ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 6, с. 57-66
УДК 536.532.516.548.621
МЕТОДЫ, СРЕДСТВА И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ "ФОТОН"
© 2004 г. М. В. Волков, А. В. Егоров
Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П. Бармина, Москва, Россия
Поступила в редакцию 29.08.2003 г.
В статье сформулированы принципы диагностирования технологических установок, разработанных ФГУП "КБОМ им. В.П. Бармина" для проведения работ по космическому материаловедению на борту автоматических космических аппаратов (КА) "Фотон". Дана краткая характеристика систем измерения параметров движения элементов конструкции, проведен анализ результатов измерения и оценка уровней ускорений в полосе частот 0-500 Гц в зоне проведения технологических работ в установках. Определены основные источники виброускорений, действующих на корпус установок в капсуле в зоне проведения технологических процессов. Показано, что в полосе частот 1-500 Гц виброускорения создаются работой агрегатов КА "Фотон", привода перемещения капсулы во время проведения технологического процесса и на корпусе капсулы достигают значений (1-3) ■ 10-3#. Уровень линейных ускорений в области инфранизких частот определяется вращательными движениями КА "Фотон", зависит от места расположения установки относительно центра масс КА и в стационарном режиме в зоне проведения технологических работ не превышает (1-7) ■ 10-6#.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных задач обеспечения необходимых условий проведения экспериментов по физике жидкости, материаловедению и биотехнологии в условиях невесомости на борту КА является получение достоверной информации о характере механических возмущений в зоне проведения работ в технологических установках. Силовое поле в этой зоне, влияющее на процессы массоперено-са, определяется уровнем остаточных ускорений на борту КА. Имеются многочисленные примеры отрицательного влияния квазистатических ускорений на рост кристаллов в космосе. В ряде работ [1-3] обнаружены периодические неоднородности кристаллов с периодом, равным половине периода обращения КА вокруг Земли. Эти данные убедительно показывают, что низкочастотная часть спектра ускорений играет важную роль. Заметим также, что не было выявлено заметного влияния высокочастотной части спектра ускорений на структуру выращенных в космосе полупроводниковых кристаллов. Однако исследование эффекта вибрационных ускорений не было таким полным, как в случае квазистатических ускорений. В настоящее время проводятся интенсивные исследования динамических условий на борту КА и их влияния на процессы, протекающие при производстве материалов в космосе.
Вопрос о допустимых уровнях ускорений требует достоверного знания распределения уровней ускорений как в низкочастотной, так и в высокочастотной области в зоне проведения работ на
технологических установках. Эти знания нужны для уточнения условий получения материалов с заданными свойствами. Идеальным методом изучения динамики технологической среды (материала в твердой или жидкой фазе) было бы измерение ее ускорений, однако оно затруднено из-за высокой температуры. Поскольку движение исследуемой технологической среды связано с движением корпуса капсулы, в которой она размещается во время проведения процесса, поведение корпуса капсулы в инерциальном пространстве изучалось путем измерения его линейных ускорений вдоль трех взаимно ортогональных направлений.
Определение источников механических возмущений технологической среды и путей их распространения привело к необходимости измерения ускорений различных узлов установок и элементов их крепления на КА. Многообразие конструктивных вариантов капсул с исследуемыми материалами потребовало создания их имитаторов и проведения измерений в них ускорений при различных режимах работы оборудования.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Для получения данных по ускорениям элементов конструкции установок УЗ01, УЗ04, УК02Б, "Полизон" в КБОМ проведены разработки систем измерения малых ускорений СИУ01, СИУ02, СИУ03. Измерения ускорений с их помощью проводились, начиная с полета КА "Фотон-2" в 1986 г.
и до полета КА "Фотон-10" в 1995 г. На КА "Фо-тон-11" в 1997 г. и на КА "Фотон-12" в 1999 г. в составе технологического оборудования КБОМ для измерений применялась аппаратура QSAM, разработанная специалистами Германского центра DLR.
Учитывая то обстоятельство, что динамический диапазон измеряемых ускорений в интересующей нас области частот от 0 до 500 Гц недоступен для измерения одной системой, при разработке систем измерения ускорений в КбОм была принята концепция разделения частотного диапазона измеряемых ускорений на два поддиапазона: низкочастотный - в полосе частот 0-1 Гц и высокочастотный - в полосе частот 1-500 Гц. Низкочастотный диапазон изучался с помощью систем СИУ03 и QSAM, высокочастотный диапазон - с помощью систем СИУ01, СИУ02 и QSAM.
Система СИУ01 содержит трехкомпонентный блок датчиков ускорения и вторичный блок ВПН-132 - трехканальный преобразователь сигналов датчиков в напряжение. Особенность системы СИУ01 заключается в том, что здесь применены высокочувствительные пьезоэлектрические датчики ускорения ВДН-131 со встроенными усилителями заряда и преобразователи сигналов датчиков с автоматическим выбором коэффициента усиления усилителей в зависимости от уровня сигналов датчиков. Такое решение было продиктовано отсутствием данных об уровнях измеряемых ускорений на КА "Фотон" в начале проведения работ по диагностике механических возмущений, действующих на КА в процессе проведения технологических работ по космическому материаловедению. Система СИУ01 обеспечивает измерение линейных ускорений от 3 ■ 10-6 до 3 ■ 10-1g в диапазоне частот 2-200 Гц.
