Справочник по модулю КИБО - Координационный научно
advertisement
СПРАВОЧНИК по японскому экспериментальному модулю JEM (―Кибо‖) 1 Предисловие В данном справочнике представлен японский модуль JEM (в СМИ чаще именуется как ―Кибо‖), являющийся составной частью Международной космической станции (МКС). В нѐм также представлены материалы по использованию ―Кибо‖ в интересах решения научных, технических, образовательных и других задач. Справочник, представляющий основы конструкции ―Кибо‖, включая оборудование для эксплуатации модуля с целью решения возложенных на него задач, может быть интересен российским разработчикам космической техники, занимающимся подготовкой учѐным и инженерам, экспериментов на МКС, российским специалистам различного профиля, сотрудничающим в рамках программы МКС и других космических проектов с коллегами из Японии и других стран. Справочник содержат большое количество графических материалов – таблиц, чертежей, схем и изображений основных составляющих модуля ―Кибо‖, что позволяет лучше понять его конструктивное исполнение и функциональные возможности. Кроме того, он содержит списки терминов и сокращений на русском и английском языках, относящихся к конструктивному исполнению и целевой эксплуатации данного модуля в составе МКС. Данный справочник подготовлен редакцией сайта КНТС при поддержке со стороны Роскосмоса. В справочнике использовались материалы из общедоступных японских, американских и российских источников. Справочник содержит 147 страниц, 82 рисунка и 36 таблиц. Ключевые слова: МЕЖДУНАРОДНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ, ЯПОНСКИЙ МОДУЛЬ ―КИБО‖, КОМПОНЕНТЫ МОДУЛЯ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ МОДУЛЯ, КОСМИЧЕСКИЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, РЭКИ. 2 СОДЕРЖАНИЕ Терминология и сокращения ………………………………………...……………………... 5 1. Предыстория создания модуля “Кибо”……………………………...…………………... 12 1.1 Введение ……………………………...……………………..…………………………….... 12 1.2 О программе МКС ……………………………...……………………………….……........ 17 1.2.1 Краткое описание МКС и еѐ задач ……………………………...…………….…........... 17 1.2.2 Основные этапы создания ―Кибо‖ ……………………………...……………………….. 20 2. Состав модуля “Кибо” (Kibo) ……………………………...……………………………... 25 2.1 Состав модуля ……………………………...……………………………............................. 25 2.1.1 Герметичный модуль PM …………………….……...…………………………….......... 27 2.1.2 Экспериментальный грузовой отсек – герметичная секция (ELM-PS) …………..…... 29 2.1.3 Внешняя экспериментальная платформа EF (Exposed Facility) ………………..……... 33 2.1.4 Экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция (ELM-ES) … 36 2.1.5 Система дистанционного манипулирования JEMRMS …………………………......... 40 2.1.6 Система межорбитальной связи (ICS) …………………………….................................. 44 3. Характеристики модуля “Кибо” ……………………………...…………………………. 46 3.1 Характеристики составляющих модуля ―Кибо‖ ……………………………................... 46 3.2 Рабочие режимы ―Кибо‖ ……………………………...……………………………............ 48 4. Основные компоненты модуля “Кибо” ……………………………................................ 51 4.1 Герметичный модуль ……………………………...……………………………................. 51 4.1.1 Краткая сводка ……………………………...……………………………........................ 51 4.1.2 Внешний облик ……………………………...……………………………...................... 53 4.1.3 Составляющие герметичного модуля PM ……………………………........................... 59 4.2 Экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция ……………..... 65 4.2.1 Краткая сводка ……………………………...……………………………........................ 65 4.2.2 Внешний облик ……………………………...………………………………………….... 66 4.2.3 Компоненты системы ……………………………...……………………………............. 68 4.3 Внешняя экспериментальная платформа EF …………………………….......................... 70 4.3.1 Краткое описание ……………………………...…………………………….................... 70 4.3.2 Чертежи ……………………………...…………………………….................................... 72 4.3.3 Составляющие платформы EF ……………………………...…………………………... 74 4.4 Экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция ……………..... 78 4.4.1 Краткое описание ……………………………...……………………………................... 78 4.4.2 Внешний облик ……………………………...……………………………...................... 80 4.4.3 Составляющие системы ……………………………...……………………………..…... 81 4.5 Дистанционный манипулятор (JEMRMS) ……………………...………………………... 84 4.5.1 Краткое описание ……………………………...……………………………….………... 84 3 4.5.2 Внешний облик ……………………………...……………………………....................... 86 4.5.3 Составляющие системы JEMRMS ……………………………………………….…...... 88 4.6 Система межорбитальной связи (ICS) …………………....………………………….…... 91 4.6.1 Краткая сводка ……………………………...…………………………………………... 91 4.6.2 Компоновка ……………………………...……………………………………………..... 93 4.6.3 Составляющие системы межорбитальной связи ICS ……………………………..…... 94 5. Эксплуатация модуля “Кибо” …………………..………...……………………………... 96 5.1 Выведение на орбиту ……………………………..………...……………………………... 96 5.2 Последовательность сборки ―Кибо‖ ……………………………………………………... 97 5.2.1 Полѐт 1J/A ……………………………...…………………………….…………………... 97 5.2.2 Полѐт 1J ……………………………...…………………………….……………………... 100 5.2.3 Полѐт 2J/A ……………………………...………………………….……………………... 105 5.3 Управление эксплуатацией модуля ―Кибо‖ …………………………………………….... 109 5.3.1 Орбитальный интерфейс (земля -―Кибо‖- земля) ……………………………………... 113 5.3.2 Наземное взаимодействие между Центром Цукуба и ЦУП НАСА …………………... 114 6. Использование модуля “Кибо” …………………….……...……………………………... 116 6.1 Аннотация ……………………………...…………………………………………………... 116 6.2 Космическая среда ……………………………...…………………………………………. 117 6.2.1 Микрогравитация ……………………………...……………………………………….... 117 6.2.2 Линия визирования и поле зрения с борта МКС ………………………………………. 118 6.2.3 Фоновая атмосфера ……………………………...………………………………………. 119 6.2.4 Космическое излучение ……………………………...…………………………….......... 120 6.2.5 Тепловая среда ……………………………...……………………………......................... 121 6.2.6 Микрометеориты и космический мусор ……………………………............................... 122 6.3 Экспериментальные полезные грузы (ЭПГ) ……………………………........................... 123 6.3.1 Экспериментальные полезные грузы для модуля РМ в составе ―Кибо‖ ………...…... 123 6.3.2 Экспериментальные полезные грузы внешней платформы EF ……………..………... 133 6.4 План использования …………………………….................................................................. 139 6.4.1 Общий график работ …………………………….............................................................. 139 6.4.2 Области использования ……………………………......................................................... 140 6.4.3 Тематика экспериментов ……………………………....................................................... 141 6.4.4 Сценарии использования модуля ―Кибо‖ до 2020 года ……………………………..... 143 Список источников ……………………………....................................................................... 147 4 Терминология и сокращения В данном справочнике приняты следующие термины и сокращения. Англо-русский список Active Thermal Control System ATCS активная система терморегулирования Antenna Pointing Mechanism APM механизм наведения антенны Audio Terminal Unit ATU терминальное аудио устройство Automated Transfer Vehicle ATV автоматический грузовой космический корабль Base Band Data Processing Unit Camera Control Panels устройство обработки данных базового диапазона BBDPU пульты управления камерами CCP люк общего механизма швартовки (для модуля РМ) CBM Hatch (for PM) передача команд и обработка данных Command and Data Handling C&DH Common Berthing Mechanism CBM общий механизм швартовки (причаливание с использованием манипуляторов) Common Gas Supply Equipment CGSE общее оборудование газоснабжения Communication and Tracking C&T связь и слежение Crew Support System CSS система поддержки экипажа Data Management System DMS система обработки данных Data Relay Test Satellite (Kodama) DRTS экспериментальный спутник передачи данных (Kodama) защита от космического мусора Debris Shield Electrical Power System электроэнергетическая система EPS блок открытой платформы герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS Exposed Facility Unit Environmental Control and Life Support System Equipment Exchange Unit СЖО – система жизнеобеспечения (букв., управление средой и поддержание жизнедеятельности) ECLSS блок сменного оборудования EEU Experiment Logistic ModuleExposed Section ELM-ES экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция Experiment Logistics Module – Exposed Section ELM-ES экспериментальный грузовой отсек - внешняя негерметичная секция (внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека) Experiment Logistics ModulePressurized Section ELM-PS экспериментальный грузовой отсек герметичная секция (герметичная секция экспериментального грузового отсека) 5 Experiment Support System ESS система поддержки экспериментов Exposed Facility EF внешняя экспериментальная платформа Exposed Facility Berthing Mechanism Exposed Facility Unit механизм швартовки внешней экспериментальной платформы EFBM внешний экспериментальный блок EFU транспортный стеллаж Exposed Pallet External Research Accommodations ERA внешние устройства для проведения исследований Flight Crew Interface Test FCIT испытания интерфейсов для лѐтного экипажа устройство захвата Grapple Fixture H-II Transfer Vehicle автоматический грузовой корабль HTV HTV ручка управления Hand Controller Hold/Release Electronics HREL электронные устройства электроника для ―удержания-отпускания‖ (грузов) ICS Exposed Facility ICS-EF система межорбитальной связи внешней экспериментальной платформы ICS-Pressurized Module ICS-PM подсистема межорбитальной связи герметичного модуля Inertial Reference Unit Inner Hatch инерциальная система наведения IRU внутренний люк IH Interface Heat Exchanger IFHX интерфейсный теплообменник International Standard Payload Rack ISPR международный стандартный рэк для экспериментальных полезных грузов Inter-orbit Communication System ICS система межорбитальной связи Inter-orbit Communication System Rack рэк системы межорбитальной связи ISS Operation Mode режим эксплуатации МКС Japanese Experiment Module JEM Japanese Experiment Module Remote Manipulator System JEM-RMS Японский экспериментальный модуль система дистанционного манипулирования Японского экспериментального модуля (Кибо) шлюз JEM Airlock JEM Airlock JEM Control Processor управляющий процессор JEM JCP JEMRMS Console консоль JEMRMS (пульт управления манипуляторами JEM System Racks рэки для систем модуля JEM Kibo Operation Mode Режим эксплуатации ―Кибо‖ Launch Restraint Trunnion опора фиксации при запуске 6 Life Science Payload Rack рэк для аппаратуры медико-биологических экспериментов LIFE грузовой модуль Logistics Module Low Temperature Loop LTL контур низкотемпературного охлаждения Main Arm MA главная стрела (манипулятора JEM-RMS) Management Data Processor процессор обработки данных MDP система данных средней скорости Medium Data System Moderate Temperature Loop контур охлаждения при умеренной температуре MTL Multi-Element Integrated Test-III MEIT-III многоэлементные комплексные испытания National Space Development Agency NASDA Национальное агентство по использованию космоса Японии модуль Harmony Node 2 Orbital Replacement Unit Outer Hatch орбитальный сменный блок ORU внешний люк OH Passive Common Berthing Mechanism PCBM пассивный общий механизм швартовки Passive Thermal Control System PTCS пассивная система терморегулирования Payload Interface Unit стыковочное устройство (интерфейс) полезного груза PIU механизм наведения Pointing Mechanism Power Distribution Box PDB щиток распределения энергии Pressurised Module РМ герметичный модуль Small Fine Arm SFA малая точная стрела Space Development Committee SDC Комитет по использованию космоса Space Station Program Task Force Space Transportation System SSPTF Рабочая группа по программе космической станции STS космическая транспортная система (―Спейс шаттл‖) рэк для хранения Storage rack Thermal Control System система терморегулирования TCS опора Trunnion Tsukuba Space Center Космический центр Цукуба TKSC механизм замены агрегатов Unit Replacement Mechanism Work Station Rack рэк рабочей станции WSR 7 Русско –английский список активная система терморегулирования ATCS Active Thermal Control System блок открытой платформы герметичной секции экспериментального грузового отсека блок сменного оборудования ELM-PS Exposed Facility Unit EEU Equipment Exchange Unit внешние устройства для проведения исследований EF Exposed Facility внешний люк OH Outer Hatch внешний экспериментальный блок ERA External Research Accommodations внешняя экспериментальная платформа EFU Exposed Facility Unit внутренний люк IH Inner Hatch герметичный модуль РМ Pressurised Module главная стрела (манипулятора JEMRMS) MA Main Arm грузовой корабль HTV H-II Transfer Vehicle грузовой модуль Logistics Module Европейское космическое агентство ЕКА European Space Agency защита от космического мусора Debris Shield испытания интерфейсов для лѐтного экипажа FCIT Flight Crew Interface Test интерфейсный теплообменник IFHX Interface Heat Exchanger Комитет по использованию космоса SDC Space Development Committee Координационный научнотехнический совет КНТС консоль JEMRMS (пульт управления манипуляторами JEMRMS Console контур низкотемпературного охлаждения LTL Low Temperature Loop контур охлаждения при умеренной температуре MTL Moderate Temperature Loop космический корабль Космический центр Цукуба КК TKSC Tsukuba Space Center 8 люк общего механизма швартовки (для модуля РМ) малая точная стрела CBM Hatch (for PM) SFA Small Fine Arm Малый исследовательский модуль («Рассвет») МИМ-1 Малый исследовательский модуль («Поиск») МИМ-2 Международная космическая станция МКС международный стандартный рэк для экспериментальных полезных грузов ISPR International Standard Payload Rack механизм замены агрегатов Unit Replacement Mechanism механизм швартовки внешней экспериментальной платформы EFBM многофункциональный лабораторный модуль («Наука») МЛМ многоэлементные комплексные испытания MEIT-III модуль Harmony Научно-производственное объединение «Энергия» научно-энергетический модуль Национальное агентство по использованию космоса Японии Exposed Facility Berthing Mechanism Multi-Element Integrated Test-III Node 2 НПО «Энергия» НЭМ NASDA National Space Development Agency Национальное управление по исследованию космического пространства (США) НАСА общее оборудование газоснабжения CGSE Common Gas Supply Equipment общий механизм швартовки (причаливание с использованием манипуляторов) CBM Common Berthing Mechanism опора Trunnion опора фиксации при запуске Launch Restraint Trunnion орбитальный сменный блок ORU пассивный общий механизм швартовки PCBM Passive Common Berthing Mechanism пассивная система терморегулирования PTCS Passive Thermal Control System передача команд и обработка данных C&DH Command and Data Handling подсистема межорбитальной связи герметичного модуля ICS-PM ICS-Pressurized Module Orbital Replacement Unit 9 пульты управления камерами Рабочая группа по программе космической станции Camera Control Panels SSPTF Space Station Program Task Force режим эксплуатации ―Кибо‖ Kibo Operation Mode режим эксплуатации МКС ISS Operation Mode Российское космическое агентство РКА ручка управления рэк для аппаратуры медикобиологических экспериментов Hand Controller LIFE Life Science Payload Rack рэки для систем модуля JEM JEM System Racks рэк для хранения Storage rack рэк рабочей станции WSR Work Station Rack рэк системы межорбитальной связи связь и слежение СЖО – система жизнеобеспечения (букв., управление средой и поддержание жизнедеятельности) Inter-orbit Communication System Rack C&T Communication and Tracking ECLSS система данных средней скорости система дистанционного манипулирования Японского экспериментального модуля (Кибо) Environmental Control and Life Support System Medium Data System JEM-RMS система межорбитальной связи ICS система межорбитальной связи внешней экспериментальной платформы ICS-EF Japanese Experiment Module Remote Manipulator System Inter-orbit Communication System ICS Exposed Facility система обработки данных DMS Data Management System система поддержки экипажа CSS Crew Support System система поддержки экспериментов ESS Experiment Support System система терморегулирования TCS Thermal Control System Служебный модуль СМ средства массовой информации СМИ стыковочное устройство (интерфейс) полезного груза PIU Payload Interface Unit терминальное аудио устройство ATU Audio Terminal Unit транспортный стеллаж Exposed Pallet узловой модуль УМ управляющий процессор JEM JCP JEM Control Processor устройство захвата GF Grapple Fixture 10 функционально-грузовой блок («Заря») ФГБ шлюз JEM Airlock щиток распределения энергии экспериментальный спутник передачи данных (Kodama) JEM Airlock PDB Power Distribution Box DRTS Data Relay Test Satellite (Kodama) экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция ELM-ES Experiment Logistic Module-Exposed Section экспериментальный грузовой отсек внешняя негерметичная секция (внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека) ELM-ES Experiment Logistics Module – Exposed Section экспериментальный грузовой отсек герметичная секция (герметичная секция экспериментального грузового отсека) ELM-PS Experiment Logistics Module-Pressurized Section электронные устройства электроника для ―удержания-отпускания‖ (грузов) HREL Hold/Release Electronics электроэнергетическая система EPS Electrical Power System Японский экспериментальный модуль JEM Japanese Experiment Module 11 1. Предыстория создания модуля “Кибо” 1.1 Введение Международная космическая станция (МКС) — пилотируемая орбитальная станция, используемая как многоцелевой космический исследовательский комплекс. МКС представляет собой синтез трѐх проектов космических станций — советско-российской орбитальной станции ―Мир-2‖, проекта американской станции Freedom, включающего в свой состав японскую космическую лабораторию ―Кибо‖(Kibo); и европейской космической станции ―Коламбус‖ (Columbus). МКС — совместный международный проект, в котором участвуют 15 стран (в алфавитном порядке): Бельгия, Бразилия, Германия, Дания, Испания, Италия, Канада, Нидерланды, Норвегия, Россия, США, Франция, Швейцария, Швеция, Япония. Cтраны-партнеры совместно осуществляют изготовление, сборку и использование МКС. Такой тип сотрудничества, в ходе которого используются новейшие технологии из разных стран в интересах создания общего объекта, не имел прецедентов в прошлом. МКС является подлинным символом глобального сотрудничества и мира, а также важным средством для осуществления исследований, нацеленных на значительные достижения в области исследования и использования космоса. История создания В 1984 году Президент США Рональд Рейган объявил о начале работ по созданию американской орбитальной станции. В 1988 году проектируемая станция была названа «Freedom» («Свобода»). В то время это был совместный проект США, ЕКА, Канады и Японии. Планировалась крупногабаритная управляемая станция, модули которой будут доставляться по очереди на орбиту кораблями «Шаттл». Но к началу 1990-х годов выяснилось, что стоимость разработки проекта слишком велика и только международная кооперация позволит создать такую станцию. СССР, уже имевший опыт создания и выведения на орбиту орбитальных станций «Салют», а также станции «Мир», планировал в начале 1990-х создание станции «Мир-2», но в связи с экономическими трудностями проект был приостановлен. 17 июня 1992 года Россия и США заключили соглашение о сотрудничестве в исследовании космоса. В соответствии с ним Российское космическое агентство и НАСА разработали совместную программу «Мир — Шаттл». Эта программа предусматривала полѐты американских многоразовых кораблей «Спейс Шаттл» к российской космической станции «Мир», включение российских космонавтов в экипажи американских шаттлов и американских астронавтов в экипажи кораблей «Союз» и станции «Мир». 12 В ходе реализации программы «Мир — Шаттл» родилась идея объединения национальных программ создания орбитальных станций. В марте 1993 года генеральный директор РКА Юрий Коптев и генеральный конструктор НПО «Энергия» Юрий Семѐнов предложили руководителю НАСА Дэниелу Голдину создать Международную космическую станцию. В 1993 году в США очень многие политики были против строительства космической станции. В июне 1993 года в Конгрессе США обсуждалось предложение об отказе от создания Международной космической станции. Это предложение не было принято с перевесом только в один голос: 215 голосов за отказ, 216 голосов за строительство станции. 2 сентября 1993 года вице-президент США Альберт Гор и председатель Совета Министров РФ международной Виктор Черномырдин космической объявили станции». С о новом этого проекте момента «подлинно словосочетание «Международная космическая станция» стало официальным названием станции, хотя параллельно использовалось и неофициальное — космическая станция «Альфа». 1 ноября 1993 Российское космическое агентство и НАСА подписали «Детальный план работ по Международной космической станции». 23 июня 1994 года Юрий Коптев и Дэниел Голдин подписали в Вашингтоне «Временное соглашение по проведению работ, ведущих к российскому партнѐрству в Постоянной пилотируемой гражданской космической станции», в рамках которого Россия официально подключилась к работам над МКС. В ноябре 1994 года в Москве состоялись первые консультации российского и американского космических агентств, были заключены контракты с фирмами- участницами проекта — «Боинг» и РКК «Энергия» им. С. П. Королѐва. Март 1995 года — в Космическом центре им. Л. Джонсона в Хьюстоне был утверждѐн эскизный проект станции. 1996 год — утверждена конфигурация станции. Она состоит из двух сегментов — российского (модернизированный вариант «Мир-2») и американского (с участием Канады, Японии, Италии, стран — членов Европейского космического агентства, а также Бразилии). 20 ноября 1998 года — Россия запустила первый элемент МКС — функциональногрузовой блок «Заря» (ФГБ). 7 декабря 1998 — космический челнок «Индевор» пристыковал к модулю «Заря» американский модуль «Unity» («Юнити», «Node-1»). 13 26 июля 2000 года — к функционально-грузовому блоку «Заря» пристыковался служебный модуль «Звезда» (СМ). 