Введение к работе
Актуальность работы
Столкновения космических аппаратов (КА) с метеорными телами естественного и искусственного происхождения относятся к числу важнейших факторов, вызывающих повреждения и разрушения КА. Удары о поверхность КА мелких частиц вызывают образование на поверхности кратеров и царапин, а при большом количестве ударов - заметную эрозию поверхности. В наибольшей степени от ударов высокоскоростных мелкодисперсных частиц (МДЧ) страдают различные оптические элементы: иллюминаторы, линзы, защитные стекла, солнечные батареи, терморегулирующие покрытия (ТРП) и т. д. При длительном воздействии это может привести к снижению качества решаемых КА задач, вплоть до полного выхода из строя.
В связи с актуальностью проблемы в последние годы регулярно проводятся международные конференции, посвященные проблеме космического мусора, исследованиями в этой области занимаются ведущие организации и космические агентства разных стран (NASA, ESA, JAXA, Роскосмос), однако воздействию на элементы конструкции частиц микронных размеров посвящено относительно мало работ. В России в данном области следует отметить исследования Л.А. Мер-жиевского, В.М. Титова, ФортоваВ.Е, А.И. Акишина, Л.С. Новикова, и других.
Для оценки воздействия потоков МДЧ на различные материалы проводятся лабораторные испытания с использованием ускорителей различных типов, однако часто по результатам этих экспериментов можно лишь косвенно судить о деградации элементов в условиях космической среды, вследствие сложности воспроизводства реальных характеристик микрометеороидов и космического мусора. Измерение характеристик элементов и систем КА в натурных экспериментах является прямым методом изучения влияния потоков МДЧ на их функционирование. В настоящее время на борту международной космической станции (МКС) проводятся эксперименты по экспонированию образцов материалов, однако представляет интерес проведение аналогичных исследований и на других орбитах Земли. По этой причине целесообразно сознание малогабаритной автоматической аппаратуры для исследования показателей деградации элементов и материалов, включающей в себя исследуемые образцы и средства контроля изменения их свойств. Носителем такой аппаратуры могут являться невозвращаемые космические аппараты, функционирующие на различных орбитах.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. (ГК №П889 от 26 мая 2010 г.).
Цель работы
Целью данной работы является разработка многофункционального прибора для исследования показателей деградации открытых оптических элементов конструкции космического аппарата в условиях воздействия потоков микрометеороидов и космического мусора. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Систематизация и сравнительный анализ методов оценки деградации оптических элементов космических аппаратов (стёкла, терморегулирующие покрытия, солнечные батареи) при воздействии на них потоков высокоскоростных мелкодисперсных частиц.
Анализ особенностей прохождения, отражения, и рассеяния зондирующего излучения в оптическом образце с ударными дефектами. Определение зависимости спектрального коэффициента пропускания прозрачных материалов от характеристик воздействующего потока микрометеоритов.
Разработка методики оценки характерного диаметра кратеров на поверхности прозрачных оптических элементов.
Разработка методики экспериментальной отработки прибора для исследования показателей деградации оптических стекол, солнечных батарей, терморегули-рующих покрытий.
Разработка конструкции прибора для проведения эксперимента на борту малого космического аппарата.
Методы исследования
Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретические исследования проводились путем математического моделирования взаимодействия лазерного излучения с рассеивающим слоем, состоящим из ударных дефектов. Экспериментальные исследования прототипа разработанного прибора и метода проводились с использованием электродинамического и взрывного ускорителя. Полученные экспериментальные результаты сравнивались с результатами, полученными с использованием электронного микроскопа и спектрофотометра.
Достоверность полученных результатов
Достоверность методик и математических моделей подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также результатами их практического применения.
Научная новизна
Получена зависимость спектрального коэффициента пропускания прозрачных материалов от характеристик воздействующего потока микрометеоритов.
Разработана методика проведения лабораторных экспериментов, позволяющая оценивать показатели деградации оптических материалов в процессе реального времени при воздействии контролируемого потока высокоскоростных пылевых частиц.
Создана методика оценки размерного состава кратеров на поверхности прозрачных оптических элементов на основе метода спектральной прозрачности, а также метода малоуглового рассеяния.
Практическая ценность состоит в возможности использования прибора в натурном эксперименте на борту малого космического аппарата.
При этом, используя измеряемые характеристики ударных кратеров на поверхности прозрачных материалов (характерный диаметр, концентрация), возможно решение обратной задачи - определение характеристик воздействующего метеорного потока: пространственная плотность, распределение частиц по массам и скоростям.
Реализация и внедрение
Результаты диссертации использованы при разработке прибора для исследования показателей деградации оптических элементов для малого космического аппарата АИСТ-2 (ГНП РКЦ «ЦСКБ - Прогресс»).
Личный вклад автора
Автором лично получены все основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, осуществлена обработка и интерпретация полученных данных, разработан метод и установка для оценки изменения свойств оптических элементов в вакуумной камере электростатического ускорителя, написано программное обеспечение для реализации метода, сформулированы основные научные положения и выводы.
Основные положения, выносимые на защиту
Зависимость спектрального коэффициента пропускания прозрачных материалов от характеристик воздействующего потока микрометеоритов.
Методика и результаты экспериментальных исследований по деградации оптических стекол, солнечных батарей, терморегулирующих покрытий.
Методика оценки размеров ударных кратеров на поверхности оптических материалов на основе анализа спектрального коэффициента пропускания, а также индикатрисы рассеяния.
Конструкция прибора для проведения эксперимента на борту космического аппарата.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной НТК "Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках" (Самара, 2008), международной НТК "Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования - Металлодеформ" (Самара, 2009), Международной конференции "Материалы в космосе" ISMSE-2009 (Aix-en-Provence, France, 2009), Всероссийской НТК "Актуальные проблемы ракетно - космической техники и ее роль в устойчивом социально - экономическом развитии общества" (Самара, 2009), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Функциональные нано-материалы для космической техники» (Москва, 2010); Международной конференции "Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках", (Самара, 2011); Международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2011), Всероссийской НТК "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" (Самара, 2011).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 22 печатных работы, из них 8 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации 160 страниц текста, диссертация содержит 76 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 118 наименований.
