Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и системы космических летательных аппаратов

За последние 25−30 лет использование электроракетных двигателей (ЭРД) на борту космических летательных аппаратов (КЛА) стало традиционным. Прежде всего, быстрое внедрение ЭРД объясняется их высокими удельными характеристиками, что, по сравнению с химическими ракетными двигателями, позволяет значительно экономить массу топлива и увеличить массу полезной нагрузки КЛА. Кроме того, использование ЭРД обусловлено потребностью в двигателях, имеющих малую и сверхмалую тягу, для создания которой использование ЖРД либо не эффективно, либо просто невозможно.

В настоящее время выделяют три основных класса ЭРД отличающиеся механизмом преобразования электрической энергии в кинетическую энергию частиц — электростатические, магнитодинамические и электротермические двигатели [94].

К электростатическим двигателям (ЭСД) относят все ЭРД, в которых ускорение заряженных частиц осуществляется силами электростатического поля. Признаком таких двигателей является коллинеарность вектора скорости частиц у и вектора напряженности электрического поля Е.

Среди существующих ЭСД различают: плазменно-ионные двигатели (ПИД) — радиочастотные ионные двигатели (РИД) — ионные двигатели с поверхностной ионизацией рабочего тела (ИДПИ) — коллоидные электростатические двигатели (КЭСД) — линейные холловские двигатели (ЛХД) или, как их обычно называют, стационарные плазменные двигатели (СПД) — двигатели с анодным слоем (ДАС). Подробный обзор работ по разработке и интеграции ЭРД на КЛА представлен в работе [259].

Наибольшее распространение в настоящее время получили СПД. Так, в период с 1982 по 1995 год 52 двигателя типа СПД-70 с тягой 40 мН были установлены на 13 КЛА серии «Космос» и «Луч», обеспечивая коррекцию орбиты в направлении «Восток-Запад». Общая наработка двигателей за указанный период составила около 3500 часов. Начиная с 1994 года, СПД стали использоваться на KJIA типа «Галс» и «Экспресс» для коррекции орбиты не только в направлении «Восток-Запад», но и в направлении «Север-Юг». После этого общая наработка СПД стала быстро расти, и к концу 1998 года составляла уже более 8000 часов. Рассматриваются проекты использования СПД в качестве двигателей довыведения и маршевых двигателей для межпланетных перелетов (проект Фобос-Грунт). Это позволяет значительно уменьшить массу двигательной установки (ДУ) и получить существенный выигрыш в массе KJIA.

В настоящее время в ОКБ «Факел» разработан модельный ряд двигателей этого типа мощностью от 200 до 11 000 Вт, с удельным импульсом 12−30 км/с при тяге от 10 до 640 мН. Разработка новых моделей СПД ведется также в НПЦ имени Келдыша. Созданный там модельный ряд двигателей по своим характеристикам не уступает двигателям, созданным в ОКБ «Факел».

Большой интерес проявляется и к ПИД. Характерные значения мощности и удельного импульса существующих типов ПИД составляют 0.5 -5 кВт и 25 — 35 км/с, соответственно. Впервые такие двигатели были использованы на геостационарном связном спутнике PAS-5, запущенном в 1997 г. Разработчиком двигателей была фирма Hughes. В 1998 г. был осуществлен запуск первого межпланетного аппарата под названием Deep Space 1 (программа NASA «New Millennium»), на котором в качестве маршевого двигателя впервые использовался ионный двигатель XIPS-30, также созданный при участии фирм Hughes. На запущенном в том же году японском экспериментальном геостационарном связном спутнике COMETS использовались усовершенствованные ПИД, впервые прошедшие летные испытания на спутнике ETS-VI в 1994 г.

Использование ДАС пока не очень широкое, что, по-видимому, обусловлено их недостаточной отработанностью. В тоже время, это весьма перспективный тип двигателя, обладающий рядом преимуществ перед СПД поскольку в нем, за счет смещения слоя ионизации непосредственно к аноду, реализуются наиболее благоприятные условия формирования ионного пучка. Лидером в разработке ДАС в настоящее время является ЦНИИ машиностроения (г. Королев). Летные испытания ДАС успешно проведены в октябре 1998 г. на американском экспериментальном спутнике STEX, выведенном на низкую околоземную орбиту.