2 ноября 2000 года — транспортный корабль «Союз ТМ-31» доставил на борт МКС экипаж первой основной экспедиции. 7 февраля 2001 года — экипажем космического челнока «Атлантис» в ходе миссии STS-98 к модулю «Юнити» присоединѐн американский научный модуль «Дестини». 18 апреля 2005 года — глава НАСА Майкл Гриффин на слушаниях сенатской Комиссии по космосу и науке заявил о необходимости временного сокращения научных исследований на американском сегменте станции. Это требовалось для высвобождения средств на форсированную разработку и постройку нового пилотируемого корабля (CEV). Новый пилотируемый корабль был необходим для обеспечения независимого доступа США к станции, поскольку после катастрофы «Колумбии» 1 февраля 2003 года США временно не имели такого доступа к станции до июля 2005 года, когда возобновились полѐты космических кораблей «Спейс шаттл». После катастрофы «Колумбии» количество членов долговременных экипажей МКС было сокращено с трѐх до двух. Это было связано с тем, что снабжение станции материалами, необходимыми для жизнедеятельности экипажа, осуществлялось только российскими грузовыми кораблями «Прогресс». 26 июля 2005 года полѐты кораблей «Спейс шаттл» возобновились успешным стартом челнока «Дискавери». До окончания эксплуатации (2010 год) было выполнено 17 полѐтов на МКС, в ходе которых доставлялось оборудование и модули, необходимые как для завершения строительства станции, так и для модернизации части оборудования, в частности — канадского манипулятора. Второй полѐт космических кораблей «Спейс шаттл» после катастрофы «Колумбии» состоялся в июле 2006 года («Дискавери» STS-121). На этом шаттле на МКС прибыл немецкий космонавт Томас Райтер, который присоединился к экипажу долговременной экспедиции МКС-13. Таким образом, в долговременной экспедиции на МКС после трѐхлетнего перерыва вновь стали работать три космонавта. Стартовавший 9 сентября 2006 года челнок «Атлантис» доставил на МКС два сегмента ферменных конструкций МКС, две панели солнечных батарей, а также радиаторы системы терморегулирования американского сегмента. 23 октября 2007 года на борту шаттла «Дискавери» прибыл модуль «Гармония». Его временно пристыковали к модулю «Юнити». После перестыковки 14 ноября 2007 года модуль «Гармония» был на постоянной основе соединѐн с модулем «Дестини». Создание основного американского сегмента МКС завершилось. 14 В 2008 году станция выросла на две лаборатории. 11 февраля был пристыкован модуль «Коламбус», созданный по заказу европейского космического агентства, а 14 марта и 4 июня были пристыкованы два из трѐх основных отсеков лабораторного модуля «Кибо», разработанного японским агентством аэрокосмических исследований — герметичная секция «Экспериментального грузового отсека» (ELM PS) и герметичный отсек (PM). С 29 мая 2009 года начал работу долговременный экипаж МКС-20 численностью шесть человек, доставленый в два приѐма: первые три человека прибыли на «Союз ТМА14», затем к ним присоединился экипаж «Союз ТМА-15». В немалой степени увеличение экипажа произошло благодаря тому, что увеличились возможности доставки грузов на станцию — начата эксплуатация транспортных кораблей ATV Европейского космического агентства (первый запуск состоялся 9 марта 2008 года, полезный груз — 7,7 тонн, 1 полѐт в год). Кроме того, в 2009 году начал полѐты к станции японский автоматический грузовой корабль HTV (полезный груз — 6 тонн). 12 ноября 2009 года к станции пристыкован малый исследовательский модуль МИМ-2, незадолго до запуска получивший название «Поиск». Это четвѐртый модуль российского сегмента станции, разработан на базе стыковочного узла «Пирс». Возможности модуля позволяют производить на нѐм некоторые научные эксперименты, а также одновременно выполнять функцию причала для российских кораблей. 18 мая 2010 года успешно пристыкован к МКС российский малый исследовательский модуль «Рассвет» (МИМ-1). Операция по пристыковке «Рассвета» к российскому функционально-грузовому блоку «Заря» была осуществлена манипулятором американского космического челнока «Атлантис», а затем манипулятором МКС. В феврале 2010 года Многосторонний совет по управлению Международной космической станцией подтвердил, что не существует никаких известных на этом этапе технических ограничений на продолжение эксплуатации МКС после 2015 года, а Администрация США предусмотрела дальнейшее использование МКС по меньшей мере до 2020 года. В 2011 году полѐты многоразовых кораблей типа Space Shuttle («Космический челнок») были завершены. После этого, США остались без собственных пилотируемых кораблей, и не имеют независимого доступа к МКС. 22 мая 2012 года с космодрома на мысе Канаверал запущена ракета-носитель «Фэлкон-9» с частным космическим кораблѐм «Дракон», знаменующим первый в истории испытательный полѐт частного космического корабля к Международной космической станции. 15 25 мая 2012 года КК «Дракон» стал первым аппаратом коммерческого назначения, состыковавшимся с МКС. На начало 2013 года к МКС планируется пристыковать российский 25-тонный многофункциональный лабораторный модуль (МЛМ) «Наука». Он станет на место модуля «Пирс», который будет отстыкован и затоплен. Помимо прочего, новый российский модуль полностью возьмѐт на себя функции «Пирса». «НЭМ-1» (научно-энергетический модуль) — первый модуль данного типа, доставка планируется в 2014-м году; «НЭМ-2» (научно-энергетический модуль) — второй модуль, доставка планируется в 2015-м году. УМ (узловой модуль) для российского сегмента — с дополнительными стыковочными узлами. Доставка планируется в 2014-м году. Одной из основных целей при создании МКС являлась возможность проведения на станции экспериментов, требующих наличия уникальных условий космического полѐта: микрогравитации, вакуума, космических излучений, не ослабленных земной атмосферой. Главные области исследований включают в себя биологию (в том числе биомедицинские исследования и биотехнологию), физику (включая физику жидкостей, материаловедение и квантовую физику), астрономию, космологию и метеорологию. Исследования проводятся с помощью научного оборудования в основном расположенного в специализированных научных модулях-лабораториях, часть оборудования для экспериментов, требующих вакуума, закреплена снаружи станции, вне еѐ герметичных объѐмов. 16 1.2 О программе МКС 1.2.1 Краткое описание МКС и еѐ задач МКС – это пилотируемая человеком исследовательская лаборатория, движущаяся вокруг Земли на высоте около 400 км с периодом обращения более Земли, 90 минут. При этом на борту станции выполняются наблюдения астрономические наблюдения, а также проводятся научные эксперименты. Главные задачи МКС состоят в том, чтобы предоставить площадку для проведения долгосрочных экспериментов и исследований с использованием уникальной среды космического пространства; развивать науку и технику на базе полученных результатов таких экспериментов и исследований; вносить вклад в улучшение условий жизни человечества, а также служить средством для развития коммерциализации космической отрасли. В процессе сборки МКС для доставки еѐ составляющих использовались американские корабли ―Спейс шаттл‖ и российские ракеты-носители ―Протон‖ и ―Союз‖. Основной вклад Японии в программу МКС состоит в разработке и использовании орбитального модуля ―Кибо‖. На Рис 1.2.1-1 представлен общий вид МКС. В Таблице 1.2.1-1 приведены некоторые характеристики МКС. Рис 1.2.1-1 Общий вид МКС по состоянию на 30 мая 2011 года 17 Таблица 1.2.1-1 Характеристики МКС Эмблема МКС Параметр Значение Начало эксплуатации 20 ноября 1998 года Масса ок. 450 000 кг Производство электроэнергии 110 кВт Размеры (на 22.02.2007): Длина 72,8 м Ширина 108,5 м Высота 20,0 м Жилой объѐм Давление Температура Суток на орбите 9837 м³ (21.03.2012) 1 атм ~27 °C (в среднем) 5050 (по состоянию на 17.09.2012) Орбита Перигей 402 км (30 июля 2012 г.) Апогей 403 км (30 июля 2012 г.) Наклонение 51,6° Высота орбиты 337 - 411 км Орбитальная скорость 7706 км/с (27744 км/ч) Период обращения 92 мин 36 секунд (30.07.12 ) Суток на орбите 5053 (20 сентября 2012 г.) Витков в сутки 15.49 ( 17.09.2012) Экипаж Членов экипажа 3 человека (изначально) Обитаема с 31 октября 2000 года Дней обитания 4339 (17.09.2012) Текущая экспедиция МКС-32 Следующее посещение Союз ТМА-06М Последний грузовик Прогресс М-16М 18 6 человек (с 29 мая 2009 года) Основные модули МКС Российский сегмент МКС: Заря, Звезда, Пирс, Рассвет, Поиск Американский сегмент МКС ―Юнити‖,‖ Дестини‖, ‖Квест‖, ‖Гармония‖, ―Транквилити‖, ―Купол‖, ―Коламбус‖, ―Кибо‖ Внешние устройства для 10 на ферме МКС проведения исследований 10 на внешней экспериментальной платформе EF модуля ―Кибо‖ 4 на модуле ―Колумбус‖ 19 1.2.2 Основные этапы создания “Кибо” В июне 1982 года правительство Японии получило предложение от НАСА принять участие в программе создания космической станции. В ответ на это предложение Национальное агентство по использованию космоса Японии (NASDA - National Space Development Agency) провело научнотехническое исследование с целью определения рамок для участия Японии в программе космической станции. В августе 1982 года под эгидой Комитета по использованию космоса (Space Development Committee) была сформирована целевая Рабочая группа по программе космической станции (Space Station Program Task Force). В апреле 1985 года по результатам исследований, выполненных этой Рабочей группой, был подготовлен документ под названием "Основополагающие рамки участия в программе космической станции‖. Далее было официально объявлено об участии Японии в программе создания космической станции. В "Основополагающих рамках участия в программе космической станции‖ было обрисовано значение участия Японии в этой программе. Ниже представлено краткое изложение этого документа. (1) Приобретение высоких технологий Предполагается, что МКС будет активно и широко использовать передовые технологии. В ходе выполнения этого огромного проекта в космосе будут освоены технологии жизнеобеспечения для пилотируемых космических полѐтов. Космическая станция будет также способствовать разработке и продвижению перспективных технологий в ряде других областей, включая робототехнику, компьютеры и связь. При этом, предполагается существенное улучшение технологий. 20 стандартов перспективных (2) Продвижение науки и техники следующего поколения, расширение границ космической деятельности Космическая станция способна 1) увеличить период времени, в течение которого люди смогут находиться в космосе, 2) разместить на станции экипаж в составе нескольких человек и 3) увеличить уровень энергообеспечения и рабочее время экипажа. Это даст возможность проведения обширных программ научных наблюдений и проводить в космосе многочисленные эксперименты. Станция также увеличивает возможности совершения новых научных открытий и способствует разработке новых технологий. Кроме того, космическая станция способна выполнять роль форпоста для космической деятельности на орбите или базовой станции для поддержки пилотируемых экспедиций к Луне и планетам. Все это приведѐт к расширению границ деятельности человека в космосе. (3) Вклад в международный проект Международная ответственность Япония будет состоять во внесение вклада в использование космоса в мировом масштабе в виде технологий, созданных по независимым японским программам, или путѐм использования ―Спейс шаттлов‖. Посредством сотрудничества и участия в программе космической станции, будут поддерживаться и укрепляться отношения между США и Японией. Кроме того, японские технологии будут совершенствоваться, двигаясь в ногу с освоением космоса во всѐм мире. Япония сможет внести вклад в мировые технологии в таких перспективных областях как электроника, оптическая связь и робототехника, где Япония обладает технологическими преимуществами. (4) Содействие практическому пространства 21 использованию космического В последние годы наблюдается развитие в области осуществления экспериментов в космической среде, включая разработку материалов и производство лекарственных средств. Использование космической среды привлекает значительное внимание. Программа космической станции будет способствовать более активному использованию космической среды. Использование космоса в основном ориентировано на коммерческую деятельность. Расширение коммерческой деятельности в космосе является целью многих государств, включая США. Для достижения вышеупомянутых целей был разработан ―Кибо‖ – первый пилотируемый космический объект Японии. Рис 1.2.1-1 Японский экспериментальный модуль “Кибо” в составе МКС В Таблице 1.3-1 представлены основные вехи в создании японского модуля ―Кибо‖. 22 Таблица 1.3-1 История создания модуля ―Кибо‖ Хронология События апрель 1984 В ответ на запрос президента Рейгана агентство NASDA и уполномоченные компании начали изучение вопроса об участии Японии в программе космической станции. май 1985 Правительство Японии подписало Меморандум о взаимопонимании с НАСА относительно участия Японии в предварительном проектировании космической станции. После этого этап предварительного проектирования длился два года под эгидой японского Агентства по науке и технике. Обсуждение научно-технических и инженерных вопросов с НАСА осуществлялось в рамках NASDA. март 1987 Завершение этапа предварительного проектирования космической станции. март 1989 Подписание Меморандума о взаимопонимании между НАСА и правительством Японии. июнь1989 Законодательные органы Японии утвердили Межправительственное соглашение, отражающее вопросы детального проектирования, разработки, эксплуатации и использования регулярно посещаемой гражданской космической станции, участниками которого стало правительство США, страны-члены ЕКА, правительства Японии и Канады. Япония официально начала полномасштабную разработку японского экспериментального модуля JEM (Japanese Experimental Module) по программе космической станции. январь 1990 Япония начала проектирование основных систем и компонентов ―Кибо‖. март 1990 Было введено в силу ―Токийское соглашение‖, устанавливающее требования по стандартизации для международных стоек (рэков) полезного груза для использования в модулях МКС. Требования по стандартизации рэков обсуждались представителями НАСА, ЕКА и NASDA в русле трѐхстороннего сотрудничества. Требования по стандартизации устанавливали и определяли интерфейсы систем, в том числе внешние границы конструкции рэков, устройства крепления к модулям разрабатываемой станции, интерфейсы систем электроснабжения, охлаждения, передачи данных и видеоизображений. март 1994 Утверждение проекта реконфигурированной космической станции, которую назвали ―Международной космической станцией‖ (МКС). В ходе пересмотра и реконфигурации были пересмотрены интерфейсы между модулем, получившим рабочее название JEM, и МКС. Пересмотрена также была документация, связанная с разработкой, выведением и эксплуатацией модуля JEM. март 1994 Начало разработки лѐтного образца модуля JEM. июль 1996 Начало разработки системы межорбитальной связи модуля JEM, предназначенной для его связи с экспериментальным спутником передачи данных, известным под названием Kodama. апрель 1999 Для модуля JEM было выбрано окончательное название ―Кибо‖ (―Надежда‖). май 2000 В Космическом центре Цукуба начались испытания герметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-PS в составе ―Кибо‖ ноябрь 2000 Внешняя негерметичная секция ELM-ES модуля ―Кибо‖ доставлена в Космический центр Цукуба для проведения испытаний. сентябрь 2001 По завершении системных испытаний герметичный отсек PM модуля ―Кибо‖ доставлен в Космический центр Цукуба. октябрь 2001 Общесистемные испытания модуля ―Кибо‖ проводились с октября 2001 г. до мая 2002 г. апрель 2003 7 апреля герметичный отсек PM признан удовлетворяющим требованиям для доставки в США. май 2003 Отправка на океанском судне в Космический центр имени Кеннеди. 30 мая PM прибыл к месту назначения. август 2003 В Центре Кеннеди PM прошѐл многоэлементные комплексные испытания, которые подтвердили функциональность системы и совместимость интерфейсов между PM и 23 переходным модулем Node 2 (the connection module, Node 2). сентябрь 2003 С сентября 2003 до марта 2004 года проводились испытания герметичного отсека PM, включая подтверждение функциональных характеристик, испытания интерфейсов для лѐтного экипажа (Flight Crew Interface Test - FCIT) , испытания на герметичность, приѐмочные испытания и различные проверки. январь 2007 12 января дистанционный манипулятор модуля ―Кибо‖ - Japanese Experiment Module Remote Manipulator System (JEMRMS) - доставлен по воздуху из Центра Цукуба в Космический центр Кеннеди. март 2007 12 марта герметичная секция экспериментального грузового отсека ELM PS доставлена из гавани Иокогама в Космический центр Кеннеди. март 2008 14 марта экипаж MTKK «Индевор» («Спейс Шаттл», STS-123) временно присоединил герметичную секцию экспериментального грузового отсека ELM PS к зенитному стыковочному узлу модуля «Гармония». июнь 2008 2 июня 2008 к МКС пристыковался MTKK ―Дискавери‖(STS-124), с грузом, состоящим из герметичного модуля PM и дистанционного манипулятора JEM RMS. Модуль PM был пристыкован к модулю «Гармония». Первым в модуль вошел японский астронавт Акихико Хосидэ. июль 2009 15 июля МТКК «Индевор» (полѐт STS-127) доставил на МКС внешнюю экспериментальную платформу EF. 24 2. Состав модуля “Кибо”(Kibo) 2.1 Состав модуля Японский экспериментальный модуль JEM, также известный под названием ―Кибо‖, состоит из шести элементов: Герметичный модуль (отсек) PM (Pressurized Module) — основной компонент модуля ―Кибо‖. В нѐм находятся десять международных научных рэков (ISPR). К этому модулю крепятся 3 элемента конструкции - внешняя экспериментальная платформа, экспериментальный грузовой отсек - герметичная секция и дистанционный манипулятор. Рис. 2.1 Общий вид и составляющие модуля “Кибо” Экспериментальный грузовой отсек - герметичная секция (ELM-PS Experiment Logistics Module-Pressurized Section) Экспериментальный грузовой отсек - внешняя негерметичная секция (ELM-ES - Experiment Logistics Module – Exposed Section). Внешняя экспериментальная платформа (EF - Exposed Facility), используемая для проведения экспериментов в условиях открытого космоса. Дистанционный манипулятор (JEM RMS - Japanese Experiment Module Remote Manipulator System) — представляет собой механическую «руку-манипулятор», вмонтированную в носовую часть герметичного отсека РМ. Предназначен для перемещения оборудования между экспериментальным грузовым отсеком и внешней экспериментальной платформой. Система межорбитальной связи (ICS - Inter-orbit Communication System), предназначенная для поддержания независимой двусторонней связи между модулем 25 ―Кибо‖ и космическим центром Цукуба. С земли через спутник-ретранслятор DRTS (Kodama) передаются команды и речь, а с борта ―Кибо‖ на землю передаются экспериментальные данные, изображения и речь. 26 2.1.1 Герметичный модуль PM Герметичный модуль PM в составе ―Кибо‖ имеет длину 11,2 м и диаметр 4,4 м и массу около 16 т. Давление воздуха внутри модуля PM поддерживается на уровне одной атмосферы, обеспечивая таким образом возможность членам экипажа находиться в нѐм без скафандров. В этом модуле экипаж уникальные МКС может эксперименты проводить в Модуль “Кибо” длина: 11,2 м диаметр: 4,4 м масса: 15 900 кг условиях микрогравитации. Модуль оснащѐн 23 стойками (рэками), десять из которых являются Международными стандартными рэками ISPR для экспериментальных полезных грузов. Остальные 13 рэков предназначены для систем ―Кибо‖ и складирования. В конструкции ―Кибо‖ также предусмотрен т.н. научный шлюз JEM Airlock, через который перемещаются экспериментальные грузы. 