Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие

9.11. Воздействие на элементы конструкции собственной внешней атмосферы КА 111

Ряд неорганических материалов, и в первую очередь Ag, Os, а также графит и углеродные волокна, подвержены сильному окислению и эрозии.

Ниже приводится перечень конструкционных материалов, которые наиболееподвержены эрозиипри воздействииатомарногокислорода с энергией ≈5 эВ:

– композитные материалы с полимерной матрицей;

– графито-эпоксидные композиты;

– композиты с матрицами из термопластичной резины;

– материалы твердых смазок, например MoS2;

– мягкие металлы, например Ag, Pb, In;

– полимеры;

– металлизированные полимеры;

– терморегулирующие покрытия;

– органические краски;

– оптические металлические покрытия: Al, Ag, Ni, Au, Ta, Ti, Zr;

– оптические диэлектрические покрытия: MgF2, CaF2;

– защитные покрытия конструкционных материалов: Ni, SiO2, TiO2, Al2O3, ZnO, In2O3 [1, 15–17, 23].

9.11. Воздействие на элементы конструкции собственной внешней атмосферы КА

При функционировании в космическом пространстве КА создают вокруг себя собственную внешнюю атмосферу (СВА), образующуюся из-за дегазации и сублимации конструкционных материалов, утечек из гермоотсеков, продуктов сгорания рабочего тела реактивных двигателей, а также различного рода пылевых частиц. Причем значительная часть компонентов СВА находится в электрически заряженном состоянии.

Компоненты СВА КА довольно долго сопровождают его в полете. Крупные пылевые частицы СВА могут рассеивать свет Солнца и иметь

яркость, сопоставимую с яркостью звезд первой величины. Помимо этого, ионы, атомы и молекулы из СВА осаждаются на внешней поверхности обшивки КА. Этот процесс сильно изменяет их физические свойства. Особенно чувствительны к загрязнениям оптическиеповерхности входных окон ОЭП астроориентации и навигации, электрические устройства, элементы

112 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

солнечных батарей. СВА КА превратилась в серьезную проблему физики и техники космических полетов.

Нарушения работоспособности оптических датчиков СУД КА могут вызываться увеличением светового фона из-за свечения СВА КА, которое возникаетприсрабатыванииреактивныхдвигателейСИОСУД.Сжатыйгазили продукты сгорания компонентов топлива, выходя из сопла двигателя, расширяется в вакууме. При этом могут возникать условия, когда часть расширяющегося газа превращается в жидкие капли или в кристаллы. Основная доля струи остается в газообразном состоянии и представляет собой конус, плотность газа в котором уменьшается от оси к его периферии и от вершины конуса к его основанию.

На молекулы газовой струи ракетного двигателя попадает световое излучение Солнца, а также электроны и протоны СКИ или РПЗ. Под воздействием этих факторов молекулы газа в струе возбуждаются, а поскольку плотность газа вструе мала и столкновений почти не происходит, то это возбуждение снимается в основном излучением возбужденных молекул в виде света. Причем этот свет распространяется во все стороны с почти равной интенсивностью. Таким образом, он может попадать в объективы ОЭП астроориентации и навигации даже если прямой солнечный свет туда не попадает

[1, 15–17, 23].

. 9.12. Возникновение внутренних зарядов при воздействии магнитосферной плазмы на КА

9.12. Возникновение внутренних зарядов при воздействии магнитосферной плазмы на КА 113

Кинетическая энергия частицы описывается уравнением

=,

где – энергия;

– масса частицы;

– скорость частицы.

Из-за отношения массы электронов к массе протонов, равному 1:1836, электронывравновеснойплазмеобычноимеютболеевысокуюскорость,чем протоны.Электронбудетиметьскоростьпримернов43разабольшескорости протона, обладающего такой же энергией. Вследствие чего ток электронов, воздействующих на КА, во много раз превышает ток протонов. Это различие в токе является одной из причин эффекта объемного накопления отрицательного заряда в элементах конструкции КА, как правило, в диэлектриках.

