НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «ПЛАЗМА-СА»
по спектрометрическим и лазерным исследованиям на возвращаемых
космических аппаратах
1 Сущность исследуемой проблемы
Моделирование термогазодинамических условий вокруг спускаемого
аппарата (СА) при различных скоростях спуска с целью расчета и подбора
тепловой защиты на сегодняшний день является незавершенной задачей.
Основной
причиной
является
нехватка
экспериментальных
данных,
полученных непосредственно из КЭ, поскольку проведение наземных
экспериментов по созданию условий идентичных условиям реального спуска
СА не представляется возможным.
Наряду с данной проблемой существует проблема радиосвязи с СА на
плазменном участке спуска из-за экранирующих свойств плазмы. В целом,
связь с аппаратом возможна в видимом и инфракрасном диапазоне
электромагнитного излучения. Для создания оборудования лазерной системы
связи также требуются экспериментальные данные спектроэнергетических
свойств плазмы.
В рамках данного проекта предполагается использование и валидация
компьютерного
комплекса
AeroThermodynamics)
с
(NERAT
использованием
–
Non-Equilibrium
которого
можно
Radiative
предсказать
распределение термогазодинамических параметров вдоль оптического пути
наблюдения.
Причем,
при
расчетном
анализе
спектроэнергетических
характеристик излучения сжатого слоя (уровня засветки от плазмы) имеется
возможность учесть пары разрушаемой тепловой защиты, уносимой с
переднего аэродинамического щита и наиболее теплонапряженных его частей,
с последующим учетом загрязнения поверхности иллюминатора и изменения
спектральных
характеристик
излучения
сжатого
слоя.
Сравнение
экспериментально полученных и расчетных данных позволит, с одной стороны,
провести всестороннее расчетное исследование принципиальной возможности
реализации предлагаемого метода оптической (лазерной) связи, а с другой
стороны – выработать практические рекомендации по наиболее подходящим
спектральным диапазонам работы оптической аппаратуры.
2 Краткая история и состояние исследований в настоящее время
В настоящее время в мировом аэрокосмическом сообществе проводится
детальное обсуждение летных данных по регистрации спектроэнергетических
характеристик излучения двух типов космических аппаратов: Stardust и FireII.
Несмотря на то, что активный космический эксперимент Fire-II был выполнен в
США около 50 лет назад при подготовке к лунной экспедиции, ежегодное
число публикаций по анализу результатов данного летного эксперимента
насчитывает несколько десятков каждый год до настоящего времени. В одной
из недавно опубликованных работ специалистов NASA отмечается, что до
настоящего времени уровень отклонения расчетных данных от полученных в
эксперименте
не
позволяет
говорить
с
уверенностью
о
высокой
прогностической достоверности развитых расчетно-теоретических моделей, по
крайней
мере,
их
прогностическая
достоверность
не
является
удовлетворительной для оптимального проектирования сверх орбитального
входа СА Orion. Обсуждаются перспективы проведения новых летных
экспериментов.
Около 10 лет назад была закончена космическая миссия Stardust. В этом
случае, космических аппарат, входящий в плотные слои атмосферы со
скоростью, превышающей 12 км/с, наблюдался с борта самолета. Получены
спектры излучения сжатого слоя в видимой и ближней ультрафиолетовой
областях.
2
В
начале
экспериментов
90-х
годов
по
BowShock
активно
обсуждались
измерению
результаты
спектральной
летных
излучательной
способности сжатого слоя при скорости СА 7 км/с.
За последние десятилетия проведено также несколько экспериментов по
регистрации интегрального в заданном спектральном диапазоне излучения.
Следует особо подчеркнуть, что любой летный эксперимент по
измерению
спектральной
излучательной
способности
является
научно-
техническим экспериментом мирового масштаба, привлекающим в течении
многих лет внимание мирового аэрокосмического сообщества.
3
Обоснование
необходимости
проведения
КЭ
в
условиях
космического пространства
Как уже было отмечено, получение спектроэнергетических параметров
плазмы
с
целью
валидации
компьютерного
моделирования
термогазодинамических параметров плазмы, окружающей СА, а также
создания аппаратуры для лазерной системы связи возможна только при
непосредственной проверке данных свойств путем измерения при реальных
условиях. Создание условий, схожих с условиями спуска СА на наземных
установках не представляется возможным. Возможны эксперименты на
уменьшенных моделях в схожих условиях, однако перенос результатов на
полномасштабную модель СА требует дополнительных расчетов, что сильно
снижает достоверность конечного результата.