27 Герметичный модуль PM Шлюз JEM Airlock . Рис. 2.1.1-1 Транспортировка герметичного модуля PM (на общей схеме “Кибо” модуль РМ выделен синим цветом) 28 2.1.2 Экспериментальный грузовой отсек – герметичная секция Герметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-PS (Experiment Logistics Module-Pressurized Section) модуля ―Кибо‖ содержит пространство для складирования экспериментальной аппаратуры, образцов и запасных частей. Значения давления и температуры внутреннего пространства секции ELM-PS поддерживаются на том же самом уровне, что и в герметизированном модуле PM, поэтому астронавты могут свободно перемещаться из ELM-PS в PM и наоборот. Среди всех исследовательских модулей МКС ―Кибо‖ является единственным экспериментальным модулем, имеющим собственное выделенное помещение для хранения. Секция ELM-PS была выведена на орбиту в ходе полета ―Спейс шаттла‖ STS-123, начавшегося 11 марта 2008 года. Она доставила 8 рэков (5 – рэки ―Кибо‖, 2 – экспериментальных рэка и один рэк для хранения), которые были установлены в модуле РМ. В ходе полѐта STS-123 секция ELM-PS была вначале временно пристыкована к зенитному порту модуля Harmony (Node 2), а во время полѐта STS-124 была установлена на своѐ постоянное место - зенитный порт модуля РМ. Внешний вид секции ELM-PS представлен на Рис. 2.1.2-1 и Рис. 2.1.2-2, а ее технические характеристики приведены в Таблице 2.1.2-1. Рис. 2.1.2-1. Герметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-PS при наземной транспортировке Таблица 2.1.2-1 29 Характеристики герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS (http://iss.jaxa.jp/en/kibo/about/kibo/jlp/) диаметр внешний 4,4 м диаметр внутренний 4,2 м длина 4,2 м масса 4,2 т количество мест для рэков 8 энергопотребление max 3 кВт, 120 Вольт пост. ток температура: 18,3 – 29,4 ℃ внутренняя среда проектный срок эксплуатации отн. влажность: 25-70% более 10 лет Конструктивное исполнение Герметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-PS представляет собой цилиндрический герметичный модуль. Аналогично модулю РМ герметичная секция ELM-PS предназначена для восприятия нагрузок, возникающих при запуске ―Спейс шаттла‖, выведении на орбиту и маневров МКС. ELM-PS должна обеспечить герметичность с помощью внешней оболочки, состоящей из панелей, выполненных из алюминиевого сплава. Внешняя герметизирующая оболочка прикрыта защитой от столкновения с элементами космического мусора. Секция ELM-PS оснащена следующими устройствами: Лѐтное съѐмное устройство захвата FRGF (Flight Releasable Grapple Fixture) Данное устройство используется в случаях, когда робот- манипулятор ―Спейс шаттла‖ или МКС захватывает и перемещает и секцию ELM-PS. Общий механизм швартовки CBM (Common Berthing Mechanism) Данный пассивный механизм швартовки используется для стыковки с модулем РМ. 30 Внешний экспериментальный блок EFU (Exposed Facility Unit) Данный механизм удерживает внешнюю негерметичную секцию экспериментального грузового отсека ELM-ES пока корабль HTV пристыкован к внешней экспериментальной платформе EF с целью разгрузки HTV. Цапфа Это механизм фиксации, который удерживает полезные грузы в грузовом отсеке ―Спейс шаттла‖ во время запуска и выхода на орбиту. Внутренне устройство отсека ELM-PS В отсеке имеется 8 мест для рэков. Освещение в номинальном и аварийном режиме обеспечивает система поддержки экипажа CSS (Crew Support System) 31 Рис. 2.1.2-2. Герметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-PS в составе МКС (фото сделано 6 июня 2008 года с борта “Спейс шаттла” в ходе полёта STS-124) 32 2.1.3 Внешняя экспериментальная платформа EF (Exposed Facility) Внешняя экспериментальная платформа EF модуля ―Кибо‖ представляет собой многоцелевую платформу, на которой можно располагать оборудование для научных экспериментов и выполнять эти эксперименты в условиях открытого космического пространства. Экспериментальное оборудование, расположенное (и закреплѐнное) на внешней экспериментальной платформе EF, может заменяться или изыматься с помощью Системы дистанционного манипулирования Японского экспериментального модуля JEMRMS, которой управляет экипаж из Герметизированного модуля PM. Внешний вид платформы EF представлен на Рис. 2.1.3-1 и Рис. 2.1.3-2. Основные технические характеристики EF представлены в Таблице 2.1.2-1 Рис.2.1.3-1 Внешняя экспериментальная платформа EF 33 Рис.2.1.3-2 Внешняя экспериментальная платформа EF в Космическом центре Цукуба Внешняя экспериментальная платформа EF представляет собой многоцелевую платформу, на которой можно проводить научные эксперименты в среде открытого космоса. Полезные грузы, прикрепляемые к платформе EF могут возвращаться и заменяться с помощью системы дистанционного манипулирования JEMRMS модуля ―Кибо‖. Таблица 2.1.2-1 Характеристики внешней экспериментальной платформы EF (http://iss.jaxa.jp/en/kibo/about/kibo/jef/) форма короб длина 5,2 м ширина 5,0 м высота 3,8 м масса 4,1 т количество мест крепления полезных грузов 12 располагаемое энергопотребление макс. 11 кВт 120 вольт постоянного тока проектный срок эксплуатации более 10 лет Платформа EF будет действовать будучи пристыкованной к герметичному модулю РМ. Блоки сменного оборудования EEU (Equipment Exchange Unit) способны разместить максимум 12 полезных грузов, включая экспериментальные установки для EF, внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-ES (Experiment Logistics Module-Exposed Section), негерметичная плита корабля HTV (HTV-EP - H-II Transfer Vehicle Exposed Pallet) и система межорбитальной связи IOCS (Inter-Orbit Communication System). Ниже приводятся основные конструктивные составляющие платформы EF: Механизм швартовки (причаливание с использованием манипуляторов) платформы EF Данный механизм соединяет модуль PM и платформу EF. EF подсоединена к РМ, поэтому необходимые ресурсы (энергия, связь и передача данных, теплоноситель системы терморегулирования) будут заимствоваться у модуля РМ. Платформа EF несет на себе пассивную часть механизма швартовки внешней экспериментальной платформы EFBM (активная часть располагается на модуле РМ). 34 Цапфа Это приспособление для крепления платформы EF к отсеку полезного груза ―Спейс шаттла‖ в процессе выведения EF на орбиту. Приспособления для захвата Используются манипуляторами ―Спейс шаттла‖ или МКС. Камера и осветительные приборы Блок визуализации включает в свой состав ТВ камеру, фару и поворотное устройство. Он обеспечивает возможность обзора полезных грузов платформы EF или орбитальных сменных блоков ORU. Блоки сменного оборудования EEU Эти блоки соединяют полезные грузы платформы EF и обеспечивают энергию, связь и теплоноситель системы терморегулирования для полезных грузов, установленных на EF. Орбитальные сменные блоки ORU Система электроснабжения EPS, система обработки данных DMS и система терморегулирования TCS для работы с платформой EF спроектированы в виде орбитальных сменных блоков ORU. В случае отказа эти блоки могут быть заменены на орбите. Платформа EF содержит ORU двух типов – блоки для внекорабельной деятельности E-ORU (Extravehicular Activity ORU) и роботизированные блоки R-ORU (Robot essential ORU). Четыре E-ORU могут быть прикреплены к стороне EF, смотрящей в надир, а 8 блоков R-ORU – к стороне, смотрящей в зенит. Блоки E-ORU должны заменяться в процессе выходов космонавтов в открытый космос. Блоки R-ORU заменяются с помощью системы дистанционного манипулирования JEMRMS. 35 2.1.4 Экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция (ELM-ES) Внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека (Experiment Logistics Module – Exposed Section) модуля ―Кибо‖ присоединена к консольному краю внешней экспериментальной платформы EF. Еѐ задача – обеспечить место для хранения экспериментальных грузов и образцов. Последние хранятся для дальнейшего использования в ходе экспериментов на платформе EF. На ELM-ES могут храниться до трѐх экспериментальных грузов. Кроме того, секция ELM-ES обеспечивает выполнение логистической функции когда ELM-ES отсоединяется от платформы EF и возвращается на землю на борту ―Спейс шаттла‖ c оборудованием и образцами по завершению космического эксперимента. Секция ELM-ES может пополняться заново, а затем вновь запускаться на МКС. Основные технические характеристики внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES представлены в Таблице 2.1.4.1. Таблица 2.1.4-1 Характеристики внешней экспериментальной платформы EF (http://iss.jaxa.jp/en/kibo/about/kibo/jle/) конструкция державка ширина 5,2 м высота 2,2 м длина 4,1 м масса 1,2 т (без ПГ) количество полезных грузов 3 ПГ платформы EF (различные варианты загрузки) 2 ПГ платформы EF + 3 R-ORU 2 ПГ платформы EF + 2 E-ORU располагаемое энергопотребление макс. 1,0 кВт 120 вольт постоянного тока терморегулирование нагреватель и теплоизоляция проектный срок эксплуатации более 10 лет Общий вид внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES представлен на Рис. 2.1.4-1. 36 Рис. 2.1.4-1 Экспериментальный грузовой отсек - негерметичная секция ELM-ES Конструкция ELM-ES Секция экспериментального грузового отсека ELM-ES выполнена главным образом из алюминиевых панелей сеткообразного расположения. Пять цапф крепят секцию к грузовому отсеку ―Спейс шаттла‖. Стыковочное устройство (интерфейс) полезного груза PIU (Payload Interface Unit) Данный механизм используется для крепления отсека ELM-ES к платформе EF или к герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS. Конструкция отсека ELM-ES представлена на Рис. 2.1.4-2. Цапфа Представляет собой элемент крепления платформы EF к грузовому отсеку орбитального корабля―Спейс шаттл‖ в процессе выведения на орбиту. Устройства захвата 37 Система дистанционного манипулирования МКС или манипуляторы ―Спейс шаттла‖ захватывают еѐ. Механизм крепления полезного груза Механизм крепления полезного груза PAM (Payload Attachment Mechanism) крепит полезные грузы платформы EF к отсеку ELM-ES пока последний доставляется на МКС или возвращается на землю на борту ―Спейс шаттла‖. Кроме того, данный механизм используется для временного размещения полезных грузов платформы EF. Механизм PAM имеет электроразъѐмы, которые обеспечивают энергией полезные грузы платформы EF. Внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-ES была выведена на орбиту 15 июля 2009 г. на борту ―Спейс шаттла‖ (полет STS-127). Рис. 2.1.4-2 Конструктивное исполнение ELM-ES 38 Рис. 2.1.4-3 Конструкция механизма крепления полезного груза PAM 39 2.1.5 Система дистанционного манипулирования (JEM-RMS) Система JEM-RMS выполняет роль человеческой руки в процессе проведения экспериментов, проводимых на внешней экспериментальной платформе EF. Система JEM-RMS состоит из главной стрелы MA и малой точной стрелы SFA. Каждая стрела имеет шесть сочленений. Главная стрела MA используется в первую очередь для замены полезных грузов на внешней экспериментальной платформе EF и перемещения крупных грузов. Малая точная стрела SFA, прикреплѐнная к концу главной стрелы MA, используется для выполнения более тонких операций. Экипаж станции управляет этими роботизированными манипуляторами с удаленного операторского пульта, называемого консолью JEMRMS, который расположен внутри герметизированного модуля PM. Члены экипажа могут видеть происходящее на телевизионном мониторе на консоли JEMRMS, что обеспечивают камеры, установленные на главной стреле MA. Общий виды и схемы системы JEMRMS представлены на Рис. 2.1.5-1 (5 изображений). Система JEMRMS (выделена синим цветом) в составе модуля “Кибо” Общий вид системы дистанционного манипулирования JEMRMS 40 Схема управляющей консоли JEMRMS http://kibo.jaxa.jp/en/about/kibo/rms/#MA Схема системы JEMRMS Главная стрела MA системы JEMRMS в процессе наземных испытаний Рис. 2.1.5-1 Система дистанционного манипулирования Японского экспериментального модуля (JEMRMS) Консоль JEMRMS Управляющая манипуляторами консоль JEMRMS располагается в герметизированном модуле PM . Член экипажа управляет системой JEMRMS, наблюдая на мониторе пульта JEMRMS изображения, передаваемые телевизионными камерами, установленными на стреле манипулятора. Пульт JEMRMS состоит из процессора обработки данных (Management Data Processor - MDP), портативного компьютера, ручек управления, телевизионных мониторов и электронных устройств ―удержания-отпускания‖ (Hold/Release Electronics - HREL). Портативный компьютер и ручки управления 41 используются для управления системой JEMRMS. На телевизионный монитор выводятся изображения с внешних камер. Предполагается, что срок эксплуатации системы JEMRMS на орбите превысит 10 лет. Стрелы манипулятора могут подвергаться ремонту, при этом обслуживание главной стрелы MA требует выхода людей в открытый космос. Технические характеристики системы JEMRMS приведены в Таблице 2.1.5-1 Таблица 2.1.5-1 Технические характеристики системы JEMRMS Показатель (http://iss.jaxa.jp/en/kibo/about/kibo/rms/) главная стрела MA малая точная стрела SFA главная стрела MA с присоединённой малой точной стрелой SFA обе стрелы состоят из 6 сочленений. Тип конструкции Число степеней свободы 6 6 Длина, м 10 2,2 Масса, кг 780 190 max. 7 000 кг (Размер груза: 1,85 м x 1,0 м x 0,8 м / масса MA: менее 500 кг) max. 80 кг в режиме контроля за выполнением max. 300 кг не в режиме контроля за выполнением (размеры орбитального сменного блока ORU: 0,62 x 0,42 x 0,41 м / масса: 80 кг max) перемещение 50(+/-) мм перемещение 10(+/-) мм вращение 1(+/-) град. вращение 1(+/-)град. 60 мм/с (груз: 600 -- 3 000 кг) 50 мм/с (груз: менее 80 кг) 30 мм/с (груз: менее 3 000 кг) 25 мм/с (груз: 80 -- 300 кг) 20 мм/с (груз: 3 000 -- 7 000 кг) - Макс. сила на рабочем конце более 30 Н более 30 Н Срок эксплуатации более 10 лет Грузоподъёмность Точность определения положения Скорость перемещения / вращения Главная стрела MA Главная стрела MA состоит из балок, сочленений, телевизионных камер, поворотного устройства камеры PTU, фары и концевого захвата (захватывающего устройства), который ―захватывает‖ грузы внешней экспериментальной платформы EF. В состав системы входят также три балки MA 1, 2 и 3. Видеооборудование (телекамеры, поворотное устройство и фары) присоединено к балкам MA Boom 2 и MA Boom 3. Экипаж управляет системой JEMRMS наблюдая изображения на телевизионном мониторе на консоли JEMRMS, генерируемые видеооборудованием. 42 Главная стрела MA используется в первую очередь для замены полезных грузов на экспериментальной платформы EF. Полезный груз платформы EF захватывается и переносится с помощью приспособления для захвата в составе главной стрелы системы JEMRMS. Малая точная стрела SFA Малая точная стрела SFA состоит из балок, сочленений, электронного оборудования, концевых захватов, обозначенных как "инструмент" (Tool), и телекамер. Малая точная стрела SFA прикреплена к концу Главной стрелы МА. Стрела SFA предназначена для работы с малыми объектами, включая замену орбитальных сменных блоков ORU на экспериментальной платформе EF. Консоль JEMRMS Консоль JEMRMS (стойка или рэк JEMRMS) установлена в Герметизированном модуле PM. Член экипажа управляет JEMRMS наблюдая изображения, получаемые с телекамер стрелы, на телемониторе стойки JEMRMS. Консоль JEMRMS состоит из процессора обработки данных (MDP), портативного компьютера, ручек управления, телевизионных мониторов и электроника для ―удержания-отпускания‖ (грузов) HREL. Портативный компьютер RHC и ручки управления THC используются для управления JEMRMS. Телевизионный монитор отображает то, что обозревают внешние камеры. Система JEMRMS была запущена к МКС 31 мая 2008 года на борту ―Спейс шаттла‖ (―Дискавери‖, полѐт STS-124, Рис. 2.1.4-1). Рис. 2.1.5-1 Система JEMRMS, установленная на “Кибо” в ходе полёта STS-124 43 2.1.6 Система межорбитальной связи (ICS) Краткая сводка Система межорбитальной связи (Inter orbit Communication System - ICS) является уникальной японской системы передачи ―вверх-вниз‖ данных, изображений и речи между модулем ―Кибо‖ управления Космическом Система и залом полѐтами центре в Цукуба. межорбитальной связи ICS использует антенну диаметром 80 см, установленную на Внешней экспериментальной платформе EF и Экспериментальный спутник передачи данных (Data Relay Test Satellite - DRTS), известный также под названием Kodama. В состав системы ICS входят две следующие Рис. 4.6.1-1 Расположение системы ICS в составе модуля “Кибо” подсистемы: подсистема межорбитальной связи герметичного модуля ICS-PM обеспечивает функции передачи данных. Подсистема межорбитальной связи открытой платформы ICS-EF состоит из антенны, установленной на платформе EF. Основные характеристики системы ICS представлены в Табл.4.6.1-1. Табл. 4.6.1-1 Основные характеристики системы межорбитальной связи ICS Табл. 4.6.1-1 Основные характеристики системы межорбитальной связи ICS Показатель Размер, м Масса, кг Скорость передачи вниз данных/Частота/ вверх Способ модуляции Окно видимости спутника DTRS (Kodama)* ICS-PM 2,0 х 1,0 х 0,9 ICS-EF 1,1 х 0,8 х 2,0 (антенна втянута) 2,2 х 0,8 х 2,0 (антенна развёрнута) 330 310 50 Мбит в секунду / около 26 ГГц / QPSK (Quadranture Phase Shift Keying) 3 Мбит в секунду / около 23 ГГц / BPSK (Binary Phase Shift Keying) В сумме 7,8 час в сутки (система DTRS состоит из 1 спутника) Максимум 40 мин за один оборот МКС *фактическое время доступности связи через спутник DTRS может быть меньше, чем приведённое в Таблице, поскольку последнее базируется на расчётах. Кроме того, связь через DTRS может ограничиваться необходимостью работы с другими объектами. 44 2.1.6.2 Компоновка Устройство захвата Здесь захватывает JEMRMS Кладовая ICS ORU Рис. 4.6.1-1 Расположение системы ICS в составе модуля Кибо” Антенна (втянута) Датчик направления на Землю Солнечный датчик системы ориентации Место для системы HTV- Proximity Communication System (PROX) Подсистема ICS –PM герметичного модуля РМ Подсистема ICS –EF внешней экспериментальной платформы EF Рис. 4.6.2-1 Система межорбитальной связи (ICS) 45 3. Характеристики модуля “Кибо” 3.1 Характеристики составляющих модуля “Кибо” В Таблице 3.1 представлены характеристики составных элементов модуля ―Кибо‖. На Рис.3.1-1 представлена компоновочная схема ―Кибо‖. Табл.3.1 Характеристики составных элементов модуля ―Кибо Элемент Размеры, м Масса, т Количество установленных рэков или международных стандартных рэков полезного груза (ISPR) Герметичный модуль PM Внеш. диаметр: 4,4 Внут. диаметр: 4,2 Длина: 11,2 15,9 23 рэка (11 рэков системы “Кибо” и 12 рэков ISPR) Экспериментальный грузовой отсек герметичная секция ELM-PS Внеш. диаметр: 4,4 Внут. диаметр: 4,2 Длина: 4,2 4,2 8 рэков Дистанционный манипулятор модуля “Кибо” (JEMRMS) Длина: Гл. стрела MA: 10 Малая точная стрела SFA: 2,2 Внешняя экспериментальная платформа (EF) Ширина: 5,0 Высота: 4,0 Длина: 5,6 4,1 12 креплений для полезных грузов EF и 2 для систем. Кроме того, имеется одно место для временного хранения/ крепления Экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция Ширина: 4,9 Высота: 2,2 Длина: 4,2 1,2 3 полезных груза EF Итого: 27 1,6 (включая управляющую консоль RMS) (ELM-ES) 46 Макс. грузоподъёмность главной стрелы: 7 т CBM: общий механизм швартовки Рис.3.1-1 Компоновочная схема модуля “Кибо” 47 3.2 Рабочие режимы “Кибо” Для управления системами ―Кибо‖ используются четыре различных рабочих режима. Режим работы ―Кибо‖ изменяется в зависимости от операций ―Кибо‖ и/или рабочего режима МКС в целом. Рабочие режимы ―Кибо‖ и соответствующие описания представлены в Таблице 3.2-1. Переход в рабочий режим может быть осуществлѐн по команде с земли или экипажа. На Рис.3.2-1 показана смена рабочих режимов ―Кибо‖. Аналогичным образом МКС имеет семь рабочих режимов. Переключение рабочих режимов может быть осуществлено по команде с земли или экипажа МКС. Смена рабочих режимов МКС и их описание представлены в Таблице 3.2-2. Бывают ситуации, когда на рабочие режимы ―Кибо‖ накладываются ограничения режима работы МКС. Например, на МКС в качестве рабочего нужно установить ―Режим внешних операций‖ при переводе ―Кибо‖ из ―Режима стандартных операций‖ в ―Режим робототехнических операций‖ для работы с Системой дистанционного манипулирования Японского экспериментального модуля JEM-RMS. Связь между рабочими режимами ―Кибо‖ и МКС в целом представлена в Таблице 3.2-3. В случае чрезвычайной ситуации на МКС еѐ рабочие режимы будут соответственно изменены; однако, если рабочий режим ―Кибо‖ в этот момент не применим, то ―Кибо‖ автоматически будет переведѐн в ―Режим ожидания‖. Таблица 3.2-1 Рабочие режимы “Кибо” Рабочий режим “Кибо” Режим стандартной (штатной) эксплуатации Standard Operation Mode Режим робототехнических операций Описание режима и состояние Основной рабочий режим. Экипаж может проводить эксперименты. Но при этом, экипаж не должен использовать Систему дистанционного манипулирования JEM-RMS. Экипаж управляет манипулятором модуля “Кибо”. Остальные условия соответствуют “Режиму стандартных операций”. Robotics Operation Mode Режим ожидания Standby Mode Режим изоляции Isolation Mode Чрезвычайная ситуация, вызванная системами “Кибо”. В чрезвычайных ситуациях в “Кибо действует минимальный набор систем, а все средства, обеспечивающие выполнение экспериментов, отключены. Герметичность в герметичной части “Кибо” не может поддерживаться. В этом случае, люк между “Кибо” и МКС закрывается, и экипаж не может войти ни в герметизированный отсек РМ модуля “Кибо”, ни в Герметичную секцию Экспериментального грузового отсека ELM-PS. 48 По команде Режим штатной эксплуатации Режим робототехнических операций По команде По команде или автоматически По команде По команде или автоматически Режим ожидания По команде По команде Режим изоляции Рис. 3.2.-1 Изменение рабочих режимов “Кибо” Таблица 3.2-1 Рабочие режимы МКС Рабочий режим МКС Стандартный (штатный) режим Описание режима и состояние Основной режим работы МКС Standard Mode Режим коррекции Re-boost Mode МКС изменяет высоту орбиты (коррекция) Режим микрогравитации Microgravity Mode Режим управления экспериментальным оборудованием, требующим условий микрогравитации Режим сохранения работоспособности (выживания) Survival Mode Критическая нештатная ситуация на МКС (например, подтверждена аномалия в системе энергоснабжения или управления положением в пространстве МКС). Этот режим используется для поддержания долгосрочной работоспособности / живучести МКС Режим операций сближения Proximity Operation Mode Режим, когда космические объекты, включая “Спейс шаттлы”, корабли “Союз” и “Прогресс”, находясь вблизи от станции, выполняют стыковку с или расстыковку и отчаливание от МКС Режим гарантированного безопасного возврата экипажа Assured Safe Crew Return (ASCR) Mode Жизнь членов экипажа в опасности, быстрый отлёт (расстыковка /отделение) корабля “Союз” с целью безопасного возврата экипажа на землю. Режим внешних операций Выход в открытый космос или операции манипулятора с интересах сборки или поддержания деятельности МКС External Operations Mode 49 стандартный робототехнических операций ожидания изоляции внешних операций гарантированного возврата сближения выживания Рабочие режимы “Кибо” коррекции стандартный Рабочие режимы МКС микрогравитации Таблица 3.2-1 Рабочие режимы МКС + - + - + - - + - + - + + + + + + + + + + + + + + + + + означает применимый - означает неприменимый 50 4. Основные компоненты модуля “Кибо” 4.1 Герметичный модуль 4.1.1 Краткая сводка Герметичный модуль РМ в составе ‖Кибо‖ представляет собой помещение для исследований, находясь в котором астронавты могут проводить научные эксперименты или управлять системами ―Кибо‖. Cостав воздуха внутри герметичного модуля РМ почти такой же, как и на земле. Давление воздуха поддерживается на уровне 1 атм, обеспечивая таким образом привычную рабочую астронавтов. влажность среду для Температура и внутри контролируются РМ таким также образом, чтобы астронавты могли находиться и работать в обычной одежде. Рэки, которые установлены в Рис. 4.1.1-1 Расположение модуля РМ модуле РМ, можно разделить на две категории; рэки (стойки) системы JEM, которые управляют и поддерживают средства самого модуля ―Кибо‖, и стойки полезного груза, которые используются для проведения экспериментов в РМ. Рэки системы JEM содержат системы электропитания, связи, кондиционирования воздуха, терморегулирования и поддержки экспериментов. Пульт для управления стрелами манипулятора ―Кибо‖ (пульт JEM-RMS) и исследовательский шлюз (JEM Airlock) являются уникальными системами в составе ―Кибо‖. Исследовательские полезные грузы предназначены для того, чтобы проводить эксперименты, которые были отобраны из числа заявлений, поданных научным сообществом. В модуле РМ содержатся 10 Международных стандартных рэков полезного груза ISPR для различных типов экспериментов; главным образом в области биомедицины и материаловедения. В Таблице 4.1.1-1 приведены характеристики модуля РМ. 51 Таблица 4.1.1-1 Характеристики модуля РМ Показатель Значение форма диаметр цилиндрическая внешний 4,4 м внутренний 4,2 м длина 11,2 м масса 15,9 т 23 рэка количество рэков полезного груза Рэков системы JEM: 11 Рэки для научных исследований: 12 (10 для экспериментов, 1 рэк-рефрижератор, 1 рэк –кладовая) электроснабжение Макс 24 кВт, макс 120 Вт пост. тока 32-бит компьютерная система система обработки данных Высокоскоростная линия передачи данных: 100 Мбит/сек управление средой температура 18,3 – 26,7 град Цельсия влажность 25 -70% число членов экипажа 2 для штатных операций (макс. 4 человека) срок эксплуатации Более 10 лет 52 4.1.2 Внешний облик На Рис.4.1.2-1 представлен внешний вид и конструкция герметичного модуля РМ. Ко внутренним стенкам модуля РМ крепятся рэки либо системы JEM, либо стойки для научно- исследовательских полезных грузов. Рабочий объѐм в модуле имеет квадратное сечение (2,2 м. в высоту и ширину). Вид на модуль РМ изнутри представлен на Рис. 4.1.2-2. Всего модуль вмещает 23 рэка (стойки). Они встроены в четыре внутренние стенки модуля. Из четырех внутренних стенок, шесть рэков встроены в три стенки, а пять рэков встроены в четвѐртую. Из всех рэков, 11 предназначены для систем JEM, а 12 - для полезных грузов. Рэки могут крепиться или отделяться во время орбитального полѐта. На Рис. 4.1.2-3 показано расположение рэков систем JEM. На Рис. 4.1.2-4 показано расположение рэков полезного груза. Схема крепления и/или снятия рэков представлена на Рис. 4.1.2-5. Рэки полезных грузов разработаны в соответствии со стандартными требованиями для механических, энергетических и информационных интерфейсов. Они изготовлены в соответствии со стандартными требованиями, называемыми ―Международной стандартной рэк полезного груза (International Standard Payload Rack - ISPR)‖. D модуле РМ из 12 рэков для полезного груза -- 11 типа ISPR и один для хранения экспериментальных материалов. 