Л.А. Донской, В.П. Пылев, Б.А. Рабинович, В.В. Сергеев

С середины 70-х годов в ЦНИИ РТК ведутся разработки приборов для измерения параметров разреженных газовых сред в условиях космического полета. Описан принцип действия чувствительного элемента. Приведены основные технические характеристики приборов, некоторые результаты натурных экспериментов и перспективы применения.

Расширение числа задач, решаемых с использованием космических технологий, ужесточение требований к надежности космических аппаратов (КА) в части обеспечения безопасности полетов и увеличения ресурсов их использования требуют уточнения условий эксплуатации и, в частности, знания параметров атмосферы на высотах полета КА, а также параметров собственной внешней атмосферы (СВА).

В орбитальном полете СВА является одним из основных факторов воздействия на конструктивные элементы КА и размещенное на внешней поверхности оборудование, в значительной степени определяя надежность и эффективность КА в целом. При движении по орбите верхняя атмосфера Земли воздействует на КА как набегающий поток, участвуя в формировании СВА КА, а также вызывая аэродинамическое торможение КА, что приводит к необходимости ведения регулярного контроля параметров орбиты и ее периодической корректировки. Таким образом, необходимость измерений параметров атмосферы вокруг КА связана с обеспечением жизнедеятельности КА, уточнением физической и математической моделей СВА эксплуатируемых в настоящее время КА, проведением материаловедческих работ в условиях невесомости и глубокого вакуума, а также с космофизическими исследованиями верхних слоев атмосферы и решением задач автономной навигации.

Работы по созданию приборов для измерения параметров разреженной атмосферы, окружающей КА, ведутся в ЦНИИ РТК около 30 лет. Первый прибор "Альфа-1М" был создан в конце 70-х годов. Следующими разработками являются созданные по заданию РКК "Энергия" комплексы (таблица) ДВЛС для изделия "Буран" и "Индикатор" для орбитального комплекса (ОК) "Мир". Основное назначение аппаратуры - измерение плотности разреженной атмосферы как собственной (СВА), так и набегающего Потока при орбитальном полете КА.

Таблица Основных технических характеристик комплексов ДВЛС и "Индикатор"

Параметр ДВЛС "Индикатор"

Диапазон давлений, мм рт. ст. 10^-4 ... 10^-7 10^-4 ... 10^-8

Погрешность, не более % 10 5

Назначенный ресурс, час 720 1200

Потребляемая мощность, Вт 20 20

Масса, кг 7,0 5,0

Вид выходного сигнала аналоговый цифровой

В качестве чувствительного элемента во всех приборах используется магниторазрядный измеритель плотности (МИП), принцип действия которого основан на явлении возникновения в его рабочей камере самостоятельного разряда во взаимно перпендикулярных постоянных электрическом и магнитном полях. Для условий применения разработана конструкция МИП "открытого" типа, обеспечивающая свободный газовый обмен между рабочей камерой и внешней средой. Высокая эффективность преобразования, определяемая по степени ионизации разреженной газовой среды, отсутствие накальных элементов или других внешних источников ионизации, а также прецизионных элементов и деталей, определяют высокие эксплуатационные характеристики МИП. Они устойчивы к внешним воздействиям, надежны, просты в эксплуатации, допускают длительную непрерывную работу, благодаря чему обеспечивается возможность их применения на КА. Схематическое изображение МИП и схема его подключения приведены на рис. 1.

Рис. 1. Магниторазрядный измеритель плотности

Начало регулярных исследований параметров разреженной атмосферы на борту КА с использованием МИП относится к 1987 г. [1,2]. Аппаратура прошла успешную апробацию в натурных условиях. Комплекс ДВЛС применялся в экспериментах, проводимых: РКК "Энергия" на ОС "Салют" - эксперимент "Маяк" (1987 г.), на ОК "Мир" - эксперименты "Диаграмма" (1989 - 1991 гг.) и "Астра-2" (1994 -1998 гг.); НПО Машиностроения на ОК "Алмаз" (1992 г.); ЦСКБ г. Самары на КА серии "Космос" (1992 г., 1993 г.). ЦНИИ РТК имеет опыт применения МИП в параметрических высотомерах. Прибор "Альфа-1М" использовался на возвращаемом аппарате для измерения высот в диапазоне 90 ... 200 км. Натурные испытания подтвердили надежность работы прибора при погрешности определения высоты, не превышающей 2%.

Большой объем данных получен при проведении натурных экспериментов на ОК "Мир" [3, 4]. Исследования проводились по программам РКК "Энергия" с 1993 г. до вывода станции из эксплуатации. Полученные результаты пополнили банк данных по состоянию СВА при различных условиях эксплуатации ОК "Мир".