Поверхностный заряд обычно коррелируется с электронами в энергетическом диапазоне от 0 до ≈50 кэВ, а внутренний (объемный) заряд соотносится с энергиями от 100 кэВ до 10 МэВ.

Электроны и ионы проникают внутрь вещества. Глубина проникновения отдельных частиц зависит от их энергии, атомного веса и химического состава материала мишени.

Для бортовой аппаратуры КА, построенной с ипользованием алюминиевых корпусов, имеющих толщину стенок 1 мм, что эквивалентно защите 0,27 г/см2,эффект внутренней зарядки возможен при энергии электроновболее 400 кэВ. По данным НАСА, практический диапазон энергии, способной повлиять на внутреннюю зарядку материалов, лежит в пределах от 100 кэВ до 3 МэВ.

Большой накопленный заряд при наличии достаточных внешних полей можетвызватьэлектростатическийразряд(ЭСР)и,какследствие,повреждение элементов конструкции БА.

В определении вероятности наступления пробоя играет важную роль удельная проводимость материала.

Так как потоки на геостационарной орбите, способные вызвать внутреннюю зарядку, составляют ≈1 пА/см2 (1 пА = 1 10-12 А), то удельное сопротивление материала порядка 1×1012 Ом×см способно снять заряд, и следовательно, напряжение локального электрического поля от 1×105 до 1×106 В/см и не сможет вызвать дугу и ЭСР.

114 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

ДиэлектрическиематериалысовременныхКАмогут,однако,обладатьдостаточно высоким удельным сопротивлением, что создает проблемы. Эти материалы, обладающие превосходными диэлектрическими свойствами, способны накапливать заряд до тех пор, пока не станет возможным разряд на ближайшие проводники.

Металлы, хотя они и являются проводниками, также могут вызывать проблемы, если они электрически развязаны более чем на 1×1012 Ом. Каждый из развязанных металлических элементов может быть опасен в плане возникновения внутреннего заряда.

Каналы, образовавшиеся в теле диэлектрика в результате электростатического пробоя, носят название «фигуры Лихтенберга».

На рисунке 2 показана фигура Лихтенберга, образовавшаяся при электрическом пробое стекла.

Рис. 2. Фигура Лихтенберга, образовавшаяся при электрическом пробое стекла

Возникновение пробоя обусловлено приложением внешнего электрического напряжения, которое называется напряжением пробоя.

Напряжение пробоя зависит от базовой диэлектрической прочности материала детали и от ее габаритов. Детали с большей толщиной имеют мень-

шую прочность на единицу толщины. Дефекты изготовления детали и повреждения ее поверхностей при монтажных работах также влияют на величину напряжения пробоя. Практика НАСА показывает, что пробои возможны практически во всех применяемых диэлектриках при превышении порога 2×105 В/см.

Для минимизации вероятности возникновения пробоя в элементах конструкции КА применяют целый комплекс специальных мер:

– экранирование, т. е. защита всех электронных элементов экранами, имеющими достаточную толщину в алюминиевом эквиваленте, с тем чтобы уменьшить величину внутреннего заряда;

– заземление всех элементов конструкции. Определение развязанных проводящих элементов конструкции и обеспечение заземления этих зон. Любая электропроводящая внутренняя комплектующая подлежит соединению через переходной резистор с каждой другой комплектующей. Сопротивления переходного резистора 1×1012 Ом в вакууме вполне достаточно;

– заземление точечных радиационных экранов.

Так как в конструкции ОС ОЭП астроориентации и навигации КА широко применяются диэлектрические материалы, которым просто нет альтернативы, то их применение тоже требует специального подхода – все диэлектрики должны быть с электрической утечкой, которая может достигаться путем нанесения специальных токопроводящих покрытий, созданием специальных токопроводящих дорожек и т. д. Степень утечки должна быть порядка 1×1012 Ом × см.

