Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие
.pdf
9.4. Воздействие микрометеороидов на элементы конструкции КА |
101 |
|||
Для расчета толщины стенки прибора, удовлетворяющей условию ме- |
||||
теорной защиты, может быть использована формула, полученная на основе |
||||
теории гидродинамического удара: |
|
|
|
|
= × |
н, |
|
|
|
где – толщина стенки; |
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
– диаметр ударяющейся частицы; |
|
|
|
|
= стм – отношение плотности материала стенки к плотности материала |
||||
метеороида; |
|
|
|
≥1,5 км/с; |
к – конечная скорость метеороида. Принимается значение к |
||||
н – значение среднейскоростидвиженияметеороида.Оноиспользуется |
||||
вместо начальной скорости и за которую принимается значение ср =20км/с. |
||||
При этом значение максимальной скорости – |
=70 км/с. |
|
||
Для ОЭП астроориентации и навигации КА более актуальным является |
||||
вопросэрозиинаружныхповерхностейоптическихдеталейподвоздействием |
||||
микрометеороидов, чем пробиваемость стенок приборов, так как большин- |
||||
ствосовременныхОЭПразрабатываютсявнегерметичномисполнении изна- |
||||
чительная часть их поверхностей защищена ЭВТИ. |
|
|
||
Способность ОЭП ориентации и навигации КА сохранять работоспособ- |
||||
ность под воздействием микрометеоритных частиц в течение САС подтвер- |
||||
ждается расчетами и испытаниями. |
за счет увеличения толщины стенок их |
|||
Повышение защиты приборов |
||||
корпусов нецелесообразно, так как приводит к утяжелению конструкции. Поэтому разрабатывать защиту следует в двух направлениях:
– дублирование аппаратуры;
– создание защитных противометеорных экранов.
При имитационных испытаниях элементов конструкции КА на воздействие сверхскоростных микронных частиц (микрометеороидов) используются:
– ускорение металлических заряженных частиц микронных размеров на электростатические поля;
– воздействие лазерных импульсов непосредственно на поверхность
[1, 3, 17, 23].
102Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…
9.5.Воздействие магнитных полей на системы КА
Электромагнитное излучение Солнца вызывает фотоионизацию конструкционных материалов КА. При этом возникает фотоэлектронная эмиссия, ведущая к электростатической зарядке элементов конструкции КА или к утечке зарядов, если уровень зарядки достигает высоких потенциалов.
Скапливающиеся на поверхности отдельных элементов конструкции КА электростатические заряды создают помехи в радиосвязи.
Величины зарядов, возникающие на поверхности КА вследствие фотоионизации, достигают в отдельных случаях 100 В.
ОЭП астроориентации и навигации КА в силу специфики своей работы являютсявнешнимиустройствамиКАинаповерхностяхихоптическихблоков также может накапливаться заряд.
Помимо потенциалов электростатических зарядов, на работоспособность ОЭП астроориентации и навигации КА могут оказывать влияние электромагнитныеполя,создаваемыеразличнымисистемамиКА.Втожевремясами приборы астроориентации своим электромагнитным излучением могут оказывать воздействие на работоспособность других систем КА.
Стойкость к воздействию электромагнитных излучений – свойство изделий выполнять своифункциии сохранятьпараметрывпределах установленных нормво время ипоследействия электромагнитных излучений. Онаподтверждается расчетами и проверяется экспериментально при испытаниях в безэховых камерах и в составе КА непосредственно [1, 3, 15, 17, 23].
9.6. Воздействие ударов
На протяжении своего жизненного цикла ОЭП астроориентации и навигации КА многократно подвергаются воздействию различного рода ВВФ, в частности, ударов, что может негативно сказаться на их способности выполнить целевую задачу.
В механике ударом называют механическое взаимодействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скоростей их точек за бесконечно малый промежуток времени.