Другим классом ЭРД являются магнитодинамические двигатели, в которых ускорение частиц осуществляется силой Лоренца и вектор скорости частиц совпадает с векторным произведением [ЕхЕ], т. е. перпендикулярен вектору Е.

Среди магнитодинамических двигателей наибольший интерес представляют два типа двигателей — импульсные плазменные двигатели (ИПД) и магнитоплазмодинамические двигатели (МИД).

Исследования сильноточных мощных МПД-двигателей ведутся, с различной степенью интенсивности, с середины 60-х годов в США, России, Германии, Японии. По разным причинам, к концу 90-х годов, практически повсеместно работы в этом направлении были свернуты. За этот период в России, в частности, в Московском авиационном институте, был накоплен богатый фактический материал по физике процессов в двигателе и его характеристикам.

В последнее время отмечается оживление интереса к стационарным сильноточным мощным МПД-двигателям. Это связано, в частности, с переходом на более серьезный уровень проработки марсианской программы. Так в МАИ, совместно с НИИПМЭ МАИ и JPL (CUIA), с 1994 г. по настоящее время ведутся интенсивные экспериментальные исследования характеристик стационарных литиевых МПД-двигателей с внешним магнитным полем мощностью 100, 150, 200кВт. Удельный импульс МПД достигает 35−45 км/с при тяге 0.2 — 5 Н.

Среди ИПД наибольшее практическое применение находят двигатели, в которых в качестве рабочего тела используются твердые диэлектрические вещества, а плазма образуется при разряде конденсатора по поверхности этих веществ. Ускорение плазмы осуществляется в межэлектродном пространстве электромагнитными (за счет взаимодействия тока разряда с собственным магнитным полем) и газодинамическими силами. Удельный импульс этого типа двигателей составляет 10−25 км/с, а мощность изменяется от 5 до 500 Вт. Характерная тяга ИПД находится в диапазоне 0.05 — 5 мН.

Отличительной особенностью ИПД является то, что они могут работать при потребляемой электрической мощности от единиц до нескольких десятков ватт, что позволяет использовать ИПД на борту KJIA с малой массой и высокой точностью ориентации в пространстве.

Третьим классом ЭРД являются электротермические двигатели, в которых ускорение частиц происходит за счет термического воздействия электрической энергии на частицы рабочего тела, а направление вектора скорости определяется геометрией канала ускорения. Среди таких двигателей различают электронагревные (ЭНД) и термокаталитические двигатели (ТКД). В первых, передача энергии происходит за счет нагрева рабочего тела в ресивере, а во вторых — за счет реакций разложения рабочего тела на катализаторах при повышенной температуре. В обоих типах двигателей используется газодинамическое ускорение частиц. Основная масса частиц рабочего тела находится в нейтральном состоянии.

Электротермические двигатели уже давно используются для задач стабилизации и ориентации KJIA, они хорошо исследованы и достигли высокой степени отработки. Одной из самых масштабных программ использования ЭНД стала программа по созданию низкоорбитальной системы спутниковой персональной связи IRJDIUM. В состав двигательной установки спутников IRIDIUM входит ЭНД типа MR-501, созданный фирмой Olin Aerospace, и успешно применявшийся ранее на геостационарных связных спутниках. В 1997 г. ракетой-носителем Delta-2 на орбиту были выведены первые 5 спутников этой системы, а затем с помощью РН Delta-2,.

Протон, CZ-2C/SD был осуществлен запуск еще 41 спутника. К концу 1998 г. в общей сложности было запущено 86 спутников для системы IRIDIUM.

Термокаталитические двигатели находят широкое применение практически на всех отечественных геостационарных KJIA, а также низкоорбитальных и межпланетных KJIA.

Из сказанного следует, что наблюдается бурный рост активности в использовании ЭРД всех типов на борту KJIA различного назначения. И эта тенденция перехода на ЭРД будет сохраняться и в будущем, имея в виду необходимость обеспечения возрастающих значений суммарного импульса двигательных установок.