Долговременные исследования СВА ОК "Мир" (общее время наработки аппаратуры около 6000 часов) позволили уточнить параметры СВА в условиях длительного наблюдения, исследовать воздействие на формирование СВА внешних условий полета, работы систем ОК "Мир" и динамических операций по сближению, стыковке и расстыковке ОК "Мир" с другими КА, подтвердив при этом высокую эффективность и надежность комплексов ДВЛС и "Индикатор" при проведении длительных наблюдений за параметрами разреженной атмосферы на КА [4].

Основные результаты измерений:
1. Величина плотности остаточной атмосферы при фоновых условиях изменяется в пределах от З*10^-9 до 2*10^-8 мм рт.ст. При этом влияние светотеневой обстановки выражено слабо.
2. При проведении различных маневров ОК наблюдалось повышение плотности до 2*10^-7 мм рт.ст. в течение всего маневра и кратковременно до 5*10^-5 мм рт.ст.
3. При стыковке ОК "Мир" с другими КА в момент сближения и стыковки плотность повышалась до (3 ... 5)*10^-5, а затем снижалась до (З*10^-9 ... 10^-7) мм рт.ст. в первые сутки совместного полета.
4. При расстыковке транспортных кораблей наблюдалось повышение плотности до 4*10^-5 мм рт.ст. в момент начала работы двигателей, а при отходе корабля остаточная плотность составляла (2*10^-8 ... 6*10^-7) мм рт.ст.
5. При облете ОК кораблем "Шаттл" наблюдалось повышение значения плотности до 10^-4 мм рт.ст.
6. При проведении космонавтами наружных работ отмечалось повышение фонового значения в пределах от 5*10^-8 до 2*10^-7 мм рт.ст., при работе с грузовой стрелой кратковременное повышение до 2*10^-4 мм рт.ст., а при работе двигательной установки на этом фоне - кратковременно до 7*10^-5 мм рт.ст.
Эти данные позволили уточнить требования к условиям эксплуатации аппаратуры, размещаемой на внешней поверхности КА, и по ее применению на различных этапах орбитального полета.
Результаты натурных исследований и экспериментов, выполненных с использованием приборов "Альфа-1М", ДВЛС и "Индикатор" на различных КА, подтверждают высокие технические и эксплуатационные характеристики приборов. Опыт эксплуатации приборов с МИЛ и имеющийся в ЦНИИ РТК научно-технический задел в области космического приборостроения позволяют определить круг задач, которые могут быть решены при использовании таких приборов (рис. 2).
В настоящее время ведутся работы по:

расширению диапазона измерений в область сверхнизких давлений (<10^-9 мм рт.ст.) путем как совершенствования конструкции МИЛ, повышения чувствительности измерительной схемы, так и применения датчиков, основанных на иных методах измерения;
совершенствованию конструкции МИЛ с целью создания датчика, позволяющего выделять неравновесную составляющую воздействующих на него потоков разреженного газа (в частности, набегающего потока), а также ионизированную составляющую набегающего потока;
созданию датчика, чувствительного к направлению вектора набегающего потока разреженного газа, позволяющего полностью определить динамические характеристики набегающего потока;
совершенствованию методов обработки результатов измерений, в частности, с учетом результатов моделирования аэродинамического взаимодействия конструкции МИП с СВА и набегающими потоками;
доработке аппаратуры для выполнения предварительной обработки результатов измерений и выдачи информации в бортовую ЭВМ.

Рис. 2. Круг задач, решаемых при помощи приборов с МИП

Работы ведутся в рамках различных целевых программ научных исследований РКА и РКК "Энергия", планируемых к проведению на МКС.

Контактный тел.: (812) 552-45-44; E-mail: kafedra@lpc1.stu.neva.ru

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гадион В.Н., Гужва Е.Г., Донской Л.А., Незнамова Л.О., Никитский В.П., Рогачев А.С., Пылев В.П., Шувалов В.А., Чурило О.В. Результаты исследований собственной воздушной атмосферы (СВА) в окрестности орбитального комплекса "Мир". Тез. докл. X Всес. конф. "Динамика разреженных газов". - М: МЭИ, 1989.
2. Белоусов С.Е., Гадион В.Н., Гужва Е.Г., Дудкин С.Ю., Жестков Б.Е., Крот Ю.М. Определение основных параметров верхней атмосферы с помощью бортовых измерителей. Там же;
3. Гадион В.Н., Гужва Е.Г., Донской Л.А., Пылев В.И., Сергеев В.В. Аппаратура исследования собственной внешней атмосферы в окрестности орбитального комплекса "Мир". // Сб. науч. трудов "Робототехника и техническая кибернетика". - СПб.: СПГТУ, 1993.
4. Донской Л.А., Пылев В.П., Рабинович Б.А., Сергеев В.В., Незнамова Л.О., Свечкин Б.И. Результаты исследований собственной внешней атмосферы ОК "Мир" комплексом "Индикатор". / Тез. и аннотации докладов межд. конф. "Научно-технические проблемы космонавтики и ракетостроения". - г. Калининград Моск. обл.: ЦНИИмаш, 1996.