53 Обозначения: To Node 2 Hand Rails for Extravehicular Activity Debris Shield To ELM-PS hatch Common Berthing Mechanism (CBM) window JEM Airlock Exposed Facility Berthing Mechanism (EFBM) JEM-RMS base plate к соединительному модулю-2 (Node 2) поручни для выхода в открытый космос защита от космического мусора К Герметичной секции Экспериментального грузового отсека люк общий механизм швартовки (причаливание с использованием манипуляторов) иллюминатор шлюз JEM Airlock механизм швартовки открытой платформы несущая плата системы дистанционного манипулирования Японского экспериментального модуля Рис.4.1.2-1 Модуль РМ в составе “Кибо” 54 Обозначения: DMS: EPS: ECLSS: Data Management System Electric Power System Environmental Control and Life Support System TCS: Thermal Control System LIFE: Life Science Payload Rack MTL: Material Science Payload Rack Air inlet Air diffuser lighting Window JEM Airlock aft forward port starboard storage rack система обработки данных система электропитания СЖО – система жизнеобеспечения (управление средой и поддержание жизнедеятельности) система терморегулирования рэк для аппаратуры медико-биологических экспериментов рэк для аппаратуры экспериментов по материаловедению воздухозаборник воздухораспределитель система освещения иллюминатор шлюз JEM Airlock назад вперёд левый борт правый борт рэк для хранения Рис. 4.1.2-2 Внутренний вид модуля РМ (вид со стороны модуля Harmony) 55 Обозначения: aft Forward (direction of travel) port starboard Data Management System (DMS) Rack1 Inter-orbit Communication System Rack Stowage Rack 1 DMS Rack2 To Node 2 ECLSS/TCS Rack 1 Electric Power System Rack 1 Stowage Rack 2 Workstation Rack Electric Power System Rack 2 ECLSS/TCS Rack 2 JEM Airlock JEM-RMS Rack назад вперёд (направление движения) левый борт правый борт рэк системы обработки данных 1 рэк системы межорбитальной связи рэк для хранения 1 рэк системы обработки данных 2 к соединительному модулю-2 (Node 2) рэк систем жизнеобеспечения/ терморегулирования 1 рэк системы электропитания 1 рэк для хранения рэк рабочей станции рэк системы электропитания 2 рэк систем жизнеобеспечения/ терморегулирования 2 шлюз JEM Airlock рэк управления системой манипулятора JEM-RMS Рис. 4.1.2-3 Рэки систем JEM внутри модуля РМ 56 Обозначения: aft Forward (direction of travel) port starboard Material Science Payload Rack (ISPR) Stowage Rack Life Science Payload Rack (ISPR) To Node 2 Refrigerator Rack JEM Airlock ELM-PS назад вперёд (направление движения) левый борт правый борт рэк для аппаратуры экспериментов по материаловедению рэк для хранения рэк для аппаратуры медико-биологических экспериментов к соединительному модулю-2 (Node 2) рэк-холодильник шлюз JEM Airlock Экспериментальный грузовой отсек – герметичная секция Рис.4.1.2-4 Размещение рэков для проведения экспериментов внутри модуля РМ 57 Рис. 4.1.2-5 Схема крепления и отсоединения рэков: каждая отдельная стойка может быть прикреплена и отсоединена с целью перемещения, замены или технического обслуживания 58 4.1.3 Составляющие герметичного модуля PM Герметизированный модуль PM состоит из следующих подсистем: передачи команд и обработки данных (Command and Data Handling - C&DH) электроэнергетическая система (Electrical Power System - EPS) связь и слежение (Communication and Tracking - C&T) система терморегулирования (Thermal Control System - TCS) система жизнеобеспечения и контроля окружающей среды (Environmental Control and Life Support System - ECLSS) система поддержки экспериментов (Experiment Support System - ESS) конструкция (Structure) механическая система (Mechanical System – MS) система поддержки экипажа (Crew Support System - CSS) Система передачи команд и обработки данных, электроэнергетическая система, система связи и слежения, система терморегулирования и система жизнеобеспечения и контроля окружающей среды являются критически важными и поэтому имеют конструктивно предусмотренное резервирование в виде основной и дополнительной ветвей. Если отказывает основная ветвь системы, в дело вступает дополнительная, которая берѐт на себя функции и возможности основной, и полностью или частично обслуживает систему. Когда модуль PM выполняет свои функции, задействуются обе ветки. Ниже приведены более подробная информация о системах/ подсистемах. (1) Система передачи команд и обработки данных В состав системы C&DH (Command and Data Handling) входит Управляющий процессор JEM (JEM Control Processor - JCP), который является центральной подсистемой модуля ―Кибо‖, отслеживает и управляет системами модуля и экспериментальными полезными грузами. Процессор JCP также управляет настройкой Режима эксплуатации ―Кибо‖ (Kibo Operation Mode) в соответствии с Режимами эксплуатации МКС (ISS Operation Modes). Более подробная информация о режимах эксплуатации ―Кибо‖ и МКС представлена в Главе 3, Раздел 3.2. Данная подсистема также выполняет функции обработки данных, включая сбор и компиляцию данных о состоянии систем ―Кибо‖ и данных об экспериментах, для отправки их на землю, передачи файлов с данными к каждой из систем ―Кибо‖ через систему связи и слежения C&T, или передачи в реальном времени данных с МКС на каждый полезный груз или систему на борту ―Кибо‖. В целях резервирования ―Кибо‖ 59 оснащѐн двумя устройствами JCP. Если одно из устройств отказывает, то другое автоматически подключается к работе и полностью обеспечивает все необходимые функции. (2) Электроэнергетическая система (EPS) Электроэнергетическая система (EPS) производит и распределяет электрическую энергию (два электроэнергетических канала), 120 вольт постоянного тока на каждом), который запитывается от Узла 2 МКС. EPS состоит из различных узлов, включая, щитки распределения энергии Power Distribution Boxes (PDBs) и устройства распределения энергии PDU, которые распределяет энергию среди полезных грузов и оборудования системы. (3) Система связи и слежения (C&T) Система связи и слежения состоит из систем низко- , средне- и высокоскоростной обработки данных, видео- и аудио систем. Cистемы низкоскоростной (max. 1 Мбит/с) , среднескоростной (max. 10 Мбит/с) и высокоскоростной (max. 100 Мбит/с) обработки данных передают данные, отправляемые системой передачи команд и обработки данных C&DH к каждой подсистеме, и собирает данные от систем модуля JEM или полезных грузов с целью их передачи в систему C&DH. Видеосистема состоит из телевизионных камер TVC, которые установлены внутри и снаружи модуля ―Кибо‖, телевизионных мониторов и пультов управления камерами CCP. Видеосистема передаѐт визуальные изображения, генерируемые телекамерами TVC. Аудиосистема состоит из терминальных аудио устройств ATU, установленных в рэке рабочей станции WSR и рэке JEM-RMS. Терминальное аудио устройство ATU единица, общая для МКС. Такие устройства установлены в нескольких местах МКС. Ими может пользоваться экипаж МКС. (4) Система терморегулирования (TCS) Система терморегулирования состоит из следующих двух систем: активной системы терморегулирования ATCS, которая переносит тепло, произведенное оборудованием ―Кибо‖ c помощью воды, циркулирующей в контурах охлаждения, и пассивной системы терморегулирования оборудования модуля PTCS, которая контролирует и поддерживает температуру ―Кибо‖ путем применения изоляционных материалов и нагревателей. В состав герметизированного модуля PM входят два контура водяного охлаждения – контур низкотемпературного охлаждения LTL и контур охлаждения при умеренной температуре MTL. Тепло, производимое в ―Кибо‖, собирается и отдаѐтся при 60 помощи двух внешних аммиачных охлаждающих контуров (средней и низкой температуры), известных как интерфейсный теплообменник IFHX, которые расположены снаружи модуля Node 2 (Harmony) МКС. С помощью среднетемпературного теплообменника в составе IFHX может быть отведено не более 25 кВт тепловой энергии. Низкотемпературный теплообменник позволяет ―сбрасывать‖ максимум 9 кВт. (5) Система жизнеобеспечения и контроля окружающей среды Система жизнеобеспечения и контроля окружающей среды (ECLSS) управляет и поддерживает температуру внутри герметизированного модуля PM в пределах 18,3 – 26,7 град Цельсия и влажности в диапазоне 25-70 %. Экипаж МКС может проводить эксперименты в обычной одежде, без скафандров. Эта система обеспечивает удобную и безопасную среду. Воздух в герметизированном отсеке состоит из смеси кислорода и азота, поступающего из американского сегмента МКС. Внутри ―Кибо‖ воздух перемещается с помощью вентиляторов, а затем возвращается в американский сегмент. Модуль оснащѐн средствами обнаружения и тушения пожара. Датчики задымления обнаруживают огонь. Очаг пожара отключается от электроснабжения. Для гашения пожара используется углекислый газ. (6) Cистема поддержки экспериментов Cистема поддержки экспериментов ESS обеспечивает аргоном, гелием, азотом и углекислым газом стойки (рэки) полезного груза, расположенные в герметизированном модуле PM. Cистема ESS осуществляет также вакуумную вентиляцию и удаляет газы из рэков. Общее оборудование газоснабжения CGSE является уникальным специальным элементом ―Кибо‖. CGSE содержит газовые баллоны с аргоном, гелием и CO2 и подает эти газы к каждому экспериментальному рэку. Газообразный азот, который подаѐтся к рэкам, поступает от американской (НАСА) Системы жизнеобеспечения и поддержания среды ECLSS. (7) Конструкция Конструкционная оболочка модуля РМ предназначена для восприятия нагрузок, возникающих во время запуска ―Спейс шаттла‖, выведения на орбиту, а также управления ориентацией и маневров МКС. Кроме того, оболочка, выполненная из алюминиевого сплава, выдерживает давление внутри модуля РМ. Защита от космического мусора (Debris Shield) охватывает конструкцию снаружи модуля, прикрывая его корпус от ударов элементов мусора. Модуль РМ имеет два иллюминатора, расположенных на той стороне модуля РМ, которая выходит к порту внешней экспериментальной платформы EF. Через 61 эти иллюминаторы астронавты могут наблюдать обстановку снаружи. Частью конструкции модуля РМ является люк Пассивного общего механизма причаливания на стороне модуля Node 2. (8) Механическая система Механическая система состоит из трех следующих механизмов: 1) Общий механизм швартовки CBM, который будет использоваться как порт швартовки для Node 2 или отсека ELM-PS, 2) шлюз JEM Airlock и 3) Механизм швартовки Внешней экспериментальной платформы EFBM. Ниже подробнее описываются Общий механизм швартовки CBM и шлюз JEM Airlock. Подробное описание Механизма причаливания Внешней экспериментальной платформы EFBM представлено в Разделе 4.3.3 данной главы. (a) Общий механизм швартовки CBM Общий механизм швартовки (причаливание с использованием манипуляторов) CBM является общим механизмом МКС, предназначенным для связывания различных модулей МКС (кроме российских). CBM даѐт возможность модулям, причалившим с помощью CBM поддерживать герметизированную среду, в которой астронавты и материалы могут свободно перемещаться между модулями МКС. Общий механизм причаливания объединен в пару и состоит из активной и пассивной частей: активного CBM (Active CBM - ACBM), использующего для причаливания электромоторы и пассивного CBM (Passive CBM -PCBM). Модуль РМ располагает как PCBM, так и ACBM. PCBM расположен на порте швартовки Node 2, а ACBM размещѐн на порте швартовки Герметичной секции Экспериментального грузового отсека (ELM-PS). Рис. 4.1.3-1 показывает схему и конфигурацию Общего механизма швартовки CBM. 62 Защёлка системы захвата Шпильки Обод конструкции Направляющая Блок управления СВМ Направляющая Экспериментальный грузовой отсек герметичная секция Система дистанционного манипулирования Герметичный модуль РМ Рис.4.1.3-1 Общий механизм причаливания CBM Внешняя экспериментальная платформа (б) Шлюз JEM Airlock Любой шлюз это, в сущности, воздуховод или малая область, где может уравновешиваться различие в давлении воздуха двух состыкованных соседних модулей с тем, чтобы позволить перемещаться между ними астронавтам или оборудованию. Шлюз JEM Airlock предназначен для перемещения экспериментального оборудования и материалов; люди в этот шлюз входить не должны. JEM Airlock изнутри содержит воздух при давлении в одну атмосферу, а Внешняя экспериментальная платформа EF находится в вакууме космической среды. JEM Airlock используется для перемещения экспериментальных грузов или образцов между Герметизированным модулем РМ и Внешней экспериментальной платформой EF. JEM Airlock имеет цилиндрическую форму и оборудован Внутренним люком IH, который расположен внутри на стороне модуля РМ и Внешний люк OH, который расположен cнаружи со стороны Внешней экспериментальной 63 платформой EF. Эксперименты и другие грузы, которые предстоит передавать через шлюз, сначала закрепляются на подвижном столе, а затем перемещаются. Герметичный модуль РМ Открытый отсек (вакуум) Малый иллюминатор Внутренний люк Внешний люк Подвижный стол Рис 4.1.3-2 Шлюз JEM Airlock Таблица 4.1.3-1 Характеристики шлюза JEM Airlock внешний диаметр Показатель Значение внешняя сторона 1,7 м внутренняя сторона (внутри модуля РМ) 1,4 м длина 2,0 м давление в герметизированном модуле 1047 гектопаскалей допустимый размер перемещаемого груза 64 х 83 х 80 см допустимая масса перемещаемого груза 300 кг энергопотребление менее 600 Вт (9) Система поддержки экипажа Система поддержки экипажа CSS состоит из оборудования поддержки, которое используется астронавтами во время работ, предполагающих перемещение между разными космическими аппаратами. В состав системы входят бортовая осветительная аппаратура, аварийное освещение, поручни и фиксаторы для ног. 64 4.2 Экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция 4.2.1 Краткая сводка Внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-ES используется главным образом в качестве логистического контейнера для транспортировки рэков полезного груза и системных рэков с земли на борт МКС. Находясь на орбите отсек ELM-ES используется как складское помещение. В отсеке находятся инструменты для технического обслуживания и ремонта систем и полезных грузов, образцов и запчастей. Объѐм отсека ELM-ES меньше объѐма модуля РМ. Внутри ELM-ES могут храниться до 8 рэков. Характеристики отсека ELM-ES представлены в Таблице 4.2.1-1. Таблица 4.2.1-1 Характеристики отсека ELM-ES Величина Значение Конструктивная форма цилиндрическая Диаметр Внешний 4,4 м Внутренний 4,2 м Длина 4,2 м Масса 4,2 т Число рэков 8 Располагаемая электрическая энергия 3 кВт, 120 В постоянного тока Поддерживаемая среда Температура: 18,3 – 29,4 град Цельсия Влажность: 25 – 70 % Срок эксплуатации Более 10 лет 65 4.2.2 Внешний облик На Рис. 4.2.2-1 представлена конструкция герметичной секции экспериментального грузового отсека (ELM-PS). На Рис.4.2.2-2 показано размещение рэков внутри ELM-PS. Обозначения: ELM-PS Exposed Facility Unit Common Berthing Mechanism (CBM CBM Hatch (for PM) Блок открытой платформы герметичной секции экспериментального грузового отсека Общий механизм швартовки (причаливание с использованием манипуляторов) Люк общего механизма швартовки (к модулю РМ) Рис. 4.2.2-1 Конструкция герметичной секции экспериментального грузового отсека (ELM-PS) 66 Верхнее изображение является внутренним видом Герметичной секции Экспериментального грузового отсека ELM-PS (вид из модуля РМ) starboard aft port forward (direction of travel) Rack air inlet air outlet light правый борт назад левый борт вперёд (направление движения) рэк воздухозаборник воздухораспределитель свет Рис. 4.2.2-2 Расположение рэков внутри Герметичной секции Экспериментального грузового отсека (ELM-PS) 67 4.2.3 Компоненты системы Экспериментальный грузовой отсек – герметичная секция ELM-PS состоит из следующих подсистем: электроэнергетическая система система связи и слежения система терморегулирования система жизнеобеспечения и контроля окружающей среды конструкция механическая система система поддержки экипажа (Crew Support System - CSS) Каждая подсистема Рис. 4.2.3-1 ELM-пришвартован к ES ELM-PS EFU секции ELM-PS приводится в действие системой без дублирования, тогда как подсистемы модуля РМ имеют резервирование. Ниже подсистемы секции ELM-PS представлены более подробно. (1) электроэнергетическая система Электроэнергетическая система распределяет по всем подсистемам секции ELM-PS энергию, поступающую от электроэнергетической системы модуля РМ. Если последняя отказывает, то в работу может вступить запасной канал, однако экипажу придѐтся произвести трассировку проводов. Когда ELM-PS временно подсоединена к модулю Node 2 ожидая доставки модуля РМ (см. Главу 5, раздел 5.2.1), електроэнергия в секцию ELMPS подаѐтся из Node 2. (2) система связи и слежения Система связи и слежения состоит из системы обработки данных средней скорости (макс. 10 Мб/с), видео и аудио систем. Система связи и слежения передаѐт данные от подсистем секции ELM-PS или изображения ELM-PS в систему связи и слежения модуля РМ. (3) система терморегулирования Система терморегулирования поддерживает температуру внутри секции ELM-PS в требуемом диапазоне с помощью пассивной системы терморегулирования, которая 68 управляет температурным режимом, используя теплоизоляционные материалы и устройства нагрева. (4) система жизнеобеспечения и контроля окружающей среды Система жизнеобеспечения и контроля окружающей среды управляет давлением атмосферы, температурой и влажностью внутри ELM-PS с целью обеспечения людям возможности пребывания в секции в нормальных условиях (без скафандров). Эта подсистема обеспечивает комфортабельные условия, такие как в РМ. В ELM-PS воздух циркулирует с помощью вентиляционной системы, поступая из модуля РМ. Кроме того, данная система обладает возможностями обнаружения и тушения пожара. Пожар изолируется путѐм отключения энергии. Пожар гасится огнегасящим составом (двуокись углерода) (5) конструкция Аналогично модулю РМ, корпус секции ELM-PS воспринимает нагрузки возникающие при запуске внутри ―Спейс шаттла‖, на участке подъѐма, а также маневров МКС. Давление внутри ELM-PS также обеспечивается экранирующей оболочкой, выполненной из панелей из алюминиевого сплава. Защита от космического мусора (Debris Shield) охватывает внешнюю оболочку секции ELM-PS с целью защиты от ударов со стороны фрагментов космического мусора. Люк швартовки к модулю РМ является частью конструкции секции ELM-PS. (6) механическая система Механическая система состоит из общего механизма швартовки CBM, который может использоваться как порт швартовки к модулям Node 2 или РМ и механизма замены агрегатов секции ELM-PS (Обратите внимание: пассивный общий механизм швартовки PCBM крепится к корпусу секции ELM-PS). Ниже приведены более подробные данные о внешнем экспериментальном блоке EFU. Более подробная информация о CBM представлена в Разделе 4.1.3. данной главы. Пока грузовой корабль HTV пришвартован к МКС производится перенос научной аппаратуры или других грузов с открытого стеллажа EP, доставленного кораблѐм HTV.