Вместе с тем, использование ЭРД осложняется тем, что они могут оказывать существенное негативное влияние на элементы и системы KJIA. Прежде всего, это связано с интенсивным взаимодействием струи ЭРД с поверхностью и собственной внешней атмосферой KJIA. Кроме того, работа ЭРД может оказывать негативное влияние на прием и передачу радиосигналов, создавать оптические помехи, вызывать помехи в цепях питания и управления, оказывать тепловое воздействие на элементы KJIA.

Если конструкция KJIA выбрана правильно, ЭРД не будет оказывать существенного воздействия на его функционирование. Однако при недостаточной проработке конструкции, влияние ЭРД на KJIA может оказаться критичным. Например, если динамические возмущения окажутся выше возмущений, которые может скомпенсировать система стабилизации, произойдет разориентация KJLAесли загрязнение поверхности термо-регулирующих покрытий будет выше допустимого уровня, система терморегулирования не сможет обеспечить требуемый сброс тепла. Возможны и другие эффекты с не менее катастрофическими последствиями.

В связи с этим, при интеграции ЭРД на KJIA необходимо найти такую конструкцию и логику работы KJIA, чтобы влияние ЭРД не превышало критических значений1. В этом, собственно, и состоит проблема обеспечения совместимости ЭРД с KJIA.

Однако в настоящее время не существует единого подхода к решению этой проблемы, и каждый разработчик решает ее по-своему. В результате исследования ведутся стихийно, данные накапливаются бессистемно, имеет место дублирование работ. С одной стороны, это связано с конкуренцией между разработчиками, а с другой, с отсутствием ясного представления о процессах взаимодействия ЭРД с KJIA, методах их прогнозирования и исследования. В тоже время, накопленные в настоящее время опыт и знания позволяют решить эту проблему. * Анализ показывает, что при решении вопросов совместимости возникает три основные задачи: 1) определение критических значений параметров взаимодействия ЭРД с KJ1A- 2) прогнозирование параметров взаимодействия, реализуемых в натурных условиях- 3) внесение изменений в конструкцию и логику работы KJIA, парирующих негативное влияние ЭРД.

Наиболее наукоемкой и сложной проблемой здесь является прогнозирование параметров взаимодействия. Как показывает практика, прогнозирование приходится вести при неполных и неточных исходных данных, в условиях ограниченных временных, финансовых и людских Ф ресурсов. Поэтому очень важно, чтобы методы прогнозирования обеспечивали возможность получения результата в любой ситуации.

Следует отметить, что в настоящее время большинство физических процессов, сопровождающих взаимодействие ЭРД с KJIA, достаточно хорошо изучено. Так, проблемы взаимодействия частиц с поверхностью исследуются более 150 лет (первые работы по катодному распылению датируются 1852 г.). За это время создано большое количество моделей,.

1 Под критическим значением (параметра взаимодействия) понимается такое значение, при котором нарушается нормальное функционирование системы и возникает угроза невыполнения миссии. Смежным понятием является допустимое значение параметра, которое определено требованиями на разрабатываемую систему и может не соответствовать критическому значению в силу его неопределенности. В связи с этим при рассмотрении вопросов взаимодействия термин «критическое значение» целесообразно использовать в ситуациях, когда речь идет о поведении системы, а термин — «допустимое значение», в тех случаях, когда речь идет о принятии решения относительно дальнейшего хода разработки. получено множество экспериментальных данных, разработаны методики экспериментальных исследований, созданы пакеты программ для расчета характеристик взаимодействия частиц с поверхностью. Большой вклад в исследование процессов взаимодействия и в обобщение имеющихся результатов внесли Р. Бериш, Р. Г. Баранцев, Н. В. Плешивцев, В. А. Шувалов, Ю. А. Рыжов, И. И. Шкарбан и многие другие ученые.

Вопросы моделирования собственной внешней атмосферы (СВА) КЛА исследуются уже более 30 лет. За это время определены основные процессы, влияющие на параметры СВА, созданы математические модели и программное обеспечение для расчета этих параметров. В России работы в этом направлении начались под руководством Ю. А. Рыжова, а затем их продолжили С. Б. Свирщевский, М. П. Бургасов и ряд других исследователей. Хорошо известны результаты Самарской и Новосибирской школы. Кроме того, на многих предприятиях отрасли велись самостоятельные разработки моделей и программного обеспечения для расчета параметров СВА.

