Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1 17
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭРДУ НА
ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ КЛА 17
1,1.Общие положения 17
1.2.Классификация факторов влияния ЭРД на элементы и системы КЛА 19
1.3.Анализ задач при интеграции ЭРДУ на КЛА 23
-
Модель прогресса параллельной итеративной разработки КЛА 23
-
Основные задачи интеграции ЭРД с КЛА 27
1.3.2.1.Задачи выбора структурной схемы ЭСУ 29
1.3.2.2.3адачи оптимизации параметров элементов ЭСУ 32
1.3.2.3.3адачи анализа межсистемного взаимодействия 34
1 АОсновные подходы к описанию комплексного воздействия ЭРД И ФАКТОРОВ
КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА НА ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ КЛА 39
1.4.1. Основные принципы построения модели комплексного воздействия ФКП на
КЛА 40
Выводы 43
ГЛАВА II 46
СТРУИ ЭРД - МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ 46
2.1.Общие замечания 46
2.2.Основные особенности и структура струй ЭРД 46
2.3.ТАБЛИЧНАЯ МОДЕЛЬ СТРУИ ЭРД 51
2.3.1 .Параметризация табличной модели 53
2.4.МЕТ0ДЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СТРУЙ ЭРД 58
2.4.1 .Численноемоделирование струй ЭРД. 58
2.4.2.Полуэмпирические модели струй ЭРД 61
2.5.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТРУЙ ЭРД 64
2.5.1 .Определение параметров ионной компоненты 64
2.5.2. Определение параметров распыленной компоненты 67
2.5.2.1.Методика эксперимента 68
2.5.2.2.Методикаи результаты элементного анализа мишеней 70
2,5.2.3, Мето дика обработки результатов эксперимента 72
Выводы 79
ГЛАВА 3 .80
ТЕПЛОВОЕ, СИЛОВОЕ И ЭРОЗИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРУЙ ЭРД НА
ПОВЕРХНОСТЬ КЛА 80
3.1.Общие замечания 80
3.2.Модели взаимодействия частиц газа с поверхностью 81
3.2.1, Физические процессы при взаимодействии частиц газа с поверхностью 81
3.2,2.Моделирование теплового и силового взаимодействия 83
3.2.3. Моделирование ионного распыления 85
3.2.4. Обобщенная модель взаимодействия частиц газа с поверхностью 89
3.2.5.Вопросы практического применения Т-модеяей для определения коэффгщкеншов
распыления материалов 96
3.3.Методика расчета силового, теплового и эрозионного воздействия струй
ЭРДУнаКЛА 99
ЗАВосстановление коэффициентов аккомодации по экспериментальным данным
3.4.1.Метод решения обратной задачи 106
3.4.2.Оценка коэффициентов аккомодации по данным натурной эксплуатации КЛА
СЕСАТ. 108
3.5.ВЛИЯНИЕ УГЛА расходимости струи ЭРД на величины возмущающих усилий и
моментов ПО
3.6.Методика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в
струях ЭРД 113
3.6.1.Постановка задачи 114
3.6.2.Результаты испытаний 116
3.6.3.Прогноз глубины эрозии 118
3.7.Обобщенные данные по силовому, тепловому и эрозионному воздействию
струй ЭРД на КЛА 121
3.8.Обобщенные алгоритмы прогнозирования силового, теплового и эрозионного
воздействия струй ЭРД на КЛА 123
Выводы 128
ГЛАВА 4 131
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КЛА ПРИ РАБОТЕ ЭРДУ 131
4.1.Общие замечания 131
4.2.0СН0ВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ модели загрязнения поверхностей КЛА 132
4.3.Распределенные источники массы 133
4.3.1. Собственное массоотделение материалов 134
4.3.2.Распыление материалов струями ЭРД 135
4.4.Локальные источники массы 138
4.4.1 .Моделирование струй тепловых двигателей 138
4.4.2.Модель эффузионного источника 142
4.5.ПРОЦЕССЫМАССОПЕРЕНОСА ПРОДУКТОВ МАССООТДЕЛЕНИЯ 143
4.6.Расчет концентрации частиц 145
4.6.1.Модель прямого бесстолкновителъного массопереноса 148