Так как физически невозможно защитить экранами входные окна оптического тракта ОЭП астроориентации и навигации КА, то линзы на входе тракта рекомендуется делать как можно более тонкими и, по возможности, наносить на них токопроводящее покрытие. Во всех возможных случаях, как ранее отмечалось, предпочтение необходимо отдавать зеркальной оп-

тике [1, 15–17, 23].

9.13. Воздействие невесомости

Невесомость – состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Иногда можно слышать другое

116 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

название этого эффекта – микрогравитация. Это название неверно для околоземного полета. Гравитация (сила притяжения) остается прежней. Но при полете на больших расстояниях от небесных тел, когда их гравитационное влияние пренебрежимо мало, действительно возникает микрогравитация.

Для понимания сути невесомости можно рассмотреть летящий по баллистической траектории самолет. Такие методы применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен грузик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолет покоится, либо движетсяравномерно и прямолинейно). Когда нить, на которой висит шарик, не натянута,имеетместосостояниеневесомости.Такимобразом,пилотдолжен управлять самолетом так, чтобы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута. Для достижения этого эффекта самолет должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз. Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 с) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа (которая не имеет названия, кроме как «провал в воздухе»). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 м это и дает требуемые 40 с «невесомости»; внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты.

Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке.

Тренировки выполняются в модифицированных серийных машинах пассажирского или грузового класса.

Но чтобы тело находилось в состоянии невесомости и стало ИСЗ, оно должно двигаться с первой космической скоростью.

Первая космическая скорость – это минимальная скорость, при которой какое-либо тело сможет стать спутником небесного тела, т. е. вращаться по круговой орбите вокруг небесного тела.

Воздействие невесомости критично в основном для систем и устройств, содержащих жидкости, и может приводить к их отказу.

ВОЭПастроориентациитакимиустройствамимогутбытьсистемыкриостатирования фотоприемников и ОС [1, 15–17, 23].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Акишин, А. И. Космическое материаловедение [текст] : методическое

иучебное пособие / А. И. Акишин. – Москва : НИИЯФ МГУ, 2007. – 209 с.

2.Арефьев, В. А. Рентгеновские пульсары – маяки автономной системы навигации космических аппаратов // Сборник трудов Всероссийской научнотехнической конференции. Современные проблемы определения ориентации

инавигации космических аппаратов. – Таруса, 2008. – C. 210–219.

3.Афанасьев, В.А. Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов[текст]/ В. А. Афанасьеви др.– Москва: Издательство МАИ, 1994. – 412 с.

4.Бартенёв,В.А.ПрименениеГЛОНАСиGPSдлянавигациикосмических аппаратов на геостационарных и высокоэллиптических орбитах [текст] / В. А. Бартенёв, А. К. Гречкосеев, Д. И. Марарескул // Методы навигации, построения аппаратуры и технология испытаний : сборник научных трудов, по- свящённый50-летиюсозданияОАО«ИСС»имениакадемикаМ.Ф.Решетнёва. Космические вехи.– Красноярск: ИП Суховольская Ю. П.,2009.– С.89–99.

5.Вибрации в технике: справочник в 6-ти т. / ред. совет: В. Н. Челомей (пред.). – Москва : Машиностроение, 1981. – Т. 5. Измерения и испытания; под ред. М. Д. Генкина. 1981. – 469 с.

6.Гарбук, С. В. Космические системы дистанционного зондирования Земли [текст] / С. В. Гарбук, В. Е. Гершензон. – Москва : Издательство А и Б, 1997. – 297 с.

7.Глазков, В. Д. Фасеточные датчики солнечной ориентации / В. Д. Глазков,В.А.Котцов//Современныепроблемыопределенияориентацииинавигации космических аппаратов : сборник трудов Всероссийской научно-тех- нической конференции. – Таруса, 2008. – C. 136–146.

