КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 5, с. 373-379
УДК 629
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОУСКОРЕНИЙ НА БОРТУ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКА КОНВЕКЦИИ
ДАКОН-М
© 2012 г. Г. Ф. Путин1, А. Ф. Глухов1, И. А. Бабушкин1, Д. А. Завалишин2, М. Ю. Беляев3, А. И. Иванов4, В. В. Сазонов5
Пермский государственный университет, г. Пермь 2ОАО "Российские космические системы", г. Москва 3Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева, г. Королев 4ЦНИИМАШ , г. Королев 5Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, г. Москва Поступила в редакцию 17.11.2011 г.
Описаны результаты экспериментов с датчиком конвекции ДАКОН-М на борту Российского сегмента Международной космической станции. Проведено сопоставление измерений датчика и результатов расчета квазистатической компоненты микроускорения в точке его установки. Для сопоставления взяты три отрезка измерений из экспериментов 2009 года, во время которых проводились стыковки космических кораблей со станцией, отстыковки от нее, и происходило срабатывание реактивных двигателей системы ориентации. При расчете микроускорения использованы данные измерений низкочастотного акселерометра MAMS, установленного в Американском сегменте, и телеметрическая информация о вращательном движении МКС. Эта информация позволила пересчитать измерения MAMS в точку установки датчика конвекции ДАКОН-М. Сравнение показаний датчика и расчетных микроускорений показало достаточно точное совпадение расчетных и измеренных данных.
ДАТЧИК КОНВЕКЦИИ ДАКОН-М
Датчик конвекции ДАКОН-М представляет собой полость в форме цилиндра, заполненную углекислым газом. Диаметр и высота цилиндра имеют одинаковое значение Ь = 10 см. На противоположных основаниях цилиндра поддерживается фиксированная разность температур АТ = 60°С. Внутри полости установлены две дифференциальные термопары для измерения разностей температур в двух парах фиксированных точек. Эти разности температур — показания датчика. Датчик ДАКОН-М является усовершенствованным вариантом датчика ДАКОН, эксперименты с которым проводились на орбитальной станции Мир [1]. Как показано в [2—4], показания датчика конвекции зависят от испытываемых им микроускорений. Такой датчик — пример гравитационно-чувствительной системы.
Измерения ДАКОНа-М выдаются в цифровом виде с шагом в одну секунду. Чтобы проинтерпретировать эти измерения, свяжем с датчиком правую декартову систему координат Бх1х2х3. Начало системы, точка Б, находится на оси цилиндра вблизи его центра. Ось Бх3 направлена по оси цилиндра от его холодного основания к горячему. Пары точек, в которых измеряются разности температур, расположены на осях Бх1 и Бх2. Точки каждой пары расположены симметрично относительно оси Бх3, причем все точки одинаково удалены от нее.
Влияние микроускорений на датчик конвекции зависит от частотных свойств датчика и микроускорений. В орбитальном полете датчик ведет себя как линейный фильтр низких частот, и его показания допускают простую интерпретацию. Обозначим Q1 и Q2 разности температур в термопарах, расположенных по осям Бх1 и Бх2 соответственно. Пусть е; и п1 (/ = 1, 2, 3) — компоненты в системе координат Бх1х2х3 низкочастотных составляющих углового ускорения этой системы и микроускорения точки Б, в ~ 0.003К-1 — коэффициент теплового расширения газа в полости. Тогда Ql ~ /1, Q2 ~ ¥г, где
F1 = kn1 - 2е2, F2 = kn2 + 2еь
к = PAT и 1.8м-1.
