X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

1. Введение

Ракетно-космическая отрасль (РКО) является одним из ключевых направлений в политике государства по развитию науки и промышленности, поддержанию обороноспособности страны, развитию международного сотрудничества и обеспечению престижа России на мировой политической арене. РКО – это одно из направлений наиболее часто использующее инновационные технологии, что позволяет занимать российской космонавтике лидирующие позиции в мире.

Космическое пространство характеризуется большим количеством неблагоприятных факторов, что предъявляет особо высокие требования к приборам и системам, используемым в производстве ракетно-космической техники (РКТ). В частности система управления полетом и навигацией космического аппарата должна обеспечивать необходимую точность и надежность при действии на нее перегрузок, вибраций, радиации, климатических и других вредных воздействий.

Необходимыми характеристиками для РКТ обладает волоконно-оптический гироскоп (ВОГ). ВОГ - это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную угловую скорость вращения относительно инерциального пространства. ВОГ в большинстве случаев может заменить дорогостоящие роторные гироскопы, так как обладает рядом достоинств:

потенциально высокая точность, которая уже сейчас достигает 0,1 град/ч [1] и менее;

относительно низкая стоимость изготовления;

большой ресурс работы, так как отсутствуют вращающиеся элементы;

малое энергопотребление;

большой диапазон измеряемых скоростей;

малое время приведения в готовность;

высокая устойчивость к внешним воздействиям.

2. Вредные факторы космического полета, оказывающие влияние на работу ВОГ

При проектировании прибора, необходимо рассмотреть основные факторы, которые будут действовать на изделие в ходе эксплуатации. К главным внешним факторам, воздействующим на космический аппарат от момента старта до момента приземления спускаемого аппарата, можно отнести:

акустику и вибрации;

аэрогазодинамические эффекты;

перегрузки;

невесомость;

тепловое воздействие;

метеоритную опасность и эрозию;

воздействие космического вакуума;

электромагнитное излучение;

корпускулярные потоки;

воздействие электростатического и магнитного полей;

радиошумы.

Механические нагрузки

На активном участке полета на аппарат действуют большие линейные перегрузки и вибрации, вызванные тягой ракетных двигателей. Полётные вибрации имеют широкий спектр, частоты которого возрастают в ходе полета. В таблице 1 [2] приведено изменение перегрузки и частоты вибрации в ходе выведения космического аппарата на орбиту.

Таблица 1. Полетные перегрузки и вибрации

Продольная перегрузка, g	1..2	2..4	3	4..10	7..12
Частота вибраций, Гц	5-10	10-50	50-100	100-500	500-1000
Продолжительность полета, с	150	180	200	600	750

Отделение ступеней космических ракет производится с помощью специальных пиропатронов. В эти моменты создаётся ударное воздействие на космический аппарат, величина которого не превышает величин линейных перегрузок, вызванных тягой ракетных двигателей.

Акустический шум двигателей может вызывать сильные колебания в конструкции изделия. Звуковые вибрации воздействуют непосредственно на объект, вызывая колебания, отличающиеся от внешних механических воздействий. Акустический шум оказывает наибольшее воздействие на легкие элементы изделия, размеры которых соизмеримы с длиной звуковой волны действующего шума (печатные платы, полупроводниковые элементы, проводка, оптические элементы и т.п.).

В момент входа аппарата в атмосферу величины перегрузок могут достигать нескольких сотен g. Также аппарат может быстро вращаться вокруг своего центра масс, что будет вызывать большие инерционные силы и сложное комплексное механическое нагружение.

В ходе проектирования прибора необходимо обеспечить прочность конструкции, провести анализ виброустойчивость и, по возможности, вывести резонансные частоты за пределы вибрационного диапазона.

Невесомость

В состоянии невесомости некоторые физические явления проходят иначе. В условиях невесомости возникает большая проблема с механизмами теплообмена и отвода тепла, так как нарушается естественная конвекция жидкостей и газов. Также изменяются условия конденсации и испарения веществ. Данный вопрос является важным по той причине, что вовремя земных испытаний условия невесомости можно воссоздать только приблизительно. Соответственно, результаты анализов будут отличаться от реальных характеристик объекта в космическом пространстве [3].

Глубокий вакуум

Космическое пространство характеризуется чрезвычайно низким давлением в диапазоне 10^-8-10^-12 Па. Глубокий вакуум вызывает ускоренное испарение жидких, пластичных материалов, и материалов с невысокой температурой плавления. Газовыделению подвергаются даже конструкционные материалы. Испарение вещества вызывает изменение механических, электрических, теплозащитных и оптических свойств изделия. Для уменьшения испаряемости материалов рекомендуется применять специальные защитные пленки (фосфатирование, цементирование, покрытие оксидными пленками).

Среда с низким давлением увеличивает шанс возникновения утечки тока, пробоя и других вредных электрофизических явлений. Материалы, испаренные с более теплых элементов прибора, будут конденсироваться на более холодных неизолированных участках электрических цепей, вызывая токи утечки. Защита от данных явлений обеспечивается использованием специальных изоляционных материалов или компаундных заливок.