Доставляемые стеллажи EP должны крепиться к отсеку ELM-PS. С этой целью ELMES крепится к ELM-PS каждый раз, когда прибывает корабль HTV. На этом этапе ELM-ES крепится к блоку EFU внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS. В период пока ELM- ES пришвартован к ELM-PS, первый получает электроэнергию и обеспечивает обмен данными. Рисунок 4.2.3-1 показывает ELM- ES пришвартованный к блоку EFU модуля ELM-PS. 69 4.3 Внешняя экспериментальная платформа EF 4.3.1 Краткое описание Внешняя экспериментальная платформа EF модуля ―Кибо‖ представляет собой многоцелевую экспериментальную платформу, на которой в условиях микрогравитации и космического вакуума могут проводиться разнообразные научно-исследовательские работы, включая эксперименты в области наблюдения Земли, связи, техники и материаловедения. Платформа может EF использоваться в случае, когда она пристыкована к модулю РМ. Блок сменного оборудования EEU способен разместить не более 12 полезных грузов (экспериментальных установок), включая полезные грузы внешней экспериментальной платформы EF, внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES, и Рис.4.3.1-1 Расположение платформы EF системы межорбитальной связи ICS. Поскольку полезные грузы на платформе EF можно заменять на орбите, то возможно проведение экспериментов различных типов. Для того, чтобы осуществлять поддержку экспериментов в открытом космическом пространстве, проводимых на платформе EF, последняя обладает возможностями предоставления электрической энергии для каждого эксперимента, циркуляции хладоагента для охлаждения экспериментальных установок до требуемых температур, а также возможностью сбора экспериментальных данных. Характеристики платформы EF представлены в Таблице 4.3.1-1. Таблица 4.3.1-1 Характеристики платформы EF Показатель Значение Форма коробчатая Размеры 5,0 х 5,6 х 4,0 м (ширина, длина, высота) Масса 4,1 т Количество устанавливаемых полезных грузов 12 (включая 2 для самого модуля JEM и 1 для временного хранения) Располагаемая электрическая мощность Max 11 кВт (max 1 кВт для самой системы, 10 кВт для ПГ платф. EF) Система обработки данных 16-бит компьютерная система Высокоскоростная линия передачи данных: max 100 Мб/c Управление параметрами среды нет Срок эксплуатации Более 10 лет 70 Для установки полезных грузов на платформе EF используются блоки сменного оборудования На EEU. Рис.4.3.2-1(2/2) представлена конфигурация экспериментальной платформы EF с 8 полезными грузами для EF внешней и система межорбитальной связи внешней экспериментальной платформы ICS-EF, закреплѐнной на EF. Стандартный внешний контур полезного груза не должен быть меньше, чем 1,85м х 1,0м х 0,8м при массе 500 кг. На Рис.4.3.1-2 представлена стандартная конфигурация полезного груза для платформы EF. Устройство захвата Манипулятор JEM-RMS захватывает здесь Стыковочное устройство (интерфейс) полезного груза Подробнее см. 4.3.3 (5) (b) Опоры фиксации при запуске Рис.4.3.1-2 Стандартный полезный груз платформы EF 71 4.3.2 Чертежи Опора (х 5) Это приспособление для крепления EF к отсеку полезного груза орбитального корабля “Спейс шаттл” при выведении платформы EF на орбиту Устройства захвата (х 2) Здесь производят захват манипуляторы “Спейс шаттла” и МКС Склад оборудования SSE Более подробные данные приведены в 4.5.3 Механизм швартовки платформы EF Модуль РМ Внешний экспериментальный блок EFU (12 единиц) Эти механизмы крепят к платформе EF полезные грузы, предназначенные для EF Автоматически заменяемые на орбите устройства R-ORU (8 единиц) Модуль РМ Заменяемые космонавтами на орбите устройства E-ORU (4 единицы) Рис.4.3.2-1 (1/2) Конфигурация платформы EF 72 Механизм швартовки платформы EF Модуль РМ Устройства захвата (х 2) Склад оборудования SSE Опора (х 5) Автоматически заменяемые на орбите устройства R-ORU (4 единицы) Полезные грузы EF система ICS-EF см. раздел 4.6 Внешний экспериментальный блок EFU (12 единиц) Рис.4.3.2-1 (2/2) Конфигурация платформы EF 73 4.3.3 Составляющие платформы EF В состав платформы EF входят следующие системы: электроэнергетическая система система связи и слежения система терморегулирования конструкция механическая система Электроэнергетическая система, система связи и слежения и система терморегулирования имеют функциональное резервирование. Если основные ветви этих систем отказывают, то в работу включаются запасные цепочки, которые обеспечивают функционирование систем. Ниже эти системы описаны более подробно. (1) Электроэнергетическая система Электроэнергетическая система (EPS) получает электроэнергию из герметичного модуля РМ и распределяет еѐ среди оборудования платформы EF, экспериментальных установок Внешней негерметичной секция Экспериментального грузового отсека ELM-ES и платформы EF. (2) Система связи и слежения Система связи и слежения (C & T) включает в свой состав Системный контроллер платформы EF (Exposed Facility System Controller -- ESC), который установлен на EF и управляет оборудованием и системами платформы EF посредством связи с управляющим процессором модуля JEM (JEM Control Processor -- JCP). Системный контроллер ESC также передаѐт данные между экспериментальными установками модуля PM и платформы EF, такие как экспериментальные данные, изображения, данные о температуре и давлении. (3) Система терморегулирования Система терморегулирования состоит из двух подсистем – активной и пассивной. Подсистема активного терморегулирования оборудовании и экспериментальных теплоносителя Fluorinert TM переносит тепло, возникающее в установках (полезных грузах), с помощью . Подсистема пассивного терморегулирования поддерживает температуру оборудования систем внешней экспериментальной платформы EF или полезных грузов путѐм использования тепловой изоляции или нагревателей. Система терморегулирования управляет температурным режимом полезных грузов, защищая систем платформы EF EF от экстремальных тепловой среды космоса. 74 и Тепло, забираемое подсистемой активного терморегулирования, переносится в теплообменник, установленной на конструкции модуля РМ. Трубки контура охлаждения не резервируются, однако другие компоненты, например насосы, имеют дублѐров. (4) Конструкция Конструктивно платформа EF состоит из коробчатых секций, в свою очередь, состоящих из ферм из алюминиевого сплава, панелей и опор, которые используются для крепления платформы EF к отсеку полезного груза ―Спейс шаттла‖. (5) Механическая система Механическая система состоит из механизма швартовки внешней экспериментальной платформы EFBM, используемого для соединения EF с модулем РМ, и блока сменного оборудования EEU, который крепит полезные грузы платформы EF к самой платформе EF. (а) Механизм швартовки внешней экспериментальной платформы EFBM Механизм EFBM предназначен для соединения платформы EF с модулем РМ. Он объединѐн в пару и состоит из активного EFBM и пассивного EFBM. Первый из них расположен на модуле РМ, имеет конструкцию, обеспечивающую втягивающий момент, и крепится болтами с помощью электропривода. Пассивный механизм EFBM расположен на платформе EF. Когда активный и пассивный механизмы соединяются, одновременно подсоединяется система электроснабжения, система связи и слежения и терморегулирования. Начинается передача энергии и данных между РМ и EF. Внешний вид механизма швартовки внешней экспериментальной платформы представлен на Рис.4.3.3.-1. (б) Блок сменного оборудования внешней экспериментальной платформы модуля ―Кибо‖ (EF-EEU) Блок сменного оборудования внешней экспериментальной платформы EF-EEU представляет собой механизм, который крепит полезные грузы платформы EF к самой платформе EF. Как только полезный груз прикрепляется к EF с помощью EF-EEU, одновременно включится в работу система электроснабжения, система связи и передачи данных и система терморегулирования, а полезные грузы получат энергопитание, способность к передаче данных и терморегулирование. Блок сменного оборудования EEU состоит из активного блока EEU, называемого внешний экспериментальный блок EFU, и располагается на EF в дополнение к уже 75 имеющемуся оборудованию. Пассивный блок EEU, называемый стыковочным устройством полезного груза PIU, располагается на полезных грузах платформы EF. Конструкция EFU и PIU показана на Рис. 4.3.3-2. Блок сменного оборудования EEU обеспечивает возможность замены полезных грузов платформы EF на орбите, что даѐт возможность проведения экспериментов разных типов, и что соответствует требованиям по разработке технологий будущего. Конструкция, обеспечивающая втягивающий момент Активный EFBM Пассивный EFBM Рис.4.3.3.-1 механизма швартовки внешней экспериментальной платформы EFBM 76 Манипулятор модуля “Кибо” (Главная стрела системыJEMRMS) Устройство захвата Платформа EF Защёлка системы захвата Разъёмы магистралей (жидкости/энергия) Полезный груз платформы EF Рис. 4.3.3-2 Конструкция EFU и PIU. (с) Заменяемое на орбите устройство ORU внешней экспериментальной платформы EF -- заменяемое космонавтами на орбите устройство E-ORU и автоматически заменяемое на орбите устройство R-ORU Система электроснабжения, система связи и передачи данных и система терморегулирования являются критически важными системами для работы платформы EF, поэтому эти системные модули спроектированы в виде заменяемых на орбите устройств ORU. В случае отказа эти модули можно заменять на орбите. На платформе EF есть два типа ORU. Первый - заменяемое космонавтами на орбите устройство E-ORU, которое прикреплено к стороне EF, смотрящей в надир, и которое заменяется во время выхода космонавтов в открытый космос. Второй тип, R-ORU, -- автоматически заменяемое на орбите устройство, которое крепится к стороне, смотрящей в зенит, и может заменяться манипулятором JEMRMS. 77 4.4 Экспериментальный грузовой отсек - внешняя негерметичная секция 4.4.1 Краткое описание Внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-ES является компонентом модуля ―Кибо‖, который несѐт полезные грузы (экспериментальные установки) и системные орбитальные сменные блоки ORU. ELM-ES доставит и перенесѐт системные блоки ORU и полезные грузы внешней экспериментальной платформы EF на платформу EF модуля ―Кибо‖, а также будет хранить отработавшие полезные грузы, которые сняли с платформы EF. ELM-ES будут доставляться на МКС ―Спейс шаттлами‖ Рис. 4.4.1-1 Расположение внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES и крепиться к платформе EF. После того, как ELM-ES прикреплены к EF, полезные грузы платформы EF на ELM-ES будут удалены и перемещены на EF с помощью системы дистанционного манипулирования JEMRMS. Использованные полезные грузы будут сняты с платформы EF с помощью JEMRMS и переданы на хранение на ELM-ES. Затем ELM-ES будут возвращены на землю на борту ―Спейс шаттлов‖. На Рисунке 4.4.1-2 представлена концепция использования внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES. В Таблице 4.4.1-1 показаны технические характеристики ELM-ES. Таблица 4.4.1-1 Технические характеристики ELM-ES Величина Значение Тип конструкции Каркас, решётка Ширина 4,9 м Высота 2,2 м (включая высоту полезных грузов) Длина 4,2 м Масса (сухая) 1,2 т (без полезных грузов) Количество полезных грузов (разная загрузка) три ПГ платформы EF два ПГ платформы EF + три R-ORU два ПГ платформы EF + два E-ORU Электроснабжение макс. 1,0 кВт 120 вольт пост. тока Терморегулирование нагревательное устройство и теплоизоляция Срок эксплуатации более 10 лет 78 “Спейс шаттл” стыкуется с МКС МКС ELM-ES установлен на/ cнят с EF ПГ платформы EF перенесены манипулятором JEMRMS Запуск ELM-ES загружен в отсеке полезного груза “Спейс шаттла” “Спейс шаттл” отстыкован от МКС ПГ платформы EF установлены на/ сняты с ELM-ES Посадка ELM-ES извлечён из отсека полезных грузов “Спейс шаттла” ELM-ES подготовлен и проверен на ремонтное предприятие Замена полезных грузов (ПГ) платформы EF Рис. 4.4.1-2 Концепция использования внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES 79 4.4.2 Внешний облик Конфигурация внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES представлена на Рис.4.4.2-1. Устройства захвата Устройство крепления полезного груза PAM Стыковочное устройство (интерфейс) полезного груза PIU Опора Устройство захвата (2 шт) Здесь производят захват манипуляторы “Спейс шаттла” и МКС Стыковочное устройство полезного груза PIU Этот механизм используется для крепления ELM-ES к EF или ELM-PS Опоры Полезные грузы платформы EF В данном случае закреплены три полезных груза Устройство крепления полезного груза РАМ Опоры ( 5 шт) Это приспособление используется для крепления ELM-ES к отсеку полезного груза “Спейс шаттла” Рис.4.4.2-1 Конфигурация внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES 80 4.4.3 Составляющие системы Внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-ES состоит из следующих подсистем: электроэнергетическая система система связи и слежения система терморегулирования конструкция механическая система Ниже эти системы описаны более подробно. (6) Электроэнергетическая система Электроэнергетическая система (EPS) получает электроэнергию от ―Спейс шаттлов‖ в течение времени от запуска до стыковки с МКС и распределяет эту энергию среди систем ELM-ES и полезных грузов платформы EF. Когда ELM-ES эксплуатируется на орбите, энергия поставляется от платформы EF. (7) Cистема связи и слежения Система связи и слежения (C & T) включает в свой состав блок электронного управления ECU, который установлен на ELM-ES. Блок ECU осуществляет мониторинг состояния ELM-ES, температуры полезных грузов, закреплѐнных на ELM-ES, и состояния устройств крепления полезного груза PAM путѐм взаимодействия с управляющим процессором модуля JEM, расположенном в модуле РМ. Блок ECU также контролирует устройства PAM и температуру прикреплѐнных полезных грузов платформы EF. (8) Система терморегулирования Внешняя негерметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-ES полностью покрыта теплоизолирующими материалами для предотвращения превышения рабочей температуры систем отсека ELM-ES. Кроме того, для поддержания температуры ELM-ES, в областях, где теплоизоляция недостаточна, и температура может выйти за рамки допустимого диапазона, установлены устройства нагрева. Нагреватели также установлены в орбитальных сменных блоках платформы EF и полезных грузах платформы EF, которые установлены на ELM-ES. (9) Конструкция Конструкция внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES воспринимает нагрузки, прикладываемые во время запуска на борту ―Спейс шаттла‖, подъѐма, управляющих маневров МКС. К отсеку полезного груза ―Спейс шаттла‖ ELM-ES крепится механизмом под названием ―опора‖ (Trunnion). Секция ELMES имеет пять таких опор. 81 (10) Механическая система Механическая система состоит из устройства крепления полезного груза PAM, которое фиксирует полезные грузы платформы EF на ELM-ES, и стыковочного (интерфейсного) устройства полезного груза PIU, которое соединяет ELM-ES с платформой EF или с герметичной секцией экспериментального грузового отсека ELMРS. Более подробные данные о PIU приведены в Разделе 4.3.3 (5) (б). (а) Устройство крепления полезного груза Устройство крепления полезного груза PAM крепит полезные грузы платформы EF к ELM-ES в период, когда ELM-ES запускается на МКС или возвращается на землю на борту ―Спейс шаттла‖. Кроме того, этот механизм используется для установки и удаления полезных грузов платформы EF, например, когда эти полезные грузы требуется вывести на орбиту с использованием автоматизированного манипулятора. PAM также имеет электрические соединители, которые доставляют энергию нагревателям для поддержания температуры полезных грузов платформы EF. На Рис. 4.4.3-1 представлен общий вид устройства крепления полезного груза PAM. 82 Опора Соединяет ПГ платформы EF c ELM-ES Механизм отрывного разъёма UCM Обеспечивает подачу от ELM-ES электроэнергии на ПГ платформы EF ПГ платформы EF Направляющие Фиксирующее устройство конструкции SLM ПГ платформы EF захватывается четырьмя SLM Рис. 4.4.3-1 Устройство крепления полезного груза PAM 83 4.5 Дистанционный манипулятор (JEMRMS) 4.5.1 Краткое описание Дистанционный манипулятор японского экспериментального модуля JEM (JEMRMS). Автоматизированный манипулятор модуля JEM (―Кибо‖) представляет собой систему автоматизированного манипулирования, предназначенную для поддержки проводимых на модуле ―Кибо‖ экспериментов, и/или для решения задач техобслуживания ―Кибо‖. JEMRMS является третьей по счѐту дистанционно управляемой системой манипуляторов для космических операций, которые Япония запустит в космос. Система JEMRMS последовала за японскими проектами ―Лѐтная демонстрация манипулятора‖ (Manipulator Flight Demonstration – MFD) и ―Спутник для технических испытаний VII‖ (Engineering Test Satellite – ETS VII). Система JEMRMS состоит из двух основных элементов Рис. 4.5.1-1 Расположение системы JEMRMS на модуле “Кибо” - главной стрелы MA и малой точной стрелы SFA. Для управления системой JEMRMS используется консоль JEMRMS (пульт управления манипуляторами). Как главная стрела MA, так и малая точная стрела SFA, имеют по шесть сочленений и предусматривают выполнение движений, аналогичных руке человека. Экипаж управляет системой JEMRMS, находясь в модуле РМ и наблюдая процесс на телевизионном мониторе. Исходные изображения поступают от видеокамер, смонтированных на стреле. С помощью этих стрел экипаж может решать различные задачи, . В проекте MFD в ходе полёта STS-85 в августе 1997 года использовалась экспериментальная модель (макет системы JEMRMS), с помощью которой частично подтверждались работоспособность JEMRMS. В рамках проекта ETS VII в ноябре 1997 года производилась оценка системы дистанционного манипулирования и изучались базовые технологии применения робототехнических устройств в космосе включая замену полезных грузов или орбитальный сменный блок ORU платформы EF, которые располагаются на платформе EF и внешней негерметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-ES. Десятиметровая главная стрела MA переносит (захватывает и перемещает) крупногабаритные грузы, а двухметровая малая используется для выполнения тонких прецизионных операций. 84 точная стрела SFA Система JEMRMS рассчитана на эксплуатацию на орбите в течение не менее, чем 10 лет. JEMRMS имеет конструкцию, предполагающую замену и ремонт. Стрелы могут подвергаться ремонту с выходом в открытый космос или без него. (Ремонт главной стрелы МА может производиться только с выходом в открытый космос. В Таблице 4.5.1-1 показаны технические характеристики системы JEMRMS (стрелы МА и SFA). Табл. 4.5.1-1 Технические характеристики системы JEMRMS (MA и SFA) Технические характеристики Показатель главная стрела MA тип конструкции малая точная стрела SFA главная стрела MA с присоединённой малой точной стрелой SFA . Обе стрелы состоят из 6 сочленений каждая. число степеней свободы 6 6 длина, м 10 2,2 масса, кг 780 190 грузоподъёмность точность определения положения скорость перемещения / вращения макс. сила на рабочем конце мax. 7 000 кг мax. 300 кг перемещение 50(+/-) мм перемещение 10(+/-) мм вращение 1(+/-) град. вращение 1(+/-)град. 60 мм/с (груз: менее 600 кг) 50 мм/с (груз: менее 80 кг) 30 мм/с (груз: менее 3 000 кг) 25 мм/с (груз: 80 -- 300 кг) 20 мм/с (груз: менее 7 000 кг) - более 30 Н более 30 Н срок эксплуатации более 10 лет 85 4.5.2 Внешний облик Рис. 4.5.2-1 Главная стрела МА, малая точная стрела и консоль JEMRMS 86 Подписи к рисунку (по трём основным элементам снизу вверх по часовой стрелке): JEMRMS Concole Interface Panel IP Power Distribution Box PDB Avionics Air Assembly интерфейсная панель Small Fine Arm Small Fine Arm SFA малая точная стрела щит распределения питания SFA Wrist Joint (Yaw) AAA сборка электронного оборудования SFA Wrist Joint (Pitch) Robotics Laptop Terminal RLT компактный терминал робототехнического комплекса Boom Translation Hand Controller THC преобразующая ручка управления SFA Elbow Joint (Pitch) "локтевой" шарнир (поворот в плоскости тангажа) Remote Interface Panel RIP выносная интерфейсная панель SFA Shoulder Joint (Pitch) "плечевой" шарнир (поворот в плоскости тангажа) Hold/Release Electronics HREL электронное оборудование “блокировать/отпустить” SFA Shoulder Joint (Roll) Caution and Warning Panel C&W панель предостережения и предупреждения 2,2 m Fully Deployed Audio Terminal Unit ATU абонентский блок звуковой связи Television Monitor (Display) телевизионный монитор (дисплей) Camera Control Panel CCP панель управления камерой Rotational Hand Controller RHC ручка управления вращением Management Data Processor MDP процессор управляющей информации Arm Control Unit ACU устройство управления стрелой запястный шарнир (поворот в горизонтальной плоскости) SFA Electronics SFA Grapple Fixture SFA TV Camera Electronics SFA Wrist Joint (Roll) SFA Force/Torque Sensor SFA Wrist TV Camera Head SFA Tool запястный шарнир (поворот в плоскости тангажа) балка "плечевой" шарнир (поворот в плоскости крена) 2,2 м в полностью развёрнутом состоянии электронная аппаратура приспособление для захвата электроника ТВ-камеры запястный шарнир (поворот в плоскости крена) силомоментный датчик головка запястной ТВ-камера Устройство захвата Main Arm Main Arm MA Boom MA главная стрела балка MA Joint шарнир MA Base опорная поверхность MA Elbow Vision Equipment "локтевая" MA Wrist Vision Equipment “запястная” MA End Effector приспособление для захвата 87 видеоаппаратура видеоаппаратура 4.5.3 Составляющие системы JEMRMS Система JEMRMS состоит из следующих подсистем: главная стрела MA малая точная стрела SFA консоль JEMRMS оборудование для хранения стрелы SFA видеоаппаратура системы JEMRMS механизм ―удержания-отпускания‖ Ниже следует более подробное описание подсистем. (1) Главная стрела MA Главная стрела MA состоит из балок, сочленений, телевизионных камер, поворотного устройства камеры PTU, фары и концевого захвата (захватывающего устройства), который ―захватывает‖ грузы внешней экспериментальной платформы EF. В состав системы входят также три балки MA 1, 2 и 3. Видеооборудование (телекамеры, поворотное устройство и фары) присоединено к балкам MA Boom 2 и MA Boom 3. Экипаж управляет системой JEMRMS наблюдая изображения на телевизионном мониторе на консоли JEMRMS, генерируемые видеооборудованием. Главная стрела MA используется в первую очередь для замены полезных грузов на экспериментальной платформы EF (стандартный объѐм груза составляет 185 см х 100 см х 80 см, вес -- до 500 кг). Полезный груз платформы EF захватывается и переносится с помощью приспособления для захвата в составе главной стрелы системы JEMRMS. (2) Малая точная стрела SFA Малая точная стрела SFA состоит из балок, сочленений, электронного оборудования, концевых захватов, называемых "Инструментом" (Tool), и телекамер. Стрела SFA предназначена, главным образом, для работы с малыми объектами, включая замену орбитальных сменных блоков ORU на экспериментальной платформе EF. (Размер блока ORU составляет 62 см х 42 см х 41 см, масса – не более 80 кг). SFA спроектирована с возможностью податливости захвата, что оценивалось в проекте Manipulator Flight Demonstrator (MFD) во время полета ―Спейс шаттла‖ STS-85. Эта особенность позволяет экипажу легко управлять стрелой. Для обеспечения податливости на стреле используется силомоментный датчик для определения момента касания целевого груза, после чего положение стрелы контролируется автоматически. 