При ударном взаимодействии в рассматриваемых точках определяют ударные ускорения, скорости или перемещения. В совокупности такие взаимодействия и реакции на них называются ударными процессами.
|
9.6. Воздействие ударов |
|
103 |
|
Механические удары могут быть: |
|
|
|
|
– одиночными; |
|
|
|
|
– многократными; |
|
|
|
|
– комплексными. |
|
|
|
|
Составляющие векторов одиночных и многократных ударных процессов |
||||
могут воздействовать на объект в направлениях, параллельных каждой из |
||||
осей собственной (связанной) системы координат прибора. |
|
|||
Ударные нагрузки на прибор могут быть: |
|
|
||
– непериодическими; |
|
|
|
|
– периодическими. |
|
|
|
|
Возникновение ударных нагрузок связано с резким изменением ускоре- |
||||
ния, скорости или направления перемещения КА. |
|
|
||
Наиболее часто в реальных условиях встречается сложный одиночный |
||||
ударный процесс, представляющий собой сочетание простого ударного им- |
||||
пульса с наложенными колебаниями. |
|
|
|
|
Удары возникают на тех этапах жизненного цикла, которые связаны |
||||
с транспортированием КА и его комплектующих систем, а также на этапах |
||||
разделения ступеней, раскрытия элементов, входа в атмосферу, парашюти- |
||||
рования и посадки. |
|
|
|
|
Основные характеристики ударного процесса: |
|
( ) |
||
– законы изменения во времени ударного ускорения а( ), скорости |
||||
и перемещения |
( ); |
|
– интервал времени от |
|
– длительность действия ударного ускорения |
||||
момента появления до момента исчезновения ударного ускорения; |
|
|||
– импульс ударного ускорения – интеграл от ударного ускорения за |
||||
время, равное длительности его действия: |
|
|
||
|
= |
( ) , |
|
|
где ( ) – сила, Н.
Механический удархарактеризуется быстрым выделениемэнергии, врезультате чего возникают местные упругие или пластические деформации, возбуждениеволн напряженияи другиеэффекты,приводящиеиногда к нарушению функционирования и к разрушению конструкции ОЭП астроориентации и навигации.
104 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП… |
||||
Ударная нагрузка, приложенная к прибору, возбуждает в элементах его |
||||
конструкции быстрозатухающие собственные колебания. |
||||
Значение перегрузки при ударе, характер и скоростьраспределения напря- |
||||
жений по конструкции ОЭП астроориентации и навигации определяется си- |
||||
лой и продолжительностью удара и характером изменения ускорения. Удар, |
||||
воздействуя на прибор, может вызвать механическое разрушение его кон- |
||||
структивных элементов. |
|
|
|
|
В зависимости от длительности, сложности ударного процесса и его мак- |
||||
симального ускорения при испытаниях определяют степень жесткости эле- |
||||
ментов конструкции ОЭП астроориентации и навигации. |
||||
Во многих случаях в техническом задании (ТЗ) на разработку прибора |
||||
ударная нагрузка задается в виде импульса ударного ускорения. Это очень |
||||
удобная форма задания ударной нагрузки, которая при испытаниях легко ре- |
||||
ализуется на большинстве современных ударных стендов. |
||||
Однако очень часто параметры ударного импульса задают в виде спек- |
||||
тра, т. е. в виде совокупности гармонических составляющих импульса, рас- |
||||
положенных в порядке возрастания. В такой форме их легче регистрировать |
||||
в процессе испытаний и эксплуатации КА. |
|
|
||
Далеко не каждый ударный стенд может быть настроен при таком спо- |
||||
собезаданияударногоимпульса.Крометого,далеконекаждыйударныйим- |
||||
пульс, заданный спектром, может быть реализован с использованием стен- |
||||
дового оборудования. |
|
|
|
|
В форме спектра обычно бывает удобно описывать такие ударные воз- |
||||
действия, как взрывы, которые происходят в момент срабатывания пиро- |
||||
средств КА (отделении обтекателей, разделении ступеней и т. д.). |
||||
Аналитическую форму ударного импульса |
= |
( ) в случае, если он за- |
||
дан в виде спектра |
= |
( ),можно получить с помощью обратного Фурье- |
||
преобразования. |
|
|
|
|
Большинство источниковрекомендуют использовать косинус – преобразование Фурье для получения импульса ударного воздействия как функции от времени.
