускорений бортовой системы измерения ускорений. Из этого следует, что установившееся вращательное движение МГП имеет составляющую вращательного движения вокруг оси ОсХс. Кроме того, знак постоянной составляющей угловой скорости вокруг оси ОеХс свидетельствует о том, что направление вращения МГП относительно оси ОсХс совпадает с направлением вращения вектора переменной составляющей суммарной угловой скорости в плоскости YcOeZc.
Из совместного анализа результатов измерений составляющих угловой скорости относительно осей ОсХс, ОсУс, OcZc МГП следует, что суммарный вектор установившейся угловой скорости вращения вокруг центра масс находится практически в плоскости ycOcZc и равномерно прецессирует с периодом обращения Тй + 9 мин., причем направление вращения соответствует движению против часовой стрелки относительно оси ОсХс, если смотреть на плоскость yeOcZc со стороны положительного направления оси ОсХс. На регулярное установившееся вращение МГП накладывается периодическое колебательное угловое движение гравитационного характера (нутация или покачивание оси вращения О/Хс , или короткопериодические возмущения от аномалий гравитационного поля Земли). При этом ось Ос Хс МГП в пространстве вместо правильной конической поверхности образует сложную волнистую коническую поверхность с осью вращения Ос"Х,Л На рисунках 12, 13 приведены, соответственно, схема углового движения базового КА и зависимость изменения угловой скорости вращения относительно оси ОсХс (измеренное значение).
Угол полураствора конуса а,», образованного осью ОсХс, изменяется от 60 до значений 17,...,21 в установившемся регулярном вращении МГП, при соответствующем изменении угловой скорости вращения относительно оси ОсХс от 0,001152 до 0,016236 рад/с. Этот процесс характерен тем, что происходит постоянное снижение периода колебаний Т МГП относительно осей ОсУс и OcZ с с 45 до 9 минут.
Анализ системы показателей эффективности МГП и обоснование технических требований к компоновке исполнительных элементов бортовой СТР
Получены практические результаты решения задачи, реализованной в рамках пассивного метода повышения эффективности МГП и связанной с выбором технических требований к точности положения центра масс Дг с и центра давления x d силы аэродинамического торможения, которые подтвердили уменьшение уровня возмущений аэродинамического характера и бортовых остаточных микроускорений Амгп, значения которых составили: для орбиты с параметрами высоты в апогее На = 394 км и перигее Нп = 226 км не более 7,5-10" м/с (7,6-10 g0) при оценке показателя по уровню математического ожидания Амт(Амо) и 20,1-10 5 м/с2 (20,5-10"6 go) при оценке показателя по уровню максимального значения Амгп( Амах); для орбиты с параметрами высоты в апогее На = 302 км и перигее Нп = 264 км не более 7,0-10 5 м/с2 (7,1-Ю"6 g0) при оценке показателя по уровню математического ожидания А Амо) и 17,5-Ю"5 м/с2 (17,8-10 6 go) при оценке показателя по уровню максимального значения Амгп( Амах); для орбиты с параметрами высоты в апогее На = 365 км и перигее Нп = 264 км не более 5,5-10" м/с (5,6-10 g0) при оценке показателя по уровню математического ожидания Амт( Амо) и 15,3 10" м/с (15,6-10 go) при оценке показателя по уровню максимального значения АМГТІ( Амах).
Основным возмущающим фактором движения вокруг центра масс МГП, обусловленным работой исполнительных элементов СТР Метр, является гироскопическая реакция на угловой поворот осей роторов воздушных вентиляторов при собственной угловой скорости вращения of КА.
Метр = Mmn, где n=l,2,...,Nnp- число воздушных вентиляторов СТР.
Технические характеристики (табл. 2 приложения), схема компоновки (рис. 4 приложения) и алгоритм расчета возмущений Mmn от гироскопической реакции системы .воздушных вентиляторов базового КА (п=1,...,7) приведены выше (п.п.2.1.3.5). На основании этих данных возмущения, обусловленные моментом вращения базового КА М р от сил гироскопической реакции, приняты постоянно действующим фактором на всем интервале функционирования [to, tK] и составляют следующее значение, отнесенное к угловой скорости вращения МГП а:
M„px = 0,17-КГ2 н-м-с, М у = - 0,21.10 3 н-м-с, Мстрг =0,0.
Проведена оценка влияния работы СТР на борту базового КА по результатам имитационного математического моделирования F целевого функционирования на интервале времени [t0, tK], анализ уровня бортовых остаточных микроускорений а и системы показателей эффективности Амщ для местоположения НА 0=12), максимально удаленного от центра масс, при различном составе возмущающих факторов, а именно:
действие внешних возмущений аэродинамического и гравитационного характера Тет, М , М6 (рис.11.1 приложения), когда бортовая обеспечивающая и научная аппаратура выключена (МСІр=Мсзп=Мна=0);
действие внешних и внутренних возмущающих факторов Т , Мат, Mg, Метр (рис.11.2 приложения), которое соответствует условию работы бортовой обеспечивающей СТР и выключенном комплексе НА (Мсэп=МИа=0).
На рис. 11.1-11.2 приложения приведены расчетные изменения уровня бортовых остаточных микроускорений а; на последние 15-е сутки полета КА, а на рис.21 приведена диаграмма оценки системы показателей эффективности Амп Амт, Амах, Амо, АсК0,) на интервале времени [to, tK] орбитального полета 15 суток.