4.6.2. Модели рассеяния частиц, расчет возвратных потоков 149
4.6.3.Модель осаждения и отражения продуктов массоотделения 153
4.7.РАСЧЕТМАЯ МОДЕЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ КЛА ПРОДУКТАМИ РАСПЫЛЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ СПД 155
4.1'. 1 .Расчетная модель эрозии изолятора СПД 156
4. 7.2. Расчет параметров потока частиц распыления 159
4.7.3. Расчет потоков осаоїсдения продуктов распыления 159
4.8.экспериментальное определение коэффициентов осаждения продуктов
распыления материалов кла 163
4,9,Комбинированная методика прогнозирования уровня загрязнения
функциональных поверхностей кла 166
Выводы 172
ГЛАВА 5 174
МОДЕЛЬ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ СТРУЙ ЭРД, ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И СВА
НА РАБОТУ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КЛА 174
5.1.Общие положения 174
5.2.Влияние высокоскоростных твердых частиц на работу СБ 175
5.2.1. Модель механического поражения элементов С Б КЛА 175
5.2.2.Модель шунтирования элементов СБ при одиночных ударах частиц 177
5,2.3.Определение характеристик шунтирования по результатам экспериментов на
КЛА «Бега» 182
5.2.4. Определение характеристик шунтирования по данным лабораторных
экспериментов J 84
5.2.4.1,Результаты экспериментов и их обсуждение 185
5.3.Влияние собственной внешней атмосферы на работу СБ КЛА 190
5.3.1.Общие замечания 190
5.3.2. Модель воздействия СВА на СБ. 191
5.3.3.Восстановление параметров модели по экспериментальным данным 194
ЗАВлшшие струй ЭРД на работу СБ КЛА 200
5.4.1, Общие замечания 200
5.4.2.Модель перехода состояний для описания воздействия струи ЭРДУна С Б КЛА
202
5.4.3. Экспериментальное определение эрозионного воздействия струи ЭРД на
прозрачность защитных стекол элементов СБ 207
5.5.ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КЛА 210
5.5.1,Принципы построения имитационной модели 210
5.5.2, Структура имитационной модели 211
5.5.3, Описание элементов модели 214
5.5.3Л.Солнечные элементы 214
5.5,3,2.Резисторы 215
5.5.3.3.Диоды 216
5.5.ЗАЦепочки элементов 216
5.5.3.5.Солнечная батарея 217
5.5.3.6.Пылевые частицы 217
5.5.3.7.Поток конденсирующихся частиц 218
5.5.3.8,Потоки ионов 219
5.5.4.Решение прямой и обратной задачи 220
5.5.4.1 .Прямая задача 220
5.5.4.2.Обратная задача 221
Выводы 223
ГЛАВА 6 226
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ РАБОТЕ ЭРД, НА РАБОТУ
БОРТОВОГО РАДИОТРАНСЛЯЦИОННОГО КОМПЛЕКСА 226
6.1.Общие замечания 226
б.2.Физическая модель плазменных образований, возникающих вблизи
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТРОЙСТВ БРТК ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ ЭРД 230
6.2.1.Нейтрализация ионов на поверхности 232
-
Ослабление потоков плазмы дренажными щелями 234
-
Ослабление потоков плазмы лабиринтами 236
6.2.4.Трансформация функции распределения ионов, проникающих в приборный отсек
из окружающей плазмы 237
6,2.5.Экспериментальное определение коэффициентов ослабления потоков плазмы
перфорированным кооїсухом 238
6.3.Испытания радиопередающего устройства на воздействие плазменных
образований, формируемых при работе спд 241
6,3.1.Постановка задачи испытаний 241
6.3.2.Методика испытаний 243
6.3.3.Выбор параметров плазмы 243
6.3.4.Оценка параметров динамического вакуума при натекатш рабочего телаДУ
244
6.3.5, Описание эксперимента, анализ полученных результатов 247
6.3.5Л.Испытания на воздействие пониженного давления 247
6.3.5.2.Испытания на воздействие плазмы 248