88 (3) Консоль JEMRMS Консоль JEMRMS установлена в герметизированном модуле PM. Член экипажа управляет JEMRMS, наблюдая изображения, получаемые с телекамер стрелы, на телемониторе стойки JEMRMS. Консоль JEMRMS состоит из процессора обработки данных MDP, портативного компьютера, ручек управления, телевизионных мониторов и электронного оборудования для реализации возможности ―удержания-отпускания‖ (грузов) HREL. Процессор обработки данных MDP контролирует подсистемы JEMRMS связываясь с JCP и командно-управляющим мультиплексором/демультиплексором C&CMDM, который управляет МКС. Портативный компьютер и ручки управления (RHC и THC) используются для управления системой JEMRMS. Телевизионный монитор даѐт изображения, поступающие от внешних камер. Электронное оборудование HREL используется для управления механизмом ―удержания-отпускания‖ (см. п. 5). (4) Оборудование для хранения стрелы SFA Оборудование хранения стрелы SFA представляет собой устройство для хранения малой точной стрелы SFA в те периоды, когда она не используется. Оборудование для хранения стрелы SFA размещено на платформе EF. Расположение оборудования представлено на Рис. 4.3.2-1. (5) Механизм ―удержания-отпускания‖ В процессе доставки на борт МКС главная стрела МА механизм ―удержанияотпускания‖ HRM фиксирует МА к герметичному модулю РМ. После стыковки модуля РМ к МКС экипаж использует оборудование HREL на консоли JEMRMS для того, чтобы извлечь зафиксированную стрелу МА из механизма HRM. Далее, производится развѐртывание стрелы МА. HRM удерживает стрелу МА за ―локоть‖, ―запястье‖ и балку 3. На Рис.4.5.3-1 представлена система JEMRMS, прикреплѐнная к модулю РМ (конфигурация на период запуска к МКС). 89 Механизм “удержанияотпускания” HRM (скрыт под стрелой) HRM Несущая плита системы JEMRMS Главная стрела Герметичный модуль РМ HRM Рис. 4.5.3-1 Система JEMRMS, прикреплённая к модулю РМ (конфигурация на период запуска к МКС) 90 4.6 Система межорбитальной связи (ICS) 4.6.1 Краткая сводка Система межорбитальной связи ICS является уникальной японской системой передачи данных по направлению ―земля-борт-земля‖, изображений и речи между модулем ―Кибо‖ и залом управления полѐтами в Космическом центре Цукуба. Система межорбитальной связи ICS использует антенну диаметром 80 см, установленную на Внешней экспериментальной платформе EF и Экспериментальный спутник передачи данных DRTS, известный также под названием Kodama. В состав системы ICS входят две следующие подсистемы. Подсистема Герметизированный модуль системы межорбитальной связи ICS-PM обеспечивает функции передачи данных. Подсистема Внешняя экспериментальная платформа системы межорбитальной связи ICS-EF состоит из антенны, установленной на Платформе EF. Основные характеристики системы ICS представлены в Табл.4.6.1-1. Рис. 4.6.1-1 Расположение системы ICS в составе модуля “Кибо” 91 Табл. 4.6.1-1 Основные характеристики системы ICS Характеристики Показатель ICS-PM размер, м 2,0 х 1,0 х 0,9 масса, кг 330 скорость передачи данных/Частота/ способ модуляции ICS-EF 1,1 х 0,8 х 2,0 (антенна втянута) 2,2 х 0,8 х 2,0 (антенна развёрнута) 310 вниз 50 Мбит в секунду / около 26 ГГц / QPSK (Quadranture Phase Shift Keying) вверх 3 Мбит в секунду / около 23 ГГц / BPSK (Binary Phase Shift Keying) окно видимости спутника DTRS (Kodama)* в сумме 7,8 час в сутки (система DTRS состоит из 1 спутника) максимум 40 мин за один оборот МКС *фактическое время доступности связи через спутник DTRS может быть меньше, чем приведённое в Таблице 4.6.1-1 поскольку последнее базируется на расчётах. Кроме того, связь через DTRS может ограничиваться необходимостью работы с другими объектами. 92 4.6.2 Компоновка Конфигурация системы ICS представлена на Рис.4.6.2.-1. Устройство захвата Grapple Fixture Здесь захватывает JEMRMS Кладовая Антенна (втянута) ICS ORU Датчик направления на Землю Солнечный датчик системы ориентации Место для системы HTV- Proximity Communication System (PROX) Подсистема ICS –PM Герметизированного модуля РМ Подсистема ICS –EF Внешней экспериментальной платформы EF Рис. 4.6.2-1 Система межорбитальной связи ICS 93 4.6.3 Составляющие системы межорбитальной связи ICS Ниже приведены более подробные данные о подсистемах системы ICS и компонентах ICS-PM и ICS-EF. (1) Подсистема герметичного модуля ICS-PM. Подсистема ICS-PM герметичного модуля включает в свой состав семь сменных орбитальных блоков ORU. В состав этих блоков входит оборудование типа устройств обработки данных базового диапазона BBDPU. Эти блоки установлены в рэках ICS откуда управляют системой межорбитальной связи ICS. Подсистема ICS-PM в первую очередь объединяет данные от систем модуля ―Кибо‖ и экспериментальных полезных грузов для передачи их на землю. Кроме того, она осуществляет распределение данных, поступающих с земли, а также модулирует их перед передачей и демодулирует после приѐма. ICS-PM также выполняет функцию автоматического планирования рабочих операций, когда команды отправляются на борт с земли заранее, пока доступен спутникретранслятор DRTS. Эти команды хранятся в ICS-PM. Каждая из них исполняется в заранее запланированный момент времени, что обеспечивает автоматизм выполнения операций. Кроме того, подсистема ICS-PM осуществляет запись данных с целью дальнейшей их передачи на землю всякий раз, когда невозможна связь в реальном времени. (2) Подсистема внешней экспериментальной платформы ICS-EF Подсистема внешней экспериментальной платформы ICS-EF состоит из ряда элементов, включая механизм наведения антенн APM, преобразователи частот, мощный усилитель, а также различные датчики, включая датчик направления на Землю, солнечный датчик и инерциальную систему наведения IRU. Поток данных, от модуля ―Кибо‖ к земле передаѐтся подсистемой герметичного модуля ICS-PM через ICS-EF. Данные проходят через преобразователь частоты и усилитель, а затем направляются на спутник-ретранслятор DRTS. Сигналы с земли проходят через преобразователь частоты, приобретая низкую частоту, а затем направляются на ICS-PM. Кроме того, антенна системы межорбитальной связи ICS может автоматически отслеживать спутник DRTS. Подсистема ICS-EF определяет направление антенны по данным от датчика направления на Землю, солнечного датчика и инерциальной системы наведения, при этом одновременно рассчитывая направление антенны, основываясь на данных об орбитальном положении МКС и спутника DRTS. Подсистема ICS-EF направляет антенну, используя механизм наведения антенны APM, определяя интервал 94 варьирования положения ICS в пространстве, и автоматически отслеживая спутник DRTS. Далее, находясь на связи с DRTS, система ICS может точно определять направление на DRTS путѐм обнаружения любой ошибки наведения, основываясь на высокочастотных сигналах, которые принимает антенна. 95 5. Эксплуатация модуля “Кибо” 5.1 Выведение на орбиту Компоненты ―Кибо‖ были доставлены на МКС в ходе трѐх полѐтов (см. Табл. 5.1-1). Таблица 5.1-1 Запуски компонентов модуля ―Кибо‖ Номер полёта к МКС в ходе её сборки 1J/A* Составляющие “Кибо” экспериментальный грузовой отсек герметичная секция ELM-PS Дата прибытия на МКС 14 марта 2008 г. на борту “Спейс шаттла” (полёт STS-123) (герметичная секция экспериментального грузового отсека) 1J герметичный модуль РМ с системой дистанционного манипулирования 2 июня 2008 г. на борту “Спейс шаттла” (полёт STS-124) JEMRMS 2J/A внешняя экспериментальная платформа EF и экспериментальный грузовой отсек - внешняя негерметичная секция ELM-ES 17 июля 2009 г. на борту “Спейс шаттла” (полёт STS-127) После присоединения к МКС, каждый компонент станции, включая те, что относятся к ―Кибо‖, используется согласно списку операций, приведѐнному в Табл. 5.1-2. Каждая страна или организация, которая разрабатывает компоненты МКС, ответственна за их использование. Эксплуатация ―Кибо‖ ведѐтся из зала управления полѐтами Центра сборки и поддержки МКС в составе Космического центра Цукуба. Более подробное описание наземных сооружений и лѐтных операций ―Кибо‖ представлено в Разделе 5.3. Табл. 5.1-2 Операции с компонентами МКС после запуска Операции Сборка, приведение в действие и наладка Функционирование системы Использование Техническое обслуживание Краткое описание Сборка, активизация и проверка работоспособности Управление и контроль рабочего состояния (Для Kibo) Поведение экспериментов в космосе, используя экспериментальные полезные грузы на борту “Кибо” Замена или ремонт отказавшего или отказывающего оборудования Расходуемые материалы, которые необходимы для поддержания в рабочем состоянии или замены экспериментальных полезных грузов на орбите, поставлялись и поставляются на МКС с помощью ―Спейс шаттлов‖, японских кораблей HTV, российских ―Прогрессов‖ и европейских кораблей ATV. * - Для номеров сборочных полѐтов к МКС, буква "J" обозначает полѐт, связанный с японскими элементами, а "A" обозначает полѐт, связанный с американскими элементами. Например, "2J/A" - второй сборочный полѐт, в ходе который доставляются элементы из Японии и США. 96 5.2 Последовательность сборки “Кибо” 5.2.1 Полѐт 1J/A В ходе полѐта 1 J/A на МКС была доставлена герметичная секция экспериментального грузового отсека ELM-PS. Она содержит системные рэки ―Кибо‖ и рэки полезного груза. Рис.5.2.1-1 даѐт внешнее представление об МКС после завершения полѐта 1J/A. Схема заполнения грузового отсека орбитального корабля ―Спейс шаттл‖ для полѐта 1J/A показана на Рис.5.2.1-2. После стыковки орбитального корабля с МКС для ―встраивания‖ ELM-PS в состав станции применялись следующие процедуры (см. Рис. 5.2.1-3). 1. Стыковка ―Спейс шаттла‖ 2. Робот-манипулятор МКС Canadarm-2 захватывает боновую датчиковую систему орбитального корабля OBSS и удаляет еѐ из отсека полезного груза ―Спейс шаттла‖. (Это было сделано для обеспечения достаточного просвета для безопасного удаления извлечения ELM-PS из отсека полезного груза (Рис.2.1-3 (1). 3. Система дистанционного манипулирования ―Спейс шаттла‖ SRMS извлекает герметичную секцию ELM-PS из отсека полезного груза (Рис. 5.2.13 (1) - (3). 4. С помощью системы SRMS секция ELM-PS прикреплена к общему механизму швартовки CBM модуля Harmony (Node 2) на его стороне, смотрящей в зенит (Рис. 5.2.1-3 (4)). 5. В тамбур механизма швартовки CBM подано давление. Экипаж соединил силовые электрические кабели и каналы вентиляции между ELM-PS и модулем Harmony. 6. На секцию ELM-PS подано напряжение и она Направление полёта активизирована. Произведена состояния Направление на Землю проверка еѐ Рис.5.2.1-1 МКС после завершения полёта 1J/A эксплуатационной готовности. 7. Члены экипажа входят в ELM-PS из модуля Harmony. 97 В конечном счете, ELM-PS присоединяется к модулю РМ. Однако, поскольку запуск ELM-PS на МКС производился раньше запуска РМ, ELM-PS была временно присоединена к модуля Harmony, пока модуль РМ не был доставлен на МКС. Система орбитальной стыковки Манипулятор “Шаттла” Канадский груз К средней палубе “Шаттла” Рис.5.2.1-2 Размещение грузов в отсеке полезного груза в полёте 1J/A 98 Рис.5.2.1-3 Последовательность стыковки ELM-PS к МКС 99 5.2.2 Полет 1J В ходе полѐта 1J (полѐт ―Спейс шаттла‖ STS-124) на борт МКС были доставлены герметичный модуль РМ и система дистанционного манипулирования JEMRMS. На Рис.5.2.2-1 представлен внешний облик МКС после осуществления полѐта 1J. На Рис. 5.2.2-2 показана схема грузового отсека ―Спейс шаттла‖, предназначенного для выполнения полѐта 1J. Перед запуском система дистанционного манипулирования JEMRMS была надежно прикреплена к модулю РМ. После стыковки ―Спейс шаттла‖ с МКС модуль РМ был пристыкован к МКС следующим образом. Рис. 5.2.2-3 показывает процедуры причаливания модуль РМ к МКС. На Рис.5.2.2-3 представлена последовательность перемещения герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS от Node 2 к герметичному модулю РМ. 1. ―Спейс шаттл‖ стыкуется с МКС 2. Canadarm2 выводит модуль РМ из грузового отсека (Рис. 5.2.2-3 (1) -- 5.2.2-3 (2)) 3. Модуль РМ причаливает к общему механизму швартовки CBM на стороне Node 2 (Рис. 5.2.2-3 (3) -- 5.2.2-3 (4)) 4. Тамбур механизма швартовки CBM герметизируется. Экипаж соединяет силовые и другие электрические кабели и линии. 5. На модуль РМ подана электроэнергия. Проводится проверка готовности систем модуля РМ к эксплуатации путѐм активация одной (ветвь B) из двух ветвей (A и B). 6. Задействуются кондиционеры воздуха и вентиляторы. Экипаж входит в модуль РМ. 7. Три системных рэка модуля JEM и консоль JEMRMS (пульт управления дистанционными манипуляторами JEMRMS), которые были доставлены в полѐте 1J/A и хранившиеся в герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS, переносятся в модуль РМ через Node 2. 8. В модуле РМ активируется ветвь A (вторая). Готовность системы к эксплуатации (две ветви активизированы) проверена. 9. Консоль JEMRMS активирована. JEMRMS введѐн в действие. 10. Другие рэки переносятся из грузового отсека ELM-PS в модуль РМ. 11. После закрытия люков ELM-PS деактивируется. А манипулятор Canadarm2 отделяет отсек ELM-PS от механизма швартовки CBM модуля Node 2 и переносит его на стыковочный механизм CBM модуля РМ. (Рис. 5.2.2-4 (1) -- 5.2.2-4 (4)) 12. Системы герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS вновь активируются и команда входит в него. 100 Рис. 5.2.2-1 Вид МКС после завершения полёта 1J 101 Модуль ELM-PS Модуль РМ Главная стрела JEMRMS Система стыковки орбитального корабля Модуль РМ Манипулятор JEMRMS полёта Node 2 Манипулятор “Спейс шаттла” К кабине на Направление “Спейс шаттла” Землю Направление полёта Положение манипулятора JEMRMS перед запуском Герметичный модуль РМ Манипулятор JEMRMS Манипулятор “Спейс шаттла” Система стыковки орбитального корабля Рис.5.2.2-2 Схема загрузки отсека полезного груза “Спейс шаттла” элементами модуля “Кибо” (полёт STS-124) http://www.nasa.gov/pdf/228145main_sts124_presskit2.pdf 102 Рис. 5.2.2-3 Процедуры крепления модуля РМ к МКС 103 Рис. 5.2.2-4 Процедуры перемещения ELM-PS (“Спейс шаттл” не показан) 104 5.2.3 Полѐт 2J/A В ходе полѐта 2J/A (полѐт ―Спейс шаттла‖ STS-127) внешняя экспериментальная платформа EF и экспериментальный грузовой отсек – внешняя негерметичная секция ELM-ES были доставлены на МКС. На Рис.5.2.3-1 представлен внешний вид МКС по завершении полѐта 2J/A. Расположение полезных грузов в ступени ―Спейс полѐт орбитальной шаттл‖ STS-127 показано на Рис.5.2.3-2. После стыковки ―Спейс шаттл‖ с МКС экспериментальная платформа EF была к МКС присоединена Испытания платформы EF в Космическом центре Цукуба следующим образом Рис. 5.2.3-3. 1. ―Спейс шаттл‖ стыкуется с МКС 2. Манипулятор Canadarm2 достаѐт платформу EF из отсека полезного груза ―Спейс шаттла‖ (Рис.5.2.3-3 (1 -4)) 3. Платформа EF присоединяется к механизму швартовки с EF (EFBM) модуля РМ с использованием манипулятора Canadarm2 (Рис.5.2.3-3 (3 -4)) 4. На платформу EF подаѐтся электроэнергия и она активируется. Проверяется готовность EF к эксплуатации. 5. Манипулятор ―Спейс шаттла‖ SRMS удаляет внешнюю негерметичную секцию экспериментального грузового отсека ELM-ES из отсека полезного груза ―Спейс шаттла‖ (Рис.5.2.3-3) 6. Отсек ELM-ES передаѐтся от манипулятора SRMS к манипулятору Canadarm2 (Рис.5.2.3-3 (6)) 7. Отсек ELM-ES присоединяется к платформе EF с помощью манипулятора Canadarm2 (Рис.5.2.3-3 (7 -8)) 8. На платформу ELM-ES подаѐтся электроэнергия и она активируется. Проверяется готовность ELM-ES к эксплуатации. 9. Те полезные грузы, которые были доставлены на ELM-ES, манипулятором JEMRMS на платформу EF. 105 переносятся ELM-ES EF Направление полёта Направление на Землю Рис.5.2.3-1 Вид МКС и “Кибо”после завершения полёта 2J/A 106 Система стыковки орбитального корабля Груз США Манипулятор “Спейс шаттла” SRMS К кабине “Спейс шаттла” ELM-ES EF Рис.5.2.3-2 Схема загрузки отсека полезного груза “Спейс шаттла” для полёта 2J/A 107 Рис.5.2.3-3 Последовательность стыковки платформы EF и отсека ELM-ES к МКС 108 5.3 Управление эксплуатацией модуля “Кибо” Программа МКС, которая включает строительство, сборку и использование станции, выполняется силами США, Японии, Канады, европейских стран, которые объединены в ЕКА, и России. Общую координацию процесса эксплуатации МКС осуществляют США. Каждая страна, являющаяся международным партнѐром программы МКС, отвечает за использование собственной части станции, включая конструктивные компоненты, модули, сегменты, полезные грузы или оборудование для МКС. Связь между МКС и международными партнѐрами осуществляется с помощью американских спутников-ретрансляторов TDRS через Космический центр имени Джонсона (НАСА) и наземную станцию на полигоне Уайт Сэндз. Япония в качестве варианта для связи с ―Кибо‖ использует свой спутник-ретранслятор DTRS (―Кодама‖). Россия выходит на связь с МКС только при прямой радиовидимости, но использует TDRS как резервный канал связи. Принципиальная схема операций, связанных с МКС представлена на Рис.5.3-1. После того, как все конструктивные элементы ―Кибо‖ были собраны и прикреплены к МКС, начались полномасштабные японские эксперименты в космосе. Эксперименты, выполняемые на ―Кибо‖, контролируются из Комплекса эксплуатации МКС (Space Station Operations Facility - SSOF), находящегося в составе Центра интеграции и поддержки МКС (Space Station Integration and Promotion Center SSIPC) в Космическом центре Цукуба (Space Station Integration and Promotion Center SSIPC) во взаимодействии с Центром управления МКС (Space Station Control Center SSCC) в Космическом центре Джонсона, который управляет всеми операциями МКС. Схема Центра SSIPC, состоящего из нескольких взаимосвязанных организаций, представлена на Рис. 5.3-1. 109 Комплекс SSOF ответственен за эксплуатацию ―Кибо‖, включая (1) управление и контроль систем ―Кибо‖, (2) действующие на борту ―Кибо‖ японские экспериментальные полезные грузы на борту ―Кибо‖, (3) реализацию планов эксплуатации (4) обработку полезных грузов на стартовом комплексе. Системы эксплуатации ―Кибо‖ подразделяются следующим образом: (а) Система планирования эксплуатации и использования, (б) Система управления эксплуатацией, (в) Система обучения операциям экипажа, (г) Система инженерно-технической поддержки, (д) Система управления логистикой и техническим обеспечением, и (е) Сетевая система передачи данных в ходе эксплуатации. Схема Системы управления эксплуатацией OCS, являющейся наиболее критичной системой эксплуатации ―Кибо‖, представлена на Рис.5.3-2 и 5.3-3. 110 ЕКА Центр управления модулем “Колумбус” (ColCC) Данный центр отвечает за эксплуатацию лаборатории “Колумбус” НАСА Центр эксплуатации и интеграции полезных грузов (POIC) ФКА Центр управления полётами - Москва (ЦУП-М) Этот центр управляет и эксплуатирует Российский сегмент МКС Этот центр, расположенный в Центре Этот центр, расположенный Центре Этот центр, расположенный Центре космических полётов имени ввМаршалла, космических полётов имени научных Маршалла, космических имени Маршалла, осуществляетполётов эксплуатацию осуществляет эксплуатацию научных осуществляет эксплуатацию научных полезных грузов на борту МКС полезных полезных грузов грузов на на борту борту МКС МКС НАСА Центр управления МКС (SSCC) Данный центр, расположенный в Космическом центре имени Джонсона управляет и эксплуатирует общие системы МКС. Он отвечает за безопасность МКС и её экипажей. Коммуникационный интерфейс для эксплуатации полезных грузов Коммуникационный интерфейс для эксплуатации систем “Кибо” JAXA Центр интеграции и поддержки МКС (SSIPC) Комплекс эксплуатации космических станций (SSOF) Этот комплекс управления операциями расположен в Космическом центре Цукуба. SSIPC осуществляет планирование и управление эксплуатацией модуля “Кибо” Комплекс эксплуатации космических станций (SSOF) Осуществляются испытания систем “Кибо” в сборе. Испытывается работоспособность систем, интерфейсов и совместимость полезных грузов. Оказывается инженернотехническая поддержка орбитальной эксплуатации “Кибо” Осуществляет управление эксплуатацией модуля “Кибо” в сотрудничестве с центрами SSCC и POIC. Здесь осуществляется эксплуатация “Кибо” в целом и проведение космических экспериментов, а также планируются операции “Кибо”. Комплекс также занимается рассматривает вопросы, связанные с функционированием и возможностью запуска. Лаборатория космических экспериментов (SEL) Ответственна за 1) разработку технологий проведения экспериментов в космосе, 2) поддержку постановщиков экспериментов для “Кибо”, разработку программ проведения экспериментов на “Кибо”, 4) поддержку анализа данных по результатам проведения экспериментов. Центр подготовки астронавтов (ATF) Осуществляет их подготовку подготовку и и Осуществляет отбор отбор астронавтов, астронавтов, их медицинский медицинский контроль. контроль. Проводится Проводится методическая методическая работа по отбору членов членов экипажей, их подготовка и контроль работа по отбору экипажей, их подготовка и состояния здоровья.здоровья. контроль состояния Зал управления полётами (MCR) Осуществляет круглосуточное управление модулем “Кибо” в реальном масштабе времени. Производится также мониторинг состояния и техническая диагностика полезных грузов “Кибо”, отправка команд, оперативное планирование в реальном времени. Участок пользовательских операций (UOA) Информирует постановщиков о ходе выполнения японских экспериментов и передаёт им экспериментальные данные. Постановщики, ответственные за проведение эксперимента, могут отслеживать, управлять и анализировать экспериментальные данные. Они могут поддерживать или сами проводить орбитальные эксперименты с земли. Зал планирования операций (OPR) Производит планирование орбитальных и наземных операций в части распределения энергии, ресурсов экипажа и передачи данных. При необходимости изменения планов, коррективы вносятся совместно с MCR, UOA и НАСА. Операционный тренажёрный зал (ORR) Функции аналогичны MCR. Зал ORR обеспечивает подготовку операторов управления полётами, комплексные тренировки и имитацию взаимодействия с НАСА. Центр имитации невесомости (WET) Имитатор условий невесомости использует выталкивающую силу воды. Здесь проводились приёмочные испытания компонентов модуля “Кибо” , отрабатывались процедуры его технического обслуживания и т.