КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 4, с. 303-307
УДК 629.784.015:530.145.7
МИКРОВОЗМУЩЕНИЯ НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ
© 2013 г. М. Ю. Беляев, О. Н. Волков, С. Б. Рябуха
Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева, г. Королев Поступила в редакцию 31.08.2011 г.
Приводятся результаты анализа микровозмущений на Международной космической станции при проведении различных динамических операций. Рассмотрены стыковки транспортных пилотируемых и грузовых кораблей Прогресс и Союз к различным стыковочным узлам МКС, стыковка Space Shuttle Discovery, коррекция орбиты МКС, а также, возмущения при операциях "Выход" во время работы космонавтов на внешней поверхности МКС. Анализируются результаты измерений датчиками микроускорений как российского, так и американского сегментов.
DOI: 10.7868/S0023420613040043
1. ТРЕБОВАНИЯ К УСЛОВИЯМ МИКРОГРАВИТАЦИИ
Знание уровней микроускорений, их спектрального состава и пространственного распределения — необходимое условие эффективного использования пилотируемых комплексов для решения научных и прикладных задач, уточнения математических моделей и динамических характеристик конфигураций МКС, а также контроля остаточного ресурса конструкции [1, 2].
Микрогравитационная обстановка на МКС в соответствии с программой полета формируется в основном тремя составляющими:
—фоновыми (постоянно действующими) возмущениями, связанными с функционированием штатного оборудования МКС (агрегатов системы терморегулирования, компрессоров бортовых кондиционеров, насосов и вентиляторов системы жизнеобеспечения, вентиляторов воздуховодов и систем охлаждения научной аппаратуры);
—периодическими возмущениями, создаваемыми экипажем станции при проведении физических упражнений [3];
—редкими (единичными) возмущениями, связанными с проведением динамических операций (стыковок и расстыковок космических кораблей к МКС, коррекциями орбиты), операцией "Выход".
В данной статье рассматриваются возмущения микрогравитационной среды, обусловленные проведением динамических операций, а также операцией "Выход".
Для МКС еще на этапе разработки были определены необходимые требования к условиям микрогравитации, согласно которым, в течение не менее 180 суток в году (по 30 суток непрерывно) среднеквадратичные значения ускорений
(СКУ) на станции не должны превышать нижеуказанных значений, в зависимости от частоты: квазистатические ускорения должны быть не более 1 цg, среднеквадратичные значения в 1/3 ок-тавных поддиапазонах, осредненные по интервалам 100 с, не должны превышать 1.6 pg при 0.01 < < f < 0.1 Гц, 16f pg при 0.1 < f < 100 Гц, 1600 pg при 100 < f < 300 Гц, амплитуда нестационарного (переходного) возмущения не должна превышать 1000 pg. Здесь g — ускорение свободного падения на поверхности Земли, f — частота действующих микроускорений, pg — 10-6g.
Для анализа результатов бортовых измерений применяются специально разработанные алгоритм и программы спектрально-корреляционного анализа [3, 5]. В статье анализируются следующие характерные параметры вибропроцессов:
— среднее значение — оценка математического ожидания вибропроцесса m [pg]
L-1
mx = L 2 xk. (1)
k=0
где xk, k = 0, ..., L — 1 — реализация случайного процесса, L — количество отсчетов дискретного временного ряда.
— средняя мощность процесса W, [pg2],
L-1
W = L 2 xk . (2)
k=0
— среднеквадратическое ускорение (СКУ) [pg],
d = 4W - mX . (3)
— эффективное значение ускорений Aef, [pg];
Aef = = 4mX + a2 . (4)
304
БЕЛЯЕВ и др.
При сравнительном анализе результатов, полученных с использованием различных типов измерительной аппаратуры, а также для удобства представления информации в соответствии с требованиями, предъявляемыми к МКС, целесообразно использовать представление среднеквадратичных значений микроускорений (СКУ) по стандартным 1/3 октавным поддиапазонам частот.
2. СТЫКОВКА ТРАНСПОРТНЫХ КОРАБЛЕЙ
Различают два вида стыковок российских транспортных кораблей Прогресс и Союз к МКС: стыковка вдоль продольной оси МКС (вдоль оси ХМКС) и стыковка перпендикулярно продольной оси МКС (вдоль оси ZМКС). И в том и другом случае возникают достаточно мощные кратковременные возмущения. Для распределения микровозмущений по осям МКС введем систему координат ОХYZ. Система координат ОХYZ с началом О в центре масс МКС определяется следующим образом: ось Х направлена вдоль продольной оси МКС, в сторону от РС МКС, ось Z направлена в "Надир", а ось Yдополняет систему до правой.
Рассмотрим вначале стыковку 11. VI.2003. транспортного грузового корабля (ТГК) Прогресс М1-10 к стыковочному отсеку (СО-1), расположенному по оси Z МКС. Во время данной операции система кондиционирования воздуха не работала.
Динамическая операция "стыковка" начинается с механического касания элементов стыковочных агрегатов корабля и станции, которые затем входят в механическое зацепление ("захват"), после чего начинается стягивание объектов, по окончании которого происходит сцепка замков. В этот момент собственно динамическая операция "стыковка" заканчивается. Далее производится проверка герметичности стыка, после чего можно открыть люки и переходить из объекта в объект. Но эти операции в определение "стыковка" уже не входят.
