Многофункциональный прибор для исследования показателей деградации оптических элементов конструкции космического аппарата в условиях воздействия потоков микрометеороидов и космического мусора

Столкновения космических аппаратов (КА) с твердыми телами естественного и искусственного происхождения относятся к числу важнейших факторов, вызывающих повреждения и разрушения КА. Удары о поверхность КА мелких частиц вызывают образование на ней кратеров и царапин, а при большом количестве ударов — заметную эрозию поверхности. В наибольшей степени страдают от ударов мелких частиц 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.

Существуют теоретические и экспериментальные методы оценки воздействия частиц на поверхность КА. Теоретические методы строятся на базе существующих моделей распределения частиц на околоземной орбите. Экспериментальные методы в свою очередь делятся на лабораторные и натурные. Лабораторные испытания проводятся с использованием ускорителей различных типов, однако часто по результатам этих экспериментов можно лишь косвенно судить о поведении материалов в условиях космической среды, вследствие сложности воспроизводства реальных характеристик потоков мелкодисперсных частиц (МДЧ) 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 проводятся эксперименты по экспонированию образцов различных материалов на борту международной космической станции (МКС) с последующим их возвращением на Землю и исследованием. Данный способ изучения деградации материалов является наиболее достоверным, но и самым дорогостоящим.

Вследствие этого целесообразна разработка малогабаритной телеметрирующей аппаратуры, носителем которой может являться малый невозвращаемый космический аппарат (МКА). Актуальность работы, таким образом, заключается в разработке метода для оценки изменения характеристик образцов оптических материалов на борту космического аппарата.

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:

1. Систематизация и сравнительный анализ методов оценки деградации оптических элементов космических аппаратов (стёкла, терморегулирующие покрытия, солнечные батареи) при воздействии на них потоков высокоскоростных мелкодисперсных частиц.

2. 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.

3. Разработка методики оценки характерного диаметра кратеров на поверхности прозрачных оптических элементов.

4. Разработка методики экспериментальной отработки прибора для исследования показателей деградации оптических стекол, солнечных батарей, терморегулирующих покрытий.

5: 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 ускорителя института космического приборостроения СГАУ, а также взрывного ускорителя. Полученные экспериментальные результаты сравнивались с результатами, полученными с использованием электронного микроскопа и спектрофотометра.

Научная новизна.

1. Получена зависимость спектрального коэффициента пропускания прозрачных материалов от характеристик воздействующего потока микрометеоритов.

2. Разработана методика проведения лабораторных экспериментов, позволяющая оценивать показатели деградации оптических материалов в процессе реального времени при воздействии контролируемого потока высокоскоростных пылевых частиц.

3. 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 оценочные характеристики ударных кратеров на поверхности прозрачных материалов (характерный диаметр, концентрация), возможно решение обратной задачивосстановление характеристик воздействующего метеорного потока: пространственная плотность, распределение частиц по массам и скоростям. п.

4.7 Выводы по главе 4.

1. На основе разработанной математической модели формирования сигнала на выходе первичных преобразователей, разработаны структурные схемы отдельных модулей устройства. Приведены рекомендации по выбору фотоприёмников и построению входных цепей устройства для получения максимальной чувствительности.

2. Проведена оценка погрешностей измерений. Показано, что для определения среднего размера кратеров на поверхности стекла с погрешностью не более 20%, достаточно набора оптических данных из 4 точек спектрального коэффициента пропускания в диапазоне (405−850)нм, и 16 значений интенсивности рассеяния в диапазоне углов 6−38 градусов.

3. Проведен анализ воздействия факторов космической среды на характеристики оптических элементов и первичных преобразователей устройства. Показано, что наибольшей устойчивостью к воздействию факторов космической среды обладают первичные преобразователи на основе полупроводниковых фотодиодов.

4. Разработан прибор для исследования показателей деградации элементов (изменения спектрального коэффициента пропускания и индикатрисы рассеяния для стёкол, изменения коэффициента отражения для ТРП, изменения тока короткого замыкания для СБ) космического аппарата в условиях воздействия потоков микрометеороидов и космического мусора.

Заключение

.

1. Проведен анализ особенностей прохождения, отражения, и рассеяния зондирующего излучения в оптическом образце с ударными дефектами в виде кратеров, имеющих характерный диаметр в диапазоне 0.5−10 мкм, полученных в результате воздействия потока высокоскоростных пылевых частиц микронных размеров. Экспериментально определена зависимость спектрального коэффициента пропускания прозрачных материалов от характеристик воздействующего потока микрочастиц (со скоростью 1−10 км/с и средним диаметром частиц 0.5−5 мкм).

2. На основе объединения методов спектральной прозрачности и малоуглового рассеяния разработан экспериментальный метод оценки концентрации и среднего размера кратеров в диапазоне 0.5−10 мкм, полученных в результате воздействия потока высокоскоростных пылевых частиц микронных размеров на поверхность прозрачных оптических элементов. Получена функция распределения кратеров по размерам путём решения серии прямых задач оптики однорядного слоя рассеивающих частиц для набора оптических данных из 4 спектральных коэффициентов направленного пропускания Х= (405, 525, 650 и 850 нм), и 16 точек индикатрисы рассеяния в диапазоне углов 6−38 градусов.

3. Разработан метод и экспериментальная установка измерения спектрального коэффициента пропускания и индикатрисы рассеяния, коэффициента отражения, тока короткого замыкания соответственно для оптических стекол, ТРП и солнечных батарей, в процессе реального времени в вакуумной камере ускорителя в зависимости от характеристик потока частиц в диапазоне скоростей 1−10 км/с и масс (1−5)-10″ 14 кг.

4. Разработан прибор для измерения спектрального коэффициента пропускания и индикатрисы рассеяния, коэффициента отражения, тока короткого замыкания соответственно для оптических стекол, ТРП и солнечных батарей космического аппарата в условиях воздействия потоков микрометеороидов и космического мусора.