д. 111 Рис. 5.3-2 Наземные средства Центра интеграции и поддержки МКС (SSIPC) Система управления эксплуатацией Operations Control System (OSC) Подсистема мониторинга и управления Monitoring Control subsystem Подсистема поддержки экспериментальных операций Experiment Operations Support subsystem (EOSS) Подсистема стратегического и тактического планирования Strategic and Tactical Planning subsystem (STPS) Подсистема управления эксплуатационными данными Operations Data Management subsystem (ODMS) Сетевая подсистема эксплуатационных данных Operations Data Network subsystem (ODNS) Подсистема оборудования общего доступа Common Equipment subsystem (CES) Вместе с Центром управления МКС (SSCC), Система управления эксплуатацией (OSC), являющаяся центральным звеном Центра интеграции и поддержки МКС (SSIPC), отслеживает и управляет системами ―Кибо‖, а также состоянием японских и партнѐрских экспериментальных установок на борту ―Кибо‖. OSC также осуществляет управление данными и поддерживает деятельность постановщиков. Кроме того, OSC готовит и реализует планы эксплуатации систем и полезных грузов ―Кибо‖ в рамках располагаемых ресурсов, которые выделяются для ―Кибо‖ в сотрудничестве с центрами SSCC/POIC, которые ответственны за интеграцию на уровне всей МКС и эксплуатацию полезных грузов. Подсистема мониторинга управления осуществляет: (1) обработку и отображение бортовых данных, необходимых для мониторинга и управления в реальном времени полезными грузами ―Кибо‖ (японскими и зарубежными), (2) контроль и проверку передаваемых команд, (3) архивирование данных об операциях, (4) передачу, управление и/или проверку файлов для орбитальных операций, и (5) выявление неисправностей, изоляцию и восстановление. Данная подсистема оказывает несколько видов поддержки для постановщиков, которые проводят свои эксперименты снаружи или внутри модуля ―Кибо‖: (1) распределение и отображение экспериментальных и служебных данных, передаваемых постановщикам с борта ―Кибо‖, (2) ввод и передача команд от постановщиков, и (3) обеспечение стандартного интерфейса для оборудования постановщиков. Данная подсистема осуществляет: (1) планирование и подготовку систем и полезных грузов ―Кибо‖, (2) наземное планирование орбитальной эксплуатации, (3) пересмотр и корректировку планов наземных операций, и (4) подготовка данных для планирования операций Данная подсистема управляет: (1) эксплуатацией систем и полезных грузов ―Кибо‖ (как японских, так и принадлежащих международным партнѐрам), (2) экспериментальными данными японских полезных грузов, (3) накоплением данных вспомогательного характера и статистической обработкой, (4) обработкой, длительным хранением и распределением данных, и (5) поиском данных. Данная сетевая подсистема управляет: (1) оборудованием для обеспечения интерфейса между НАСА и системой межорбитальной связи ―Кибо‖ (ICS), а также сетевых операций cистемы управления эксплуатацией OSC Эта подсистема обеспечивает оборудование и информацию общую для операторов управления полѐтом ―Кибо‖. Данная подсистема состоит из: (1) аудио-видео оборудования связи, (2) больших дисплеев , (3) стандартного оборудования обеспечения единого времени, и (4) рабочие места операторов в зале управления полѐтом MCR. Рис. 5.3-3 Система управления эксплуатацией “Кибо” 112 5.3.1 Орбитальный интерфейс (земля -―Кибо‖-земля) Для передачи данных с земли (Космический центр Цукуба) на борт модуля ―Кибо‖ существуют два канала связи. В общем случае, эксплуатация ―Кибо‖ осуществляется с использованием коммуникационного канала НАСА. (1) Коммуникационный канал передачи данных НАСА Данный канал обеспечивает коммуникационный интерфейс между Космическим центром Цукуба через принадлежащий НАСА ―Кибо‖ и спутник-ретранслятор TDRSS. Команды и данные из Центра Цукуба вначале получают Космический центр Джонсона и Наземная станция Уайт Сэндз, которые направляют их на борт ―Кибо‖ через спутник TDRSS и МКС. Этот канал использует два типа диапазонов связи. Каждый диапазон несѐт свой тип данных. (а) Диапазон S Диапазон S передаѐт команды (включение и выключение ―Кибо‖), бортовые данные (данные о состоянии систем ―Кибо‖), а также речь. (b) Диапазон Ku Диапазон Ku передаѐт данные в широком диапазоне, включая, данные об экспериментах и видеоизображение. (2) Канал передачи данных JAXA Данный канал обеспечивает прямое информационное взаимодействие между Космическим центром Цукуба и модулем ―Кибо‖ через принадлежащий агентству JAXA спутник-ретранслятор DRTS (Кодама). Данные, исходящие из направляются на спутник Центра Цукуба, DRTS, который ретранслирует их на ―Кибо‖, который принимает их с помощью установленной на нем аппаратуры системы межорбитальной связи ICS. Этот канал использует диапазон Ka. Типы данных, направляемый вверх и вниз, почти те же самые, что и типы данных, передаваемых по коммуникационным каналам НАСА (команды, телеметрия, речь, видео, данные об экспериментах и снимки экспериментов. Канал передачи данных JAXA называют также ―канал ICS‖. 113 5.3.2 Наземное взаимодействие между Центром Цукуба и ЦУП НАСА Существуют два типа наземных каналов JAXA и НАСА. Оба канала двумя центрами управления представляют собой арендуемые линии связи. (1) Связь между Космическим центром Цукуба (TKSC) и Космическим центром имени Джонсона (JSC) Данный канал соединяет японский Центр Цукуба (TKSC) и Космический центр Джонсона (НАСА). По нему посылают и получают команды (включить/отключить ―Кибо‖), телеметрию (данные о состоянии ―Кибо‖), а также речь и видеоизображения. (2) Связь между Космическим центром Цукуба (TKSC) и Центром космических полѐтов имени Маршалла (MSFC) Этот канал соединяет ―Кибо‖ с Космическим центром Цукуба через Центр поддержки операций в Хантсвилле (HOSC), находящемся в Центре космических полѐтов имени Маршалла. Данные об экспериментах передаваемые из космоса (с модуля ―Кибо‖) направляются в Космический центр Цукуба (TKSC). На Рис.5.3.2-1 представлена схема интерфейсов ―орбита/земля‖ для модуля ―Кибо‖. 114 Канал передачи данных НАСА США Наземная станция Уайт Сэндз Канал передачи данных JAXA Диапазон Ka - Вниз (50 Мб/с): данные о состоянии Кибо, речь, видео, данные об экспериментах Диапазон S - Вниз: телеметрия с МКС/Кибо, речь - Вверх: команды на МКС/Кибо, речь Диапазон Ku - Вниз (50 Мб/с): данные об экспериментах, видеоизображения - Центр Цукуба Вверх: команды на Кибо, речь, данные для полезных грузов Наземная станция DRTS НАСА - Центр Джонсона, Центр управления полётами данные о состоянии Кибо, команды на Кибо, речь, видео Центр интеграции и поддержки МКС Система управления эксплуатацией НАСА - Центр Маршалла, Центр поддержки операций Хантсвилл данные об экспериментах Рис.5.3.3 -1 Схема интерфейсов “орбита/земля” для модуля “Кибо” 115 6. Использование модуля “Кибо” 6. 1 Аннотация На борту МКС в условиях уникальной среды космического пространства проводятся и будут проводиться в дальнейшем различные научные эксперименты. Эта среда в космосе характеризуется наличием микрогравитации, космического излучения, широчайшего поля зрения, очень глубокого вакуума и изобилием солнечной энергии. Эти условия сильно отличаются от тех, которые имеется на Земле. Их очень трудно полностью воспроизвести в наземных условиях. Предполагается, что результаты этих экспериментов позволят расширить возможности промышленности 21-го века и, следовательно, улучшить условия жизни человечества. Для проведения различных типов научных экспериментов используются как герметичные, так и открытые (для всех внешних воздействий) экспериментальные площади модуля ―Кибо‖. В этой главе описывается среда для проведения экспериментов в ―Кибо‖ и полезные грузы (экспериментальны установки), используемые внутри или снаружи ―Кибо‖. Кроме того, рассматриваются планы использования ―Кибо‖ на начальном этапе его использования. 116 6.2 Космическая среда 6.2.1 Микрогравитация Каждый объект, обращающийся по орбите вокруг Земли (например, МКС) находится в состоянии непрерывного свободного падения к центру Земли. В таких условиях, объекты на орбите находятся под воздействием микрогравитации (уровня гравитации, близкого к нулю). На гравитационную среду МКС могут влиять нескольких факторов, включая сопротивление атмосферы, градиент силы тяжести (приливные силы), деятельность членов экипажа, вращение батарей солнечных элементов самой станции. Тем не менее, уровень гравитации составляет всего лишь около 10-6... 10-4 g и может быть использован для проведения долгосрочных исследований на борту МКС. (Примечание: 1 g – это величина номинального ускорения свободного падения объекта, равная 9,80665 м/с2). 117 6.2.2 Линия визирования и поле зрения с борта МКС Прямой видимости с определенных участков МКС могут воспрепятствовать элементы конструкции МКС, включая герметичные модули или вращающиеся солнечные батареи. Поле зрения зависит от расположения и направления линии визирования. Поскольку ―Кибо‖ располагается в передней части МКС (по направлению движения), поле зрения полезных грузов на внешней экспериментальной платформе. Была произведена оценка поля зрения с места расположения экспериментального полезного груза № 1, который будет прикреплен к внешней платформе EF. Рисунок 6.2.2-1 показывает результаты проведѐнной оценки. План проведения эксперимента, который будет проводиться с использованием экспериментального полезного груза на платформе EF, когда поле зрения играет важную роль, потребует результатов анализа поле зрения. Направление движения К Node 2 Платформа EF Направление движения Полезный груз №1 на платформе EF Напр. в зенит Направление к центру Земли Направление движения Направление движения Примечание: показана кривая пределов досягаемости для солнечных батарей и излучателей станции. Обе диаграммы представляют собой полусферический вид. Рис. 6.2.2-1 Поля зрения с места расположения экспериментального полезного груза № 1, прикрепленного к внешней платформе EF 118 6.2.3 Фоновая атмосфера Глубина вакуума на орбите МКС (высота 400 км) составляет около 10 -5 Па. Сброс воды с МКС или ―Спейс шаттла‖, состыкованного с МКС, может повлиять на состояние вакуума. Кроме того, плотность атмосферы, окружающей МКС может изменяться в зависимости от солнечной и геомагнитной активности. На высоте полѐта МКС наблюдается значительное количество атомарного кислорода. Атомарный кислород образуется из диссоциированных молекул кислорода, подвергаемых воздействию ультрафиолетового излучения. Как известно, атомарный кислород активно окисляет, разрушает и загрязняет материалы космических аппаратов на орбите. Кроме сбросов воды с МКС, в окружении модуля ―Кибо‖ существует много источников загрязнения, включая дегазацию элементов МКС (газы, исходящие из органических материалов) или выхлопов двигателей ―Спейс шаттлов‖ и других космических кораблей. При планировании экспериментов, которые предполагается проводить на платформе EF, атмосферные факторы должны приниматься во внимание. 119 6.2.4 Космическое излучение Пространство орбит МКС пронизывается космическими излучениями, включая радиационные пояса (пояса Ван-Аллена), состоящие из частиц, захваченных магнитным полем Земли; частицы, порождаемые солнечной активностью (солнечные протоны), и галактическое космическое излучение, приходящее извне Солнечной системы. На среду внутри и снаружи МКС могут воздействовать космические излучения, попадающие на элементы конструкции МКС или местную атмосферу, что, в свою очередь, порождает вторичные излучения. Космическое излучение может вызвать неисправность оборудования МКС, которая известно как «эффект одного события" (single event effect). Кроме того, космическое излучение может негативно повлиять на здоровье экипажа МКС. Таким образом, наблюдение и исследование космических излучений приобретает всѐ большую важность. 120 6.2.5 Тепловая среда Тепловая среда МКС и ―Кибо‖ весьма сложная и включает такие компоненты как воздействие прямого солнечного света; света Солнца, отражаемого Землей (альбедо), фоновое инфракрасное и космическое излучение. Температура вблизи МКС и ―Кибо‖ колеблется от -150 ° C до +120 ° C , в зависимости от того, находятся ли они в затененной области МКС и ―Кибо‖ или нет. Тепловая обстановка может также варьироваться в зависимости от взаимного расположения Солнца и плоскости орбиты МКС. Прежде чем разрабатывать полезный груз для открытой платформы EF, следует убедиться, что сам экспериментальный полезный груз способен выдержать сложный тепловой режим космического пространства, включая прерывания и отражение. 121 6.2.6 Микрометеориты и космический мусор Вокруг Земли вращается большое количество микрометеоритов, которые, как считают, произошли из комет или астероидов, и элементов космического мусора, порождаемых искусственными спутниками Земли, их компонентами, старыми ракетаминосителями, работой твердотельных ракетных двигателей. Эти обращающиеся микрометеориты и космический мусор могут столкнуться с МКС или ―Кибо‖. На высотах менее 2000 км над землей, подтверждено наличие более 10 тысяч фрагментов космического мусора размером от 10 см и более. Если есть обоснованное предположение, что какой-либо элемент космического мусора может столкнуться с МКС, то инициируется маневр по изменению высоты орбиты МКС с целью уклонения станции от траектории движения опасного объекта. Кроме того, вокруг внешней поверхности герметичного модуля РМ и герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS устанавливаются защитные экраны для предотвращения воздействия космического мусора на конструктивные элементы станции. При этом, эти компоненты спроектированы так, чтобы не разрушаться даже если они сами получили пробоину от космического мусора. Безопасность экипажа МКС может быть обеспечена путѐм эвакуации членов экипажа в другой модуль МКС соответствующего модуля. 122 и последующего задраивания люков 6.3 Экспериментальные полезные грузы (ЭПГ) 6.3.1 Экспериментальные полезные грузы для модуля РМ в составе “Кибо” (1) Экспериментальная установка клеточной биологии Экспериментальная установка клеточной биологии (Cell Biology Experiment Facility -CBEF) поддерживает инкубационную среду, в которой можно контролировать температуру, влажность и концентрацию углекислого газа (СО2). С еѐ помощью можно изучать фундаментальные явления жизни в космосе с использованием клеток животных, растений, микроорганизмов и т.д. Можно использовать центрифугу для создания искусственной гравитации, т.е. в модуле ―Кибо‖ могут проводиться как эксперименты в условиях микрогравитации, так и в условиях искусственной тяжести. Камера для культур размещается в "ѐмкость" и монтируется в установке CBEF. С помощью соединительного разъѐма внутри CBEF в "ѐмкость" может подаваться энергия; передаваться команды, выходные сигналы датчиков и видеоустройств. Эти соединения обеспечивают создание эффективной экспериментальной среды. Кроме того, при размещении "ѐмкости" в чистом боксе (Clean Bench - CB), экипаж МКС, используя перчаточное устройство этого бокса, может напрямую работать с образцами в "ѐмкости". На Рис. 6.3.1-1 показан общий вид экспериментальной установки CBEF, а в Таблице 6.3.1-1 представлены еѐ характеристики. Установка CBEF размещена в SAIBO стойке (рэке) экспериментальных полезных грузов в герметичном модуле ―Кибо‖. Чистый бокс СВ также установлен в рэке SAIBO. Управление установкой CBEF осуществляется на месте, как показано на Рис. 6.3.1-2. 123 Отсек микрогравитации (Microgravity Compartment) Центрифуга Отсек гравитации 1G (1G Compartment) Рис. 6.3.1-1 Экспериментальная установка клеточной биологии CBEF Табл. 6.3.1-1 Характеристики экспериментальной установки CBEF Параметр Значение Диапазон температур от 15 до 40 °C Влажность Мах 80± 10% относительной влажности Концентрация СО2 0 – 10% (шаг 0,1%) Уровень гравитации от 0,05 до 2G энергия: пост ток +5В, +12В, ±15В Оснащение выходное напряжение датчика: от 0 до 5В команды: 1 бит видеовыход 124 назад вперёд рэк SAIBO код размещения: A2 в РМ Node 2 Рис. 6.3.1-2 Расположение рэка SAIBO в герметичном модуле РМ (2) Чистый бокс (Clean Bench - CB) Чистый бокс CB предоставляет асептический рабочий отсек типа ―перчаточный бокс‖ под названием "Операционная камера" (Operation Chamber - OC), в которой можно проводить работы в стерильных условиях. С использованием бокса CB на борту ―Кибо‖ можно проводить эксперименты в области биомедицины и биотехнологий. CB имеет дезинфекционную камеру (Disinfection Chamber - DC), которая отделена от операционной камеры ОС. Такое разделение предотвращает загрязнение OC микроорганизмами при передаче образцов или оборудования. Кроме того, камера OC оснащена ультрафиолетовыми лампами для стерилизации и высокоэффективным фильтром для улавливания частиц в воздухе (High Efficiency Particle Air - HEPA). Эти фильтры захватывают частицы, взвешенные в воздухе. В чистом боксе CB могут проводиться эксперименты, требующие стерильности. Передняя стенка OC состоит из прозрачных материалов для того, чтобы обеспечить хороший обзор внутренней части операционной камеры ОС. Экипаж МКС может проводить эксперименты в условиях стерильности непосредственно наблюдая происходящее внутри камеры OC. Кроме того, в чистом боксе CB установлен фазовоконтрастный/флуоресцентный микроскоп и камера системы видеонаблюдения для контроля экспериментов. На Рис.6.3.1-3 представлен общий вид бокса CB. В Таблице 6.3.1-2 представлены характеристики бокса CB. 125 CB установлен в рэке экспериментальных полезных грузов SAIBO в герметичном модуле РМ совместно с установкой CBEF CBEF и будет управляться на месте как это показано на Рис. 6.3.1-2. Энергоустановка ЖК-монитор Операционная камера ОС Ручка управления “Перчатка” Устройство управления Микроскоп Дезинфекционная камера DC Рис.6.3.1-2 Общий вид бокса СВ 126 Таблица 6.3.1-2 Характеристики чистого бокса CB Величина Характеристика Кубатура Операционная камера ОС: 52 л Дезинфекционная камера: 14 л Контроль среды Фильтрующая система воздуховода: частицы улавливаются двумя фильтрами типа HEPA Метод стерилизации: ультрафиолетовая бактерицидная лампа Температура: от 20 до 38 °C Установленное оборудование Коммуникации фазово-контрастный/ флуоресцентный микроскоп (линзы объектива: увеличение в 4, 10, 20 и 40 раз) Энергия: пост. ток +5В, +12В, ±15В Видеовыход (3) Экспериментальная установка для исследований в области физики жидкостей Экспериментальная установка для исследований в области физики жидкостей (Fluid Physics Experiment Facility - FPEF) является средством для проведения экспериментов по физике жидкости при комнатной температуре и в условиях микрогравитации. В космосе или в условиях микрогравитации эффекты тепловой конвекции менее выражены, чем в наземных условиях. Поэтому конвекция Марангони (конвекция, связанная с различиями в поверхностном натяжении) является существенной. Главная задача установки FPEF состоит в изучении конвекции Марангони в среде космоса, которая влияет, например, на рост кристаллов. Как ожидается, результаты исследования конвекции Марангони обеспечат контроль конвекции, которая в настоящее время препятствует промышленному использованию. Такие результаты, углубляющие наше понимание конвекции Марангони, могут найти применение в методах устранения пены или пузырьков в жидкости. Установка FPEF обладает следующими стандартными возможностями по наблюдению, измерению и мониторингу: (1) двумерное и трехмерное наблюдение жидкостей с целью изучения распределения потоков, (2) измерение температуры поверхности, (3) измерение профиля скорости с помощью ультразвука, (4) мониторинг скорости поверхностного стока. В настоящее время для FPEF планируется функция Liquid Bridge (Жидкий мост), предназначенная для изучения конвекции Марангони. Кроме того, разрабатываются некоторые экспериментальные ячейки для различных задач. На Рис. 6.3.14 показан общий вид установки FPEF. В Табл. 6.3.1-3 приведены характеристики FPEF. Установка FPEF размещена в рэке экспериментальных полезных грузов RYUTAI внутри модуля РМ. FPEF эксплуатируется по месту, как показано на Рис. 6.3.1-5. 