Методы защиты космических аппаратов от внешних воздействий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 629.783

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

В. С. Богданова, Д. А. Замятин, В. В. Кольга

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассматриваются различные факторы космического пространства, воздействующие на космический аппарат во время его работы на орбите, и некоторые методы защиты бортовой аппаратуры КА от них.

Ключевые слова: космический аппарат, факторы космического пространства, космический мусор, защита, орбита, Земля.

SPACECRAFT PROTECTION METHODS FROM EXTERNAL INFLUENCES

V. S. Bogdanova, D. A. Zamyatin, V. V. Kolga

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

This article discusses various factors of outer space affecting the spacecraft during its operation in orbit, and some methods to protect onboard equipment from them.

Keywords: spacecraft, space factors, space debris, protection, orbit, Earth.

Обеспечение защиты космического аппарата от внешних воздействий - одна из важнейших задач проектирования ракетно-космических систем. Корпус КА должен эффективно защищать размещённое внутри оборудование от разного рода внешних воздействий, быть технологичным в производстве и иметь как можно меньшую массу. Для низкоорбитальных КА задача проектирования корпусов и защитных экранов особенно актуальна ввиду сосредоточения на низких орбитах большого количества космического мусора [1].

Процесс эксплуатации космического аппарата включает в себя следующие этапы: наземной эксплуатации, выведения на орбиту, орбитального полета -с различными для каждого из них условиями (факторами) окружающей среды. К факторам космического пространства, воздействующим на КА, относятся невесомость, вакуум, электромагнитное и корпускулярное излучения, метеорное вещество [2].

Присутствие в приземном слое (протяженностью от 300 до 2000 километров) большого количества космического мусора различных размеров, образовавшегося в процессе разрушения спутников, верхних ступеней ракет-носителей, разгонных блоков и других аппаратов и устройств, представляет серьезную угрозу безопасности автоматических и пилотируемых космических объектов. Угрозу представляют также и метеорные частицы естественного происхождения, приходящие из дальнего космоса. Значительное время полета космических аппаратов повышает для них вероятность столкновения с осколками.

Для защиты от механических повреждений при столкновении КА с космическим мусором используются специальные экраны, состоящие из нескольких

металлических пластин толщиной обычно около 0,3-0,5 мм, вызывающих разрушение потенциально опасных объектов на более мелкие осколки до момента столкновения непосредственно с корпусом КА [3].

Для предотвращения перегрева КА на его поверхность наносят специальные терморегулирующие покрытия (ТРП). В космосе теплообмен между телами происходит путем излучения. Процессы поглощения и рассеяния тепла поверхностью КА характеризуются, соответственно, коэффициентом поглощения солнечного излучения св и степенью черноты поверхности е. Для эффективного отвода избыточного тепла с поверхности КА необходимы ТРП, имеющие об ~0,1-0,3 и е ~ 0,8-0,9. Этим требованиям удовлетворяют, в частности, белые эмали, состоящие из полимерного или керамического связующего и пигмента - окислов металлов (2п0, ТЮ2, 8г02 и др.), вводимых в связующее в виде порошков с размерами частиц ~0,1-1 мкм. Под действием космического ионизирующего излучения белые ТРП окрашиваются, вследствие чего увеличивается коэффициент св. При этом степень черноты поверхности е изменяется незначительно [4].

В результате воздействия широкого спектра факторов космического пространства происходит накопление электрического заряда на поверхности корпуса КА. Вследствие бомбардировки его заряженными частицами, особенностей конструкции и применения материалов с различными электрофизическими свойствами на поверхности КА в процессе перезарядки возникает дифференциальный заряд. В результате разности потенциалов поверхности, а также в местах попадания в КА твёрдых заряженных микрочастиц возможно возникновение электростатических разря-

Решетневскуе чтения. 2017

дов (ЭСР), что приводит к возникновению паразитного электромагнитного поля (ЭМП), которое вносит помехи в работу бортовой аппаратуры (БА). По оценке экспертов, до 50 % сбоев в функционировании и отказов БА вызваны поражающим действием электризации. Определение мест возможного возникновения ЭСР основывается на анализе картин распределения потенциалов на поверхности модели КА. При таком анализе выявляются области наибольших градиентов потенциалов.

Используя численные значения потенциалов в разных узлах расчётной сетки и данные о размерах сетки, с высокой точностью рассчитываются значения градиентов потенциала. Анализ совокупности этих расчётных данных показывает, что возникновение ЭСР возможно: на остроугольных элементах; на элементах с градиентом потенциала, равным или превышающим пороговое значение ЭСР; на любом элементе поверхности КА в результате попадания твёрдой заряженной частицы [5]. Минимизация воздействия ЭСР на бортовую аппаратуру КА достигается путём установки в выявленные места элементов конструкции, понижающих значения градиента потенциала.

Библиографические ссылки

1. Богданова В. С., Замятин Д. А. Проектирование защитного экрана для низкоорбитального космического аппарата информационного обеспечения // ХЫ Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С. П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства : сб. тез. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. 565 с.

2. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.

3. Герасимов А. В., Пашков С. В., Христенко Ю. Ф. Защита космических аппаратов от техногенных и ес-

тественных осколков. Эксперимент и численное моделирование // Вестник Томского гос. ун-та. Математика и механика / Томский гос. ун-т. Томск, 2011.

4. Новиков Л. С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов : учеб. пособие. М. : Университетская книга, 2010. 192 с.

5. Моделирование распределения электромагнитного поля при электростатическом разряде на поверхности космического аппарата / Н. Д. Сёмкин, В. Л. Балакин, В. В. Брагин // Вестник СГАУ. 2012. № 2. С. 112-119.

References

1. Bogdanova V. S., Zamyatin D. A. Design of the protective screen for low-orbital information support spacecraft // XLI Academic readings on cosmonautics, dedicated to the memory of academician S. P. Korolev and other outstanding domestic scientists-pioneers of space exploration : book of abstracts. M. : MGTU im. N. E. Bauman, 2017. 565 p.

2. Chebotarev V. E., Kosenko V. E. Fundamentals of spacecraft design information support : study guide / Siberian State Aerospace University. Krasnoyarsk, 2011. 488 p.

3. Gerasimov A. V., Pashkov S. V., Khristenko Y. F. Protecting spacecraft from manmade and natural debris. Experiment and numerical simulation // Vestnik of the Tomsk state University. Mathematics and mechanics / Tomsk state University. Tomsk, 2011.

4. Novikov L. S. Radiation effects on materials of space vehicles : study guide. M. : University book, 2010. 192 p.

5. Modeling distribution of electromagnetic fields due to electrostatic discharge on spacecraft surface / N. D. Semkin, V. L. Balakin, V. V. Bragin // Vestnik SGAU. 2012. № 2. P. 112-119.

© Богданова В. С., Замятин Д. А., Кольга В. В., 2017