Проведено аналіз конструктивних особливостей французького космічного апарату (КА) «Спот-4», які дозволили повністю нівелювати вплив квазистатической компоненти мікроускореній на якість виконання покладеного завдання. Наведено оцінки мікроускореній, що виникали під час польоту КА, за допомогою моделі з аналізом руху КА і фрактальної моделі, що використовує функцію Вейерштрасса Мандельброта.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Сідельників А. В., Подлеснова Д. П.


In work the analysis of design features of French space vehicle "Spot-4" which completely have allowed to level influence Low-frequency components of microacceleration on quality of performance of the assigned problem is carried out. Estimations microacceleration arising during flight space vehicle with the help of model with the analysis of movement КА and fractal are given the model using function of Weierstrass-Mandelbrot.


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Природні науки
    Наукова стаття на тему 'Космічний апарат «Спот-4» як приклад успішної боротьби з квазистатической компонентою мікроускореній'

    Текст наукової роботи на тему «Космічний апарат« Спот-4 »як приклад успішної боротьби з квазистатической компонентою мікроускореній»

    ?УДК 531/534; 629.783: 523.3

    КОСМІЧНИЙ АПАРАТ «СПОТ-4» ЯК ПРИКЛАД УСПІШНОЇ БОРОТЬБИ З квазістатична компонентів МІКРОУСКОРЕНІЙ

    © 2007 г. А.В. Сідельників, Д.П. Подлеснова

    In work the analysis of design features of French space vehicle "Spot-4" which completely have allowed to level influence Low-frequency components of microacceleration on quality of performance of the assigned problem is carried out. Estimations microaccelera-tion arising during flight space vehicle with the help of model with the analysis of movement КА and fractal are given the model using function of Weierstrass-Mandelbrot.

    Проблема мікроускореній стала найважливішою проблемою космічного матеріалознавства після невдач ряду експериментів на борту американських космічних лабораторій серії «Sky lab», запущених в космос, починаючи з 14 травня 1973 р Її вивчення і аналізу присвячена велика кількість робіт, проте до цих пір не розроблений ефективний спосіб боротьби з мікроускореніямі при проведенні технологічних процесів в космосі [1]. Виявилося, що мікро-прискорення закладені як в конструктивно-ком-новочной схемою (ККС) КА, так і в способі управління ім. Багато технологічних процесів є енергоємними і вимагають включення в ККС КА протяжних панелей сонячних батарей (ПСБ) для забезпечення стабільного енергоживлення. Крім достатньої ефективної площі ПСБ необхідна їх жорстка орієнтація в просторі, що призводить до активної орієнтації КА за допомогою керуючих ракетних двигунів системи орієнтації і управління рухом (Урд). Включаючись, Урд збуджують коливання ПСБ, які, передаючись через вузол кріплення на корпус КА, породжують поле мікро-прискорень у всьому внутрішньому просторі апарату.

    З іншого боку, вплив мікроускореній на результати технологічних процесів вивчено недостатньо. Крім жорсткого обмеження модуля мікроускореній, в деяких випадках, наприклад, при кристалізації з розплавів необхідно обмежувати швидкість зміни мікроускореній [2].

    Слід зазначити труднощі отримання достовірних експериментальних даних, так як високочутлива апаратура, за допомогою якої проводиться оцінка мікроускореній, відчуває значні перевантаження на старті і може вийти з ладу. Багато різних акселерометрів було випробувано на російських КА серії «Фотон». При цьому дослідники часто стикалися з неузгодженістю даних різних приладів комплекту французької апаратури ВЕТА на КА «Фотон-11» [3], німецької апаратури QSAM на КА «Фотон-12» [4] і т.д. Однак апарати цієї серії позбавлені ПСБ і навряд чи можуть розглядатися як прообрази майбутніх космічних лабораторій, де можна здійснювати серійне виробництво, так як найтриваліший термін їх активного існування не перевищує 18 діб.

    Таким чином, з одного боку, проблема мікроускореній не нова, але з іншого - не варто очікувати її швидкого вирішення, оскільки ще не накопичений достатній досвід як експериментальної бази і математичного моделювання, так і впливу характеристик поля мікроускореній на ті чи інші технологічні процеси.

    24 березня 1998 року, в допомогою ракети-носія Арі-ан-4 був проведений запуск французького КА «Спот-4» в рамках європейської програми спостережень за наземними об'єктами [5]. Апаратура КА дозволяла отримувати зображення з роздільною здатністю до 20 м. Для виконання цього завдання необхідно було забезпечити низький рівень мікроускореній, щоб картинка не виглядала змащеній. Процес зйомки в режимі реального часу не є настільки гравітаційно чутливим, як, наприклад, вирощування монокристалів або отримання надчистих матеріалів, однак якість виконання завдання безпосередньо залежало від модуля мікроускореній на борту КА під час зйомки.

    Низька енергоємність процесів, що відбувалися на борту КА, дозволила використовувати ККС з одного ПСБ, що складається з п'яти однакових секцій з розміром 2,6 ^ 1,9 м кожна. Причому ця єдина панель кріпилася до корпусу КА за допомогою пружної штанги довжиною 2 м [6]. Такі конструктивні особливості дозволили розробникам КА не враховувати квазістатична компоненту мікроускореній, передану на корпус через власних коливань пружних елементів. За оцінками фахівців РКК «ЦСКБ-Прогрес», які моделювали динаміку КА на орбіті, значно більший внесок в загальний рівень мікроускореній вносила вібраційна складова, породжувана обертанням маховиків системи пасивної орієнтації КА.