Обратное Фурье-преобразование для заданного в форме спектра импульса ударного воздействия будет иметь вид
9.7. Воздействие вибрации |
105 |
|
( ) = |
( )cos |
, |
где = 2 – угловая частота, ( )– гармоническая составляющая импульса [3, 5, 17, 24, 32, 33].
9.7. Воздействие вибрации
На таких этапах своего жизненного цикла, как автономное транспорти- |
||||
рование, транспортирование в составе объекта (КА), предстартовая подго- |
||||
товка и выведение на орбиту КА, ОЭП астроориентации и навигации под- |
||||
вергаются воздействию такого ВВФ, как вибрация. |
детерминированное воз- |
|||
Вибрация – это многократное случайное или |
||||
вратное (возвратно-поступательное, возвратно-вращательное) перемещение |
||||
точки или совокупности точек системы (в нашем случае ОЭП астроориента- |
||||
ции и навигации КА), в результате которого происходит изменение характе- |
||||
ризующих его скалярных величин по полигармоническому закону |
||||
y( )=∑ |
A sin( |
+ |
|
), |
где y( )– обобщенная координата; |
|
|
|
|
A – амплитуда i-й гармоники, составляющей процесс; |
||||
– частота i-й гармоники процесса; |
|
|
|
|
– начальная фаза i-й гармоники процесса. |
|
|
||
Воздействие вибрации на ОЭП астроориентации и навигации КА явля- |
||||
ется причиной усталостных разрушений элементов их конструкции и сокра- |
||||
щения их ресурса. Вибрационные перегрузки вызывают механические по- |
||||
вреждения ЭРИ и нарушение их режима работы, и в отдельных случаях мо- |
||||
гутбытьпричинойразрушенияоптическихдеталей.Особенноэтиразрушения |
||||
способны возникать при резонансных явлениях, вызванных воздействием |
||||
вибрации. |
|
|
|
|
Причинами разрушений могут быть: |
|
|
|
|
– превышение критического уровня амплитуды вибраций; |
||||
– накопление усталостных деформаций. |
|
|
|
|
Считается, что усталостное разрушение материала происходит вслед- |
||||
ствие появления в нем локальных зон текучести, |
или, другими словами, |
|||
106 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…
скольжения атомарных слоев, которое вызывается развитием так называемых дислокаций (дефектов кристаллической решетки материала) и местных концентраций напряжений.
Нагружение конструкционного материала изделия по циклическому закону под воздействием вибрации способствует появлению микротрещин вследствие образования локальных зон текучести, которые, соединяясь случайным образом, образуют основную трещину.
Когда трещина достигает такой величины, что напряжение в оставшемся материале превышает его прочностные возможности, распространение трещины становится лавинообразным и происходит усталостное разрушение.
Основными динамическими характеристиками рассматриваемых объектов являются собственные частоты и формы колебаний, а также коэффициенты демпфирования.
Собственной частотой колебаний (вибрации) линейной системы называется любая из частот свободных колебаний (вибрации) линейной системы.
Свободные (или собственные) колебания – это колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из состояния равновесия.
Собственная форма колебаний (вибрации) системы – геометрическая форма колебаний (вибрации) линейной системы, которую принимает система вследствие упругих деформаций в процессе колебаний с одной из собственных частот. Так, если принять, что при колебаниях двухопорной балки с распределенной массой изогнутой осью (линией упругости) служит синусоида, то собственная форма в любой момент времени определяется одной величиной – прогибом середины балки.
Применение теоретических методов позволяет в настоящее время получать собственные частоты и формы колебаний только в сравнительно простыхслучаях.Однакоэкспериментальныеметодыпозволяютопределитьвсе динамические характеристики самых сложных конструкций.