L
(1)
Как видно из приведенных соотношений, показания датчика могут служить интегральной характеристикой микрогравитационной обстановки на борту космического аппарата в области низких частот. Кроме того, сравнение измерений датчика с результатами математического моделирования конвекции газа в полости, полученными с учетом реальных испытываемых полостью линейных и угловых микроускорений (ср. [3—5]), позволит оценить точность принятой математи-
(а)
Y, w, 9, град
ПУТИН и др. (б)
Ю1, ю2, ю3, 10-3 с-1
(в)
d&i d&2 d&3 6 -2
dt dt dt
I, 10-6 c-
10 20 30 0 10 20 30 0
t, мин
10 20
30
Рис. 1. Отрезок 1: (а) углы, задающие ориентацию станции; (б) компоненты угловой скорости; (в) компоненты углового ускорения.
ческой модели. Все это объясняет интерес к экспериментам такого рода.
Ниже проводится предварительный анализ экспериментов с датчиком ДАКОН-М на борту МКС. Он заключается в сопоставлении показаний датчика с величинами Fl и F2. Последние рассчитаны по телеметрической информации о вращательном движении станции и по данным измерений американского акселерометра MAMS.
ИССЛЕДУЕМЫЕ ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИИ ДАКОНА-М
На исследуемых ниже отрезках времени датчик конвекции ДАКОН-М был установлен в Служебном модуле (СМ) МКС. Направления осей си-
стемы координат Бх1х2х3 датчика в строительной системе Оу1у2у3 СМ задавались формулами Бх1 = — Оу2 и Бх2 = — Оу1. При этом ось Оу1 параллельна продольной оси СМ и направлена от его переходного отсека к агрегатному отсеку, ось Оу2 перпендикулярна оси вращения солнечных батарей СМ, начало системы Оу1у2у3 находится в геометрическом центре седьмого шпангоута СМ. Координаты точки Б в системе Оу1у2у3 известны. Ниже, если не оговорено особо, компоненты векторов и координаты точек указываются в системе Оу1у2у3.
Для исследования были взяты три отрезка данных измерений ДАКОНа-М [6]. Нормированные данные измерений ДАКОНа-М, а также данные измерений микроускорений, графики
0
Характеристики выбранных отрезков данных измерений
Отрезок Интервал аппроксимации Координаты
Дата t0, ДМВ Длина, мин ДАКОН-М, м MAMS, м
1 13.II.2009 10.09.30 30.0 29.2, -0.5, -2.6 28.7, -0.3, -2.5 -6.6, -0.2, -2.8 -7.1, 0, -2.7
2 18.III.2009 23.36.40 166.7 28.7, -0.3, -2.5 34.6, 3.4, -2.7 -7.1, 0, -2.7 -1.1, 3.7, 1.9
3 25.III.2009 21.10.00 112.4 34.6, 3.4, -2.7 28.9, -0.4, -0.1 -1.1, 3.7, 1.9 -6.9, -0.1, 0.4
(а)
nl, n2, n3, 10-3 м/с2
(б)
nD , nD , nD , 10-3 м/с2
(в)
Q\, F \
0.25
0.50
10
20
30
0.06
10
20
30
0.73
10
t, мин
20
30
Рис. 2. Отрезок 1: (а) данные MAMS и их аппроксимация; (б) данные MAMS, пересчитанные в точку установки ДАКОНа-М; (в) нормированные входные и выходные сигналы ДАКОНа-М.
37.4
24.0 180
(а)
Y, у, 9, град
(б)
юх, ю2, юз, 10-3 с-1
(в)
d&i dra2 dra3
-6 -2
12.0 г
15.0 10
dt dt dt
, 10-6 с
-15.0
0 33 66 99 132 165 0 33 66 99 132 165 0 33 66 99 132 165
?, мин
Рис. 3. Отрезок 2: (а) углы, задающие ориентацию станции; (б) компоненты угловой скорости; (в) компоненты углового ускорения.
0
0
функций Р^), /2(0 и ряд вспомогательных зависимостей представлены на рис. 1—6. В таблице приведены даты, начальные точки (моменты ? = 0 на графиках) и длины выбранных отрезков измерений ДАКОНа-М, а также координаты точки установки датчика конвекции на указанных от-
резках. Все координаты указаны в системе Оу 1у2у3, начало которой перенесено в центр масс станции. Для каждого отрезка даны по два набора координат, отвечающие соответственно интервалам времени до и после начала проведения динамической операции.