4 Краткое описание КЭ
КЭ включает в себя два этапа. Основными задачами КЭ являются:
- экспериментальное исследование плазменной оболочки СА посредством
регистрации спектра излучения в видимом, ближнем ИК и УФ диапазоне на
всем плазменном участке спуска;
- экспериментальное исследование динамики процессов загрязнения
иллюминатора на всем плазменном участке спуска посредством регистрации
3
лазерного излучения, отраженного и рассеянного от наружной поверхности
иллюминатора;
- экспериментальное исследование колебаний плотности мощности
излучения плазмы на выделенных длинах волн ближнего ИК при частоте
дискретизации,
соизмеримой
с
частотой
модуляции
несущей
волны
предполагаемой лазерной связи;
- экспериментальное определение возможности связи со СА посредством
регистрации в ИК диапазоне тестового сигнала, передаваемого лазером с
поверхности Земли.
Эксперимент проводится в следующей последовательности: на бортовую
часть визира ВСК4-сб12 до отделения бытового и приборно-агрегатного
отсеков от СА устанавливается выносной блок (ВБ) НА «Плазма-СА» (или
моноблочный корпус НА) при положение ручки фокуса “экран” – “∞” и “центр.
светоф.” – “откр.”. При установке используются уже имеющиеся на визире
крепления для рассеивающего (ВСК4-сб13) и голографического экрана (ВСК4сб14).
После
отделения
бытового
и
приборно-агрегатного
отсеков
ТПК «Союз ТМА-М» от СА при нажатии кнопки “Пуск” на корпусе НА одним
из космонавтов СА НА «Плазма-СА» начинает работу. Продолжительность
работы составляет 12 мин до момента срабатывания основной парашютной
системы (ОСП). По истечении данного времени прибор автоматически
выключается. В процессе работы осуществляется сбор и запись информации в
соответствии с текущим сеансом эксперимента. После приземления СА НА
«Плазма-СА» снимается с бортовой части визира и доставляется до места
извлечения и обработки полученной информации.
На первом этапе планируется четыре сеанса КЭ для проверки НА
«Плазма-СА».
Первый сеанс КЭ (один спуск) осуществляется с выполнением
регистрации спектра излучения плазмы в автоматическом режиме при помощи
миниспектрометра,
входящего
в
состав
4
НА.
Функцию
устройства,
принимающего и записывающего информацию, выполняет компактный
компьютер, также находящийся в составе НА.
Во
время
второго
сеанса
дополнительно
к
спектрометрическим
измерениям выполняется исследование динамики загрязнения иллюминатора с
помощью дополнительной аппаратуры, установленной в НА «Плазма-СА» на
данном этапе КЭ. Корпус НА со всеми посадочными местами датчиков и т.п.
изначально проектируется под второй этап КЭ. Для проведения второго сеанса
в НА «Плазма-СА» добавляется источник и приемник лазерного излучения.
Приемником считывается рассеянный и отраженный сигнал ЛИ от наружной
поверхности иллюминатора, на которую происходит осаждение продуктов
термодеструкции тепловой защиты на участке плазменного спуска СА.
Во время третьего сеанса дополнительно к измерениям первых двух
сеансов выполняются измерения мощности излучения плазмы на выделенных
длинах волн ближнего ИК при частоте дискретизации, соизмеримой с частотой
модуляции несущей волны предполагаемой лазерной связи.
Во время четвертого сеанса планируется дополнительно к измерениям
предыдущих сеансов, выполнить регистрацию в ИК диапазоне тестового
сигнала, передаваемого лазером с поверхности Земли.
На втором этапе планируется в шести сеансах получить основную часть
информации по главным направлениям исследований КЭ с целью обнаружения
вариации свойств плазмы и степени загрязнения наружной поверхности
иллюминатора.
5 Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с
аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
Отличительной чертой планируемого эксперимента является измерение
спектроэнергетических характеристик сжатого слоя с подветренной стороны
СА, чего ранее практически не выполнялось. Указанные экспериментальные
данные будут получены впервые. Учитывая сложную аэрофизику отрывных
течений совместных анализ экспериментальных и расчетных данных будет
5
выполнен в мировой практике впервые. Данные полученные из КЭ будут
использованы для проектирования лазерной системы связи со СА. На данный
момент в мировой практике технически реализованной связи через плазму со
СА не существует.