8.Гришин,С. Д.Электрическиеракетныедвигатели космическихаппаратов [текст]/ С.Д.Гришин, Л.В.Лесков.–Москва : Машиностроение,1989. –216с.

9.Гущин, В. Н. Основы устройства космических аппаратов [текст] / В. Н. Гущин. – Москва : Машиностроение, 2002. – 272 с.

10.Дагаев, М. М. Наблюдения звёздного неба [текст] / М. М. Дагаев. – Москва : Наука, 1988. – 176 с.

11.Дмитриев, А. Н. Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Физика Земли» для студентов специальности 071900 / А. Н. Дмитриев. – Тюмень: ТГНУ, 2004. – 35 с.

118 Список литературы

12. Елисеев, А. С. Техника космических полетов [текст] / А. С. Елисеев. – Москва : Машиностроение, 1983. – 307 с.

13.Ивандиков,Я.М.Оптико-электронныеприборыдляориентацииинави- гации космических аппаратов [текст] / Я. М. Ивандиков. – Москва : Машиностроение, 1971. – 200 с.

14. Изнар, А. Н. Оптико-электронные приборы космических аппаратов [текст] / А. Н. Изнар, А. В. Павлов, Б. В. Фёдоров. – Москва : Машиностро-

ение, 1972. – 368 с.

15. Козлов, Л. В. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды / Л. В. Козлов, М. Д. Нусинов и др. – Москва : Машиностроение, 1971. – 382 с.

16.Конструированиеавтоматическихкосмическихаппаратов/подред.

Д. И. Козлова. – Москва : Машиностроение, 1996. – 448 с.

17. Космонавтика: энциклопедия; гл. ред. В. П. Глушко; редколлегия: В. П. Бармин, К. Д. Бушуев, В. С. Верещагин и др. – Москва : Советская энциклопедия, 1985. – 528 с.

18. Крошкин,М. Г.Космос…чтомы знаемо нём [текст]/ М. Г.Крошкин. – Москва: Воениздат, 1966. – 208 с.

19. Левантовский, В. И. Механика космического полёта в элементарном изложении [текст] / В. И. Левантовский. – Москва : Наука, 1980. – 512 с.

20. Мартынов, Д. Я. Курс практической астрофизики [текст] / Д. Я. Мартынов. – Москва : Наука, 1977. – 544 с.

21. Мельников, В. Н. Управление ориентацией космического аппарата (обзор) [текст] / В. Н. Мельников. – Москва, 2011. – 49 с.

22. Модель солнечного излучения. РТМ. – Ленинград : ГОИ, 1979.

23. Нусинов,М.Д.Влияниекосмическоговакууманаматериалыи устройства научной аппаратуры [текст] / М. Д. Нусинов. – Москва : Машинострое-

ние, 1987. – 48 с.

24. Пановко, Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара [текст] / Я. Г. Пановко. – Ленинград : Машиностроение, 1976. – 320 с.

25. Первушин, А. Битва за звёзды: Ракетные системы докосмической эры [текст] / А. Первушин. – Москва : ООО «Издательство АСТ», 2003. – 448 с.

26. Петров, Г. И. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и его окружающей среды [текст] / Г. И. Петров. – Москва : Машино-

строение, 1971. – 270 с.

Учебное издание

ВЫБОРНОВ Александр Александрович

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ АСТРООРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Учебное пособие

Подписано в печать 29.12.2018 Бумага офсетная. Формат 60 × 84 1/16. Усл. печ. л. 7,67

Уч.-изд. л. 5,25. Заказ № 6887. Тираж 30 экз. Издательство Южного федерального университета

Отпечатано в отделе полиграфической, корпоративной и сувенирной продукции Издательско-полиграфического комплекса КИБИ МЕДИА ЦЕНТРА ЮФУ

344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д. 200/1. Тел. (863) 247-80-51