На российском сегменте МКС микроускорения, возникающие в процессе ее эксплуатации, измеряются трехкомпонентными датчиками ИМУ-128 (измеритель малых ускорений). Эти трех-компонентные датчики, установленные на служебном модуле (СМ), работают в диапазонах частот от 0.01 Гц до 10 Гц и амплитуд от ±5 • 10-4 м/с2 до ±10-1 м/с2 [4]. Для расширения рабочего диапазона прибор ИМУ-128 имеет два выхода: первый — "грубый" (10-3—10-1) g когда сигнал находится в диапазоне 0.6—6.0 В. Если сигнал находится в диапазоне 0—0.6 В, он усиливается с коэффициентом 10 и подается на второй — "точный" выход. Датчики ИМУ-128 размещены в пяти сечениях СМ в основном по 4-ой конструктивной плоскости [5].
Во время "стыковки" вдоль оси Z МКС (направление стыковки) текущие значения ускоре-
ний превышали уровень 10 mg, а среднеквадратичные ускорения в диапазоне 0—23.57 Гц возросли от 0.5 до ~1.3 mg (mg — 10-3 g). Эффективные значения ускорений до стыковки и после ее завершения не менялись и не превышали величины ~0.5 mg. При "стягивании" соединения они возросли до значений ~0.6 mg.
Среднеквадратичные ускорения по 1/3-октав-ным диапазонам в служебном модуле российского сегмента при "стягивании" ТГК и стыковочного отсека в низкочастотной области до 0.1 Гц возросли более чем в 2 раза, а в области 2.5—10 Гц — на такой же порядок уменьшились.
Процесс данной стыковки регистрировался и на американском сегменте МКС. Низкочастотные измерения проводились датчиком МАМ8-ossraw (с частотой опроса Ш = 10 Гц и фильтрацией с частотой Шс = 1 Гц [6]). Вибрационные параметры возмущений режима оценивалась датчиком 121102 аппаратуры 8АМ8-2 с частотой опроса = = 250.0 Гц, частотой отсечки фильтра Шф = 100.0 Гц и периодом дискретизации М = 0.004 секунд.
До и после стыковки суммарные эффективные значения ускорений в частотном диапазоне 0—25 Гц в лабораторном модуле американского сегмента МКС почти не изменились и по порядку величины (~0.4—0.5 mg) соответствовали возмущениям на российском сегменте. В частотном диапазоне 0—200 Гц эффективные значения достигали величины 1.6 mg. В момент "касания" вдоль оси — Z МКС зафиксирована перегрузка около 2 mg. Максимальные значения среднеквадратичных ускорений при механическом захвате зафиксированы в поперечной плоскости лабораторного модуля. Эффективные значения и среднеквадратичные отклонения составляли 46.687 и 43.478 ц^ соответственно. В то же время значения текущих ускорений вдоль конструктивных осей американского лабораторного модуля изменялись в следующих диапазонах: по оси +Х: —999.97—ь498.72 по оси -Т: -1870.1-+626.09 по оси -1969.9+443.1 №.
Также была рассмотрена стыковка 10.IX.2005 ТГК Прогресс М-54 к агрегатному отсеку СМ, расположенному по оси -Х. Во время данной операции система кондиционирования воздуха работала.
В табл. 1 приведены значения среднеквадрати-ческих отклонений и максимальных амплитуд за период данной операции. Датчик 5ИМУ находился ближе всех к месту стыковки, далее находился датчик 3ИМУ, и самый дальний датчик от места стыковки - 1ИМУ.
По мере удаления от места стыковки суммарные среднеквадратичные ускорения уменьшаются. Датчик 5ИМУ зафиксировал СКУ вдоль осей Т и Z выше чем СКУ вдоль оси стыковки, что можно объяснить несовпадением стыковочной оси ТГК и продольной оси МКС при касании. Для датчиков, расположенных дальше от места сты-
Таблица 1
Оси МКС
10.IX.2005 г., ТМЗ ~ 17.42.07.
ПхО - 1ИМУ
РО1/РО2 - ЗИМУ
ПрК - 5ИМУ
ü, а min, а max, ü, а min, а max, ü, Ц? а min, а max, Ц£
X Y Z 149.9 22.9 149.9 -3916 -552.9 -4661 5778 -0.41 3813.5 239 150.9 158.2 -10555 -2737 -4231 8583.9 2420 5259 163.6 237.1 342.2 -9381 -4353 -10162 8224 3192 9924.7
Таблица 2
Оси МКС 31.111 2006 г. Тмз « 07.19.27 ДМВ
ПхО - 1ИМУ Стык РО1/РО2 - 3ИМУ ПрК - 5ИМУ
ü, а min, а max, Ü, Ц? а min, а max, Ü, Ц? а min, а max, Ц£
X Y Z 272.08 266.39 727.31 -4070.4 -2985.8 -9899.7 5700 2617.2 9745.7 418.83 210.97 452.11 -5955.4 -2419.8 -5970.7 5298.2 2023.1 6128.8 319.4 284.7 62.401 -5660.7 -3274.9 -593.11 4090.3 2030.3 -0.3559
ковки, уровень СКУ для оси Х (оси стыковки) выше, чем для других осей.
Рассмотрена также стыковка ТПК Союз ТМА-8 к функционально-грузовому блоку (ФГБ), к его стыковочному узлу, расположенному по оси Z МКС. Стыковка проводилась 31.Ш. 2006. В табл. 2 приведены значения среднеквадратических отклонений и максимальных амплитуд при стыковке к функционально-грузовому блоку. В этом случае наиболее близким датчиком к месту стыковки является датчик 1ИМУ, далее находился датчик ЗИМУ и самый дальний датчик от места стыковки — 5ИМУ., Здесь, как и при стыковке к стыковочному отсеку, максимальные амплитуды текущих ускорений до ±10 mg зафиксированы вдоль оси Z. В этом случае суммарные среднеквадратичные ускорения также уменьшаются при удалении от места стыковки.
В табл. 3 приведены сравнительн
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.