Анализ полученных результатов показывает существенное влияние работы исполнительных элементов СТР на уровень бортовых остаточных микроускорений, которые за 15 суток полета возрастают практически в 2 раза.
Устранение возмущений такого типа обеспечивается реализацией специальной схемы компоновки исполнительных элементов СТР эффективной Mill, при которой момент вращения от сил гироскопической реакции работающих вентиляторов сбалансирован,
Анализ зависимости системы показателей эффективности МГП от проектных параметров устройства компенсации микроускорений
Система вакуумирования «СВ-03». Система вакуумирования СВ-03 предназначена для сообщения внутренних полостей технологических блоков установок «Полизон» и «Агат» с вакуумом во время проведения научных экспериментов на борту Mill в орбитальном полете. Основные технические характеристики системы вакуумирования СВ-03 (номер типа аппаратуры j=5) и циклограмма номинальной программы работы системы приведены в приложении, соответственно, в табл. 2 и на рис. 5.
В системе вакуумирования выделены три однотипных энергоемких преобразователя - электроклапаны с постоянным магнитным моментом
М зСМ хз, М , M s), а составляющей от кинетического момента можно пренебречь в виду кратковременного действия исполнительных механизмов электроклапанов и незначительных массовых сил, перемещаемых при включении. Внешний вид системы вакуумирования и принципиальная схема действующих возмущений приведены на рис.24.5.
Магнитный момент М з определен по данным наземных измерений вектора магнитной индукции магнитного поля системы вакуумирования Рис.24.5 СВ-03, работающей в автономном режиме на стенде при подготовке к запуску КА типа «Фотон» / 24 /. Номинальные значения составляющих вектора магнитной индукции ВЄ5(ВеХ5, Веу5, BeZ5) системы вакуумирования при измерениях в направлении осей системы координат ССК2, связанной с этой аппаратурой, соответственно равны: ВеХ5 =7,0-10-5 тл в окрестностях точки с координатой гх = 0,3м (гу = rz = 0), Веу5 = 7,0-10"5тл в окрестностях точки с координатой гу = 0,4м (rx = rz = 0), BeZ5 = 7,0-10"5 тл в окрестностях точки с координатой rz = 0,4м (rx = ry = 0).
Принятые для расчета и анализа целевой эффективности МГП значения составляющих М6 , М6 , Me zs вектора магнитного момента в системе координат ССК2, связанной с этой аппаратурой, приведены в табл. 3 приложения.
3.4.2.4. Система управления комплексом бортовых технических средств. Система управления КБТС предназначена для формирования циклограмм работы научной аппаратуры в автоматическом режиме для связи комплекса с системами управления и радиотелеметрической системой космического аппарата.
Система управления комплексом бортовых технических средств функционально состоит из блока управления БУ-5 и блока согласования БС-8 (номер типа аппаратуры, соответственно, j=6,7). Основные технические характеристики системы управления комплексом КБТС приведены в табл. 2 приложения, циклограмма номинальной работы аппаратуры на рис.5 приложения, а внешний вид блока управления БУ-5 и блока согласования БС-8, соответственно, на рисунках 24.6 и 24.7.
В системе управления комплексом КБТС отсутствуют энергоемкие электромеханические преобразователи, поэтому блок управления БУ-5 и блок согласования БС-8 представлены магнитными эквивалентами с постоянным магнитным моментом Me j(Me xj, М6 , М %), где j=6,7.
Магнитные моменты этих блоков М6 , bJf j определены по данным наземных измерений вектора магнитной индукции магнитного поля аппаратуры, работающей в автономном режиме на стенде при подготовке к запуску КА / 24 /. Номинальные значения составляющих вектора магнитной индукции Bej(Bexj, Beyj, Bezj) системы управления КБТС при измерениях в направлении осей системы координат ССК2, связанной с этой аппаратурой, соответственно равны: а) Для блока управления БУ-6: Вехб = 5,0-Ю"5 тл в окрестностях точки с координатой гх = 0,4м (гу = rz = 0), Веуб = 5,0-10"5 тл в окрестностях точки с координатой гу = 0,6м (гх = rz = 0), BeZ6 = 5,0105тл в окрестностях точки с координатой rz = 0,3м (rx = ry = 0). 117 б) Для блока согласования БС-8: ВеХ7 = 6,0-10"5 тл в окрестностях точки с координатой rx = 0,3м (гу = rz = 0), Веу7 = 6,0-Ю"5 тл в окрестностях точки с координатой гу = 0,3м (гх = rz = 0), Bez7 = 6,0-10 тл в окрестностях точки с координатой rz = 0,2м (rx = ry = 0).
Принятые для расчета и анализа целевой эффективности МГП значения магнитных моментов Ме б, М приведены в табл. 3 приложения
Система измерения микроускорений типа «Синус». Система «Синус» предназначена для измерения микроускорений, воздействующих на технологическое оборудование в процессе проведения экспериментов. Функционально состоит из модуля «М-1А», модуля «М-1В», модуля «М-2» и датчика измерения микроускорений «Д-СИУ». Основные технические характеристики системы измерения микроускорений приведены в таблице 2 приложения, циклограмма номинальной программы работы аппаратуры на рис.5 приложения, а внешний вид модулей М-1А (номер типа аппаратуры j=8), М-1В G=9), М-2 (j=10) и датчика Д-СИУ G=H) приведены соответственно на рисунках 24.8-24.11.
