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 технологических установках. Это" в первую очередь работы B.C. Авдуевского, И. В. Бармина, В. И. Полежаева, С. Д. Гришина, А. В. Картавых, М.Г. Мильвид-ского, В. В. Сазонова, С. Ю. Чебукова, Н. Д. Семкина, а также зарубежных авторов D. Thierion, A. Verga, P. Baglioni, Т. Beuselinck, С. Van Bavinchove, D. Claessens, S. Wuyts, D. Schwabe, S. Benz/1,2,3,16,17,18,20 /.
Вопросам создания специализированных низкоорбитальных космических Mill посвящены в основном работы научно-практической школы Д. И. Козлова (Г.П. Аншаков, Г. Е. Фомин, А. В. Соллогуб, В. Ф. Агарков, В.Д.Козлов)/15,19/.
3. Цель работы, задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств повышения эффективности низкоорбитальной космической МГП, выбор проектных параметров, обеспечивающих минимизацию бортовых остаточных микроускорений до уровня допустимых значений.
В рамках решения этой задачи сформулированы следующие частные задачи исследования.
1) 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.
2) 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 Ml II 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 энергииактивные, основанные на использовании бортовых источников энергии.
3) Выбрать систему показателей эффективности и состав проектных параметров автоматической низкоорбитальной Ml’Il.
4) Сформулировать задачи выбора проектных параметров космической Ml II в соответствии с разработанным методическим подходом к снижению бортовых остаточных микроускорений до уровня допустимых значений.
5) 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.
6) Получить зависимости бортовых остаточных микроускорений в диапазоне допустимых значений проектных параметров Mill 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.
2) Разработан методический подход к повышению эффективности МГП, включающий комплексную, поэтапную реализацию пассивных и активного методов уменьшения бортовых остаточных микроускорений до требуемого уровня значений.
3) Сформулированы проектные задачи, проведен анализ и получены зависимости бортовых микроускорений от проектных параметров МГП.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
1) 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.
2) 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.
3) 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.
4) Разработанные методы и средства повышения эффективности МГП внедрены в проектную документацию КА типа «Фотон-М».
§. 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 0,5−10″ 5 м/с2 (0,5−10″ 6 go) до 10″ 5 м/с2 (Ю" 6 go) при оценке показателя по f О mf С <4 уровню математического ожидания и от 10″ м/с (10 go) до 2,6−10 м/с (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 International Conference Scientific and.
Technological Experiments on Russian Foton/Bion Recoverable Satellits:
Results, Problems, and Outlooks", проведенных в 2000 и 2001 годах в Самаре /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 аэронавтике, 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 введения, 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 рисунками и схемами, 20 страниц расчетно-графического материала.
В настоящей диссертационной работе автором предложено решение за дачи проектирования специализированной низкоорбитальной автоматиче ской космической Ml И на конструктивной базе многоцелевого научно исследовательского КА. Исследуемая задача относится к области проекти рования Mi l l с низким, или допустимым уровнем остаточных микроуско рений, который обеспечивает возможность проведения научных экспери ментов на борту в процессе свободного орбитального полета. В рамках ре шения этой задачи получены следующие результаты.1) Проведен анализ экспериментальных данных параметров орбитально го движения, движения вокруг центра масс, остаточных микроускорений и характеристик магнитного поля на борту КА «Фотон» с № 1 по № 12, кото рые обеспечили возможность определить характер изменения уровня мик рогравитации в период всего полета и оценить адекватность математиче ской модели функционирования космической Ml 11.2) Разработан состав проектных параметров Ml И, учитывающий харак теристики конструкции, бортовых обеспечивающих систем, комплекса НА и технологические особенности функционирования КА, а также методиче ский подход к уменьшению остаточных микроускорений до требуемого уровня значений.3) Обоснована математическая модель расчета уровня микроускорений низкоорбитальной космической Mill, учитывающая влияние внешних возмущений (аэродинамических, гравитационных и магнитных) и внутрен них возмущений, обусловленных работой бортовых обеспечивающих сис тем и комплекса НА. Проведена оценка адекватности разработанной модели путем системного анализа данных, полученных в результате математического моделирования и реального орбитального полета базового КА.
4) Сформулированы задачи выбора проектных параметров МГП при комплексной, поэтапной реализации пассивных и активного методов по вышения эффективности. а) Первый этап проектирования МГП направлен на минимизацию уров ня остаточных микроускорений пассивными методами и связан с решени ем задач выбора проектных параметров, характеризующих технические требования к точности положения центра масс и центра давления, а также параметры конструктивной компоновки бортовых обеспечивающих систем СТР, БКС СЭП и комплекса НА. Сравнительный анализ уровня микрогравитации на борту МГП при реа лизации пассивных методов повышения эффективности с аналогичным по казателем базового КА. показал снижение микроускорений^но допустимый уровень остаточных микроускорений не обеспечен. б) Второй этап проектирования МГП направлен на уменьшение оста точных микроускорений до уровня допустимых значений активным мето дом с применением бортового устройства компенсации микроускорений и связан с решением задачи выбора проектных параметров этого устройства. Разработана принципиальная схема работы, определены основные тех нические характеристики и выбраны проектные параметры устройства компенсации микроускорений. Проведена оценка уровня микрогравитации на борту космической МГП при реализации активного метода повышения эффективности с устройством компенсации микроускорений, которая не превысила допустимый диапазон значений (от 0,5−10″ ^ go до 10″ ^ go при оценке по уровню математического ожидания).5) Получены зависимости изменения показателей эффективности МГП в диапазоне допустимых значений проектных параметров и выбраны про ектные параметры по критерию минимума математического ожидания бор товых остаточных микроускорений, которые внедрены в проектную доку ментацию К, А «Фотон-М» № 2.