Исследования струй ЭРД также ведутся более 30 лет, практически с момента начала эксплуатации ЭРД в космосе. Как по газовым, так и по плазменным струям получено большое количество экспериментального материала, разработано множество полуэмпирических и численных моделей, позволяющих определять параметры струи в зависимости от параметров двигателя.

Имеется богатый теоретический и экспериментальный материал и по другим эффектам взаимодействия.

Вместе с тем, несмотря на огромный научный потенциал, накопленный по перечисленным выше вопросам, реальная точность прогнозирования увеличивается незначительно. Это происходит либо по причине нехватки входной информации, либо просто по причине недоступности имеющихся методик или программ. В результате, для прогноза очень часто используют простые инженерные методики, обеспечивающие относительно небольшую точность, но обладающие требуемой универсальностью и простотой использования. Поэтому в настоящее время основной проблемой является не столько получение новых знаний, сколько обобщение и практическое использование уже существующих. Это и стало ключевым моментом, определившим структуру и состав данной диссертации.

В работе исследован один из аспектов проблемы совместимости, а именно — прогнозирование эффектов воздействия струй ЭРД на элементы и системы КЛА.

Актуальность исследования определяется быстрым внедрением ЭРД на КЛА различного назначения и необходимостью создания методов и средств прогнозирования эффектов воздействия ЭРД на элементы и системы КЛА.

Целью работы является обеспечение требуемого ресурса КЛА, увеличение массы полезной нагрузки и повышение эффективности ЭРДУ за счет снижения негативного влияния струй ЭРД на элементы и системы КЛА, путем создания расчетно-экспериментальных методов и прикладного программного обеспечения для прогнозирования эффектов воздействия струй ЭРД на КЛА.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи: разработка общих методологических принципов прогнозирования воздействия струй ЭРД на КЛА, позволяющих учитывать комплексный характер взаимодействия и адаптированных для использования в процессе проектирования, отработки и эксплуатации КЛАразработка расчетной модели струй ЭРД, описывающей сложное пространственное и энергетическое распределение частиц в многокомпонентных струях ЭРД различного типа, позволяющей использовать как экспериментальные, так и расчетные данные для определения параметров моделиразработка обобщенной модели взаимодействия частиц газа с поверхностью, позволяющей учитывать основные значащие факторы, имеющей высокое быстродействие и возможность адаптироваться к полноте вектора исходных данныхразработка математической модели комплексного воздействия факторов космического полета, включая струи ЭРД, на солнечные батареи КЛАразработка программного обеспечения для расчета силового, теплового, эрозионного и загрязняющего воздействия ЭРД на КЛА, позволяющего учесть основные механизмы массопереноса частиц и их взаимодействие с собственной внешней атмосферой КЛАразработка методов и средств восстановления параметров моделей по экспериментальным данным и результатам натурной эксплуатации КЛАразработка методик испытания материалов и элементов КЛА на воздействие струй ЭРД, а также методик экспериментального определения параметров струй ЭРД и характеристик взаимодействия частиц с поверхностью, проведение экспериментов, получение новых данных.

На защиту выносятся:

1.Расчетная модель силового, теплового и эрозионного воздействия струй ЭРД на КЛА. Табличная модель струи ЭРД, параметризация этой модели с использованием модели 1/Я2. Соотношения, подтверждающие адекватность модели 1/11 для описания пространственного распределения частиц струи. Обобщенная табличная модель взаимодействия частиц газа с поверхностью, результаты использования табличной модели и метода группового учета аргумента для определения коэффициентов распыления материалов по их физическим свойствам (массовой плотности, теплоемкости, молекулярной массе, энергии связи). Методика и алгоритм решения обратной задачи по восстановлению коэффициентов аккомодации из данных лабораторных и натурных экспериментов;

2.Математическая модель загрязнения поверхности КЛА продуктами распыления с учетом влияния СВА КЛА. Соотношения и алгоритмы, описывающие прямой массоперенос, отраженные потоки частиц, процессы рассеяния частиц и возвратные потоки частиц. Модель взаимодействия частиц с поверхностью применительно к расчетам загрязнения поверхностей КЛА. Двухэтапная методика расчета уровней загрязнения продуктами распыления и собственного массоотделения материалов КЛА.