б.З.З.З.Испытания на воздействие плазмы с предельной концентрацией 250
Выводы 252
ГЛАВА 7 254
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ
СТРУЙ ЭРД И ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА НА ЭЛЕМЕНТЫ И
СИСТЕМЫ КЛА 254
7.1 .Общие положения 254
7,2.Пакет программ для расчета воздействия струй ЭРДУ на КЛА 255
7.2.1.Эволюция программного комплекса 255
7.2.2. Основные характеристики программы Turbo DESIGN 5.0 259
7.2.3.Принципы построения интерфейса пользователя 262
7.2.4.Геометрическая модель КЛА 263
7.2.5.Задание структуры элементов КЛА 267
7.2.5Л.Механизмы наследования структуры 267
7.2.5.2.Механизмы наследования свойств 268
7.2.6. Система управления базой данных 269
7.2.7,Типы сеток для расчета параметров СВА 271
7.2.7.1 .Многоуровневые прямоугольные сетки 272
7.2.7.2.Одноуровневые сетки 277
7.2,8.Примеры расчетов 277
7.3.ПРОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА ПОТОКОВ ЧАСТИЦ РАСПЫЛЕНИЯ ИЗОЛЯТОРА СПД 279
7.3.1. Задание геометрии канала 281
7.3.2.Примеры расчетов 282
ВЫВОДЫ 285
ВЫВОДЫ 286
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 289
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Введение к работе
За последние 25-30 лет использование электроракетных двигателей (ЭРД) на борту космических летательных аппаратов (КЛА) стало традиционным. Прежде всего, быстрое внедрение ЭРД объясняется их высокими удельными характеристиками, что, по сравнению с химическими ракетными двигателями, позволяет значительно экономить массу топлива и увеличить массу полезной нагрузки КЛА. Кроме того, использование ЭРД обусловлено потребностью в двигателях, имеющих малую и сверхмалую тягу, для создания которой использование ЖРД либо не эффективно, либо просто невозможно.
В настоящее время выделяют три основных класса ЭРД отличающиеся механизмом преобразования электрической энергии в кинетическую энергию частиц - электростатические, магнитодинамические и электротермические двигатели [94].
К электростатическим двигателям (ЭСД) относят все ЭРД, в которых ускорение заряженных частиц осуществляется силами электростатического поля. Признаком таких двигателей является коллинеарность вектора скорости частиц v и вектора напряженности электрического поля Е.
Среди существующих ЭСД различают: плазменно-ионные двигатели (ПИД); радиочастотные ионные двигатели (РИД); ионные двигатели с поверхностной ионизацией рабочего тела (ИДПИ); коллоидные электростатические двигатели (КЭСД); линейные холловские двигатели (ЛХД) или, как их обычно называют, стационарные плазменные двигатели (СПД); двигатели с анодным слоем (ДАС). Подробный обзор работ по разработке и интеграции ЭРД на КЛА представлен в работе [259].
Наибольшее распространение в настоящее время получили СПД. Так, в период с 1982 по 1995 год 52 двигателя типа СПД-70 с тягой 40 мН были установлены на 13 КЛА серии "Космос" и "Луч", обеспечивая коррекцию орбиты в направлении "Восток-Запад". Общая наработка двигателей за указанный период составила около 3500 часов. Начиная с 1994 года. СПД стали использоваться на КЛА типа "Галс" и "Экспресс" для коррекции орбиты не только в направлении "Восток-Запад", но и в направлении "Север-Юг". После этого общая наработка СПД стала быстро расти, и к концу 1998 года составляла уже более 8000 часов. Рассматриваются проекты использования СПД в качестве двигателей довыведения и маршевых двигателей для межпланетных перелетов (проект Фобос-Грунт). Это позволяет значительно уменьшить массу двигательной установки (ДУ) и получить существенный выигрыш в массе КЛА.
