Введение к работе
з Актуальность работы.
Требования, предъявляемые к космическим комплексам на современном этапе, сводятся, главным образом, к увеличению срока активного существования (САС) космических аппаратов (КА). Увеличение САС КА предъявляет повышенные требования к надежности бортовой аппаратуры при одновременном увеличении объемов задач, решаемых КА.
На борту КА все шире используются волоконно-оптические системы передачи информации (ВОСПИ). В процессе эксплуатации бортовых ВОСПИ ее отдельные элементы, в том числе и волоконно-оптический тракт подвержены деградации под действием тех или иных факторов космического пространства (ФКП).
Основную роль в снижении качества передачи информации по ВОК в условиях космического пространства играют радиационные эффекты. Поэтому создание ВОСПИ для изделий космической техники с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной стойкостью к воздействию ФКП является актуальной задачей и открывает новые возможности для разработки высокоэффективных и надежных систем управления КА.
Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Буркова В.Д., Беляева Р.А., Дианова Е.М., Девятых Г.Г., Ларина Ю.Т., Капранова Ю.С., Аппена А.А, Дукельского К.В., Куркова А.С., Мартьянова А.Н., Томашук А.Л., Таценко В.Г., Т. Тамира, A.W. Snyder, J.D. Love, S. Viller, J. Stratton.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА, ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ. Целью диссертационной работы является повышение надежности систем управления КА путем увеличения САС благодаря повышению стойкости элементов ВОСПИ к воздействию ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП).
В соответствии в целью была сформулирована научная задача, решаемая в работе, - исследование радиационной стойкости существующих волоконно-оптических элементов и поиск путей повышения их стойкости к ионизирующим излучениям космического пространства.
Для решения поставленной задачи проведены следующие исследования и разработки:
- проведен анализ ФКП, влияющих на работу элементов ВОСПИ
космического базирования;
- проведен анализ влияния ИИ КП на элементы ВОСПИ космического
базирования, в первую очередь, на волоконно-оптические световоды;
- разработаны структурная и математическая модели ВОСПИ
космического базирования;
проведено математическое моделирование, на основании которого определено, что при оценке стойкости элементов ВОСПИ космического базирования к воздействию ИИ КП, следует учитывать элементы конструкции собственно КА, и установлено, что элементом ВОСПИ космического базирования, наиболее чувствительным к воздействию ИИ КП является оптический кабель (ОК);
разработан метод повышения стойкости ВОСПИ космического базирования к воздействию ИИ КП путем индивидуального выбора типа ОК для каждой из орбит КА;
при создании бортовых ОК повышенной стойкости к воздействию ИИ КП рекомендовано использование IG- и PBG-микроструктурированных световодов со структурой фотонного кристалла;
разработана методика и установка для проведения экспериментальных исследований элементов ВОСПИ;
- проведены экспериментальные исследования ВОСПИ и отдельных
элементов на воздействие ионизирующих излучений;
- разработаны рекомендации по использованию ОК на различных орбитах
КА с учетом особенностей ИИ КП на каждой из орбит.
Методы исследований. При разработке математических и
физических моделей элементов бортовых ВОСПИ использовались
основные положения волновой и геометрической оптики, аппарат
математической физики. При решении задач по анализу стойкости
элементов ВОСПИ к воздействию ионизирующих излучений космического
пространства использовались современная теория строения магнитосферы
Земли и солнечного корпускулярного излучения, теория взаимодействия
излучения с веществом. При экспериментальных исследованиях
использовались теория измерений, теория планирования эксперимента и
математическая обработка полученных результатов. Теоретические
предположения и результаты расчетов подтверждены
экспериментальными исследованиями на моделирующих установках.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами.
-
Разработана математическая модель ВОСПИ космического базирования, учитывающая влияние элементов конструкции КА на стойкость элементов ВОСПИ космического базирования к воздействию ИИ КП в которой учтены особенности ИИ КП на различных орбитах.
-
Результаты, полученные при анализе математической модели ВОСПИ космического базирования, подтверждены экспериментальными исследованиями элементов ВОСПИ и макетных образцов ВОСПИ на воздействие ионизирующих излучений, проведенных автором на моделирующих установках.
3 Предложен метод повышения стойкости ВОСПИ космического
базирования, основанный на использовании Ю- и PBG- световодов.
Практическая значимость работы
Результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют повысить надежность функционирования КА. Благодаря повышению
6 стойкости элементов ВОСПИ к воздействию ИИ КП увеличивается срок активного существования КА.
Научная и практическая значимость исследований подтверждается актом о практической полезности ООО «ВНИИ кабельной промышленности -Оптик».
Диссертация выполнялась в рамках Федеральной космической программы России (раздел 1. НИР и ОКР) в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России».
Материалы и результаты математического моделирования ВОСПИ космического базирования к воздействию ИИ КП использованы в проекте аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», подраздел 2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» по теме «Разработка теории функционирования волоконно-оптических лазерных интерферометрических систем на основе методов идентификации динамических систем с распределенными параметрами» (№2.1.2/937) (Акт внедрения НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета.
Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Московском государственном университете леса, и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания ВОСПИ космического базирования, устойчивых к воздействию ионизирующих излучений космического пространства.
Достоверность результатов, изложенных в работе, обоснована строгостью применения математического аппарата, сопоставлением результатов численного моделирования с данными из независимых источников, а также с данными, полученными в результате экспериментальных исследований на моделирующих установках.
Апробация работы
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ в 2007-2011 г.г., на 3-й Международной научно-практической конференции памяти А.Л. Чижевского ИНТЕРНАС'2007, Актуальные проблемы современного естествознания. 2007 года, Калуга, Россия и на 1-й Международной специализированной конференции «Космос и глобальная защита человечества», 2009 года, Лимасол, Кипр., Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2011 г.),
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них 5 в журналах, которые входят в «перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук».
Структура и объем работы