3 .Математическая модель комплексного воздействия струй ЭРД, СВА и твердых частиц на характеристики солнечных батарей КЛА. Физические и математические модели, описывающие изменение характеристик солнечных элементов в следствие шунтирования р-п перехода и эрозии защитного стекла солнечных элементов. Модель перехода состояний для описания изменения свойств защитного кварцевого покрытия при воздействии струи ЭРД. Структура модели комплексного воздействия факторов космического пространства на СБ КЛА.

4.Методики экспериментального исследования воздействия струй ЭРД на элементы КЛА. В частности, методика и результаты испытаний бортового радиотрансляционного комплекса (БРТК) на воздействие плазмы двигателей коррекцииметодика экспериментального определения потоков частиц распыления изолятора в струях СПДметодика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в струях ЭРДметодика определения коэффициента осаждения продуктов распыления на поверхностях КЛА.

5.Результаты численного и экспериментального исследования воздействия струй ЭРД на элементы космических аппаратов. В частности, данные по характеристикам распыления и осаждению продуктов распыления каптонового покрытияоптические свойства пленок загрязненийданные о распределении распыленной компоненты в струях СПДданные по влиянию угла расходимости на величины возмущающих усилий и моментов, действующих на КЛА типа «Галс» и «Ямал" — данные по силовому и эрозионному воздействию струй СПД на КЛА ряда отечественных и зарубежных фирм.

Основные результаты диссертационной работы обсуждены и опубликованы в материалах Межотраслевой научно-технической конференции «Электризация-90», Томск, 1990; Межведомственного семинара в НИИЯФ МГУ, «Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы КЛА», 1995, 1998, 1999, 2001, 2002 гг.- 17-го международного tL симпозиума по динамике разреженного газа (17 International Symposium On Rarefied Gas Dynemics, July 8−14, 1990, at Technische Hochschule Aachen, FRG) — Международной конференции «Проблемы взаимодействия ИСЗ с космической средой», Новосибирск. 15−19 июня 1992 гЕвропейской конференции по космической энергетике 1993 и 1995 г. (European Space Power Conference, Graz, Austria, 23−27th August, 1993; Proceeding of the European Space Power Conference Poitiers, France, 4−8 September, 1995);

Материалах I, II и III Международной конференции по космическим двигателям 1994, 1997 г, 2000 г. г. Международной конференции по электроракетным двигателям 1999 г. (International Electric Propulsion Conference, IEPC-1999) — Материалах XIV и XV Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», 1999, 2001 г. г., Звенигород, Моск. облМатериалах Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 1999, 2002 г., МоскваМеждународной конференции «Искусственный интеллект-2000», Крым, 2000 г. Международной Конференции по неравновесным процессам в соплах и струях 2000, 2002 г. г.- 32nd Международном семинаре по взаимодействию газа с поверхностью (32nd IUVSTA Workshop on Gas-Surface Interaction, 2000, St. Petersburg) — Конференции-выставке — «Малые космические аппараты», г. Королев московской обл., июнь, 2000 гМатериалах 52 Международного астронавтического конгресса (52nd International Astronautical Congress Toulouse, France, October 1−5, 2001) — В трудах XXV и XXVI академических чтений по космонавтике, посвященных памяти академика С. П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства, 2001, 2002 г., г. МоскваМатериалах Международной научно-практической конференции САКС-2001. (1−4 декабря 2001 г., Красноярск) — Материалах отчетной конференции-выставки по подпрограмме «Транспорт» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 11−13 февраля 2002 г, Москва — ЗвенигородV Межотраслевой научно-техническая конференциии «Электризация космических аппаратов и совершенствование их антистатической защиты как средства увеличения надежности и сроков активного существования», г. Королев, Моск. область, 16−17 мая 2002 г.

НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ РАБОТ.

Разработанное программное и методическое обеспечение предполагает дальнейшее развитие, как в теоретическом, так и в экспериментальном направлениях.