В настоящее время в ОКБ «Факел» разработан модельный ряд двигателей этого типа мощностью от 200 до 11000 Вт, с удельным импульсом 12 - 30 км/с при тяге от 10 до 640 мН. Разработка новых моделей СПД ведется также в НПЦ имени Келдыша. Созданный там модельный ряд двигателей по своим характеристикам не уступает двигателям, созданным в ОКБ «Факел».
Большой интерес проявляется и к ПИД. Характерные значения мощности и удельного импульса существующих типов ПИД составляют 0.5 -5 кВт и 25 - 35 км/с, соответственно. Впервые такие двигатели были использованы на геостационарном связном спутнике PAS-5, запущенном в 1997 г. Разработчиком двигателей была фирма Hughes. В 1998 г. был осуществлен запуск первого межпланетного аппарата под названием Deep Space 1 (программа NASA «New Millennium»), на котором в качестве маршевого двигателя впервые использовался ионный двигатель XIPS-30, также созданный при участии фирм Hughes. На запущенном в том же году японском экспериментальном геостационарном связном спутнике COMETS использовались усовершенствованные ПИД, впервые прошедшие летные испытания на спутнике ETS-VI в 1994 г.
Использование ДАС пока не очень широкое, что, по-видимому, обусловлено их недостаточной отработанностью. В тоже время, это весьма перспективный тип двигателя, обладающий рядом преимуществ перед СПД
9 поскольку в нем, за счет смещения слоя ионизации непосредственно к аноду, реализуются наиболее благоприятные условия формирования ионного пучка. Лидером в разработке ДАС в настоящее время является ЩЖИ машиностроения (г. Королев). Летные испытания ДАС успешно проведены в октябре 1998 г. на американском экспериментальном спутнике STEX, выведенном на низкую околоземную орбиту.
Другим классом ЭРД являются магнитодинамические двигатели, в которых ускорение частиц осуществляется силой Лоренца и вектор скорости частиц совпадает с векторным произведением [2Гх2?], т.е. перпендикулярен вектору Ж.
Среди магнитодинамических двигателей наибольший интерес представляют два типа двигателей - импульсные плазменные двигатели (ИПД) и магнитоплазмодинамические двигатели (МПД),
Исследования сильноточных мощных МПД-двигателей ведутся, с различной степенью интенсивности, с середины 60-х годов в США, России, Германии, Японии. По разным причинам, к концу 90-х годов, практически повсеместно работы в этом направлении были свернуты, За этот период в России, в частности, в Московском авиационном институте, был накоплен богатый фактический материал по физике процессов в двигателе и его характеристикам.
В последнее время отмечается оживление интереса к стационарным сильноточным мощным МПД-двигателям. Это связано, в частности, с переходом на более серьезный уровень проработки марсианской программы. Так в МАИ, совместно с НИИПМЭ МАИ и ХРЦСША), с 1994 г. по настоящее время ведутся интенсивные экспериментальные исследования характеристик стационарных литиевых МПД-двигателей с внешним магнитным полем мощностью 100, 150, 200кВт. Удельный импульс МПД достигает 35-45 км/с при тяге 0.2 - 5 Н.
Среди ИПД наибольшее практическое применение находят двигатели, в которых в качестве рабочего тела используются твердые диэлектрические
10 вещества, а плазма образуется при разряде конденсатора по поверхности этих веществ. Ускорение плазмы осуществляется в межэлектродном пространстве электромагнитными (за счет взаимодействия тока разряда с собственным магнитным полем) и газодинамическими силами. Удельный импульс этого типа двигателей составляет 10-25 км/с, а мощность изменяется от 5 до 500 Вт. Характерная тяга ИПД находится в диапазоне 0.05 - 5 мН.
Отличительной особенностью ИПД является то, что они могут работать при потребляемой электрической мощности от единиц до нескольких десятков ватт, что позволяет использовать ИПД на борту КЛА с малой массой и высокой точностью ориентации в пространстве.