127 Табл. 6.3.1-3 Характеристики установки FPEF Процессы и средства Образование Liquid Bridge (жидкий мост) Регулирование температуры 3-D наблюдение потока Общее наблюдение “жидкого моста” Замер распределения температуры поверхности Замер скорости поверхностного потока Средства обеспечения Характеристика Образец: кремниевое масло Диаметр: 30 мм, 50 мм Длина: максимум 65 мм Диск нагрева: максимум 90°C Диск охлаждения: минимум 5°C CCD-камера (эффект. пикселей 768 (гор) х 494 (верт)) CCD-камера (эффект. пикселей 768 (гор) х 494 (верт)) Инфракрасный фотоприёмник - спектральная чувствительность: 8-14 мкм -диапазон измерений: 0 - 100°C Фотохромное приведение в действие красящим веществом с помощью азотного газового лазера (две точки освещения) Источники энергии: 12± 2В, 4 А max, 1 канал 24± 2В, 3,5 А max, 3 канала 15± 0,5В, 0,8А max, 1 канал Аналоговый вход: 0 – 10 В, 8 каналов Цифровой вход: Цифровой выход: Подача газа: аргон (Ar) 128 Привод электродвигателя ИК фотоприёмник Строб- контроллер Строб-лампа Ручной водяной клапан Оборудование для 3D-измерений потока Контрольное оборудование FPEF Переключатель видео-системы Рис.6.3.1-4 Установка FPEF Рис.6.3.1-5 Расположение рэка RYUTAI 129 (3) Экспериментальная установка для исследований в области физики жидкостей Экспериментальная установка для исследований в области физики жидкостей (Fluid Physics Experiment Facility - FPEF) является средством для проведения экспериментов по физике жидкости при комнатной температуре и в условиях микрогравитации. В космосе или в условиях микрогравитации эффекты тепловой конвекции менее выражены, чем в наземных условиях. Поэтому конвекция Марангони (КМ - конвекция, связанная с различиями в поверхностном натяжении) является существенной. Главная задача установки FPEF состоит в изучении КМ в среде космоса, которая влияет, например, на рост кристаллов. Как ожидается, результаты исследования КМ обеспечат контроль конвекции, которая в настоящее время препятствует промышленному использованию. Такие результаты, углубляющие наше понимание КМ, могут найти применение в методах устранения пены или пузырьков в жидкости. Установка FPEF обладает следующими стандартными возможностями по наблюдению, измерению и мониторингу: (1) двумерное и трехмерное наблюдение жидкостей с целью изучения распределения потоков, (2) измерение температуры поверхности, (3) измерение профиля скорости с помощью ультразвука, (4) мониторинг скорости поверхностного стока. В настоящее время для FPEF планируется функция Liquid Bridge (Жидкий мост), предназначенная для изучения КМ. Кроме того, разрабатываются некоторые экспериментальные ячейки для различных задач. На Рис. 6.3.1-4 показан общий вид установки FPEF. В Табл. 6.3.1-3 приведены характеристики FPEF. Установка FPEF размещена в рэке экспериментальных полезных грузов RYUTAI внутри модуля РМ. FPEF эксплуатируется по месту, как показано на Рис. 6.3.1-5. Таблица 6.3.1 Характеристики установки FPEF-1 Процессы и средства Образование Liquid Bridge (жидкий мост) Регулирование температуры 3-D наблюдение потока Общее наблюдение “жидкого моста” Замер распределения температуры поверхности Замер скорости поверхностного потока Средства обеспечения Характеристика Образец: кремниевое масло Диаметр: 30 мм, 50 мм Длина: максимум 65 мм Диск нагрева: максимум 90°C Диск охлаждения: минимум 5°C CCD-камера (эффект. пикселей 768 (гор) х 494 (верт)) CCD-камера (эффект. пикселей 768 (гор) х 494 (верт)) Инфракрасный фотоприёмник - спектральная чувствительность: 8-14 мкм -диапазон измерений: 0 - 100°C Фотохромное приведение в действие красящим веществом с помощью азотного газового лазера (две точки освещения) Источники энергии: 12± 2В, 4 А max, 1 канал 24± 2В, 3,5 А max, 3 канала 15± 0,5В, 0,8А max, 1 канал Аналоговый вход: 0 – 10 В, 8 каналов Цифровой вход: Цифровой выход: Подача газа: аргон (Ar) 130 Привод электродвигателя ИК фотоприёмник Строб- контроллер Строб-лампа Ручной водяной клапан Оборудование для 3D-измерений потока Контрольное оборудование FPEF Переключатель видео-системы Рис.6.3.1-4 Установка FPEF Рис.6.3.1-5 Расположение рэка RYUTAI 131 Рис.6.3.1-9 Размещение рэка KOBAIRO в модуле РМ 132 6.3.2 Экспериментальные полезные грузы внешней платформы EF (1) Прибор для мониторинга рентгеновского изображения всего неба (Monitor of Allsky X-ray Image - MAXI) Прибор MAXI предназначен для отслеживания вариаций рентгеновского излучения более чем от 1000 источников. Наблюдения охватывают всю небесную сферу в течение периода от одних суток до нескольких месяцев. Наблюдения проводятся один раз за виток. MAXI оснащен двумя типами щелевой камеры. Первая из них – газовая щелевая камера GSC (Gas Slit Camera) с 12 газовыми пропорциональными счетчиками. GSC оснащен 12 счетчиков. GSC имеет общую эффективную площадь 5000 см2. Вторая –твердотельная щелевая камера SSC (Solid-state Slit Camera) с рентгено- чувствительной ПЗС-матрицей с термоэлектрическим охлаждением (эффект Пельтье). Прибор MAXI оборудован двумя камерами SSC, которые обладают полный эффективной площадью 200 см2. Сочетание возможностей этих камер позволяет наблюдать низко- и высокоэнергетические рентгеновские источники в широком диапазоне длин волн. С помощью рентгеновских лучей можно получать цветные изображения. Общий вид прибора MAXI представлен на Рис. 6.3.2-1. Технические характеристики щелевой камеры, установленной на приборе MAXI, приведены в Таблице 6.3.2-1. Интерфейс полезного груза Излучательная поверхность Устройство захвата Энергоблок Кольцевой лазерный гироскоп Головка камеры звёздного датчика Обработка сигнала Процессор полётных данных Газовая щелевая камера GSC Замкнутая тепловая труба Твердотельная щелевая камера SSC Рис.6.3.2-1 Общий вид прибора MAXI 133 Табл.6.3.2-1 Технические характеристики щелевой камеры на приборе MAXI Свойства Охват небесной сферы GSC Возможности по воспроизведению изображений Спектроскопия Разрешение Точность синхронизации Чувствительность Охват небесной сферы SSC Возможности по воспроизведению изображений Спектроскопия Разрешение Точность синхронизации Чувствительность Характеристики Поле зрения: 160 °х 1,5 °, 2 направления Величина мгновенного угла наблюдения: 2% всего неба Обзор: 90-98% всего неба (за один виток) Функция рассеяния точки: 1,5 ° Точность наведения: менее 6 угловых секунд Рентгеновские фотоны 2-30 кэВ 18 % при 5,9 кэВ 120 микросекунд относительно времени GPS 10 mCrab (1 виток), 1mCrab (1 неделя) Поле зрения: 90 °х 1,5 °, 2 направления Величина мгновенного угла наблюдения: 1,3% всего неба Обзор: 70% всего неба (за один виток) Функция рассеяния точки: 1,5 ° Точность наведения: менее 6 угловых секунд Рентгеновские фотоны 0,5-10 кэВ 150 эВ при 5,9 кэВ 3 - 16 секунд (в зависимости от метода считывания с ПЗС) 20 mCrab (1 виток), 2 mCrab (1 неделя)* * mCrab – единица, 1/1000 яркости Crab Nebula в рентгеновском диапазоне. 2) Сверхпроводящий микроволновый лимбовый зонд SMILES Сверхпроводящий микроволновый лимбовый зонд SMILES Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder) ведѐт наблюдения в (Superconducting субмиллиметровом диапазоне длин волн, которые испускаются газовыми примесями в стратосфере. Эти наблюдения проводятся при наведении антенны зонда SMILES (субмиллиметровая антенна (ANT)) на верхние слои атмосферы. Прибор SMILES способен определять величину малых газовых составляющих, которые существуют в озоновом слое. SMILES с высокой степенью точности измеряет распределение и изменения в газовых примесях стратосферы в глобальном масштабе. В состав прибора SMILES входит микроволновый приемник, состоящий из сверхпроводящего датчика и усилителей (с низким уровнем шума). SMILES использует высокочувствительный сверхпроводящий датчик и механический охладитель до 4 К, которые представляют собой последнее слово современной техники. Общий вид прибора SMILES показан на Рис. 6.3.2-2. Характеристики датчиков и измерительных приборов в составе зонда SMILES приведены в Табл. 6.3.2-2. 134 Электроника криокулера Электроника привода антенны Энергосистема Оптические устройства Акусто-оптический спектрометр криокулера Устройство передачи луча Звёздный датчик Микроволны от малых газовых составляющих Отражатель антенны Рис. 6.3.2.2-2 Прибор SMILES Табл. 6.3.2.2-2 Характеристики прибора SMILES/ оборудования Показатель Основной прибор Значение масса менее 500 кг энергетическая мощность менее 500 Вт диапазон наблюдений 640 ГГц целевые газы O3, HCl, ClO, HO2, H2O2, HOCl, BrO, HNO3, SO2 и т.д. диапазон широты 65 гр.с.ш. – 38 гр.ю.ш. диапазон долготы 10 – 60 км чувствительность 1 K (среднее квадратичное значение) за один скан субмиллиметровая антенна ANT Тип: зеркальная антенна Кассегрена со смещённым облучателем Размеры: 400 х 200 мм Датчик и измерительные приборы Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности: 0,09 (угол места) х 0,18 (азимут) субмиллиметровый приёмник РЧ: 624,32 - 626,32 ГГц (нижняя боковая полоса) 648,32 - 650,32 ГГц (верхняя боковая полоса) Частота гетеродина: 637,32 ГГц Промежуточная частота: 11,0 – 13,0 ГГц механический 4 К охладитель криогенный охладитель Джоуля-Томсона: 4,5 K акусто-оптический спектрометр AOS Радиополоса: 1,2 ГГц Канал: 1500 в минуту Разрешение: 1,8 МГц 135 (3) Оборудование для сбора данных о космической среде – Присоединѐнный полезный груз Оборудование для сбора данных о космической среде – Присоединѐнный полезный груз SEDA-AP (Space Environment Data Acquisition equipment-Attached Payload) изучает на орбите МКС космическую среду (нейтроны, плазма, тяжелые ионы, высокоэнергетические частицы света, атомарный кислород и космическая пыль). Использование комплекта SEDAAP позволит исследовать воздействие космической среды на материалы и электронные устройства. В состав SEDA-AP входят различные датчики, включая монитор нейтронов (Neutron Monitor – NEM) и монитор плазмы (Plasma Monitor – PLAM). Данные о космической среде, получаемые в помощью SEDA-AP, будут использоваться при разработке будущих космических аппаратов. Эти данные будут также использоваться в ходе технической и научно-исследовательской эксплуатации МКС, а также для прогноза ―космической погоды‖ (прогноз солнечной активности). SEDA-AP проводит измерения и осуществляет мониторинг, выдвигая мачту, к которой прикреплены приборы NEM и PLAM. Мачта выдвигается более чем на 1 метр от основной конструкции SEDA-AP. В ходе экспериментов с использованием датчиков и электронных устройств SEDA-AP одновременно проводятся измерения, мониторинг и сбор данных в течение трех лет подряд. Общий вид прибора SEDA-AP показан на Рис. 6.3.2-3. Характеристики датчиков и измерительных приборов комплекта SEDA-AP приведены в Таблице 6.3.2-3. 136 Средства управления нагревателем Привод механизма удлинения Телескоп тяжёлых ионов HIT Монитор нейтронов NEM Внешняя экспериментальная платформа EF Стандартный монитор дозы SDOM Удалённый терминал присоединенного полезного груза Монитор атомарного кислорода AOM Монитор плазмы PLAM Приборы MPAC и SEED Тестер электронного оборудования EDEE Оборудование монитора NEM Рис.6.3.2-3 Общий вид комплекта SEDA-AP 137 Табл.6.3.2-3 Основная часть Характеристики комплекта SEDA-AP Показатель Значение Размеры Мачта в сложенном виде: 80 х 100 х 185 см Мачта в развёрнутом виде: 80 х 100 х 285 см Масса Около 450 кг Энергопотребление Около 220 Вт (номинальный режим) Способность к удлинению Датчик NEM удлиняется более чем на 1 метр от основного корпуса устройства SEDA-AP Детектор нейтронов BBND Датчики и электронные устройства Монитор нейтронов NEM Диапазон измеряемых энергий: от 0,025 эВ (тепловые нейтроны) до 15 МэВ Максимальное количество измеряемых частиц: 1 х 10 единиц в секунду 4 Сцинтилляционный оптико-волоконный детектор FIB Диапазон измеряемых энергий: от 15 МэВ до 100 МэВ Максимальное количество измеряемых частиц: 50 единиц в секунду Li: 10 - 43 МэВ/ядро Телескоп тяжёлых ионов HIT C: 16 - 68 МэВ/ядро O: 18 - 81 МэВ/ядро Si: 25 - 111 МэВ/ядро Fe: 34 - 152 МэВ/ядро Режим зонда Ленгмюра: Плазменный монитор PLAM высокий коэффициент усиления -0,2 мА до +2,0 мА малый коэффициент усиления -0,04 мА до +0,4 мА Зонд в буферном режиме: высокий коэффициент усиления ± 5 В малый коэффициент усиления ± 100 В Монитор дозы SDOM Электрон: 0,5 - 21 МэВ (7 каналов) Протон: 1,0 - 200 МэВ (15 каналов) Альфа: 7,0 - 200 МэВ (6 каналов) Тяжелые ионы: только идентификация (1 канал) 17 27 Монитор атомарного кислорода AOM Диапазон измерений: от 3 х 10 до 3 х 10 атомов /см Оборудование оценки электронных устройств EDEE Память (IMSRAM) 17 2 Разрешение: 3 х 10 атомов /см Микропроцессор (V70-MPU) Энергообеспечение MOSFET Коллектор микрочастиц MPAC и устройство для проведения опытов в открытом космосе SEED Захват микрочастиц: Cиликагель (34 мм х 34 мм х 9 штук) Золотая пластина (119 мм х 60 мм х 2 штуки 76 мм х 25,5 мм х 1 штуку) Бортовой образец SEED: выбирается перед полётом 138 2 6.4 План использования 6.4.1 Общий график работ За исключением градиентной нагревательной печи GHF, все экспериментальные полезные грузы, как показано в разделе 6.3.1, установлены в рэки SAIBO или RYUTAI. Эти рэки находятся в герметичной секции экспериментального грузового отсека модуля ―Кибо‖ ELM-PS. (ELM-PS был выведен на орбиту в марте 2008 года в ходе полѐта ―Спейс шаттла‖ STS-123). Оба рэка были перенесены из герметичной секции экспериментального грузового отсека ELM-PS в герметичный модуль PM и установлены в местах, которые показаны соответственно Экспериментальные на установки Рис. 6.3.1-2 SEDA-AP и MAXI, и прикреплѐнные 6.3.1-5. к внешней экспериментальной платформе EF, были запущены на орбиту в июле 2009 года (полѐт Space Shuttle STS-127). Аппаратура SMILES была выведена на орбиту в сентябре 2009 года на борту японского корабля HTV-1. 139 6.4.2 Области использования Период длительностью два с половиной года с момента после запуска ―Кибо‖ и до середины 2010 года, когда завершилась сборка МКС, определяется как первый или начальный этап использования. На первом этапе возможности ―Кибо‖ использовались в интересах решения следующих задач: научные исследования прикладные исследования космическая медицина и космические технологии для человека другие виды использования, включая образование и культуру использование в интересах стран Азиатско-Тихоокеанского региона коммерческое использование 140 6.4.3 Тематика экспериментов Научные темы экспериментов, которые проводятся в герметичном модуле PM, были определены в 1992 году. Предварительный отбор японских экспериментов проводился в августе 1993 года. Эксперименты по тематике наук о жизни и исследований в условиях микрогравитации проводятся в модуле РМ с выходом на международный уровень. Таблица 6.4.3-1 показывает тематику экспериментов (материаловедение и науки о жизни), которые проводились в модуле РМ на первом этапе использования. Таблица 6.4.3-2 показывает эксперименты, которые будут использовать внешнюю экспериментальную платформу EF или другие модули МКС. Таблица 6.4.3-3 показывает тематику прикладных исследований, космической медицины, пилотируемого освоения космоса, а также культуры и образования. Табл.6.4.3-1 Тематика экспериментов 1-го этапа Науки о жизни Герметичный модуль Материаловедение Направления работ Наименование -пространственно-временная структура потока при конвекции Марангони - беспорядочное движение, турбулентность и переходные процессы при конвекции -исследование механизма роста гранѐной матрицы с сотовой структурой Изучение влияние микрогравитации на образование древовидный структуры кристалла методом наблюдения по месту. -Экспериментальная оценка эффектов динамической деформации поверхности при переходе к осциллирующему термокапиллярному потоку в жидкосте мосте жидкости с высоким числом Прандтля -Стабильность границы раздела в условиях микрогравитации -выращивание гомогенных монолитных кристаллов In0.3Ga0.7As в условиях микрогравитации -Контроль дифференциации клеток и морфогенеза клеток культур двойственной природы (амфибий) -Биологические воздействия космического излучения и микрогравитации на клетки млекопитающих -Обнаружение изменений в профиле потери гетерозиготности мутантов тимидинкиназы культивируемых клеток человека -Экспрессия контролируемых генов в культивируемых клетках человека после пребывания в космической среде - Убиквитация протеинов при посредничестве cbl, деактивирующая реакцию клеток мышц скелета на факторы роста в космосе -Регулирование с помощью гравитации образования ферулата в клеточных оболочках рассады пшеницы -комплексная оценка влияния космического излучения путѐм биологических реакций шелкопряда и Bombyx mori в космосе -жизненный цикл высших растений в условиях микрогравитации -Интерференция рибонуклеиновой кислоты фосфорилирование белка в космической среде с использованием нематоды Caenorhabditis elegans 141 Табл.6.4.3-2 Темы научных экспериментов Внешняя экспериментальная платформа EF модуля ―Кибо‖ и другие объекты МКС Области внешняя платформа EF Название -мониторинг космической среды и изучение еѐ воздействия на элементы конструкции и материалы - экспериментальные наблюдения атмосферы с использованием SMILES -изучение долго- и краткосрочных вариаций всех небесных источников излучений по всей небесной сфере другие объекты МКС материаловедение науки о жизни космическая медицина -Влияние свойств материала на пожароопасность проводов при слабой вентиляции космического аппарата -Бесконтейнерная кристаллизация кремния в условиях микрогравитации -Роль непрерывной стенки системы ―микротрубка-мембрана-клетка‖ в противодействии гравитации у растений -Реверсивный генетический подход к исследованию генов, ответственных за динамику клеточных оболочек в поддержку тканей Arabidopsis в условиях микрогравитации -Влияние микрогравитации и нервно-мышечной деятельности на скелетомышечные ткани -Воздействие микрогравитации на вестибулярную нейропередачу -Гидротропизм и вызванная ауксином экспрессия генов в корнях, выросших в условиях микрогравитации -Предполѐтное вливание золедроната в качестве эффективной меры против вызываемой космическим полѐтом потери костной ткани и образования почечного камня Табл.6.4.3-3 Использование ―Кибо‖ в интересах прикладных исследований, космической медицины, пилотируемого освоения космоса и образования Области Космическая медицина, космическая техника для людей Герметичный модуль Прикладные исследования Использование в интересах АзиатскоТихоокеанского региона Коммерческое использование Название -Кристаллизация протеина -Нано-материалы -Динамика интерфейсов -Физиологические контрмеры - предотвращение потери костной ткани и мочевого камня, Контрмеры против атрофии мышц - Психологическая поддержка - психологический мониторинг для адаптации к изоляции и человеческому общению, межкультурный вопрос -Излучения - био-дозиметрия, Персональная дозиметрия (перспективного типа) -Медицина – малогабаритное и портативное оборудование для мониторинга медицинских данных (телемедицина), автономное диагностическое медицинское оборудование -Окружающая среда – мониторинг газового состава и система анализа (перспективного типа -Технологии мест обитания -сотрудничество в области исследований с Азиатско-Тихоокеанским регионом -Образовательные программы использующие МКС/‖Кибо‖ - Кристаллизация протеина -Трѐхмерная фотонная кристаллизация -Видеорегистрация в формате высокого разрешения 142 6.4.4 Сценарии использования модуля “Кибо” до 2020 года Японское аэрокосмическое агентство JAXA следующим образом определило сценарии использования ―Кибо‖ до 2020 года (Рис.6.4.4.1-6.4.4.3): получение результатов использования МКС/―Кибо‖, которые внесут значительный вклад в науку и технику, развитие промышленности и общества использование ―Кибо‖ эффективным образом и в полном объѐме. К 2020 году в герметичном модуле PM в составе модуля ―Кибо‖ должны реализоваться сценарии научного использования ―Кибо‖ в таких областях как «науки о жизни» (life science), «космическая медицина» (space medicine) и «физические науки» (physical science). Эти сценарии объединяют приоритетные направления и задачи для каждой области исследований в уверенности в том, что: - передний край научных исследований может поддерживать только МКС / ―Кибо‖ - необходимы фундаментальные исследования и разработки для будущей космической деятельности. 143 Задача 1: Задача 2: Целостное восприятие процессов адаптации живых организмов к космической среде Расширение научного знания с целью экспансии человеческой деятельности в космос Приоритетные цели, соответствующие организмам разных типов Растения Фундаментальные исследования проблемы использования растений в космосе Микроорганизмы Исследование вовлеченности микробов в космическую деятельность человека Клетки Рыбы Наблюдение межклеточной динамики в космосе и анализ на уровне всего генома Целостное понимание космической среды и долгосрочных эффектов Млекопитающие Комплексные исследования влияния космической среды с целью распространения результатов и на человека Пересекающиеся области - Гравитационная биология: выяснение природы чувства гравитации и соответствующих механизмов -Радиационная биология: биологические эффекты радиационной среды космоса в герметичном модуле. Рис. 6.4.4.1 Приоритетные задачи в области наук о жизни (медико-биологические исследования) 144 Приоритетные задачи космической медицины Задача 1: исследования с целью улучшения охраны здоровья астронавтов Задача 2: исследования с целью понимания фундаментальных механизмов воздействия космического полѐта на человека и животных Приоритетные области исследований (1) физиологические контрмеры -механизм и превентивные меры против утраты костной и мышечной ткани -стрессовая реакция на космическую среду со стороны сердечно-сосудистой, нейровистибулярной и иммунной систем -эффекты космического полета, распространяющиеся на несколько поколений, с использованием подопытных животных (рыба оризия, мыши, крысы) -предотвращение снижения массы костей и нарушения обмена веществ костных минералов -мониторинг и контрмеры против засыпания и биологических ритмов -оценка и принятие превентивных мер против мышечной атрофии (2) Психологическая поддержка -мониторинг/контрмеры против стресса/усталости (4) Медицина космической среды -мониторинг воды, воздуха, микроорганизмов, а также управление шумами и рабочей средой (5) Космическая телемедицина -биомониторинг и профилактика болезней (3) сохранение здоровья при воздействии космических излучений -передовая технология мониторинга дозы космического излучения Определение дозы при длительном воздействии малых уровней космического излучения и разработка био-маркера -предотвращение и защита от биологических эффектов от воздействия космического излучения. Рис. 6.4.4.2 Приоритетные исследований в области космической медицины Приоритетные задачи физических наук предварительные условия определения приоритетных областей 1.Научные области, наиболее значимые для науки или если ожидаются социально значимые побочные результаты, а также системы, на которые наиболее заметно и значительно влияет гравитация 2. Придание приоритетности тем новым областям исследований, где не было проведено достаточное количество космических экспериментов 3. Нет необходимости, чтобы тематика экспериментов была связана с существующими техническими возможностями при определении приоритетности областей. 145 Приоритетные области исследований Положение 1: Передний край научных исследований может поддерживать только МКС / “Кибо” в долгосрочном плане - создание новых технологий сгорания топлив с целью снижения экологических нагрузок - научно-технические аспекты работы с пузырями, каплями и пленками - равновесные и неравновесные явления в экстремальных и плазменных средах в краткосрочном плане - производство новых материалов из сверхохлаждѐнного состояния путем бесконтейнерной обработки Положение 2: фундаментальные исследования и разработки для будущей космической деятельности - фундаментальные исследования в интересах международных стандартов пожарной безопасности в космосе Рис. 6.4.4.3 Приоритетные области исследований 146 Список источников 1. http://kibo.jaxa.jp/library/fact/data/kibo-handbook_en.pdf (справочник ―Кибо‖) 2. http://ru.wikipedia.org/ (описание МКС) 3. http://www.jaxa.jp/pr/brochure/pdf/02/station01.pdf (описание МКС) 4. http://iss.jaxa.jp/en/kibo/about/kibo/jef/ (описание ―Кибо‖) 5. http://www.jaxa.jp/pr/brochure/pdf/02/station02.pdf (описание ―Кибо‖) 6. http://iss.jaxa.jp/en/kibo/about/kibo/jlp/ (хар-ки ―Кибо‖) 7. http://ru.wikipedia.org/ (модуль МКС ―Кибо‖) 8. http://kibo.jaxa.jp/en/about/kibo/rms/#MAo/rms/#MA (описание системы JEM RMS) 9. http://iss.jaxa.jp/en/kiboexp/news/120417_research_themes.html (использование ―Кибо‖) 10. http://kibo.jaxa.jp/en/experiment/ (описание японских экспериментов) 11. http://kibo.jaxa.jp/en/ (японские эксперименты на МКС) 12. http://iss.jaxa.jp/en/kiboexp/news/pdf/scenarios_2020.pdf (сценарии использования ―Кибо‖ до 2020 г.) 13. http://iss.jaxa.jp/en/kiboexp/ (новости о проведении японских космических экспериментов) 14. http://www.nasa.gov/pdf/228145main_sts124_presskit2.pdf (полет STS-124: м-л для прессы) 147