Во-первых, необходимо развивать и совершенствовать методологию построения обобщенных моделей взаимодействия на базе табличных моделей. В этом направлении возможно проведение исследований применимости различных методов интерполяции, а особенно методов искусственного интеллекта, для обнаружения зависимостей между характеристиками взаимодействия и физическими свойствами материалов.

Во-вторых, необходимо создать модели и программное обеспечение для моделирования комплексного воздействия ФКП на элементы и системы КЛА, обеспечивающие возможность замкнутого цикла «прогноз — натурная эксплуатация — коррекция модели». Особенно важным вопросом является при этом разработка и создание новых эффективных методов хранения больших объемов информации по конструкции КЛА, его эволюциям, воздействующим на КЛА факторам и реакции систем на данное воздействие.

В-третьих, следует более детально исследовать влияние загрязнений на оптические свойства функциональных поверхностей КЛА. Здесь необходимо проведение экспериментальных работ, совершенствование моделей и расчетных методик. Особо важным является использование данных натурной эксплуатации.

Большой пласт вопросов связан с влиянием струй ЭРД на солнечные батареи КЛА. Несмотря на то, что информация постепенно накапливается, до сих пор не был произведен «ехрепшепШш сгишБ"20, который ответит на вопрос об истинных механизмах деградации характеристик СБ при воздействии плазменных струй ЭРД.

Необходимо также совершенствовать методики расчета параметров СВА КЛА, учитывая при этом ограниченный объем первичных данных.

20 решающий эксперимент.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор выражает признательность всем, кто так или иначе помогал или участвовал в проведении исследований по данной тематике.

Прежде всего, Михаилу Петровичу Бургасову, который вложил столько душевных и физических сил в эту работу и в руководимую им Группу.

Автор благодарен Льву Симоновичу Новикову, за поддержку всех его начинаний и, особенно, за огромную помощь в проведении экспериментов по воздействию твердых частиц на элементы СБ, Владимиру Алексеевичу Летину и Валентину Рафаиловичу Заявлину за помощь в проведении экспериментальных работ и плодотворные дискуссии по вопросам воздействия твердых частиц и плазменных струй на СБ КЛА, Евгению Николаевичу Корчагину за оказанное Группе доверие и предоставленную возможность в проведении уникальных экспериментов по воздействию ЭРД на бортовые ретрансляторы КЛА серии «Экспресс», а также за поддержку и участие во многих других работах, проводимых Группой, Юрию Михайловичу Ермошкину за поддержку и участие в проведении работ, связанных с разработкой программного обеспечения для прогнозирования силового воздействия ЭРД на КЛА, Игорю Александровичу Максимову за поддержку и большой вклад в развитие моделей взаимодействия собственной внешней атмосферы и ЭРД с элементами и системами КЛА, Гарри Алексеевичу Попову за предоставленную возможность участвовать во многих новых разработках КЛА с СПД и, особенно, за возможность участия в проекте «Фобос-Грунт», Алексею Григорьевичу Ивахненко и сотрудникам его лаборатории за помощь в применении метода группового учета аргумента для прогнозирования характеристик взаимодействия частиц с поверхностью, Игорю Ивановичу Шкарбану за ценные дискуссии по вопросам катодного распыления, Сергею Анатольевичу Хартову за консультации по рабочим процессам в ЭРД и организацию работ с зарубежными фирмами, Максиму Ларину за помощь в развитии идеи использования табличных моделей, ценные дискуссиии по вопросам дисперсной фазы в струях ЖРДМТ, а также за помощь при поиске литературы по вопросам влияния СВА на оптические покрытия КЛА.

Автор благодарен сотрудникам научно-исследовательской группыВладимиру Владимировичу Шапошникову, Владимиру Михайловичу Арбатскому, Александру Алексеевичу Чирову и аспиранту — Алексею Владимировичу Гаврюшину за помощь и участие в проведении исследований.

Автор благодарит Ростислава Константиновича Чуяна за ценные и конструктивные замечания, позволившие сделать работу более корректной и четкой, особенно в части введения, выводов и заключения, а также Виктора Борисовича Тихонова за ряд ценных замечаний по тексту диссертации и за идею использования табличных моделей в системах управления КЛА.