Третьим классом ЭРД являются электротермические двигатели, в которых ускорение частиц происходит за счет термического воздействия электрической энергии на частицы рабочего тела, а направление вектора скорости определяется геометрией канала ускорения. Среди таких двигателей различают электронагревные (ЭНД) и термокаталитические двигатели (ТКД). В первых, передача энергии происходит за счет нагрева рабочего тела в ресивере, а во вторых - за счет реакций разложения рабочего тела на катализаторах при повышенной температуре. В обоих типах двигателей используется газодинамическое ускорение частиц. Основная масса частиц рабочего тела находится в нейтральном состоянии.
Электротермические двигатели уже давно используются для задач стабилизации и ориентации КЛА, они хорошо исследованы и достигли высокой степени отработки. Одной из самых масштабных программ использования ЭНД стала программа по созданию низкоорбитальной системы спутниковой персональной связи IRIDIUM. В состав двигательной установки спутников IRIDIUM входит ЭНД типа MR-501, созданный фирмой Olin Aerospace, и успешно применявшийся ранее на геостационарных связных спутниках. В 1997 г. ракетой-носителем Delta-2 на орбиту были выведены первые 5 спутников этой системы, а затем с помощью РН Delta-2, и Протон, CZ-2C/SD был осуществлен запуск еще 41 спутника. К концу 1998 г. в общей сложности было запущено 86 спутников для системы IRIDIUM,
Термокаталитические двигатели находят широкое применение практически на всех отечественных геостационарных КЛА, а также низко орбитальных и межпланетных КЛА.
Из сказанного следует, что наблюдается бурный рост активности в использовании ЭРД всех типов на борту КЛА различного назначения. И эта тенденция перехода на ЭРД будет сохраняться и в будущем, имея в виду необходимость обеспечения возрастающих значений суммарного импульса двигательных установок.
Вместе с тем, использование ЭРД осложняется тем, что они могут оказывать существенное негативное влияние на элементы и системы КЛА. Прежде всего, это связано с интенсивным взаимодействием струи ЭРД с поверхностью и собственной внешней атмосферой КЛА. Кроме того, работа ЭРД может оказывать негативное влияние на прием и передачу радиосигналов, создавать оптические помехи, вызывать помехи в цепях питания и управления, оказывать тепловое воздействие на элементы КЛА.
Если конструкция КЛА выбрана правильно, ЭРД не будет оказывать существенного воздействия на его функционирование. Однако при недостаточной проработке конструкции, влияние ЭРД на КЛА может оказаться критичным. Например, если динамические возмущения окажутся выше возмущений, которые может скомпенсировать система стабилизации, произойдет разориентация КЛА; если загрязнение поверхности термо-регулирующих покрытий будет выше допустимого уровня, система терморегулирования не сможет обеспечить требуемый сброс тепла. Возможны и другие эффекты с не менее катастрофическими последствиями.
В связи с этим, при интеграции ЭРД на КЛА необходимо найти такую конструкцию и логику работы КЛА, чтобы влияние ЭРД не превышало
12 критических значений1. В этом, собственно, и состоит проблема обеспечения совместимости ЭРД с КЛА.
Однако в настоящее время не существует единого подхода к решению этой проблемы, и каждый разработчик решает ее по-своему, В результате исследования ведутся стихийно, данные накапливаются бессистемно, имеет место дублирование работ. С одной стороны, это связано с конкуренцией между разработчиками, а с другой, с отсутствием ясного представления о процессах взаимодействия ЭРД с КЛА, методах их прогнозирования и исследования. В тоже время, накопленные в настоящее время опыт и знания позволяют решить эту проблему.
Анализ показывает, что при решении вопросов совместимости возникает три основные задачи: 1) определение критических значений параметров взаимодействия ЭРД с КЛА; 2) прогнозирование параметров взаимодействия, реализуемых в натурных условиях; 3) внесение изменений в конструкцию и логику работы КЛА, парирующих негативное влияние ЭРД.