Рассмотрим основные методы определения собственных частот элементов конструкции ОЭП астроориентации и навигации КА. Задачи определения собственных форм колебаний, обобщенных масс и коэффициентов демпфирования в практике разработки ОЭП астроориентации и навигации КА встречаются крайне редко из-за малых габаритных размеров последних и их существенной нелинейности.
|
9.7. Воздействие вибрации |
107 |
|||
В основе экспериментальных методов определения собственных частот |
|||||
колебаний лежит допущение, что динамические свойства испытуемого объ- |
|||||
ектавзаданномчастотномдиапазонесдостаточнойточностьюописываются |
|||||
конечнойсистемойлинейныхдифференциальныхуравненийспостоянными |
|||||
коэффициентами. Соответствующая математическая модель обычно запи- |
|||||
сывается в следующем виде: |
+ |
+ |
= 0, |
|
|
где , |
, – соответственно матрицы инерции, демпфирования и жесткости; |
||||
|
– матрица-столбец обобщенных координат (за обобщенные коорди- |
||||
наты принимаются перемещения точек системы). |
|
||||
То есть реальная система с распределенными параметрами описывается |
|||||
линейной математической моделью с конечным числом степеней свободы. |
|||||
Вбольшинствеслучаевэтогодостаточнодляописаниядинамическихсвойств |
|||||
рассматриваемых объектов. |
|
|
|
|
|
Большинство экспериментальных методов определения собственных ча- |
|||||
стот колебаний использует возбуждение гармонических колебаний объекта. |
|||||
Соответствующая математическая модель имеет вид |
|||||
|
+ |
+ |
= |
cos |
, |
где – матрица-столбец амплитуд внешних сил |
, ,… . |
||||
Один из экспериментальных методов – это метод свободных колебаний. В общем случае задача состоит в том, чтобы из суммы тонов колебаний, которые могут возбуждаться в системе, выделить тон, представляющий ин-
терес, и определить его частоту.
При использовании данного метода колебания возбуждают приложением импульсов.
Собственныечастотыопределяютпоосциллограммепроцессазатухания свободных колебаний.
Другой экспериментальный метод – это резонансный метод.
В его основе лежит использование вынужденных колебаний испытуемого объекта. Колебания возбуждаются гармонической силой, при этом измеряются амплитуды колебаний в различных точках системы в зависимости от частоты и строятся амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) процесса. Искомые собственные частоты определяются по резонансным пикам АЧХ.
108 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…
Если реальная система удовлетворяет принятомудопущению о линейности, то вынужденные частоты, соответствующие резонансным пикам АЧХ, принимаются за собственные частоты системы [3, 5, 17, 24, 32, 33].
9.8. Воздействие перепада давления на ОЭП астроориентации и навигации КА на этапе выведения на орбиту (бароудар)
и разгерметизация
Современныеконструкционные материалы и элементнаябаза позволяют обеспечить работоспособность ОЭП астроориентации и навигации КА в условиях длительного воздействия вакуума космического пространства. Поэтому к современным приборам ориентации не предъявляется требование герметичности. Однако до конца 80-х гг. XX в. значительная часть производимых в нашей стране ОЭП астроориентации и навигации КА была в герметичном исполнении.
С целью исключения возможности необратимой деформации элементов конструкции, вызванных неуравновешенным давлением воздуха внутри изделияпослеотстрела обтекателя,конструкцияизделиядолжна обеспечивать быстрое истечение воздуха из внутренней полости прибора.
Скорость истечения воздуха из полости изделия можно определить по формуле:
≈ 2− 1 1 −( ) ,
где – скорость истечения воздуха из полости изделия;
– показатель адиабаты для воздуха k = 1,4;
град; – газовая постоянная, отнесенная к единице массы, R = 287,1 Дж/кг
– абсолютная температура воздуха вмомент начала истечениявоздуха;
– давление внутри изделия в момент начала истечения воздуха;
– давление за бортом КА после отстрела обтекателя.
Для определения времени истечения воздуха из изделия необходимо знать его объемный расход.
Объемный расход Q м3 /с равен
Q=sw,
9.9. Воздействие экстремальных температур и климатических факторов |
109 |
где s – суммарная площадь отверстий в м2, через которые вытекает воздух. Время истечения воздуха t равно
t=V/Q,
где V – объем воздуха, содержащийся в полости изделия.