Система СИУ02 содержит трехкомпонентный блок датчиков ускорения, три одноканальных усилителя ВПН-134 и один трехканальный преобразователь ВПН-135. Отличие системы СИУ02 от системы СИУ01 заключается в том, что в ней применены широкополосные пьезоэлектрические датчики ускорения АНС-14-04. Кроме того, в СИУ02 по каждой измерительной оси формируются три независимых канала с постоянными, отличающимися в десять раз коэффициентами усиления 1, 10, 100. Система СИУ02 обеспечивает измерение линейных ускорений по трем взаимно ортогональным осям КА от 10-5 до 3 ■ 10-1g в диапазоне частот 1500 Гц.
Система СИУ03 содержит трехкомпонентный блок кварцевых автогенераторных датчиков ускорений типа ПВ-1М и трехканальный преобразователь частотно-модулированного сигнала датчиков в 23-разрядный параллельный двоичный код, пропорциональный текущему значению периода частоты датчиков ускорения. Она обеспечивает измерение линейных ускорений по трем
взаимно ортогональным осям КА от 1.7 ■ 10 7 до 1 g в диапазоне частот 0-0.1 Гц.
Аппаратура ОБАМ имеет в своем составе: 1) систему измерения низкочастотных линейных ускорений от 5 ■ 10-7 до 10-^ в диапазоне частот 00.02 Гц; 2) систему измерения высокочастотных линейных ускорений от 5 ■ 10-^ до 0.1 g в диапазоне частот 0.01-50 Гц; 3) систему измерения угловых скоростей от 5 ■ 10-3 °/с до 10 °/с в диапазоне частот 0-1 Гц.
Измеряемая информация с систем СИУ01 и СИУ02 регистрировалась бортовым магнитофоном МИР-5 и обрабатывалась на Земле с помощью стойки воспроизведения ИС-3401М и анализатора спектра СК4-72. Спектральный анализ данных измерений проводился в режиме выделения максимальных значений гармонических составляющих виброускорений и в режиме линейного усреднения за все время измерения.
Информация с системы СИУ03 через бортовую радиотелеметрическую станцию записывалась на магнитную ленту наземной телеметрической станцией и затем переписывалась на дискеты для последующего анализа на персональном компьютере.
Информация с датчиков аппаратуры ОБАМ записывалась на борту КА на оптический диск и на Земле обрабатывалась по специальной программе, позволяющей определять изменение измеряемых параметров во временной области в течение полета и проводить спектральный, векторный и корреляционный анализ полученных данных.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ УЗЛОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Перед началом летных испытаний были проведены наземные эксперименты с целью определения уровня ускорений корпуса установки УЗ01, создаваемых работой производственного оборудования испытательного корпуса КБОМ, бортового оборудования КА "Фотон-2" и привода перемещения капсулы установки УЗ01. Установка УЗ01 размещалась в КА "Фотон-2". Измерение ускорений проводилось с помощью системы СИУ01 в полосе частот 2-200 Гц. Датчики ускорения системы СИУ01 устанавливались по трем ортогональным направлениям на раме КА "Фотон-2", на которой была закреплена установка УЗ01. Измерения показали, что "фоновый" уровень спектральных составляющих виброускорений корпуса отключенной установки УЗ01, находящейся в КА "Фотон-2", на порядок ниже уровня ускорений, создаваемых работающим в стационарном режиме оборудованием КА "Фотон-2". При включенном приводе перемещения капсулы максимальный уровень ускорений корпуса установки УЗ01
Ускорение,
2.5 г
— -о — Z Привод включен при V = 15 мм/ч
--*— X Привод включен при V = 15 мм/ч
-•— У Привод включен при V = 15 мм/ч
О Z Привод отключен
--* — X Привод отключен
-*— У Привод отключен
450 500 Частота, Гц
Рис. 1. Спектр виброускорений корпуса установки "Полизон" при скорости перемещения капсулы V = 15 мм/ч.
повышается в 1.3-1.5 раза по сравнению с уровнями, определяемыми работающим оборудованием КА "Фотон-2" и достигает значений (2.5-5.4) • 10-3£ по разным направлениям. Эти данные подтвердили возможность оценки уровня ускорений корпуса установки У301 в наземных условиях и позволили выполнить настройку штатного комплекта системы СИУ01 по диапазону измерения для работы в условиях полета КА "Фотон-2".
Более детальные исследования ускорений в наземных условиях проведены на современной многопозиционной установке "Полизон". С помощью системы СИУ02 определялись виброускорения корпуса установки и корпуса капсулы в полосе частот 1.0-500 Гц. Ускорения корпуса устано
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.