Наиболее наукоемкой и сложной проблемой здесь является прогнозирование параметров взаимодействия. Как показывает практика, прогнозирование приходится вести при неполных и неточных исходных данных, в условиях ограниченных временных, финансовых и людских ресурсов. Поэтому очень важно, чтобы методы прогнозирования обеспечивали возможность получения результата в любой ситуации.
Следует отметить, что в настоящее время большинство физических процессов, сопровождающих взаимодействие ЭРД с КЛА, достаточно хорошо изучено. Так, проблемы взаимодействия частиц с поверхностью исследуются более 150 лет (первые работы по катодному распылению датируются 1852 г.). За это время создано большое количество моделей, 1 Под критическим значением (параметра взаимодействия) понимается такое значение, при котором нарушается нормальное функционирование системы и возникает угроза невыполнения миссии. Смежным понятием является допустимое значение параметра, которое определено требованиями на разрабатываемую систему и может не соответствовать критическому значению в силу его неопределенности. В связи с этим при рассмотрении вопросов взаимодействия термин «критическое значение» целесообразно использовать в ситуациях, когда речь идет поведении системы, а термин - «допустимое значение», в тех случаях, когда речь идет о принятии решения относительно дальнейшего хода разработки.
13 получено множество экспериментальных данных, разработаны методики экспериментальных исследований, созданы пакеты программ для расчета характеристик взаимодействия частиц с поверхностью. Большой вклад в исследование процессов взаимодействия и в обобщение имеющихся результатов внесли Р.Бериш, Р.Г.Баранцев, Н.В.Плешивцев, В.А.Шувалов, Ю.А.Рыжов, И.И.Шкарбан и многие другие ученые.
Вопросы моделирования собственной внешней атмосферы (СВА) КЛА исследуются уже более 30 лет. За это время определены основные процессы, влияющие на параметры СВА, созданы математические модели и программное обеспечение для расчета этих параметров. В России работы в этом направлении начались под руководством Ю.А.Рыжова, а затем их продолжили С.Б.Свирщевский, М.П.Бургасов и ряд других исследователей. Хорошо известны результаты Самарской и Новосибирской школы. Кроме того, на многих предприятиях отрасли велись самостоятельные разработки моделей и программного обеспечения для расчета параметров СВА.
Исследования струй ЭРД также ведутся более 30 лет, практически с момента начала эксплуатации ЭРД в космосе. Как по газовым, так и по плазменным струям получено большое количество экспериментального материала, разработано множество полуэмпирических и численных моделей, позволяющих определять параметры струи в зависимости от параметров двигателя.
Имеется богатый теоретический и экспериментальный материал и по другим эффектам взаимодействия.
Вместе с тем, несмотря на огромный научный потенциал, накопленный по перечисленным выше вопросам, реальная точность прогнозирования увеличивается незначительно. Это происходит либо по причине нехватки входной информации, либо просто по причине недоступности имеющихся методик или программ. В результате, для прогноза очень часто используют простые инженерные методики, обеспечивающие относительно небольшую точность, но обладающие требуемой универсальностью и простотой
14 использования. Поэтому в настоящее время основной проблемой является не столько получение новых знаний, сколько обобщение и практическое использование уже существующих. Это и стало ключевым моментом, определившим структуру и состав данной диссертации.
В работе исследован один из аспектов проблемы совместимости, а именно - прогнозирование эффектов воздействия струй ЭРД на элементы и системы КЛА.
Актуальность исследования определяется быстрым внедрением ЭРД на КЛА различного назначения и необходимостью создания методов и средств прогнозирования эффектов воздействия ЭРД на элементы и системы КЛА.