С особой признательностью автор благодарит Леонида Алексеевича Латышева за конструктивные обсуждения диссертации, благодаря которым она приобрела значительно более строгий и законченный вид.

И, конечно же, автор благодарен своим родителям, и, особенно, маме, которая прикрывала его тылы во время работы над диссертацией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации предложена и обоснована методология прогнозирования воздействия струй ЭРД и факторов космического полета на элементы и системы КЛА, основанная на идее слияния науки и практики. Хорошо известно противоречие этих двух антагонистов, обусловленное разными точками зрения на один и ту же проблему. Наука идет к решению от физики процессов, а практика — от конкретной задачи. Наука стремится к детализации, а практика — к абстрагированию. Наука отвечает на вопрос -«почему», а практика на вопрос «как». И чтобы объединить эти две стихии, необходим некий интерфейс, который, с одной стороны, позволит интегрировать накопленные данные и знания, представленные в виде разнородных математических моделей и экспериментальных данных, а с другой — будет отвечать требованиям практического использования.

В качестве такого интерфейса в диссертации предложено использовать табличные модели. Они обладают требуемым уровнем общности и позволяют представить в единой форме, как результаты численного моделирования, так и экспериментальные данные. Кроме того, табличные модели обладают свойствами открытости и адаптивности по отношению к вектору исходных данных, а их программная реализация обеспечивает малое время отклика при высокой степени точности. Табличное представление информации открывает возможность поиска новых знаний и, следовательно, возможность прогнозирования свойств новых материалов. Так, построенные в диссертации модели самоорганизации по алгоритму МГУА А. Г. Ивахненко даже при небольшой исходной выборке позволили получить удовлетворительную точность прогноза коэффициентов распыления для ряда материалов по их физическим свойствам.

Использование табличных моделей в программном обеспечении для прогнозирования воздействия ЭРД на КЛА полностью подтвердило их эффективность. Созданный на их основе пакет программ ISP1.0 эксплуатировался более 5 лет практически без вмешательства программистов, поскольку используемые в нем модели обеспечивали требуемую точность и возможность модификации пользователем.

Однако использование табличных моделей решает проблему только частично. Остается нерешенной проблема естественной неполноты исходных данных, которая ограничивает возможность использования существующих моделей для решения задач прогнозирования. Наиболее ярко это проявляется в моделях СБА. В настоящее время существует большое количество таких моделей. Они учитывают различное количество факторов и используют различные методы расчета. Но, в тоже время, моделей, использующихся на практике относительно немного. Основная причина — отсутствие исходных данных для расчета. Таким образом, становится очевидной необходимость разработки моделей не «от процессов» а «от данных». В диссертации этот подход назван принципом детерминированности моделей. Используя этот принцип, разработана модель загрязнения поверхностей КЛА, входными данными для которой являются нормируемые параметры массоотделения конструкционных материалов КЛА (ПМ и ЛКВ). В настоящее время данная модель и программное обеспечение, созданное на ее основе, используется для подтверждения проектных параметров по уровням загрязнения функциональных поверхностей КЛА, что подтверждает эффективность предложенного подхода.

Третий аспект проблемы — учет комплексного воздействия факторов космического полета на элементы и системы КЛА. В настоящее время для решения этой проблемы часто используется аддитивный подход. Однако он может приводить к существенным ошибкам и явно противоречивым результатам. В диссертации для решения этой проблемы подложен подход, основанный на рассмотрении воздействия внешних факторов не на всю систему в целом, а на ее элементы. Это позволяет разделить внешние факторы и описывать их независимо один от другого. Данный подход был применен при разработке модели комплексного воздействия струй ЭРД, СВА и твердых частиц на СБ KJIA. Созданная модель позволяет учесть и многие другие факторы (например, радиационное воздействие, световую деградацию, термоциклирование, влияние частичного затенения элементов), что подтверждает работоспособность предложенного метода и позволяет использовать его для решения более широкого круга задач.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Результаты диссертации могут быть использованы при решении задач прогнозирования воздействия струй ЭРД на элементы и системы КЛА. Разработанные методы и программное обеспечение построены таким образом, что обеспечивают предельно возможную, на текущий момент, точность прогноза и позволяют использовать результаты численного моделирования или экспериментальны данные по параметрам струй и их взаимодействию с поверхностями КЛА.