Температура

В условиях глубокого вакуума ухудшается теплопроводность. Для улучшения теплопередачи внутри конструкции необходимо применять посадку деталей с натягом, обеспечивать отвод тепла от наиболее нагреваемых деталей с помощью термопаст и тепловых труб.

Температура летательного аппарата на околоземной орбите может изменяться от -150 ºС до 150 ºС в зависимости от количества солнечного света, попадающего на объект. Поэтому, для приборов космического аппарата необходимо обеспечить требуемую теплозащиту.

Космическая радиация

Космическую радиацию можно разделить на электромагнитное и корпускулярное излучение. Основными источниками радиации являются:

1) Радиационные пояса Земли. Внутренний радиационный пояс находится на высоте 3,5 тысяч километров и имеет протонную радиацию (протоны высоких энергий). Внешний радиационный пояс находится на высотах 15-25 тысяч километров и имеет электронную радиацию (электроны высоких энергий). Наибольшую опасность для космического аппарата представляет внутренний пояс, так как обеспечить защиту от протонов намного тяжелее.

2) Солнечная активность. Поток солнечной энергии, излучаемой в пространство, представляет собой совокупность частиц разных энергий и природы происхождения. Это равномерное электромагнитное излучение радиодиапазона, инфракрасного, светового, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма диапазонов, корпускулярная радиация Солнца, малоэнергичные частицы солнечного ветра (со скоростями приблизительно 400 км∙с^-1) и частицы высокой энергии (электроны, протоны и тяжелые ионы), обладающие субсветовыми скоростями [4].

3) Излучение глубокого космоса. Космические лучи глубокого космоса состоят из элементарных частиц и ядер различных химических элементов, движущихся с большими кинетическими энергиями [5]. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Наиболее вероятными источниками космических лучей считаются вспышки сверхновых звёзд и образующиеся при этом пульсары.

4) Искусственные радиационные пояса Земли. Начавшаяся в 50е годы прошлого века гонка вооружений привела к появлению искусственного радиационного загрязнения околоземного пространства. В 1958-1962 годах США проводили атмосферные испытания ядерного оружия на высотах до 467 км. Цель исследования состояла в том, чтобы проверить последствия таких взрывов для низкоорбитальных спутников и баллистических ракет. В результате десятков взрывов были выведены из строя многие спутники, находившихся на низких орбитах в момент взрыва. Образовался искусственный радиационный пояс, наличие которого пришлось учитывать при планировании полетов космических кораблей в течение нескольких лет [6]. В настоящий момент один из подобных взрывов мог бы вывести из строя до 90% современных низкоорбитальных спутников и приостановил бы пилотируемые полеты на МКС.

Радиационное воздействие оказывает пагубное влияние на оптические свойства материалов, что сильно влияет на точность показаний ВОГ. Также под действием радиационного излучения резко снижается эффективность фото приемных устройств, которые входят в конструкцию ВОГ.

Воздействие микрометеоритов, пыли и космического мусора

Основная опасность, возникающая в результате данного фактора, это вероятность возникновения пробоя в корпусе космического аппарата. Средняя скорость движения микрометеоритов 20 км/с. Огромное количество микрометеорной пыли, с массой частиц менее 10^-12 грамм, вызывают эрозию элементов конструкции. Также пыль, попадающая на электропроводящие элементы, ухудшает электрические свойства объекта. Пагубное воздействие микрометеорной пыли усугубляется одновременным действием электромагнитного излучения и потоков заряженных частиц. Под действием данных излучений происходят химические реакции на поверхности аппарата, которые приводят изменениям радиационно-оптических свойств.

3. Заключение

В ходе проектирования волоконно-оптического гироскопа необходимо учитывать влияние множества факторов, возникающих на этапе выведения и в ходе полета по расчетной траектории в космическом пространстве. Тяжелые условия работы определяют особенности ВОГ космического назначения. Для обеспечения надежной работы гироскопа в процессе разработки необходимо обеспечить достаточную прочность конструкции, виброустойчивость, помехоустойчивость. Необходимо проводить климатические, вибрационные, акустические, электрические испытания, исследование влияния солнечного, радиационного и ионизирующего излучения.

Список литературы

1. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов / Под общ. ред. д.т.н. В.Я. Распопова. - СПб.: Электроприбор, 2009. — 280 с.

2. Гущин В.Н. Основы устройства космических аппаратов: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 2003. – 272 с.: ил.

3. Колесников А.В. Лекции по курсу «Испытания конструкций и систем космических аппаратов» 2007 г.

4. Космическое пространство и его влияние на элементы конструкций космических аппаратов [Электронный ресурс] : электрон. метод. пособие к практ. работам / М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т); авт.-сост.: Н. Д. Семкин, А.М. Телегин, М.П.Калаев. - Электрон. текстовые и граф. дан. (1,06 Мбайт). - Самара, 2013. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).

5. Космические лучи // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1990. — Т. 2. Добротность — Магнитооптика. — С. 471-474. — 703 с.

6. Железняков А., Розенблюм Л. Ядерные взрывы в космосе. // Новости космонавтики, 2002, № 9.

Код для цитирования: Скопировать