Целью работы является обеспечение требуемого ресурса КЛА, увеличение массы полезной нагрузки и повышение эффективности ЭРДУ за счет снижения негативного влияния струй ЭРД на элементы и системы КЛА, путем создания расчетно-экспериментальных методов и прикладного программного обеспечения для прогнозирования эффектов воздействия струй ЭРД на КЛА.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи: разработка общих методологических принципов прогнозирования воздействия струй ЭРД на КЛА, позволяющих учитывать комплексный характер взаимодействия и адаптированных для использования в процессе проектирования, отработки и эксплуатации КЛА; разработка расчетной модели струй ЭРД, описывающей сложное пространственное и энергетическое распределение частиц в многокомпонентных струях ЭРД различного типа, позволяющей использовать как экспериментальные, так и расчетные данные для определения параметров модели; 1 разработка обобщенной модели взаимодействия частиц газа с поверхностью, позволяющей учитывать основные значащие факторы,
15 имеющей высокое быстродействие и возможность адаптироваться к полноте вектора исходных данных; разработка математической модели комплексного воздействия факторов космического полета, включая струи ЭРД, на солнечные батареи КЛА; разработка программного обеспечения для расчета силового, теплового, эрозионного и загрязняющего воздействия ЭРД на КЛА, позволяющего учесть основные механизмы массопереноса частиц и их взаимодействие с собственной внешней атмосферой КЛА; " разработка методов и средств восстановления параметров моделей по экспериментальным данным и результатам натурной эксплуатации КЛА; разработка методик испытания материалов и элементов КЛА на воздействие струй ЭРД, а также методик экспериментального определения параметров струй ЭРД и характеристик взаимодействия частиц с поверхностью, проведение экспериментов, получение новых данных.
На защиту выносятся:
1.Расчетная модель силового, теплового и эрозионного воздействия струй ЭРД на КЛА. Табличная модель струи ЭРД, параметризация этой модели с использованием модели 1/R. Соотношения, подтверждающие адекватность модели 1/R2 для описания пространственного распределения частиц струи. Обобщенная табличная модель взаимодействия частиц газа с поверхностью, результаты использования табличной модели и метода группового учета аргумента для определения коэффициентов распыления материалов по их физическим свойствам (массовой плотности, теплоемкости, молекулярной массе, энергии связи). Методика и алгоритм решения обратной задачи по восстановлению коэффициентов аккомодации из данных лабораторных и натурных экспериментов;
2.Математическая модель загрязнения поверхности КЛА' продуктами распыления с учетом влияния СВА КЛА. Соотношения и алгоритмы,
16 описывающие прямой массоперенос, отраженнвіе потоки частиц, процессы рассеяния частиц и возвратные потоки частиц. Модель взаимодействия частиц с поверхностью применительно к расчетам загрязнения поверхностей КЛА. Двухэтапная методика расчета уровней загрязнения продуктами распыления и собственного массоотделения материалов КЛА.
3.Математическая модель комплексного воздействия струй ЭРД, СВА и твердых частиц на характеристики солнечных батарей КЛА. Физические и математические модели, описывающие изменение характеристик солнечных элементов в следствие шунтирования р-n перехода и эрозии защитного стекла солнечных элементов. Модель перехода состояний для описания изменения свойств защитного кварцевого покрытия при воздействии струи ЭРД. Структура модели комплексного воздействия факторов космического пространства на СБ КЛА.
4.Методики экспериментального исследования воздействия струй ЭРД на элементы КЛА. В частности, методика и результаты испытаний бортового радиотрансляционного комплекса (БРТК) на воздействие плазмы двигателей коррекции; методика экспериментального определения потоков частиц распыления изолятора в струях СПД; методика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в струях ЭРД; методика определения коэффициента осаждения продуктов распыления на поверхностях КЛА.
5.Результаты численного и экспериментального исследования воздействия струй ЭРД на элементы космических аппаратов. В частности, данные по характеристикам распыления и осаждению продуктов распыления каптонового покрытия; оптические свойства пленок загрязнений; данные о распределении распыленной компоненты в струях СПД; данные по влиянию угла расходимости на величины возмущающих усилий и моментов, действующих на КЛА типа «Галс» и «Ямал»; данные по силовому и эрозионному воздействию струй СПД на КЛА ряда отечественных и зарубежных фирм.