Разработанные модели струй и модели взаимодействия частиц с поверхностью использованы при создании семейства пакетов прикладных программ для расчета воздействия струй ЭРД на КЛА. Всего создано 5 различных программ. В 1992 г создан пакет программ Turbo DESIGN 1.0, который использовался в НПО Прикладной механики до 1994 г. Следующая версия пакета Turbo DESIGN 3.0 использовалась на предприятии с 1994 по 2001 г. практически без изменений. Англоязычная версия этого продукта (Turbo DESIGN2.0) приобретена фирмами SEP, MATRA MARCONYESPACE. По заказу фирмы AEROSPATIALE в 1997 г. разработан пакет программ ISP 1.0 в котором впервые были применены табличные модели для описания струй ЭРД и процессов взаимодействия частиц с поверхностью. На базе этого продукта в 2001 г. выпущена программа Turbo DESIGN 4.0, которая в настоящее время используется в НПО Прикладной механики. Параллельно с этой разработкой совместно с фирмой ALCATEL SPACE INDUSTRIES в конце 2001 г. выпущена новая версия программы ISP1.0, названная ISP2001, которая дополнена решателем обратной задачи, блоком расчета параметров собственной внешней атмосферы KJIA, блоком расчета оптических свойств пленок загрязнений и модулем расчета потоков распыленной компоненты в струях ЭРД. Кроме того, существенно улучшен интерфейс пользователя, появилась возможность решения многовариантных задач.

С помощью разработанного программного обеспечения проведено более 20 расчетно-аналитических работ по определению воздействия струй ЭРД на KJIA отечественного и зарубежного производства. В том числе на КЛА «Галс», «Экспресс-А», «Экспресс-АМ» [6], «SESAT [118], „Ямал-100“ [117], „Купон“, „Фобос-Грунт“ [2], 'EUROSTAR». По результатам этих расчетов в конструкцию некоторых КЛА были внесены существенные изменения.

Созданная методика ускоренных испытаний материалов на воздействие плазмы ЭРД применена для определения стойкости каптонового покрытия КЛА «SESAT.>> (НПО Прикладной механики). По результатам испытаний выбрана требуемая толщина покрытия, получены данные о коэффициентах распыления каптонового покрытия в зависимости от времени воздействия и толщины покрытия.

Разработанный метод решения обратной задачи использован при определении коэффициентов аккомодации частиц струи на поверхности СБ КЛА «SESAT На основании полученных данных проведены расчеты силового воздействия струй двигателей коррекции на КЛА типа «ЭкспрессАМ» с различной ориентацией оси двигателей. По результатам расчетов была выбрана конструкция КА с оптимальным положением двигателей.

Двухэтапная методика расчета загрязнения поверхностей КЛА продуктами распыления и собственного массоотделения материалов КЛА позволяет разработчику КЛА многократно использовать простую в использовании табличную модель загрязнений для выбора материалов КЛА и оптимизации их предполетной технологической подготовки (обезгаживания) без проведения многократных и длительных численных расчетов. Первый этап работы по подготовке расчетной модели и проведению численных расчетов проводит научное подразделение.

Результаты исследований, полученные в ходе выполнения плановых НИР и ОКР с НПО Прикладной механики, использованы при составлении руководящего технического материала РТМ-154−31−99 по обеспечению стойкости бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом к загрязняющему воздействию собственной внешней атмосферы.

Разработанные методы исследования использованы при проведении испытаний телекоммуникационной аппаратуры (разработка фирмы ALCATEL, Франция), используемой на KJIA «Экспресс-A» (разработка НПО Прикладной механики, г. Красноярск) на воздействие плазменных образований, формируемых при работе двигателей коррекции (СПД-100). В ходе испытаний подтверждена совместимость ЭРД с аппаратурой, получены данные о параметрах плазмы в приборном отсеке KJIA, которые используются в настоящее время при составлении технических заданий на аппаратуру в негерметичном исполнении.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.