0.06 Г
-0.30
(а)
«1, n2, n3, 10-3 м/с2
(б)
nD , nDD , nD , 10-3 м/с2
(в)
G'l, 1
165
-0.24
0 33 66 99 132 165 0 33 66 99 132 165
t, мин
Рис. 4. Отрезок 2: (а) данные MAMS и их аппроксимация; (б) данные MAMS, пересчитанные в точку установки ДА-КОНа-М; (в) нормированные входные и выходные сигналы ДАКОНа-М.
На отрезке 1 происходило причаливание транспортного грузового корабля "Прогресс-М" к стыковочному узлу "Пирс" станции, на отрезке 2 со станцией стыковался американский Shuttle, на отрезке 3 тот же Shuttle отстыковывался от станции. На всех выбранных отрезках МКС находилась в орбитальной ориентации, которая поддерживалась реактивными двигателями СМ или транспортного грузового корабля Прогресс-М. Порядок и длительность включения двигателей определялись бортовым компьютером с учетом информации об отклонении станции от требуемого положения. Двигатели выключались за несколько минут до начала динамической операции и включались через несколько минут после ее окончания. На выбранных отрезках данных измерений датчика конвекции имели место и контакты кораблей со станцией, и срабатывания реактивных двигателей.
ИЗМЕРЕНИЯ АКСЕЛЕРОМЕТРА MAMS
Низкочастотный акселерометр MAMS установлен в модуле Lab Американского сегмента МКС и измеряет кажущееся ускорение — микроускорение с обратным знаком. В описываемом исследовании его измерения рассматриваются как измерения микроускорения в левой системе координат Mz1z2z3, направления осей которой связаны со строительной системой СМ форму-
лами: Mz\ = Oy1, Mz2 = Oy2 и Mz3 = —Oy3. Координаты акселерометра в системе Oy1y2y3 известны.
Скорость выборки MAMS — 10 измерений в секунду, прибор позволяет измерять микроускорения в диапазоне частот 10-5—5 Гц и диапазоне амплитуд 10-6—2 • 10-3 м/с2.
Группа PIMS (Principal Investigator Microgravity Services) NASA, курирующая MAMS, обрабатывает полученные данные с целью выделения квазистатической составляющей, а также устранения смещения нуля. Обработанные PIMS данные имеют шаг по времени 16 секунд. Файлы как с исходными (сырыми) данными измерений акселерометра, так и с обработанными доступны на сайте PIMS. В данном исследовании использованы обработанные данные акселерометра, пересчитанные в систему Oy 1y2y3.
Ниже измерения MAMS рассматриваются на тех же отрезках времени, что и данные измерений ДАКОНа-М (см. таблицу). Построенные по этим измерениям графики компонент микроускорения n1, n2 и n3 изображены маркерами на рис. 2, 4, 6 с индексами "а". В таблице приведены также координаты точки установки акселерометра на указанных отрезках. Как и для ДАКОНа-М, для каждого отрезка даны по два набора координат, отвечающие соответственно интервалам времени до и после начала проведения динамической операции.
-29.0
(а)
у, у, 9, град
(б)
юь ю2, ©3, 10-3 с-1
1.20
(в)
йщ d©2 d©3 io_6 с-2 dt dt dt
21.8
12.9
0 28 56 84 112 0 28 56 84 112 0 28 56 84 112
t, мин
Рис. 5. Отрезок 3: (а) углы, задающие ориентацию станции; (б) компоненты угловой скорости; (в) компоненты углового ускорения.
0.03
0.38
(а)
«1, n2, n3, 10_3 м/с2
(б)
nD , nD , nD , 10_3 м/с2
0.14 г 1.00
(в)
Q\, F \
28 56 8
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.