6 Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
Проведение КЭ позволит получить данные о динамике загрязнения
стекол иллюминаторов, данные об уровне плотности мощности излучения
плазмы для предполагаемых длин волн в качестве несущих, собрать
информацию о колебаниях данного уровня с целью формирования требований
к приемникам и передатчикам лазерного излучения. Такие устройства
предполагается использовать на СА нового поколения для бесперебойной связи
с экипажем, а также для повышения точности посадки СА посредством
передачи информации о его уточненном векторе состояния на сам СА.
Информация, полученная из реального летного эксперимента по
излучательной способности сжатого слоя у поверхности спускаемого аппарата
с разрушаемой тепловой защитой, имеет первостепенное значение не только
для планируемого в будущем эксперимента по оптической (лазерной) связи, но
крайне необходима и для валидации авторских компьютерных комплексов по
радиационной газовой динамике, используемых в настоящее время для
прогнозирования конвективной и радиационной тепловой нагрузки на
перспективный пилотируемый транспортный корабль (ПТК) в РКК «Энергия»
им. С.П.Королева.
Предполагаемый космический эксперимент будет иметь не только
значительное практическое значение, но окажет серьезное влияние на развитие
фундаментальной физико-химической механики и аэрофизики возвращаемых
космических
аппаратов.
Учитывая
очевидную
междисциплинарность
планируемого исследования, можно утверждать о значительном количестве
публикаций, которые последуют за выполненным экспериментом, что,
6
несомненно будет служить повышению международного научного авторитета
РКК и ее научных групп.
7 Обоснование технической возможности создания
экспериментального оборудования с заданными характеристиками
Основные массогабаритные характеристики НА «Плазма-СА» следуют из
располагаемого пространства внутри капсулы СА и требований к максимально
возможной массе груза, возвращаемого вместе с экипажем. НА «Плазма-СА»,
кроме предъявленных ограничений к его размерам и массе должен быть
безопасен для членов экипажа СА, а также быть практичным с точки зрения
транспортировки, установки и эксплуатации.
При этом НА должна выполнить свою основную задачу: качественный
автоматический сбор данных об изучаемых объектах на протяжении заданного
временного интервала в соответствующих условиях КЭ.
Общие требования к НА «Плазма-СА» по двум этапам КЭ:
- продолжительность срока хранения устройства на борту РС МКС при
наличии готовности проведения измерений – до 200 суток;
- продолжительность работы в режиме записи – около 12 минут;
- допустимые габаритные размеры ГБ:
280x150x110
- допустимые габаритные размеры ВБ:
- диаметр до 250 мм;
- высота до 50 мм;
- масса ВБ НА не более 0,5 кг;
- общая ГБ и ВБ не более 5 кг;
- регистрация спектров в диапазоне 200-1080 нм и 900-1650 нм;
- формирование лазерного излучения мощностью до 300 мВт, измерение
мощности отраженного и рассеянного излучения данной длины волны от
наружной поверхности иллюминатора при наличии сажи и запись полученной
информации;
7
- регистрация излучения от плазмы выделенных длин волн в ближнем ИК
диапазоне при частоте дискретизации, соизмеримой с частотой модуляции
предполагаемой лазерной связи;
- работа в условиях перегрузок, вибрации и радиации.
На сегодняшний день существует техника, отвечающая данным условиям
компактности, производительности, надежности и низкой потребляемой
мощности, позволяющая на её основе создать автоматизированную систему
измерения и записи информации. Ниже приведены основные составляющие НА
«Плазма-СА».
Основные параметры спектрометра:
- возможность регистрации спектров в двух вышеперечисленных
диапазонах;
- источник питания – USB порт компьютера;
- максимальный ток потребления < 140 мA;
- АЦП преобразователь 16 бит;
- габариты 90х40х130 мм;
- масса 0,35 кг.
Основные параметры компьютера:
- процессор 2300 МГц
- количество ядер 4
- оперативная память 2 Гб DDR3
- емкость аккумулятора 4800 мА⋅ч
- размеры (ДхШхВ) 219x128.5x7.2 мм
- вес 331 г
Основные параметры АЦП:
- частота дискретизации до 100 Msps;
- разрядность до 12 бит.
8 Характеристики рисков и дискомфорта, связанных с воздействием
на экипаж экспериментальных процедур
НА «Плазма-СА» для КЭ будет разрабатываться и изготавливаться таким
образом, чтобы работа с ним не представляла трудности и опасности для
8
9
10