Необходимоевремяистечениявоздухаконструктивнодостигаетсяпутем изменения суммарной площади отверстий, через которые может вытекать воздух из внутреннего объема изделия на стадии его лабораторной отра-
ботки [15–17].
9.9.Воздействие экстремальных температур
иклиматических факторов
На этапах хранения транспортировки и наземной эксплуатации КА и входящие в него системы подвергаются воздействию климатических факторов.
Под воздействием климатических факторов на этих этапах может происходить:
– разрушение покрытий;
– коррозия металлов;
– изменение физико-механических свойств полимерных материалов.
С целью предотвращения подобных явлений транспортирование и хранение ОЭП осуществляются в специальной таре.
Современные КА также хранятся и транспортируются в специальных транспортных контейнерах, которые являются энергетически автономными и обеспечивают изделию комфортные термобарические условия.
На этапах активного полета и в период номинальной работы агрегатов ОЭП ориентации и навигации КА подвергается воздействию экстремальных температур. Значения температур, измеренных на посадочных местах ОЭП ориентацииинавигации,могутнаходитьсявпределах,лежащих винтервале значений от плюс 60 до минус 60 С.
Стойкость элементов конструкции к воздействию температурных воздействий проверяется тепловым расчетом и проверяется на тепловых макетах изделий экспериментально [1, 15–17, 23].
110 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…
9.10. Воздействие на элементы конструкции атомарного кислорода
Во время полета КА «Мир», «МКС», «Спейс Шатл» на низких орбитах |
||||||
были проведены работы по определению скорости эрозии полимерных ком- |
||||||
позиционных материалов под воздействием частиц атомарного кислорода |
||||||
ионосферы Земли. Эти работы показали, что скорость эрозии в натурных |
||||||
условиях не совпадает со скоростью эрозии этих же материалов при прове- |
||||||
дении плазменных имитационных наземных испытаний. |
||||||
Остаточная атмосфера на высоте 300–500 км состоит в основном из ато- |
||||||
мов кислорода O (80 %) и молекул N2 |
(20 %), доля ионов кислорода состав- |
|||||
ляет ~0,01%. |
|
|
|
|
|
|
Основная часть молекул кислорода на этих высотах диссоциирует под |
||||||
воздействием фотонов вакуумного ультрафиолета (ВУФ) солнечной радиа- |
||||||
ции ( |
≈ 121,6 нм). |
|
|
|
|
|
На высотах 350–400 км, где расположена орбита «МКС», состав ионо- |
||||||
сферы сформирован из атомов: |
|
|
|
|||
– (О) ≈ 1×10 |
см–3; |
|
|
|
|
|
– ( |
)≈ 2×10 |
см–3; |
см–3. |
|
|
|
– (О ) ≈ (е) ≈ 1×10 |
равной 8 км/с, кинетическая энергия соуда- |
|||||
При скорости полета МКС, |
||||||
рения атомов кислорода с элементами конструкции на фронтальной стороне |
||||||
станции составляет примерно 5 эВ. Средняя плотность потока ионосферных |
||||||
частиц,взаимодействующихсфронтальнойповерхностьюКА,будетсостав- |
||||||
лять для атомов кислорода |
≈ 1×10 |
–1×10 |
ат/см2с, для ионовкисло- |
|||
рода |
и ≈ 1×10 |
–1×10 |
ат/см2с. Плотность потока частиц зависит от |
|||
солнечной активности, параметров орбиты и других факторов.
Помимо частиц ионосферной плазмы на этих высотах большое влияние на полимерные материалы оказывает УФ излучение Солнца. Под воздействием ионосферных частиц и УФ излучения Солнца полимерные материалы за счет эрозии теряют свою массу, меняется морфология их поверхности.
Летучие продукты эрозии полимеров (СО, СО2, Н2О, ОН–) покидают поверхность материалов, засоряя СВА КА. Многие из этих частиц переходят в возбужденное состояние. Вследствие чего возникает приповерхностное свечение, которое может создавать оптические помехи для оптических датчиков СУД КА.