    Для пояснення цієї позиції розглянемо випадок жорсткого кріплення ПСБ КА до корпусу. Орбіта КА висотою 832 км дозволяє знехтувати впливом на його рух аеродинамічного опору і гравітаційної силою і моментом з боку Землі як величинами менше, ніж 10-7 м / с2 [7]. Розглядаючи тільки обертальний рух КА навколо свого центру мас і представляючи ПСБ пластиною, на основі варіаційного принципу Гамільтона-Остроград-ського була отримана оцінка квазистатической компоненти мікроускореній від коливань жорстко забитої в корпус ПСБ в місці розташування телеметричної апаратури, враховуючи, що момент від Урд КА « спот-4 »дорівнював 4,5 Нм. Детально математична модель оцінки мікроускореній, використовуючи аналіз руху КА по орбіті, розглянута в [8]. Оцінка показує, що модуль квазистатической компоненти мікроускореній не перевищував би в цьому випадку 14 мкм / с2 (рис. 1).

    При отриманні даної оцінки враховувалися перші десять форм власних коливань ПСБ. На рис. 1 показана динаміка зміни модуля квазистатической компоненти мікроускореній в перші 5 секунд після виключення Урд.

    Мікроускоренія, мкм / с 2

    Проводячи оцінку за допомогою фрактальної моделі [9] без урахування демпфірування власних коливань ПСБ, можна стверджувати, що максимальне значення модуля було б приблизно 10 мкм / с2. Даній ситуації відповідають значення Ь = 0,1 і Б = 1,992 дійсної частини функції Вейерштрасса - Ман-дельброта, яка покладена в основу фрактальної моделі, де не має місце нормальний закон розподілу мікроускореній [9]. На рис. 2 представлена ​​залежність модуля квазистатической компоненти мікроускореній між двома включеннями Урд, відповідно до цієї моделі.

    Оцінка модуля квазистатической компоненти мікроускореній для випадку кріплення ПСБ за допомогою пружного стержня проводилася за моделлю [8] із застосуванням методу початкових параметрів [10]. Вона показує, що завдяки такому конструктивному рішенню рівень мікроускореній, переданих на корпус через власних коливань ПСБ, був знижений практично на два порядки (рис. 3).

    При цьому частота першого тону зросла з 0,04 до 0,66 Гц. Цей факт дозволяє стверджувати про повне знищення квазистатической компоненти (частота до 0,1 Гц) і переведення її в вібраційну складову мікроускореній.

    Таким чином, проведені дослідження показують, що при низькій енергоємності технологічних процесів можна успішно боротися з квазистатической компонентою мікроускореній, використовуючи конструктивні методи, такі як мінімізація числа і розмірів ПСБ, а також пружне їх кріплення до корпусу КА. Правда, в цьому випадку неможливо досягти жорсткої орієнтації ПСБ на Сонце. Наприклад, при розробці в 80-90-х рр. ХХ ст. російської космічної лабораторії «Ніка-Т» для задоволення всіх споживачів енергоживленням і відведення зайвого тепла довелося включати в ККС КА дві ПСБ і одну панель радіатора, причому косинус кута між напрямком сонячних променів і нормаллю до поверхні ПСБ НЕ

    t, c

    Мал. 1. Оцінка модуля квазистатической компоненти мікроускореній за умови жорсткого кріплення ПСБ до корпусу

    t, c

    Мал. 2. Оцінка модуля квазистатической компоненти мікроускореній за умови жорсткого кріплення ПСБ до корпусу за допомогою фрактальної моделі

    Мікроускоренія, мкм / с2

    Мал. 3. Оцінка модуля квазистатической компоненти мікроускореній за умови пружного кріплення ПСБ до корпусу

    повинен був бути менше, ніж 0,9. Тому приклад КА «Спот-4» можна розглядати як універсальний засіб для створення сприятливого поля мікроускореній на борту КА. Однак якщо порівнювати термін активного існування КА серії «Фотон» (не більше 18 діб) і КА серії «Спот» (3 роки для «Спот 1-3»

    і 5 років для «Спот 4, 5»), то поряд з розвитком мікрогравітаційні платформ, які вважаються в даний час найперспективнішим напрямом для ефективного вирішення проблеми мікроускореній, цей варіант можна розглядати як прообраз космічних лабораторій для серійної реалізації деяких низько енергоємних технологічних процесів.

    література

    1. Сідельників А.В. // Сучасні наукомісткі технології. 2005. № 4. З 15-22.

    2. Земсков В.С., Раухман М.Р., Шалімов В.П. // Механіка невагомості. Підсумки і перспективи фундаментальних досліджень гравітаційно-чутливих систем: Зб. тр. VII Рос. симп. 2001. С. 34-51.

    3. Сазонов В.В. та ін. // Космічні дослідження. 2001. Т. 39. № 4. С. 419-435.

    4. Абрашкин В.І. та ін. // Космічні дослідження. 2003. Т. 41. № 6. C. 632-651.

    5. Frazer R. H., Li Z., Landry R. // International Journal of Remote Sensing. 2000. Vol. 21. № 18. Р. 3525-3532.

    6. Achard F. et al. The Vegetation Instrument on Board SPOT-4-A Mission for Global Monitoring of the Continental Biosphere. Toulouse, 1990..

    7. Сідельників А.В., Бязіна А.В., Іванова С.А. // Наукові читання в Самарському філії РАО. Ч. 1: Природознавство. М., 2003. C 137-158.

    8. Авраменко А.А., Сідельників А.В. // Изв. вузів. Авіаційна техніка. 1996. № 4. C. 22-25.

    9. Сідельників А.В. // Изв. вузів. Авіаційна техніка. 2006. № 3. C. 1-3.

    10. Титов Б.А., Вьюжанін В.А., Дмитрієв В.В. Формування динамічних властивостей пружних космічних апаратів. М., 1995.

    Інститут енергетики і транспорту Самарського державного аерокосмічного університету

    17 листопада 2006 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити