автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и системы космических летательных аппаратов

УДК:629.7.01:535.215

На правах рукописи

Надирадзе Андрей Борисович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СТРУЙ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.07,05 — «Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов».

доктора технических наук

Москва, 2002 г.

Работа выполнена на кафедре 208 «Электроракетные двигатели и энергетические установки» Московского авиационного института (государственного технического университета)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Акишин Анатолий Иванович

Доктор технических наук, профессор Рыбаков Валентин Владимирович

Доктор технических наук, профессор Ходненко Владимир Павлович

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-производственное объединение прикладной механики имени академика М.Ф.Решетнева, г. Железногорск, Красноярский край.

Защита состоится ^ ¿^2003 г. в часов на заседании

диссертационного Совета Д 2Г2.125.08 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по -.адресу 125993 Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзывы в одном экземпляре, заверенные^печатью, просьба высылать по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4., МАИ.

Автореферат разослан 2002 г.

Ученый секретарь, кандидат технических наук, ^

доцент /f ' Э.Н.Никипорец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы - За последние 25...30 лет использование электроракетных двигателей (ЭРД) на борту космических летательных аппаратов (КЛА) стало традиционным. 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. По-видимому, эта тенденция перехода на ЭРД будет сохраняться и в будущем, из-за возрастания потребных значений суммарного импульса двигательных установок.

Использование ЭРД целесообразно также в случаях, когда требуется создать очень небольшую тягу. Создание таких микро- и нано- двигателей приобретает особую актуальность в связи с началом эры малых космических аппаратов (МКА).

• В тоже время, при определенных условиях ЭРД могут оказывать ущественное негативное влияние на элементы и системы КЛА. В основном, это связано, с интенсивным взаимодействием струй ЭРД с поверхностью КЛА и его собственной внешней атмосферой (СВА). Это взаимодействие проявляется в силовом и тепловом воздействии струи, распылении материалов, загрязнении оптически чувствительных элементов КЛА продуктами распыления. Кроме того, ЭРД может оказывать негативное влияние на работу солнечных батарей (хотя имеются и позитивные эффекты), прием и передачу радиосигналов, создавать оптические помехи, вызывать помехи в цепях питания и управления, оказывать тепловое воздействие на элементы КЛА.

Если конструкция КЛА выбрана правильно, негативное воздействие ЭРД может быть уменьшено до допустимых значений. Однако при недостаточной проработанности конструкции это воздействие может оказаться критическим. Так, если силовое воздействие окажется выше возмущений, которые может скомпенсировать система стабилизации, произойдет разориентация КЛА, или если загрязнение поверхности термо-регулирующих покрытий будет выше допустимого уровня, система терморегулирования не сможет обеспечить требуемый сброс тепла. Возможны и другие эффекты даже с более катастрофическими последствиями.

Таким образом, уже на этапе концептуального проектирования КЛА ^•необходимо иметь возможность прогнозировать влияние струй ЭРД на ^^лементы и системы КЛА с тем, чтобы выбрать наиболее приемлемую конструкцию. При этом совершенство КЛА и возможность выполнения поставленной задачи во многом будет зависеть от точности прогноза.

Для создания высокоточных методов прогнозирования необходимо привлекать всю имеющуюся информацию, включая данные натурном эксплуатации изделия. В настоящее время по многим вопросам, связанным с взаимодействием струй ЭРД с КЛА, накоплен довольно большой объем информации. Исследования процессов взаимодействия частиц с поверхностью ведутся уже более ]50 лет, вопросы моделирования СВА изучаются с середины 70-ых годов, струи ЭРД, включая струи нейтрального газа и плазменные струи,

изучаются также более 30 лет. Имеется большой опыт лабораторной и натурной эксплуатации ЭРД. Такие длительные исследования обеспечили необходимый экспериментальный и теоретический базис для создания методов прогнозирования взаимодействия ЭРД с КЛА. , - :1 .

Вмерте -с; тем, имеющаяся информация, как правило, является разнородной, и представлена в различных формах. Например, информация о параметрах струи или о взаимодействии частиц струи с поверхностью'может быть представлена как в виде экспериментальных данных, так в Виде сложных моделей или программ, требующих проведения длительных вычислений для получения конечного результата. Сложные модели могут содержать большое количество входных параметров, определение которых в процессе разработки КЛА может оказаться невозможным. Все это сильно осложняет использование накопленных знаний на практике.

В связи с изложенным, актуальность темы настоящей работы определяется в научном плане необходимостью создания наукоемких методов прогнозирования взаимодействия ЭРД с КЛА, позволяющих интегрировать накопленные данные и знания, а в практическом отношении - адаптацией этих методов к реальному пользователю, и созданием программно-методического обеспечения, позволяющего прогнозировать воздействие ЭРД на КЛА- на любых этапах его разработки в условиях естественной неполноты и неточности исходных данных.

Цель работы - обеспечение требуемого ресурса КЛА, увеличение массы полезной нагрузки и повышение эффективности ЭРДУ за счет снижения негативного влияния струй ЭРД на элементы и системы КЛА. Данная цель достигается 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 промышленности;

■ разработка расчетной модели струй ЭРД, позволяющей описывать сложное пространственное и энергетическое распределение ионов и нейтральных компонент, а также обеспечивающей возможность использования экспериментальных и расчетных данных для определения параметров модели;

■ разработка модели взаимодействия частиц таза с поверхностью, позволяющей учитывать основные значащие факторы, обеспечивающей высокое быстродействие, программных реализаций, и имеющей возможность адаптации к полноте вектора исходных данных;

" ■ разработка математической модели комплексного воздействия факторов космического полета, включая струи ЭРД, на солнечные батареи КЛА,

■ разработка 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 КЛА.

■ разработка методов и средств восстановления параметров моделей по экспериментальным данным и результатам натурной эксплуатации КЛА;

■ разработка методик испытания элементов КЛА на воздействие струй ЭРД, а также методик экспериментального определения параметров струй ЭРД и характеристик взаимодействия частиц с поверхностью.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработаны оригинальные табличные модели струй ЭРД и. модели взаимодействия частиц с поверхностью, которые позволяют объединить и использовать разнородные экспериментальные и расчетные данные. Принципиальным - отличием табличных , моделей от традиционного замещения ' функций таблицами состоит в следующем: а) для параметризации табличных моделей .' используется наиболее общее представление объекта моделирования, а. входная информация, представленная в частном виде, преобразуется к общему виду; б) для определения значений параметров используется только линейная интерполяция; в) при неполноте входной информации (количество входных параметров меньше количества параметров модели) результат вычисления может быть представлен интервальной величиной, характеризующей точность полученной оценки.

2. Показано, что использование методов искусственного интеллекта, в частности метода группового учета аргумента А.Г.Ивахненко, позволяет использовать табличные модели для оценки характеристик взаимодействия материалов по их физическим свойствам (массовой плотности, молекулярному весу, теплоемкости и т.п.).

3. Созданное программное обеспечение для прогнозирования взаимодействия

• струй ЭРД с поверхностью КЛА полностью адаптировано к конечному пользователю, позволяет определить все основные эффекты взаимодействия струй ЭРД с КЛА (силовое тепловое, эрозионное и загрязняющее воздействие) с учетом взаимодействия частиц струи и продуктов распыления в частицами СВА КЛА, а благодаря использованию табличных моделей, позволяет повышать точность расчета без перепрограммирования, только за счет ввода дополнительной информации.

4. Предложена математическая модель, позволяющая описывать комплексное воздействие струй ЭРД и факторов космического полета на СБ КЛА.

5. Двухэтапная методика прогнозирования загрязнения чувствительных поверхностей КЛА продуктами распыления и собственного массоотделения материалов КЛА позволила разделить процесс вычислений на два этапа -

определение параметров инженерной модели (построение расчетной модели и проведение численного расчета) и расчет конкретных уровней загрязнения при заданных значениях интегральных параметров массоотделения материалов (ПМ - потеря массы и JIKB - содержание летучих конденсирующихся веществ).

6. Впервью подтверждена совместимость элементов бортового радиотрансляционного комплекса производства фирмы Alcatel (Франция) с ЭРД коррекции типа СПД-100, получены новые данные о параметрах плазмы в приборном отсеке KJIA.

7. Получены новые данные о распределении распыленной компоненты в струях СПД типа M-7Ô, о коэффициентах распыления каптонового покрытия, о коэффициентах осаждения продуктов распыления каптона на поверхностях КЛА, о коэффициентах аккомодации частиц струи на поверхностях панелей СБ, а также о влиянии угла расходимости на величины силового воздействия струи СПД на КЛА, о значениях силового А эрозионного воздействия ЭДР на КЛА типовых компоновок. ™

Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты диссертации представляют собой научно-методический базис прогнозирования основных эффектов взаимодействия струй ЭРД с элементами и системами КЛА. Разработанные методы и программное обеспечение построены таким образом, что обеспечивают предельно возможную на текущий момент точность прогноза и позволяют повышать точность прогноза по мере поступления новых данных без перепрограммирования.

Разработанные модели струй и модели взаимодействия частиц с поверхностью были 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) была приобретена фирмами SEP и МАТКА MARCONYESPACE. По заказу фирмы AEROSPATIALE в 1997 ri разработан пакет программ ISP 1.0 в котором впервые применены табличные модели для описания струй ЭРД и процессов взаимодействия частиц с поверхностью. На базе этого продукта Л 2001 г. выпущена программа Turbo DESIGN 4.0, которая в настоящее врем? используется в НПО Прикладной механики. Параллельно с этой разработкой совместно с фирмой ALCATEL SPACE INDUSTRIES в конце 2001 г. выпущена новая версия программы ISP-1.0, названная ISP-2001, которая дополнена модулем решения обратной задачи, блоком расчета параметров собственной внешней атмосферы КЛА, блоком расчета оптических свойств пленок загрязнений, модулем расчета потоков распыленной компоненты в струях ЭРД. Был также 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 KJ1A отечественного и зарубежного производства. В том, числе KJIA «Галс», «Экспресс-A», «Экспресс-АМ», «SESAT» (НПО Прикладной механики); «Ямал-100» (РКК «Энергия»); «Купон» (НПО им. С.АЛавочкина); «Фобос, Грунт». (НПО им. С.А.Лавочкина, совместно с НИИ ПМЭ МАИ); "EUROSTAR" (MATRA MARCONI ESPACE, Франция). 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». 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 «SËSAT». На основании полученных данных проведены расчеты силового воздействия ртруй двигателей коррекции на КЛА типа «Экспресс-АМ» с различной ориентацией оси двигателей. По результатам расчётов была выбрана конструкция КЛА с.оптимальным расположением двигателей.'

Двухэтапная методика расчета загрязнения поверхностей .КЛА продуктами распыления и собственного массоотделения материалов ÎOÎA 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 расчётной модели и проведению численных расчетов , пррводит научное подразделение.

Результаты исследований, полученные в ходе выполнения плановых НИР и ,£>КР с НПО Прикладной механики, использованы при составлении руководящего технического" материала PTM-154-3I-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 КЛА «Экспресс-A» 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 КЛА, которые используются в настоящее время при 'составлениитехнических' заданий на аппаратуру в негерметичном исполнении. . '

Достоверность результатов работы обеспечена: ' удовлетворительным совпадением результатов численных расчетов с экспериментальными данными; использованием достоверной первичной информации по характеристикам взаимодействия и параметрам струй ЭРД; использованием корректных и

широко апробированных моделей массопереноса и моделей взаимодействия частиц газа с поверхностью. '

Апробация работы. Основные * результаты диссертационной работы обсуждены и опубликованы в материалах Межотраслевой научно-технической конференции "Электризация-90", Томск, 1990; Межведомственном семинаре в НИИЯФ МГУ, "Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы KJIA", 1995, 1998,- 1999, 2001, 2002 гг.; 17-ого международного симпозиума по динамике разреженного газа (17lh 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 1992т; Европейской конференции по космической энергетике 1993 и 1995 г. (European Space Power Conference, Graz, Austria, 23-27"1 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, '200'0-: г.г.Чт 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. обл; Материалах Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 1999, 2002 г., Москва; Международной конференции ¿Искусственный интеллект-2000». Крым. 2000 г. Международной Конференции-по неравновесным процессам в соплах и струях 2000. ; 2002 г.г.: ' 32"" Международном семинаре но 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 г, Материалах 52 Международного астронавтического конг-peccä-(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.Москва; Материалах 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 - Звенигород; V 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.; 6-ой международной конференции «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (РОАИ-6-2002). Великий Новгород, 21-26 окт. 2002 г.

Публикации.; .Основные положения диссертации изложены в 42 печатных работах, выпущено более 30 научно-технических отчетов.

Структгура и объем работы. : Диссертация изложена на 433 страницах, содержит 119 рисунков и 24 таблицы, состоит из введения, 7 глав, заключения, и списка использованных источников из 240 наименований.

Положения, выносимые на защ»«у: .

1. Расчетная модель силового, теплового и эрозионного воздействия струй ЭРД на КЛА. Геометрическая модель КЛА. Табличная модель струи ЭРД,

параметризация этой модели с использованием модели Vг1, соотношения,

подтверждающие адекватность модели 1/г1 для описания I пространственного распределения частиц струи. Обобщённая''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 штотности;! теплбемкоста. ' Мо^екуЛя'рйой' массе, энергии связи). Методика и алгоритм решения обратной ' задачи' по восстановлению коэффициентов аккомодации из данных лабораторных й 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 совместного „ 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

к стекла солнечных элементов. Модель , перехода состояний для описания 9 . »..изменения свойств защитного кварцевого покрытая 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 ЭРД; методика экспериментального определения потоков частиц распыления изолятора в струях СПД; методика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в струях ЭРД; методика 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 силовому и эрозионному воздействию струй СПД на КЛА ряда отечественных и зарубежных фирм; данные по влиянию угла расходимости : на величины возмущающих усилий и моментов, действующих на КЛА типа «Галс» и «Ямал»; зависимости коэффициентов распыления каптонового покрытия от ионного флюенса и толщины покрытия; данные по коэффициентам осаждения продуктов распыления каптона; оптические свойства пленок загрязнений, образующихся при осаждении компонент СВА и продуктов распыления; экспериментальные данные о распределении распыленной компоненты в струях СПД. 1

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и^ задачи исследования, а также положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе дается классификация основных эффектов взаимодействия ЭРД с КЛА. а также обсуждаются общие методические вопросы прогнозирования воздействия ЭРД на КЛА. В настоящее время выявлены следующие основные эффекты негативного влияния СПД на КЛА:

• силовое воздействие, потери тяги;

• эрозия поверхностей КЛА;

• загрязнение поверхностей КЛА;

• влияние на работу солнечных батарей;

• тепловое воздействие;

• оптические помехи;

• помехи в радиодиапазоне и по цепям питания;

• влияние на зарядовое состояние поверхностей КЛА;

• влияние на работу бортовой радиоаппаратуры.

Перечисленные эффекты могут быть классифицированы различными^ способами, но наиболее удобной представляется классификация по каналам" взаимодействия. Такая система классификации позволяет определить элементы, критичные к воздействию ЭРД и принять необходимее меры по исключению или снижению данного воздействия.

Рассматривая ЭРД как некоторуюзамкнутую систему, взаимодействующую с КЛА и окружающей средой, - можно ' выделить следующие основные каналы взаимодействия- '; '

механическое воздействие (тяговое усилие, возмущающие моменты, обусловленные смещением вектора тяги относительно центра масс КЛА);

тепловое воздействие (передача тепла элементам КЛА посредством излучения и теплопроводности);

воздействие плазменных струй (силовое воздействие, нагрев элементов КЛА, эрозия материалов, загрязнение поверхностей КЛА продуктами распыления и конденсирующимися компонентами струи); электромагнитное взаимодействие в оптическом диапазоне (помехи для работы оптических приборов);

электромагнитное взаимодействие в радиодиапазоне (влияние на качество радиосвязи)

взаимодействие по цепям питания (помехи по цепям питания, согласованность работы системы электропитания КЛА и системы питания-управления ЭРД).

В данной работе рассматриваются эффекты

воздействия плазменных струй ЭРД на элементы и системы КЛА. Количественно, эти эффекты существенно связаны с конструктивной схемой КЛА и циклограммой работы

двигательной установки, поэтому перечень эффектов и прогноз их влияния должны строиться индивидуально для каждого КЛА.

Процесс прогнозирования рассматривается как составная часть процесса проектирования космического аппарата (рис. 1). Основным вопросом

■прогнозирования является -«будет ли ЭРД влиять на

СХ жееетуужще* —s КЛА ,-f 4ммшв. hnwrt« Jt < Н> *

мьп.

Рис. 1.

нормальную работу КЛА в течение срока его активного существования?». Формально, это записывается в виде предиката:

FA:

true, если х > х., false, если х < х., unknown, если х « х,,

(1)

где х,х, - прогнозируемые и допустимые значения параметров воздействия, соответственно, и используется в качестве ограничения на параметры

конструктивной схемы КЛА. В зависимости от соотношения х, х. принимается одно из трех возможных решений: принять данную конструктивную схему и продолжать проектирование (если х £ х,), отклонить данную схему и исключить возможное влияние ЭРД (если х й х,) и уточнить прогноз или значения допустимых параметров (если х«^).

Задача (1) принципиально отличается от задач моделирования, поскольку не требует точного определения значений параметров воздействия и допускает получение интервальной оценки значений этих параметров. При этом ситуация х «х. распознается по условию хг\х. ^ 0 (здесь х, х. - интервальные величины). Это свойство отражает сугубо практическую направленность проблемы и определяет следующие основные требования, предъявляемые к разрабатываемым моделям и программному обеспечению:

• наличие информации о точности прогнозирования;

• адаптивность по отношению к вектору исходных данных;

• открытость;

• быстродействие;

• полная адаптация к пользователю.

Наличие информации о точности необходимо для однозначного принятия решения о дальнейшем ходе проектирования. ^Адаптивность предполагает возможность получения прогноза на любой стадии проектирования в условиях естественной неполноты и неточности исходных данных и их последовательного уточнения по мере проработки КЛА. Открытость предполагает возможность модификации используемых средств прогнозирования непосредственно в процессе проектирования без их существенного перепрограммирования. Быстродействие предполагает наличие жестких временных ограничений на получение прогноза и необходимость многократного повторения процедуры прогнозирования в процессе разработки КЛА. Адаптация к пользователю предполагает создание «прозрачной» технологии прогнозирования, позволяющей пользователю полностью сконцентрироваться на решении стоящей перед ним задачи, не отвлекаясь на решение вспомогательных задач и настройку программного обеспечения.

Дополнительным требованием к методам и средствам прогнозирования является возможность учета комплексного воздействия струй ЭРД и факторов космического полета (ФКП) на КЛА. Наиболее часто для решения этой проблемы используется аддитивный подход (хотя, существуют и другие подходы, например, вероятностные). Описываемая система рассматривается как черный ящик с линейной реакцией на внешние воздействия. При этом суммарный эффект А У, возникающий в результате воздействия различных факторов х1,х2,...,хи, вычисляется как сумма эффектов от каждого фактора:

Такой подход позволяет независимо вычислить все Ду(х), а затем на этапе анализа просуммировать полученные значения. Это особенно важно при распределенном анализе воздействия ФКП на КЛА, когда за каждый фактор отвечает отдельный коллектив, а оценки факторов производятся в параллельных процессах. Однако здесь возможны значительные ошибки, как в сторону увеличения суммарного эффекта, так и в сторону уменьшения вследствие нелинейности описываемых систем. Чтобы исключить эти ошибки модель должна учитывать совместное воздействие факторов:

ДУг = АУ(х},х2,...,хп). (3)

Для решения этой задачи в работе используется известное свойство

К ложных систем, состоящее в том, что любое внешнее воздействие рикладывается не к самой системе, а к ее элементам. Например, воздействие радиации на СБ приложено не ко всей батарее, а к отдельным солнечным элементам или, точнее, к р-п переходу полупроводниковых фотопреобразователей. Исходя из этого, для описания комплексного воздействия ФКП предлагается перейти от модели черного ящика к более детализированной модели системы, которая позволит разделить факторы, воздействующие на ее элементы. Для этого производится декомпозиция системы на подэлементы, а затем строится модель системы, учитывающая свойства подэлементов и их взаимосвязи (рис. 2). Тогда, функциональные характеристики системы можно описать как функции параметров элементов системы и внешней среды:

молелмУзлимо/ейст*ия

1 о с ! ФАКТОРЫ 5 о |

Рис. 2.

(4)

где параметры элементов системы и внешней среды.

^ Следующим шагом является исследование влияния внешних факторов на элементы системы, а вернее, на параметры Поскольку знание о влиянии каждого фактора на систему в целом имеется, установить зависимость 2 = г{хх,хг,...,х-п) можно, используя эти знания.

В результате этого, разработчик КЛА получает в свое распоряжение модель (3), а распараллеливание анализа происходит на уровне параметров модели. Т.е. каждая субподрядная организация или подразделение осуществляет оценку воздействия отдельных факторов не на всю систему, а на параметры (свойства) ее элементов. После этого разработчик собирает у себя эту информацию и строит прогноз воздействия ФКП на систему в целом.

Пример реализации модели совместного воздействия струй ЭРД, СВА и твердых частиц, построенной по предложенной схеме, рассмотрен в Главе 5.

Далее рассматривается проблема практического использования существующих моделей, связанная с недоопределенность по входу. В большинстве случаев только часть параметров модели известна, а остальные приходится задавать из некоторых априорных соображений, не всегда имеющих хорошее обоснование. Точность прогноза по таким моделям оказывается относительно небольшой, но хуже всего возможность получения противоречивых результатов, обусловленная некорректным заданием неопределенных параметров. В связи с этим на практике приходится ограничиваться использованием упрощенных моделей, обеспечивающих невысокую точность, но зато всегда определенных по входу.

Исходя из этого, в работе сформулирован следующий принцип построения моделей, используемых для прогнозирования (предлагается назвать его принципом детерминированности) - усложнение модели является целесообразным до тех пор, пока ее входные параметры либо известны, либо могут быть определены экспериментальным или расчетным путем. Данный принцип можно рассматривать как критерий выбора модели оптимальной сложности. Для построения оптимальных прогнозных моделей предложено использовать подход «от данных». Суть данного подхода состоит в том, что вначале определяется перечень входных параметров модели, а затем описываются взаимосвязи между этими параметрами и параметрами объекта исследования. Такой подход использован в Главе 4 при построении модели загрязнения поверхностей КЛА продуктами распыления и собственного массоотделения конструкционных материалов.

Во второй главе рассмотрены вопросы моделирования струй ЭРД. Как известно, струи ЭРД являются сложными плазменными образованьями, имеющими собственное электрическое и магнитное поля, содержащими не только заряженные ионы, но и нейтральные атомы. Частицы струи могут интенсивно взаимодействовать между собой, обмениваясь импульсом и зарядом. Струя может быть источником электромагнитных излучений как в видимом, так и в радиочастотном диапазонах и взаимодействовать с внешними электрическими и магнитными полями.

Параметры струй ЭРД во многом определяются типом двигателя. Однако! у большинства ЭРД они имеют примерно одинаковую структуру. Схема типичной струи ЭРД представлена на рис. 3. Эта схема соответствует двигателям типа СПД, однако она может быть применена и для других типов двигателей с точностью до границ указанных зон и соотношения компонент.

Основную массу струй ЭРД составляют ускоренные ионы. Плотность ионного тока быстро спадает от оси струи к ее периферии, что позволяет выделить две зоны: ядро и периферию. Ядро струи ограничено конусом, в который попадает 90-95% ионного тока. Полуугол раствора этого конуса обычно называют углом расходимости струи %■

Ж

Для двигателей типа СПД этот угол составляет 25-30°. У струй плазменно-ионных двигателей (ПИД) угол расходимости редко превышает 3-5°. Струи импульсных и сильноточных МПД- * двигателей угол расходимости может быть существенно выше и достигать 6070° в импульсе последействия.

От внешней границы ядра струи Начинается периферийная зона. Она образуется вследствие несовершенства системы ускорения ионов и, в зависимости от типа двигателя, может ростираться вплоть до плоскости среза

вигателя. ......" "' ' ' ' •<■

Помимо компоненты

■минтани

' И* «» '■'"'

ионйзйрованнои

"Ж

« струе присутствует ......

йеболь1ий5^айт? меи6низированногЬ рабочего тела (около 3-5% от массового расхода рабочего тела). Поскольку ускорения нейтральных частиц в двигателе не' происходит их истечение можно рассматривать как истечение газа из отверстия в вакуум с тепловыми скоростями. '<-'■■

При взаимодействии ускоренных ионов с Нейтральными частицами возникают ионы перезарядки. Эти ионы образуются в ядре струи и могут распространяться практически во всех направлениях, проникая в области за срезом сопла. Поскольку энергия ионов перезарядки-относительно невелика (~ 1 эВ) их движение определяется, в основном, градиентами электрического ЯЬля в струе. Поток частиц в обратном направлении составляет не более 5-7% ионного тока струи.

Кроме того, в струях ЭРД могут присутствовать в небольшом количестве (около 1-2% от массового расхода рабочего тела) частицы распыления элементов конструкции двигателя, а у ИПД,' помимо основного факела струи, имеется импульс пocлeдeйCtвйя, когда испарение рабочего тела еще продолжается, но;его ионизации и ускорения уже не происходит.

Модель струи является одним из основных элементов модели заимодействия ЭРД сКЛД.— Требования к модели струи; весьма противоречивы. С одной стороны она должна, максимально точно описывать сложное пространственное и энергетическое распределение частиц всех сортов. С другой стороны эта модель должна быть достаточно универсальной и иметь минимальное время отклика, поскольку струи ЭРД весьма разнообразны, а частота запросов к этой модели при прогнозировании взаимодействия ЭРД с КЛА является очень высокой.

м' Использование'сложных, численных моделей 6 задачах прогнозирования является неэффективным, поскольку затраты времени^ на вычисление параметров струи йЬ окупаются достигаемой при этом точностью.' Кроме того,

в ряде случаев построить численное решение задачи не удается из-за недостатка исходной информации. Тогда для расчетов приходится использовать либо экспериментальные данные, либо данные, полученные с помощью более простых моделей. Но если ¿ расчетной модели используется сложная численная модель струи, то использованйе таких данных становится затруднительным или даже невозможньШ.! г г 1 '

Использование полуэмпирических (или регрессионных) моделей также имеет свои плюсы и минусы. С одной стороны эти модели относительно просты, имеют малое количество параметров и'небольшое "время отклика. Однако точность аппроксимации экспериментальных данных или данных численного моделирования при использовании одной и той же модели может существенно варьироваться для различных типов ЭРД и режимов их работы.

Таким образом, ни численные, ни полуэмпирические модели не удовлетворяют требованиям, предъявленным выше. Чтобы удовлетворить эти№ требованиям, в данной работе предложена модель, использующая таблично^ представление угловой функции плотности потока и функции распределения по энергиям.

Струя ЭРД задается в виде суперпозиции точечных источников, каждый из которых описывает ту или иную компоненту струи (нейтральную или заряженную). При этом пространственное распределение плотности потока частиц к -ой компоненты струи описывается соотношением:

./^(Я), ; (5)

где Рк (#) -ч-угловая функция плотности потока (задается таблично); -

плотность потока частиц на расстоянии г0 от источника. Для определения значений угловой функции в промежуточных точках используется линейная интерполяция. Использование „ интерполяционных полиномов, илр .сплайнов является не эффективным в силу того, .что ,в ряде случаев они могут давать противоречивые результаты (например, отрицательные величины потока, в периферийных зонах). Линейная интерполяция исключает подобные артефакты, а при необходимости повышения точности достаточно увеличить количество точек в таблице. ^

В работе показано, что модель обеспечивает приемлемую точность аппроксимации уже на расстояниях более 5-Ю>*0 от среза двигателя. Однако следует отметить, что в настоящее время нет единого мнения относительно применимости этой модели для описания пространственной плотности частиц в дальней зоне "струи. Причиной отклонения 'могут быть влияние внешнего магнитного поля и внутренних электрических'полей струи.'Но поскольку заметные отклонения от прямолинейных траекторий на околоземных орбитах могут наблюдаться на расстояниях :1йе" менее 10-15 м от среза двигателя, а ' основное воздействие струи на КЛА происходит в области 1-5 м, учет этих эффектов в данной работе не производился.

Функция распределения f(E) также задается в табличном виде вдоль некоторого луча (линии тока) и принимается вдоль него неизменной. Для построения функции распределения на промежуточных лучах (углах) используется метод линейной интерполяции. Существенно, что перенормировки полученной функции распределения при этом не требуется.

В качестве исходных данных для рассмотренной модели могут быть использованы как результаты численных расчетов, так и экспериментальные данные.

В следующем разделе рассмотрена распыленная компонента струй ЭРД, образующаяся в результате распыления элементов конструкции двигателя. Продукты распыления могут полностью осаждаться на поверхностях КЛА, изменяя их свойства. ' Особенно сильно этот эффект проявляется в периферийной зоне струи, где чистящее воздействие струи ослабевает. Однако влияние распыленной компоненты может проявляться и в центральных зонах струй, например, как стимулятора роста микрорельефа на поверхностях КЛА.

С учетом актуальности этого вопроса, в данной работе было проведено экспериментальное исследование параметров распыленной компоненты в струе СПД-70. Основная проблема состояла в том, что потоки частиц распыления значительно меньше потоков основных частиц струи и сопоставимы с уровнем фоновых потоков вакуумной камеры. Кроме того, абсолютная величина потоков частиц распыления не превышает 10'" -ИО"'2 г/см2с, что также делает их измерение весьма затруднительным.

Для решения этих проблем разработана экспериментальная методика, позволяющая зарегистрировать малые потоки частиц распыления на фоне потоков от стенок вакуумной камеры. Сбор частиц осуществлялся методом упаковки в матрице, представляющей собой металлическую пленку, образующуюся в процессе эксперимента. В качестве источника частиц металла использовалась- медная пластина, установленная в непосредственной близости от образцов ' и распыляемая ионами струи. Количество распыленной компоненты в пленке производилось методом резерфордовского г .обратного рассеяния (POP) по содержанию бора, единственным источником которого : являлся двигатель.

'"■ " ' Схема эксперимента, представлена на рис. 4. Мишени, изготовленные из полированного бериллия, облучались в течение 5 чесов струей СПД-70. Разрядная камера . двигателя была изготовлена из керамики AIN+BN и проработала около 70 часов. Двигатель .работал на ксеноне .> в номинальном режиме (разрядный ток 2.2 А, ускоряющее напряжение 300 В). Давление в вакуумной камере при

Рис. 4.

работающем двигателе составляло 2-10"4 торр. Откачка производилась турбомолекулярными насосами,, что обеспечивало практически безмасляный вакуум. Для снижения остаточной концентрации паров масла использовались азотные ловушки.

Аналитическая диагностика мишеней выполнялась методом POP ионов Не* и IT, позволяющим определять абсолютное содержание атомов в структурах, а также методом мгновенных ядерных реакций (МЯР), с регистрацией величины выхода реакции пВ(р;а)8Ве—>2а. В результате получены данные; о количестве бора на открытых.■ и прикрытых частях мишеней. Последующая обработка велась с учетов возможного селективного распыления образующихся пленок и влияния; потоков бора, отраженных от медной пластины. При обработке использовались экспериментально измеренные величины :плотности потока первичных ионов и их функция распределения. • .

; Зависимости плотности потока бора в струе, полученные в результата обработки экспериментальных данных, представлены на рис. 5. "

Рис.5

Сложная форма зависимости объясняется наличием в потоке

двух компонент - ионизированной и нейтральной. Нейтральная компонент^ распространяется преимущественно в области 50...90°, что определяется геометрией канала и диаграммой рассеяния частиц распыления. Ионизированная компонента ускоряется электрическим полем в канале и имеет функцию плотности, аналогичную функции плотности основных ионов струи.

В третьей главе рассмотрены вопросы силового, эрозионного и теплового воздействия струй ЭРД на поверхности КЛА. Основной проблемой здесь является описание взаимодействия частиц газа с поверхностью.

Эта проблема характерна многообразием физических факторов, оказывающих соизмеримое влияние и требующих совместного рассмотрения. Попытки выделения более или менее независимых факторов привели к признанию природной сложности задачи и превращению ее в широкую область исследований. Последние годы шло интенсивное накопление данных путем физического эксперимента и численного анализа. Результатом этих исследований стало получение большого объема экспериментальных данных, создание множества моделей и программного обеспечения, описывающих процессы взаимодействия тем или иным способом и с той или иной степенью точности.

Вместе с тем, применение накопленных данных и знаний на практике сталкивается с известными трудностями, обусловленными спецификой процессов проектирования. При решении задач прогнозирования требуются модели, имеющие высокую точность в чрезвычайно широком диапазоне параметров взаимодействия и, в тоже время, имеющие малое время отклика и работающие при различной степени полноты вектора исходных данных. Большинство же формализованных моделей не отвечают этим требованиям. Простые модели имеют малую точность, а сложные, как правило, численные, требуют задания большого количества параметров и имеют малое быстродействие.

В связи с этим в данной работе была построена обобщенная модель взаимодействия, использующая табличное представление информации:1 Для описания взаимодействия частиц газа с поверхностью используются наиболее общие соотношения вида:

/7] у 2

М = пу-т-ат1 Р-п\>(ту)ар, £= лу •(—) • а, _ (6)

где ат, Ор, а, — коэффициенты обмена массой, импульсом и энергией являются открытыми функциями свойств поверхности, падающей частицы и параметров удара, и задаются в табличном виде. Поскольку параметры а, могут принимать бесконечно большое количество значений, создание таких таблиц, на первый взгляд кажется невозможным. Однако в работе показано, что количество возможных значений параметров относительно невелико и уж по крайне мере не бесконечно. Это объясняется тем, что параметры любой физической системы, могут изменяться только в ограниченном интервале значений. При конечной точности определения параметров (экспериментальными или численными методами) нет необходимости разбивать этот интервал на большее число интервалов, чем то, при котором точность определения параметра по этим данным будет соответствовать точности исходной модели.

Для извлечения данных из таблиц использованы известные статистические и интерполяционные методы. Наиболее предпочтительным является использование теории множеств, позволяющей получить интервальную оценку коэффициентов обмена при различной полноте вектора

исходных данных. Суть этого метода заключается в том, что чем больше параметров модели (столбцов таблицы) известно и Чем точнее их значения, тем меньше элементов множества (строкТ таблицы) попадают в подмножество выходных значений, и, следовательно, "тем уже становится ширина интервала возможных значений выходного параметра.

Благодаря общности используемых соотношений и табличному представлению функций данный подход позволяет интегрировать неоднородные модели и данные, приводя их к единой форме представления. В свою очередь, однородность формы представления данных позволяет применить к ним различные интерполяционные методы и методы искусственного интеллекта для обнаружения различных зависимостей (технологии Data Mining и Knowledge Extraction). В рамках данной работы был использован метод группового учета аргумента (МГУА) А.Г.Ивахненко для обнаружения зависимостей коэффициентов распыления материалов от их физических свойств.

Идея метода МГУА основана на использовании внешних критериев, позволяющих найти модель оптимальной сложности. Для построения внешних критериев в МГУА применяется разделение исходной выборки на две подвыборки - основную и вспомогательную. По основной выборке определяются коэффициенты полинома, а по вспомогательной — вычисляется критерий минимума смещения, который характеризует отклонение оценок параметров на основной и вспомогательной выборках. Постепенно усложняя модель, находят ту, для которой критерий минимума смещения является минимальным.

Выборка исходных данных содержала 20 строк и 6 столбцов: Х| -коэффициент распыления материала ионами ксенона при энергии 300 эВ и нормальном падении ионов, мг/К; хг - массовая плотность, г/см3; х3 -молекулярный вес, а.е.м.; х^ - температура сублимации, К; Хз -теплоемкость, Дж/моль*град; х6 — энергия связи, эВ. Модель искалась в виде функции (у=х|) от исходных параметров и их парных ковариаций:

У — fi.xitXi,Xt,Xi,Xi,X1,X1Xi,X2X^,XiXi,X1Xi^X},XiXt,XiXs,XiX6,Xt,XjXj,х4х6,х})

Первый вариант модели

у = 0.3207 +1.718• -0.777• х] + 0.668• х3х4 -1.388•

имеет среднеквадратичное отклонение ЕЯ = 40%. Второй вариант модели у = 1.4343 - 5.856 • д:6 + 0.4302 • хгхг - 4.4347 • х2дг4 -1.309 • хгхь + 7.819 • хгх6 -

7.189 XjXt + 4.781 х3л:5 +0.7226 - 0.58 х4х} +4.992 х4х6

имеет ER = 20%. Прогноз с упреждением на одну точку (рис. 6) также дает

хорошие результаты.

Таким образом, показано, что использование алгоритма МГУА позволяет оценивать характеристики взаимодействия по физическим свойствам материалов. .. ,

В вопросы определения характеристик взаимодействия частиц струи с поверхностью из экспериментальных данных. Представлено решение обратной задачи по восстановлению коэффициентов аккомодации частиц струи на поверхностях сложной геометрической формы по результатам лабораторных или натурных экспериментов. В качестве рабочей модели выбрана модель зеркально-диффузного рассеяния частиц, параметрами которой ^^вляются коэффициента аккомодации нормального (с„) и тангенциального

импульса. В этом случае, компоненты силового воздействия струи на элементы КЛА, выполненные из материала к, могут быть представлены в виде: ^к = А + -б,'сгп£ + Ск где Ак,Вк,Ск- коэффициенты, зависящие только от параметров струи и геометрией КЛА. В результате, решение задачи сводится к решению системы нелинейных уравнений относительно неизвестных с„, сгг.

Рассмотренная методика была применена для восстановления коэффициентов аккомодации на поверхностях панелей СБ КЛА «БЕБАТ», для которого имелись данные по возмущающим моментам, возникающим при включениях ЭРД типа СПД-100. Измерения возмущений производились при различных положениях панелей СБ. Решение обратной задачи позволило определить следующие значения коэффициентов аккомодации <?„ и стг для фронтальной и тыльной сторон панелей СБ, которые составили 0.58, 0.58 и 0.99, 0.82, соответственно. Отличие полученных значений

обусловлено различной

• структурой и материалом двух сторон СБ. Сопоставление фактических и расчетных значений возмущающих

моментов в зависимости от положения панелей СБ приведено на рис. 7.

Анализ полученных результатов показал, что, несмотря на хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, точность определения <т,, о, относительно невелика, что связано с плохой обусловленностью матрицы

Рис. 6

Угол поворота СБ, град.

Рис. 7.

при использовании имевшихся данных. Для получения более точных значений необходимо привлечение данных по возмущающим усилиям или потерям тяги.

В следующем разделе рассмотрена методика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в струе ЭРД. Суть данной методики заключается в следующем. По заданной геометрии КЛА, параметрам струи, положению исследуемого материала и его ожидаемым свойствам проводится предварительный расчет скорости эрозии материала. На основании расчета определяются наиболее напряженные точки и параметры струи в этих точках (плотность потока, угол падения, угол отклонения ионов от оси двигателя, средняя энергия ионов струи). На основании полученных данных планируется матрица эксперимента. При этом учитываются возможные ограничения, накладываемые возможностями оборудования. Эквивалентность воздействия обеспечивается эквивалентностью энергетических спектра и угла падения ионов. Ускорение происходит за счет увеличения плотности тока ионов до предельного значения, определяемого допустимой температурой образца.

По рассмотренной методике проведены испытания каптонового покрытия поддерживающей конструкции антенн КЛА «БЕБАТ», определен ресурс покрытия, определены коэффициенты распыления каптона в условиях эксплуатации на КЛА. По результатам испытаний выбрана толщина покрытия, обеспечивающая требуемый ресурс.

В работе проведено численное исследование влияния угла расходимости ЭРД на величины потерь тяги и возмущающих моментов применительно к двум компоновкам КЛА, отличающимся углом наклона оси струи к плоскости солнечных батарей (аСБ= 0° и аСв= 45°). Для описания поля плотности частиц струи использовалась следующая аппроксимационная формула:

ЛУ,=ЛУ0- сов'^), (7)

где 'П'0- поток ионов струи ЭРД; р - параметр, определяющий степень «сжатия» струн; в-угол между осью струи и трубкой тока. Варьируя параметр р можно формировать струи с более или менее плотным ядром. При этом угол расходимости х для конкретного значения /Сможет быть определен численно.

На рис. 8, 9 приведены результаты; расчетов для различных значений угла расходимости струи в диапазоне от 26° до 15°.

У гая рвммямеета. грдд

Рис. 8.

Рис. 9.

; Как следует из..рис. 9, для компоновки с Осб — 0°уменьшение угла расходимости % от 26° до 15° незначительно уменьшаетсйловые возмущения. Дальнейшее уменьшение % может дать заметный эффект, но техническая реализация СПД с % < 10o-15° в настоящее время не представляется возможной.

Эффект слабого влияния х на- силовые возмущения в компоновке с <хсб = 0° объясняется тем, что панели СБ перекрывают, настолько большую площадь струи, что при перераспределении плотности - потока ионов они получают приблизительно равный интегральный импульсгВ связи с этим использование фокусирующих устройств на KJ1A с otes = 0° можно считать не эффективным.

Для компоновки с с*сб - 45° картина качественно изменяется. До углов % » 20° уменьшение угла расходимости' дает заметное снижение силовых возмущений. Однако при дальнейшем уменьшении % (X 20°) эффективность мер по «сжатию» струи резко падает. Этот эффект объясняется тем, что при х 20° струя затрагивает панели СБ только периферийными областями, в которых присутствуют в основном ионы низких энергий, оказывающие слабое влияние на панели СБ. з ,

В работе обобщены результаты расчетов воздействия струи ЭРД на КЛА ряда отечественных и зарубежных фирм. Некоторые из этих данных представлены в таблице 1. Эти данные показывают, что силовое и эрозионное воздействие ЭРД на КЛА существенно зависит от компоновочной схемы КЛА. Причем существует явный оптимум по углу поворота двигателя относительно оси вращения панелей СБ.

•__Таблица 1___

: ка Галс, Экспресс, sesat «Ям*л-|00» «Фобос-Грунт» «Купон» EUROSAT

^ Ч» «J ^

Двигатель и время его работы, час СПД-100, 2000 s' СПД-70, ..... 2000 СПД-140, 8000 СПД-70. 1000 СПД-100. 2000

Усилия, тяги) • 10 < i 0.3 15-20 <2

Моменты, Г% тяги*м] 20 <2 0.5 30 <5

! Эрозия, [мкм/ч] 210"3 8-10-* МО4 0.07 5'Ю"4

В четвертой главе рассматриваются вопросы прогнозирования загрязнения поверхностей КЛА продуктами распыления внешних поверхностей КЛА, -¡конденсирующимися ' компонентами струй ЭРД, ал также продуктами собственного массоотделения конструкционных материалов КЛА.

Как известно, в общей постановке, эта задача требует учета множества факторов, включая сложные адсорбционные процессы, протекающие на поверхностях КЛА ,и процессы взаимодействия частиц в окружающем

пространстве. Понимание этих процессов и их математическое описание в настоящее время развито достаточно хорошо. Однако и здесь.' возникает проблема практического применения .знаний.. Обычно разработчик располагает ограниченной информацией о параметрах массоотделения . материалов. В большинстве случаев оно характеризуется двумя нормируемыми параметрами: полной потерей массы (ПМ) и содержанием летучих конденсирующихся веществ (ЛКВ). Данные по динамике дегазации и диаграмме рассеяния частиц имеются далеко не всегда. В связи с этим использование сложных математических моделей, учитывающих большое количество физических процессов формирования СВА, становится практически невозможным. В то же время разработчику требуются простые Инженерные методики^' обеспечивающие предельно высокую точность прогноза и позволяющие проводить оптимизационные и многовариантные расчеты Загрязнений для различных материалов и при различных параметрах массоотделёник. : "

Для решения этой проблемы предложена комбинированная-методика прогнозирования уровней загрязнения, сочетающая ^ в себе сложность численных методов и простоту инженерных методик.; СА8Е'-диаграмма процесса прогнозирования, использующего данную методику, представлена на рис. 10.

Рис. 10.

Уровень загрязнения элементов поверхности КЛА вычисляется как: , (8)

1 Corn put er-Aided Software/System Engineering (Структурный системный анализ)

где т* — масса осажденного вещества на /-ом элементе поверхности КЛА

(контрольной площадке) за все время пребывания КЛА в космосе; т) — суммарное массоотделение с у'-го элемента поверхности КЛА (для вычисления т 1 используется параметр ЛКВ, скорость распыления или интенсивность потока конденсирующихся компонент в струях ЭРД)- Коэффициенты массопереноса:. -коэффициент: , прямого*. массопереноса; определяющий долю выделившегося'- вещестйа, осаждающуюся' на 1-ую контрольную площадку; коэффициент переотражения, определяющий какая доля

выделившегося вещества попадет на /-ую контрольную площадку в результате переотражения частиц СВА от поверхностей КЛА; /у- коэффициент возврата, определяющий долю выделившегося вещества, попадающего на /-ую контрольную площадку в результате рассеяния: " 4"1 .■•■•■ Ом* ™ Коэффициенты массопереноса вычисляются методом статистического моделирования Монте-Карло для реальной геометрии КЛА и для каждого источника массы (элементы конструкции, двигатели, дренажные отверстия и т.п.). ■.-.■■ ■•••■■ ■ •;

Интенсивность собственного массоотделения материалов задается либо непосредственно по известным формулам, либо оценивается по величине давления в окрестности КЛА (используются экспериментальные данные). Для этих частиц принимается диффузный закон рассеяния.

Процесс массоотделения, обусловленный воздействием плазменной струи ЭРД, зависит от множества факторов и требует более детального рассмотрения. Интенсивность потока распыления определяется параметрами бомбардирующих ионов и характеристиками распыления материала. Закон рассеяния частиц распыления, может сильно отличаться от диффузного, поэтому его следует учитывать при прогнозировании. С этой целью разработан метод сплайн-интерполяции индикатрисы рассеяния по ее проекциям на плоскость, проходящие через падающий пучок и нормаль к поверхности (далее «продольное распределение») и на перпендикулярную ей плоскость («поперечное распределение»).

Величина плотности потока в направлении 0-{Р,<р), где Д р- полярный р; азимутальный; 'углы вылета частицы, задается соотношением: = 3}р(<р) ( где 51/}{<р) - сплайн 3-го порядка, построенный для конкретного значения угла [) по трем точкам:

'5,ДО ) = т>,(+/7)

при следующих граничных условиях:

1^(0 = 0' • : -.и. ..,;-:••.■

где пу^/З) и п\>±(/3) - продольное и поперечное распределения плотности потока частиц распыления, соответственно.

Расчет возвратных потоков массы осуществляется численным интегрированием потоков частиц по всему пространству, окружающему КЛА, с учетом возможного затенения точек пространства элементами КЛА..При этом суммируются потоки частиц от каждой ячейки расчетной сетки „ Перед расчетом возвратных потоков вычисляются концентрации частиц в ячейках.

Для упрощения вычислений и сокращения объема требуемой памяти форма представления дифференциального сечения рассеяния выбирается в зависимости от того, к какому классу принадлежат взаимодействующие частицы. В данной модели принято деление на два класса частиц «изотропный фон» и «анизотропные потоки». Изотропный фон образуется^^ низкоэнергетическими частицами массоотделения поверхностей КЛА. Анизотропные потоки частиц образуются струями ЭРД и тепловых двигателей. Для двух указанных классов частиц рассматриваются четыре возможные случая взаимодействия:

" саморассеяние частиц фонового газа; ;

• рассеяние частиц струи на частицах фоновог о газа;

■ рассеяние частиц одной струи на частицах другой;

■ саморассеяние частиц струи. ■:, . ..; :г; г "

Отражение от поверхностей КЛА считается полным с диффузным законом рассеяния.; Поля концентрации вычисляются на регулярных картезианских сетках или сетках с локальным измельчением. Для расчета отраженных потоков используется комбинированный статкстико-аналитический метод, - Позволяющий Существенно сократить количество требуемых испытаний.' Т^дея") "метода заключается в том, что величина отраженных потоков вычисляется путем суммирования элементарных' потоков от каждой точки пересечения траекторий частиц с поверхностью КЛА (рис.11). При Этом траектории частиц отслеживаются по классической схеме, а потокг^Ъ вычисляются аналитически. ^^

Уровни загрязнения элементов КЛА вычисляются подстановкой в' (8) конкретных значений потоков конденсирующихся частиц (параметры

ЛКВ ДЛЯ конструкционных материалов «Приемник»

или оборудования). При этом расчет сводится к выполнению небольшого количества арифметических операций и происходит практически мгновенно

(реализовано в виде электронных таблиц Microsoft EXCEL®). Это позволяет проектировщику провести оптимизацию параметров проекта - выбрать материалы KJIA и необходимую степень их обезгаживания - без привлечения сложных и дорогостоящих пакетов программ.

Далее, в диссертации представлена расчетная модель для оценки потоков продуктов распыления элементов конструкции СПД, которые являются одним из возможных источников загрязнения KJIA.

Как известно, задача о распределении продуктов распыления в струях ЭРД является чрезвычайно сложной и требует привлечения большого объема информации, что существенно ограничивает ее практическое применение. Поэтому в диссертации использована упрощенная интерполяционная модель, параметры которой определяются по экспериментальным или расчетным данным об эрозии изолятора. Исходными данными для расчета служат профили эрозии изолятора в различные моменты времени, данные о характеристиках распыления керамического изолятора (энергетическая и угловая зависимость, диаграмма рассеяния). Для оценки распределения ионных потоков на поверхности изолятора протяженная область ионизации заменяется точечным источником ионов. По этим данным восстанавливаются параметры источника и потоки распыленной компоненты в различных направлениях (рис.12).

Полученные данные были использованы для прогноза осаждения распыленной компоненты на поверхностях СБ KJIA типа «Ямал-100» и некоторых европейских спутников. Результаты расчета приведены на рис.13.

Из рисунка 13 следует, что за первые 500 часов работы двигателя загрязнение поверхности СБ составит около 10'6 г/смг (эквивалентная толщина пленки - 100 ангстрем). Для двигателей типа СПД-100 уровень загрязнения окажется несколько большим - примерно 2-3-10'6 г/см2. Такие пленки могут заметно снизить прозрачность защитного покрытия элементов СБ, что необходимо учитывать при проектировании KJIA.

В следующем подразделе приведено описание методики и эксперимента по определению коэффициентов осаждения продуктов распыления материалов

Угол от «ей Струм, гр««

Рис.12

Рис.13

КЛА, подверженных воздействию плазменных струй ЭРД. Методика измерения построена на определении толщины пленки, образованной при распылении

известного количества основного материала. Схема эксперимента обеспечивает создание равномерной пленки загрязнений (толщина пленки от 50 до 10000 ангстрем) на образце с площадью около 100 см2 и практически полностью исключает возможность попадания на образец продуктов распыления стенок вакуумной камеры. Источником ионов служит двигатель СПД-70.

По данной методике были проведены измерения для каптоновго покрытия KJIA «SESAT», установлено, что коэффициент осаждения продуктов распыления каптона составляет около 5%.

В пятой главе представлена модель совместного влияния струй ЭРД, СВА и твердых частиц на солнечные батареи KJIA. Данная модель является реализацией подхода, касающегося создания моделей комплексного воздействия факторов космического полета на элементы KJIA и рассмотренного в Главе 1.

В работе рассмотрено два механизма воздействия твердых частиц на СБ — механический (эрозия поверхности) и физический (шунтирование солнечных элементов). При механическом поражении характеристики СБ изменяются в результате снижения прозрачности защитных стекол элементов СБ. Величина потерь тока солнечного элемента при одиночном ударе частицы вычисляется по

формуле: ^Ph ~ ^Pi< " 0 ~Kph) — j где Sc- площадь фотоэлемента;

площадь кратера, образованного в защитном стекле при ударе частицы; Kph -коэффициент светопропускания поврежденного участка. Максимальная величина потери прозрачности (при Kph = 1 ) не превышает площади пораженной поверхности, которая обычно составляет 1 ...2% за ресурс.

При физическом поражении потери мощности возникают в результате шунтирования р-п перехода фотопреобразователя (ФЭП) и могут многократно превышать площадь пораженного участка. Шунтирование является результатом необратимых структурных изменений, происходящих в полупроводнике при его плавлении-рекристаллизации в мощной ударной волне, распространяющейся от эпицентра; удара. Необходимым условием

шунтирования является превышение максимального давления ,

развиваемого при ударе, некоторого критического значения Р,, соответствующего началу плавления кремния.

Схема поражения представлена на рис. 14. Величина шунтирующего сопротивления Rsh определяется геометрией пораженного участка и его

физическими свойствами: ^¡h ~ ^/т , где psh, Lsh- удельное сопротивление

/ sh

и протяженность области шунтирования, соответственно.

Для величины Lsh на основании известных положений теории высокоскоростного удара были получены следующие соотношения:

* 1-1, где П = = а.„ ) м а.

У "к

безразмерный диаметр кратера; - критический радиус частицы, при превышении которого начинает наблюдаться эффект шунтирования; Ук, ок — скорость и радиус частицы, соответственно; А, Рт - плотность ударника и мишени, соответственно; Ка = 2,38; И — 3,45; ст. - амплитуда ударной волны при которой процесс образования кратера прекращается.

Рис.14

Удельное сопротивление р,* характеризует физические свойства шунтирующей структуры и зависит от особенностей этой структуры (от концентрации и распределения дефектов, от профиля концентрации примесей и т.д.), а также от толщины электропроводящего слоя. Вычисление величины р,ъ в настоящее время не представляется возможным. Однако анализ физических процессов формирования шунтирующей структуры показал, что не должно сильно зависеть от параметров удара. В дальнейшем эта гипотеза была подтверждена экспериментально. Значения р,),, полученные из результатов обработки данных по. деградации СБ космических станций «Вега» при прохождении ими пылевой оболочки кометы Галлея (скорость встречи -70 км/с), а также данных лабораторных экспериментов в НИИЯФ МГУ (скорость ^оударения до 15 км/с), проведенных автором, оказались равными 0,092 и Ш,068 Ом см, соответственно.

Пороговый характер воздействия и возможность катастрофического ухудшения параметров солнечных элементов также были подтверждены экспериментально. Эксперименты проводились на стенде НИИЯФ МГУ с АI частицами с размерами 0.1...5 мкм. В экспериментах использовались стандартные солнечные элементы с п-р-п структурой. Защитное стекло было удалено.

Изменение внутреннего сопротивления ФП во время облучения

Одновременно регистрировались параметры частицы и обратный ток солнечного элемента при фиксированном напряжении смещения (фактически, измерялась величина 1 / ). В момент удара большинства частиц происходило небольшое увеличение обратного тока, что связано с малой скоростью частиц и механическим характером

повреждений. Но через некоторое время фиксировался удар высокоскоростной частицы (редкое событие),

сопровождающийся резким

увеличением обратного тока (см. рис. 15), т.е. шунтированием солнечного элемента.

Дальнейшая статистическая обработка полученных данных подтвердив принятую модель поражения и позволила определить критическую скорость соударения для данного сорта частиц, которая составила ~9 к м/с. Вольт-амперные характеристики пораженных элементов представлены на рис. 16,17.

вооо • I

2000 • 1000 -0

Обранц Кс2, 1И2В

и

Время, чес

Рис.15

■ и^мтрйСЛШ СОЛМЧП«*

| До »«М>*ста«а I

\

200 0 400.0 000 0 МО 0

То«. мА

О&рагмм аолк1-ммрми характеристика ФП до и поем мздейсим

5 »

Рис. 16 Рис.17

В настоящее время имеются данные о шунтировании нескольких элементов панелей СБ, возвращенных с орбитальной станции «Мир», что подтверждает принятую гипотезу о возможности шунтирования элементов СБ при высокоскоростном ударе частиц. '

Для большинства материалов частиц (Л1, М, Ре и т.д.) условиЯ шунтирования выполняются при скоростях соударения V > 5 - 10 км/с. Размер частиц должен быть достаточным для того, чтобы пробить защитное стекло СЭ и развить давление Р. на глубине залегания р-п перехода. Расчетные зависимости критических параметров удара представлены на рис. 18.

Далее, рассматривается воздействие струй ЭРД на СБ КЛА. Обычно, оно проявляется в уменьшении прозрачности защитного кварцевого покрытия и, как следствие, в снижении фототока Iрк. В настоящее время этот эффект может объясняться двумя возможными причинами: образованием в поверхностном слое стекла микродефектов или образованием на поверхности стекла

микрорельефа. Однако анализ этих механизмов показал, что в любом случае при достаточно длительном воздействии наступает

квазиравновесное состояние

поверхности, после которого свойства поверхности остаются неизменными. Исходя из этого, была предложена модель перехода состояний поверхности,

связывающая Л изменение

прозрачности стекла и глубину эрозии:

■у, с XV

Критач

■ при удара

16

16

5 14

V 1 1 2

о. 1

0 В

8

* т X ОБ

1 04

к

02

0

I

£

1-Лллммнии. .9 км/с 7-Титан, У^З.З «м/с З-Желоо. V -4.6 км/с

Д т = АТ

1 —ехр

V

07

сиороеть: V, км'с

Рис. 18.

¿о -

параметры модели, 8 -длительном воздействии

где АТ- изменение прозрачности, АТпм и толщина распыленного слоя (глубина эрозии).

Имеются данные, показывающие, что при потока ускоренных ионов на поверхности стекла возникает микрорельеф (рис. 19).- При этом происходит снижение прозрачности стекла во всем диапазоне длин волн (рис; 20). Величина изменения прозрачности существенно зависит от типа стекла й режима воздействия ионов и может достигать 10-15%.

Рис.19 Рис.20

Обобщение экспериментальных данных, в том числе, полученных автором, показало, что при различных параметрах бомбардирующих ионов имеется удовлетворительная корреляция изменения оптических свойств стекол от глубины эрозии (рис.21), что подтверждает применимость модели перехода состояний для прогнозирования воздействия струй ЭРД на СБ КЛА.

Следующий вопрос - воздействие СБА на СБ КЛА. Оно проявляется в образовании на поверхности защитных стекол тонких пленок загрязнений, которые ¡-могут снижать прозрачность стекла и, соответственно, уменьшать величину Iрн солнечных элементов.

Кроме того, образование пленок на тыльной поверхности элементов может нарушать их тепловой режим.

56

—штФ /♦ 0.29

♦ Эксперимент Модель

1 1

г а

Глубмма эрозии, 5/5*

Воздействие струй ЭРД при наличии загрязнений может оказывать

положительный эффект, поскольку ионы струи будут очищать поверхности СБ от загрязнений.

Для описания

изменения оптических

свойств покрытий

предложена

интерполяционная .. модель, связывающая свойства Рис.21. <

покрытия до и после загрязнения. Рассматривается оптическая система, состоящ&я из подложки и пленки загрязнения. Очевидно, что по мер^ увеличения толщины пленки, характеристики системы постепенно изменяются от характеристик подложки к характеристикам пленки. Изменение характеристик будет тем больше, чем больше поглощение света в пленке. В качестве параметра, характеризующего поглощение света в пленке, можно использовать коэффициент внутреннего пропускания пленки, который, в соответствии с законом Бугера-Ламберта, равен I — е'^, где (I ~ толщина пленки; Р — коэффициент затухания.- Тогда, изменение оптических свойств системы может быть описано системой интерполяционных формул;::вида г'= (1 - р(0)-(1 — -г(|>, где верхним индексом (') обозначены параметры покрытия (' = 1, <1 = 0), а индексом (°) параметры пленки = 0,бГ- со").

При таком подходе интегральные* оптические 'свойства системы в видимой и инфракрасной области спектра характеризуются всего парой параметров - интегральными коэффициентами затухания ) и

поглощения (А^п,А}.0)). Эти параметры почти, всегда можно оценить из имеющихся экспериментальных данных по , изменению, свойств терморегулирующих и оптических покрытий КЛА при натурной эксплуатации или при воздействии на них различных- факторов. Результаты обработки некоторых из таких данных представлены в таблице 2. I

Таблица 2.

Источник загрязнений л, ■А. см'1 Ат Рг, см"'

БкуЬЬ 0.968 2.853 103

ЗАОЕ/БАОЕИ 0.97 1.4-102...3.8103

МикроЖРД 0.869 1.061-102 0.898 1.8Э4-105

ИПД (фторопласт) 0.856 2.948-103

СПД (боросил) 0.185 2.418104

Алюминиевые пленки 0.023 6.87-105

Примечателен тот факт, что коэффициенты поглощения и затухания компонент СВЛ в видимой области спектра весьма консервативны. Коэффициенты поглощения изменяются от 0.856 до 0.968, а коэффициенты затухания от 1-102 до 4-103 см"'* Следовательно, даже этой информации может оказаться достаточно для оценки влияния загрязнений на оптические свойства покрытий и элементов СБ. - :

-Для - описания- воздействия рассмотренных выше факторов уравнение вольт-амперной характеристики солнечных элементов записывается в виде:

1с Акти ^ ^ , (II)

где 1с,ис — ток и напряжение солнечного.элемента, соответственно; -фототок; /0 - ток насыщения; последовательное и шунтирующее

сопротивление солнечного элемента; А - параметр рекомбинации; Т -температура элемента; к - постоянная Больцмана. Дополнительными параметрами элементов СБ являются: освещенность элемента Фу; относительная площадь повреждения защитного стекла твердыми частицами •"V; толщина слоя контаминанта 8сг его состав и глубина эрозии, защитного стекла <5, : С учетом этих параметров величина фототока вычисляется по

формуле: I „„ = Д^ЦЯ, Где ^ (Ф) - фототок

солнечного элемента без учета ослабления светового потока в защитном стекле; Д^(<5С), АТ!(35)1 АТх(Ак) - потери прозрачности стёкла за счет загрязнения и эрозии при ионной бомбардировке «'бомбардировке твердыми частицами. Расчет уровней загрязнения и эрозии осуществляется с помощью методик, рассмотренных выше, и с учетом реальной геометрии КЛА' и СБ. Воздействие твердых" частиц моделируется1 методом ' Монте-Карло с 'использованием функции'распределения частиц по размерам и скоростям. Если при «ударе» частицы критические" параметры будут превышены, включается механизм шунтирования. В остальных случаях учитываются только оптические потери.

Расчет параметров всей батареи осуществляется суммированием вольт-амперных характеристик ее элементов с учетом схемы соединения и частичного затенения. При этом имеется возможность учета технологического разброса параметров элементов и наличия шунтирующих диодов.

Таким образом, получено разделение факторов на уровне составляющих отдельного солнечного элемента, а именно: защитного кварцевого покрытия, полупроводникового фотопреобразователя и слоя загрязнений компонентами СВА. По аналогии, в рассмотренную модель могут быть включены и другие факторы, влияющие на работу СБ. Например, радиационная деградация, термоциклирование,' световая деградация. Учет этих факторов осуществляется через соответствующие' члены уравнения вольт-амперной характеристики элементов СБ.

В шестой главе рассмотрены вопросы подтверждения совместимости бортового радиотрансляционного комплекса (БРТК) с двигательной установку на основе ЭРД. Как известно, эксплуатация электроракетных двигателей типа СПД-100 на борту КЛА «Экспресс-12» показала, что имеется возможность негативного влияния плазменных образований, формируемых при работе СПД, на работу БТРК негерметичного исполнения. Учитывая стратегическое значение этой аппаратуры для телекоммуникационных спутниковых каналов, Разработчиком КЛА было принято решение о проведении исследований влияния ЭРД на БРТК. Целью этих исследований являлось определение стойкости высоковольтных элементов БРТК (блока питания и лампы бегущей волны) к воздействию плазмы ; СПД в натурных условиях. Испытаниям подвергались блоки БРТК, разработанные фирмой Alcatel Espace (Франция) и РНИИ,КП (Россия).. Аппаратура фирмы Alcatel была разработана специально для негерметичных отсеков КЛА- Аппаратура РНИИ КП предназначалась для рабо'тЫв гермоотсеке.' -fi..«-'1 |

^ОдШ^из ' основйШ''проблем, которую надо было решить в ходе 'НСт1ВгЙ"ний,? ^'6ё¥6яла в Ш^ёдеЛений'параметров плазмы в зоне установки БРТК; реализуемых в натурных условиях эксплуатации,а и в воссоздании . этих параметров в условиях стенда. --г

Концентрация плазмы, которая может проникать в приборный, отсек, принималась равной концентрации плазмы над поверхностью КЛА в области вентиляционных отверстий приборного отсека (108 см'3). Относительно энергетического спектра ионов принималась следующая модель. .

Все ионы струи разделялись на два класса - энергичные (ускоренные ионы с энергиями 50-300 эВ,) и тепловые (ионы с энергией до 50 .эВ, образовавшиеся в результате процессов перезарядки первичных ионов на нейтральных частицах ксенона).

Энергичные ионы струи двигаются по прямолинейным ■ траекториям (ларморовский радиус этих ионов R\, i 100 м), что не позволяет им проникнуть в приборный отсек без каскада столкновений с поверхностью КЛА. Но даже отраженные ионы должны пройти' Через лабиринт ЭВТИ, многократно отразившись от его поверхности. 11оск6льку'количество упруго отраженных энергичных ионов относительно' невелико' (менее : 1%), ^ вероятность проникновения энергичного иона уже после 10 отражений составит менее Ю"10. Неупруго отраженные ионы после многократных отражений теряют значительную часть своей энергии и переходят в класс тепловых ионов.

Тепловые ионы струи ведут себя иначе. Поскольку большая часть таких ионов может отражаться от поверхностей КЛА без существенных потерь заряда и энергии и двигается под действием небольших электрических полей, вероятность обнаружения тепловых ионов в приборном отсеке оказывается значительно выше вероятности обнаружения энергичных ионов струи.

Исходя из этого, было принято, ч+о в приборном отсеке присутствует только «холодная» плазма, и что именно она может ^оказывать негативное влияние на работу радиоаппаратуры, а влияние1^' энергичных ионов мсжно пренебречь.

Для подтверждения этой гипотезы проведены лабораторные эксперименты по определению проникания плазмы во внутренние полости приборов. В эксперименте использовался источник плазмы ВП-30, который является ускорителем с замкнутым дрейфом электронов и с катодом-компенсатором накального типа. Разрядный ток - 10 мА, разрядное напряжение до 1000 В, расход рабочего тела до 0.2 мг/с. Источник плазмы позволял создавать плазменные образования с концентрацией ионов до 107 см"3. Прибор был помещен в негерметичный кожух с перфорацией. Площадь отверстий составляла около 60 см2 (250 отверстий 04 мм).

В результате было

"5 1.0Е-04 ■ г_9.0Е-05 ■ И8.0Е-05 -о 7.0Е-05 ■ Ё 6.0Е-05 -р 5.0Е-05 -§ 4.0Е-05 -

* 3.0Е-05 -§ 2.0Е-05

показано, что внутри кожуха прибора действительно

присутствуют только тепловые люны (рис. 22). Дополнительно,

0 20 40 60 80

Напряжение на коллекторе/энергия иона, В

Рис.22

рыли определены

коэффициенты ослабления потоков плазмы

перфорированным кожухом, составившие 20 до 200 в зависимости от давления в вакуумной камере и плотности тока первичных ионов.

Коэффициент ослабления лабиринтами вентиляционных отверстий определялся численно, методом Монте-Карло и составил более 103, Таким образом, было показано, что в реальных условиях эксплуатации имелось многократное ослабление плазмы лабиринтами ЭВТИ и перфорацией кожуха приборов, а принятое выше значение гарантированно перекрывает возможные значения концентрации плазмы в приборном отсеке КЛА.

Для воссоздания условий эксплуатации аппаратуры использовался источник плазмы ВП-30 и двигатель типа СПД-70, обеспечивающий концентрацию тепловых ионов на уровне 108 - 109 см" . Блоки БРТК размещались на термоплите (рис. 23) и устанавливались в

»вакуумную камеру таким образом, чтобы исключить попадание на них первичных ионов. Матрица эксперимента содержала различные режимы работы БРТК отличающиеся уровнем вакуума, концентрацией плазмы и временем работы БРТК.

Учитывая динамический характер воздействия, обусловленный интенсивными процессами натекания и откачки газа в вакуумной камере, проводилось численное исследование параметров вакуума во внутренних

Рис.23

полостях БРТК, на основании которых сделаны необходимые поправки к измеряемым значениям давления.

Экспериментально обнаружен и численно исследован эффект инверсии давления, который проявляется в том, что концентрация частиц внутри блока оказывается ниже средней концентрации частиц в вакуумной камере (рис. 24). Этот эффект является следствием анизотропии потоков частиц, приводящей к тому, что вероятность попадания частицы рабочего тела во внутреннюю полость блока значительно ниже вероятности покинуть камеру. Однако отличие концентраций относительно невелико и не превышает 25... 30%.

В ходе испытаний нарушений в работе аппаратуры фирмы Alcatel не наблюдалось, что подтвердило ее совместимость с ЭРДУ. Аппаратура РНИИ КП реагировала на включения ЭРД, что показывает возможность влияния ЭРД на работу БРТК.

В седьмой главе описаны основные характеристики и принципы построения программного обеспечения (ПО) для прогнозирования воздействия ЭРД на КЛА. Основными функциями данного ПО являются:

• расчет тепловых и молекулярных потоков от ДУ различных типов;

• расчет силовых возмущений, возникающих при взаимодействии струй ДУ с поверхностью КЛА;

• расчет скорости эрозии поверхностей КЛА;

• определение скорости осаждения вещества, распыленного ионами струй, на поверхностях КЛА;

• расчет концентрации частиц массоотделения в окрестности КЛА;

• расчет уровня загрязнения поверхности КЛА продуктами массоотделения конструкционных материалов;

• расчет потоков частиц перезарядки на струях ЭРД.

• расчет плотности молекулярного столба в заданном направлении;

Представлена эволюция данного ПО, начиная с первых версий (1994 г.) и заканчивая последней версией 2002 г. Сформулированы основные требования к ПО. Показано, что наибольшая сложность при создании ПО, предназначенного для использования на предприятиях отрасли, состоит в необходимости его полной адаптации к пользователю (технология «все одной кнопкой»). Другими

Поле плотности при натекании 1 мг/с

5.50Е*01( S.00E+01I 806*0« 4.00EMJU Э 506*011 3 006*011

2 BÎE+oii

2 506*011 2.25Е*ОИ 2.00E+01I 1.506*011 100E-01I S0OE+01*.

-0.40 -0.20 0.00 0.20 0 40

словами, это ПО должно быть «незаметным» для пользователя, позволять проектировщику полностью сконцентрироваться на решении конкретных задач, и не отвлекаться на задание второстепенных параметров и обработку огромных объемов информации, возникающих при проведении расчетов. Если это условие не выполняется, ПО вряд ли будет использоваться в полной мере.

Создание ПО велось по следующим направлениям: разработка эффективных методов хранения и обработки информации; разработка вычислительных алгоритмов и структур данных, обеспечивающих производительность не менее 1 расчета в час; создание интуитивно понятных интерфейсов; разработка методов визуализации исходных данных и результатов расчета; разработка оптимальной геометрической модели КЛА.

ПО строится на основе объектно-ориентированной технологии (язык Delphi) и использует объектно-ориентированную систему управления базой

ёанных (ООСУБД), разработанную автором. Это позволило реализовать |)фективную работу пользователя со сложными многоуровневыми и многовариантными геометрическими моделями КЛА.

Геометрическая модель КЛА (рис. 25) формируется из ряда примитивов и их групп. Примитивы представляют собой фрагменты поверхностей 1-го и 2-го порядка, такие как прямоугольник, треугольник, диск, сфера, конус, параболоид и т.п. Все примитивы (более 20 видов) параметризованы таким образом, чтобы их задание было предельно простым. Для позиционирования примитива

предусмотрены процедуры переноса и поворота его системы координат относительно главной системы координат моделируемого объекта или собственной системы координат примитива.

Несколько примитивов могут быть объединены в группу, имеющую иерархическую структуру практически неограниченной степени сложности. Внутри группы действуют механизмы наследования свойств в направлении от старших элементов к подчиненным. Каждая группа, являясь объектом базы ^^анных, может быть использована как подэлемент другого объекта. В этом ^Рслучае начинают действовать механизмы наследования свойств от родительских элементов к дочерним (т.е. от первичных объектов к подэлементам). Это позволяет изменять свойства и структуру дочерних элементов не затрагивая родительских и единовременно изменять свойства всех дочерних элементов, внося изменения только в родительский объект.

В пакете программ реализовано многовариантное задание геометрической модели объекта. Для любого описания КЛА может быть создан его многовариантный образ, в котором хранятся все возможные состояния исходного объекта. Пользователь может изменять свойства элементов в каждом состоянии. Между состояниями работает наследование свойств, которое позволяет распространить изменения одного состояния на все последующие

Рис.25

состояния. Для многовариантных объектов реализованы функции усреднения и интегрирования по состояниям.

В качестве примера на рис. 26 представлены результаты расчета концентрации частиц собственного массоотделения конструкционных материалов КЛА, а на рис. 27 - продуктов распыления поверхности панелей СБ, для одного из промежуточных состояний, отличающегося положением панелей СБ.

Рис.26 Рис.27

Далее, рассматривается функция задания расчетных сеток для проведения расчетов СВА. В данном ПО эта функция практически полностью автоматизирована. Для регулярных сеток и сеток с локальным измельчением ячеек реализованы процедуры адаптации к расчетной модели КЛА. При заданном количестве ячеек определяется оптимальное разбиение, при котором обеспечивается наиболее равномерная плотность частиц в ячейках сетки.

При использовании сеток с локальным измельчением возникает проблема интерполяции значений параметров. Структура сетки настолько сложна, что реализовать эффективный алгоритм поиска включающего тетраэдра не представляется возможным. В связи с этим разработан приближенный метод линейной интерполяции, позволяющий использовать произвольный набор точек пространства с заданными значениями параметра. Зависимость параметра в окрестности токи Р0 задается в виде:

т

я*, >-.*„) = -Ро+ХЧ-с**-*»), (п)

где ак — неизвестные коэффициенты; ^ - значение функции в точке Р), которое и требуется определить. Параметры о.к определяются по значениям функции, заданной в произвольных точках пространства Р1., путем функции минимизации невязки: £Х^го>а1>--->от) = где Р,— приближенное

значение функции Р, вычисленное по формуле (11). Данный метод применим к пространствам любой размерности.

Верификация ПО осуществлялась, в основном, путем сопоставления результатов расчета полученных с помощью данного ПО и аналитическими

методами для ситуаций, допускающих такое решение. Модель и алгоритм расчета силового воздействия имеют экспериментальное подтверждение, полученное фирмой CNRS.

На рис. 28 представлены расчетные ,и ' экспериментальные значения нормальных (а) и тангенциальных (б) компонент усилий, действующих на прямоугольную пластину (фрагмент панели СБ), помещенную в струю СПД-100 под различными углами относительно оси струи и при различных углах падения . ионов. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показало, что по нормальной компоненте импульса имеется расхождение 13%, а по тангенциальной - 7%.

—<ьо*

-— тем.

— 6.15*

-*- 1ТКЛ5-

— 8=30°

— теля

— 0-45' --- теш.

.....

f I [•«• тай.

15 30 45 №

Угол паления ионов, градусы

а)

Ii 10 «IS 60

Угол падения ионов, градусы б)

intus. МО*

Рис.28

Во второй части Главы рассмотрено ПО для расчета потоков распыления керамического изолятора СПД. реализующего расчетную модель, описанную выше. Предложена геометрическая модель канала. обеспечивающая возможность описания каналов сложной формы и содержащих несколько элементов из различных материалов. Для построения модели используется метод границ. Предполагается, что канал СПД образуется только поверхностями вращения. Поэтому для их описания достаточно задать ось вращения и контур поверхности в осевом сечении. Контур поверхности задается ломаной линией, заданной множеством.точек pi,p2,...p„. Для описания многоэлементных систем (например, когда за керамической стенкой стоят металлические ■ элементы • конструкции двигателя) каждой границе задается соответствующий материал. Тогда, при движении от центра канала по радиусу текущим материалом будет тот материал, который ;задан для последней |пересеченной границы. Если материал, границы не . задан, то движение происходит в,вакууме. i - к ,. ■,■■ : >;

Результатом расчета являются потоки ¡частиц распыления и осаждения в различных точках'струи и в различные моменты времени. В качестве примера на рис. 29 представлены :графики угловой зависимости потоков осаждения продуктов распыления керамики и магнитных полюсов в начале (а) и в конце (б) работы двигателя типа СПД-100.

Завершает главу верификация модели и алгоритма по экспериментальным данным NASA об изменении прозрачности кварцевого стекла при осаждении на его поверхности продуктов распыления изолятора СПД.

4Р ,

15 30 45 50 75 . Утоп от оси струи, град.

1 I I Г-»"-

—Вого«11

: ¡1 II \

15 30 *5 50 75 Угол от оси струм, град.

а) - б) ..... Рис.29 М"

На рис. 30 представлены экспериментальные и расчетные данные п^^ изменению прозрачности стеклянных образцов, расположенных в . зон^Р осаждения. Расчет прозрачности пленки осуществлялся по формулё Бугера-Ламберта Т = ехр(—¡м) , где Ц — коэффициент поглощения, г — толщина слоя осадка за 200 часов работы двигателя. Коэффициент поглощения Ц подбирался по амплитуде пика прозрачности и составил около 1.2-105 см"'.

Из рисунка 30 видно небольшое смещение " пика прозрачности' ; в сторону -больших': углов, (примерно на 5°). Причиной смещения является, по-видимому,

неточность/' -'""в задании " коэффициентов распыления пленки, которые брались по коэффициентам распыления

основного....... материала.

Естественно "ожидать, что

продукты осаждения будут Рис.30

иметь другой коэффициент

распыления.: Однако в настоящее время такие данные отсутствуют. Отличи^ формы кривых прозрачности может быть связано с влиянием состава и с;груктурй| ;*' пленки на коэффициент поглощения или на коэффициенты распыления';,,ее компонент. В тоже время■ основания кривых пропускания совпадают, что подтверждает адекватность приняты^моделей. .

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны методологические принципы прогнозирования воздействия ЭРД на элементы й системы КЛА. Определены основные виды работ, выполняемых при прогнозирований, сформулированы требования к программному и методическому обеспечению, необходимому для их выполнения, разработаны рекомендации по выбору способа решения задач, возникающих при прогнозировании. Определены подходы к созданию моделей комплексного. воздействия факторов космического полета на элементы и системы КЛА, показана возможность перехода от аддитивного учета воздействия отдельных факторов к учету их совместного влияния на КЛА и его системы.

2. Создан пакет прикладных программ для расчета силового, теплового, эрозионного и загрязняющего воздействия струй ЭРД на КЛА. Обеспечена

• возможность использования результатов численных расчетов и экспериментальных данных по параметрам струй ЭРД и характеристикам взаимодействия частиц с поверхностью. Достигнута высокая точность прогнозирования воздействия струй ЭРД на КЛА.

3. Разработан комплекс моделей для прогнозирования эффектов воздействия струй ЭРД на КЛА. В частности, разработана табличная модель струи ЭРД. обобщенная модель взаимодействия частиц с поверхностью, модель изменения прозрачности защитных стекол СБ при воздействии струй ЭРД. модель деградации характеристик оптических и терморегулирующих покрытий КЛА при их загрязнении продуктами распыления и продуктами собственного массоотделения материалов КЛА, модель шунтирования солнечных элементов при высокоскоростном ударе твердых частиц. Построены модели самоорганизации по алгоритму МГУА А.Г.Ивахненко для определения характеристик взаимодействия частиц с поверхностью.

. Разработана модель комплексного воздействия струй ЭРД, СВА и твердых . частиц на солнечные батареи КЛА. ,, » ...

4. Разработана двухэтапная методика прогнозирования загрязняющего воздействия .ЭРД и СВА на функциональные поверхности КЛА. Создана инженерная, модель и достигнуто разделение процесса прогнозирования на два этапам/определение параметров инженерной модели и инженерный расчет . загрязнения поверхностей КЛА по нормируемым параметрам массоотделения конструкционных материалов (ПМ, ЛКВ) и времени воздействия струи ЭРД на конструкцию КЛА.

5. Разработана - методика испытаний бортового радиотрансляционного комплекса (БРТК) на воздействие плазменных образований, формируемых при работе ЭРД. Подтверждена совместимость БРТК КЛА «Экспресс-12» с двигательной установкой коррекции на базе ЭРД типа.СПД-100.

6. Решены обратные задачи, по оценке характеристик взаимодействия ЭРД и .. факторов космического пространства, с элементами КЛА по данным

натурной., эксплуатации КЛА.. В частности, определены коэффициенты аккомодации ионов струи на поверхностях СБ, параметры шунтирующих

структур, возникающих при высокоскоростном ударе ' высокоскоростных частиц по элементам СБ, свойства пленок загрязнений, образующихся на поверхностях КЛА за счет оседания продуктов собственного масоотделения и продуктов распыления материалов KJÍA;

7. Создана экспериментальная база, разработаны методики определения параметров конденсирующихся компонент струй ЭРД и характеристик взаимодействия частиц'' струи с поверхностью, а именно: разработана методика определения углового распределения распыленной компоненты (продуктов распыления изолятора) в струях ЭРД; разработана методика ускоренных испытаний материалов KJ1A на эрозионную стойкость в струе ЭРД и методика экспериментального определения коэффициентов осаждения продуктов распыления на поверхностях КЛА.

8. Получены экспериментальные и расчетные данные о параметрах струй ЭРД ' и характеристиках взаимодействия частиц с поверхностью. В частнос^^

определены ' параметры распыленной компоненты в струе коэффициенты аккомодации частиц струи на поверхностях СБ КЛА, коэффициенты распыления ' каптонового покрытия, коэффициенты осаждения продуктов распыления кантона и оптические свойства пленок загрязнения, параметры плазмы в приборном отсеке К ДА. Получены данные 'Ъ влиянии угла расходимости на величины силового воздействия струй ЭРД На КЛА, определены значения силового й эрозионного воздействия' струй СПД для типовых компоновок КЛА. •'•'"-•'

9. Выполненные разработки нашли практическую реализацию при проектировании, отработке и эксплуатации отечественных и зарубежных космических аппаратов. : .• ; .- ..

В заключительной . Части''формулируются основные направления дальнейших исследований. 1 •

•' ■" Во-первых, необходимо развивать'-й-совершенствовать методологию построения обобщенных моделей взаимодействия на базе табличных моделей и исследовать различные методы интерполяции, а особенно методы искусственного интеллекта, для обнаружения зависимостей ., между характеристиками взаимодействия и физическими свойствами материалов.

Во-вторых, необходимо создать модели и программное обеспечение дш моделирования комплексного воздействия-ФКП на элементы и системы КЛЩ 'обеспечивающие возможность Замкнутого' Цикла «прогноз -- натурная эксплуатация - коррекция модели». Особенно важной является разработка и создание новых эффективных методов хранения больших объемов информации по'конструкции КЛА, его эволюциям, воздействующим ím'КЛА" факторам и реакции систем H¿ данйоё воздействие. . ¡ ■ .: . * .,•'/. - ■

В-третьиХ| 'следует более детально исследовать влияние :эрозии и ' загрязнения на оптические свойства функциональных поверхностей КЛА: Здесь необходимо проведение экспериментальных работ, ■ совершенствование моделёй й расчетных методик: Особо важным является' использование данных натурной эксплуатации. ' ; •

В заключение отмечается, что в настоящее время чрезвычайно актуальной стала проблема слияния науки и практики. Хорошо известно противоречие этих двух антагонистов, обусловленное разными точками зрения на одну 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». 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 предлагается 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 обеспечиваёт малое время отклика при высокой степени точности. Табличное представление информации открывает возможность поиска новых знаний и, следовательно, возможность прогнозирования свойств новых материалов. Использование табличных моделей в программном обеспечении для прогнозирования воздействия ЭРД на КЛА полностью подтвердило их эффективность, а 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. "

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Burgasov М.Р., Nadiradze A.B., Rjjov Yu.A., Svirschevsky S.B. Interaction Effects of Rarefied Flows of High Speed Solid Particles on the Surface (Based on the VEGA spacecraft Experiments) // 17ltl Intérnationâl Symposium Ón Rarefied Gas Dynamics, July 8-14, 1991, at Technische Hochschule Aachen, FRG.- 1991.-pp. 1359-1367. , '

f2. Шапошников B.B., Надирадзе А.Б., и др. Датчик вторичной эмиссии для измерения потенциала поверхности диэлектрических материалов // Сб. Тез. докл. межотр. н.-т. конференции "Электризация-90", Томск; 1990,- Зс.

3. Безнос И.А.,-Бургасов М.П., Верхотуров И.А., Надирадзе А.Б., Чиров A.A., Шапошников В.В. Активная нейтрализация поверхностей КЛА в натурных и лабораторных экспериментах // Сборник трудов ' Международной конференции "Проблемы взаимодействия ИСЗ с космической средой". Новосибирск. 15-19 июня 1992 г.-2с. ' !

4. Burgasov М.Р., Nadiradze A.B., Chirov A.A., Zayavlin V.R., Letin V.A., Ermoshkin Yu.M., Evenov G.D. Effects of interaction of electric thrúster jets and

spacecraft solar batteries // European Space Power Conference, Graz, Austria, 23-27,h August, 1993,-pp. 717 - 721.

5. Burgasov M.P., Ifediradze A.B. Assessment of the solar cell degradation caused by the space debris impact // European Space Power Conference, Graz, Austria, 23-27lh August, 1993.

6. Burgasov M.P., Nadiradze A.B., Kopel C., Valentain D. The Software Package for Calculation of the SPT Jet Influence on the Spacecraft // Spacecraft Propulsion International Conference- 8-10 Nov. 1994 - Toulouse Labege - France.

7. Бургасов М.П., Надирадзе А.Б., Чиров A-A. и др. Эффекты взаимодействия струи электроракетных двигателей и солнечных батарей космического аппарата //Космические исследования. — 1994,- т. 32, вып. 4-5. - с. 194-201.

8. Burgasov М.Р., Nadiradze A.B. The solar batteries as space debris detector // Proceeding of the European Space Power Conference Poitiers, France, 4-8 September, 1995, vol. 2, ESA SP-369, Sep. 1995.- pp. 663-665.

9. Borie D., Perrin V., Nadiradze A., Khartov S. The ISP Software: calculation of thJ SPT jet influence // Proc. Second European'Propulsion Conference, 27-29 May, 1997 (ESA SP-398, Aug. 1997).

10.Burgasov M., Grigorian V., Izmailov A:, Khartov S., Latyshev L., Nadiradze A. Some results of complex work concerning problems of electric-rocket thrusters interaction with Space Craft and its Subsystem // Proc. Second Europian Spacecraft Conference, 27-29 May, 1997:- ESA SP-398^ Aug. 1997.- pp. 505510. ■ . .. ■

1 l.Evdokimov V., Izinilov A., Khartov S., Latyshev L., Nadiradze A., Yakubov A. Peculiarities of the Stationary Plasma Thruster Multiunit Powerplant Development and Exploitation // Proc. Second Europian Spacecraft Conference, 27-29 May, 1997.-ESA SP-398, Aug. 1997,-pp. 317-320. л ■

12.Jouin I., Prrin V., Borie D., Nadiradze A., Khartov S. at all. Experimental determination of sputtering coefficients ISP-software: numerical calculation of material erosion software // International electric propulsion conference, IEPC-1999.- 5p. Л ;

13.Арбатский B.M.,"Надирадзе А.Б., Шапошников B.B. Эрозия каптона в струе стационарного плазменного двигателя // Сб. тез. докл. XIV Международной конференции "Взаимодействие ионой с поверхностью-99", 30.08 - 3.09 1999 г, Звенигород, Моск. обл.- 1999.- с.267-270.

Н.Арбатский В.М., Надирадзе А.Б., Шапошников В.В. Селективное( распыление керамического изолятора разрядной камеры СПД // Сб. тез. докл. XIV Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью-99", 30.08 - 3.09 1999 г, Звенигород, Моск. обл.-1999.- с.265-266.

15.Арбатский В.М., Шапошников В.В., Чиров А.А., Надирадзе А.Б., Егоров В.К. Изучение углового распределения примесного элементного состава в струе ЭРД ионопучковыми методами // Сб. тез. докл. 24 Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 31.05-3.06 1999 г., Москва.-1999.-3с.

16.Egorov V., Nadiradze A., Shaposhnikov V., Arbatskiy V. Ion Beam Study the Angle Distribution of Elements Contamination's in Xenon Jet of Electric Rocket Engine // IBA-14, Drezden, 26-30 Julay, 1999.

17.Арбатский B.M., Надирадзе А.Б., Чиров A.A., Шапошников. B.B., Егоров . В.К. Применение ионопучковых методов, для изучения примесного состава струи электроракетного двигателя // Труды XIII международной конференции по электростатическим ускорителям, 25-28 мая 1999 г., Обнинск, 1999,- с.108-121.

18.Надирадзе А,Б. Инженерная модель для оценки загрязнения; поверхности космического аппарата выхлопами ЖРД малой тяги. // Сб. трудов III Международной Конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2000), 3-7 июля, 2000 г, Истра-Москва, РОССИЯ,- с. 251-252.

19.Надирадзе А.Б. О построении обобщенной модели, взаимодействия частиц

^^газа с поверхностью // Сб. трудов III Международной, Конференции по

ЩР^еравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2000), 3-7 июля, 2000 г,

Истра-Москва, РОССИЯ,-2000,-с. 253-254.

20.Надирадзе А.Б. Адаптивные модели физических систем // Сб. трудов первой международной конференции «Искусственный интеллект - 2000», IAI-2000, Крым,.4-8 сентября, 2000 г.-с.82-88.

21 .Nadiradze А.В. Generalized model of gas particles interaction with surface H 32"J IUVSTA Workshop on Gas-Surface Interaction, 25-29 September, 2000, St.Petersburg.- p.34.

22.Надирадзе А.Б. Методы прогнозирования воздействия струй ЭРД на малые космические аппараты // Сб. трудов конференции-выставки «Малые космические аппараты» - г. Королев московской обл., июнь, 2000 г.- с. 152157.

23.Khartov S.A., Nadiradze А.В., Zikeeva Y.V. Spacecraft Contamination by Sputtered Products of the SPT Ceramic Isolator // Proc. 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion. Cannes, 10-13 October 2000, ESA SP-465, December 2000,-pp.639-643.

24.Арбатский B.M., Егоров B.K., Надирадзе А.Б., Чиров А.А., Шапошников В.В. Изучение углового распределения примесного элементного состава в струе электрореактивного двигателя методами с использованием ионных

•пучков Н Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.-2000, №5 .-с. 102-110.

25.Nadiradze A. Distribution of Liquid Droplet Phase in Low-thrust Rocket Engine Plumes // Proc. 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion. Cannes, 10-13 October 2000, ESA SP-465, December 2000,- pp. 845-848.

26.Arbatsky V., Nadiradze A., Shaposhnikov V, Egorov V. Predicted Lifetime of Kapton Coating Impinged by SPT Plasma Jet // Proc. 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion. Cannes, 10-13 October 2000, ESA SP-465, December 2000,- pp. 829-832.

27.Новиков Л.С., Бедняков C.B., Надирадзе А.Б., Гаврюшин А.В. Шунтирование элементов солнечных батарей при одиночных ударах

твердых частиц - Труды МАИ, № 1, 2000 г

lntp://www.mai.i'u/proieets/mai \vorks/articles/numl/artícle9/auther.htm

28.Бургасов М.П., Надирадзе Д.Б. О принципиальной возможности использования солнечных батарей в качестве датчиков частиц космического мусора Труды МАИ, № 1,2000 г

http://www.mai.ru/proiects/mai works/articles/num1/article9/auther.htm

29.Perrin V, Metois P, Khartov S. Nadiradze A. Simulation tools for the plasma propulsion and satellite environment // 52nd International Astronautical Congress Toulouse, France, October 1-5, 2001.

30.Arbatsky V.M.. Nadiradze A.F}., Chirov A.A., Shaposhnikov V.V., Egorov V.K. The Study of the Angular Distribution of Doped Elemental Composition in a Jet of an Electro-Rocket Engine by Ion Beam Methods // Surface Investigation.-2001.-vol. 16.-pp. 875-888.

31 .Арбатский В.M., Надирадзе А.Б., Шапошников B.B. Исследование состава продуктов распыления керамического изолятора ЭРД при ионной, бомбардировке // Материалы 15ой Международной конференций Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2001), 27-31 августа 2001 г., г. Звенигород. - М.: 2001. - том 2, с. 89-92.

32.Гаврюшин A.B., Надирадзе А.Б. Модель перехода состояний для описания изменения физических свойств материалов при ионной бомбардировке // Материалы 150ft Международной конференции Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2001), 27-31 августа 2001 г., г. Звенигород. - М.: 2001 — том 2, с. 123-125.

33.Гаврюшин A.B., Надирадзе А.Б. Моделирование процессов деградации поверхности солнечной батареи // Сб. тез. докл. XXV академических чтений по космонавтике, посвященных памяти академика С.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства, 24-26 января 2001 г., г. Москва. - М.: "Война и мир". - 20ÓI.-с. 107-108.

34.Надирадзе А.Б. Табличные модели в задачах прогнозирования воздействия струй двигателей на космический аппарат // САКС-2001: Материалы Международной научно-практической конференции. (1-4 декабря 2001 г., Красноярск) / CAA.- Ч.И, Красноярск, 2001. - с. 134.

35.Гаврюшин A.B., Надирадзе А.Б. Экспериментальное определение влияния струи электроракетного двигателя на прозрачность защитного стекла солнечной батареи // Сб. тез. докл. XXVI академических чтений п<? космонавтике, посвященных памяти академика С.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства, 30 января - 1 февраля 2002 г., г. Москва. - М.: "Война и мир". -2002.-с. 77-78.

36.Гаврюшин В.М., Назаренко И.П., Надирадзе А.Б. Севрук С.Д., Хартов С.А., Шапошников В.В. Исследование проблем применения электроракетных двигателей для решения актуальных транспортных задач // Сб. тез. докл. 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 - Звенигород. - М.:МАИ - 2002.- с.106 - 107.

37.Надирадзе А.Б. Вторичные частицы в струях ЭРД // Электризация космических аппаратов и совершенствование их антистатической защиты как средства увеличения надежности и сроков активного существования: Сб. тезисов докладов V Межотраслевой научно-технической конференции, г. Королев, Моск. область, 16-17 мая 2002 г. ЦНИИ машиностроения, 2002.-с.84-85.

38.Надирадзе А.Б. Вопросы моделирования комплексного воздействия факторов космического полета на элементы и системы КЛА // Электризация космических аппаратов и совершенствование их антистатической защиты как средства увеличения надежности и сроков активного существования: Сб. Тезисов докладов V Межотраслевой научно-технической конференции, г.

! Королев, Моск. область, 16-17 мая 2002 г. ЦНИИ машиностроения, 2002,- с.

^91-92.

9.Арбатский В.М., Надирадзе А.Б., Шапошников В.В., Егоров В.К. Угловое распределение и элементный состав продуктов распыления керамического изолятора ЭРД // Тезисы докладов XXXII международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами / под ред. проф. А.Ф.Тулинова. - М.:Издательский отдел УНЦ ДО, 2002.- с. 118.

40.Надирадзе А.Б. Использование табличных моделей для описания взаимодействия частиц газа с поверхностью И Тезисы докладов IV Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002) / XIX Международного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Санкт-Петербург, 24-28 июня 2002 г. М.:Изд-во МАИ, 2002.- 345-346.

41.Tverdokhlebov S.O., Nadiradze A.B. et. all. Overview of Russian electric propulsion activities // 38th Joint Propulsion Conference 7-10 July, 2002, Indianapolis, Indiana. AIAA 2002-3562.

42.Ивахненко А.Г., Савченко E.A., Ивахненко Г.А., Надирадзе А.Б., Рогов А.О. Индуктивный метод выбора модели с минимальной ошибкой и минимальным смещением для решения интерполяционных задач искусственного интеллекта // В тр. 6-ой международной конференции

^ «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные

Р технологии» (РОАИ-6-2002). Великий Новгород, 21-26 окт. 2002 г.: Тр. Конф.: в 2 т./Отв. За вып. Е.И.Зайцева; НовГУ им. Ярослава Мудрого. -Великий Новгород, 2002.-Т.1. 375 е.-2002,-с.240-245.

Лицензия ЛР № 040211 от 7.04.97г. МАИ Эак.ОГ<2£ /2.0 2™Р- fOO 3!<3 .

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭРДУ НА ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ КЛА.

1.1 .общие положения.

1 .2.Классификация факторов влияния ЭРД на элементы и системы КЛА.

1.3.Анализ задач при интеграции ЭРДУ на КЛА.

1.3. ¡.Модель прогресса параллельной итеративной разработки КЛА.

1.3.2. Основные задачи интеграции ЭРД с КЛА.

1.3.2.1.Задачи выбора структурной схемы ЭСУ.

1.3.2.2.3адачи оптимизации параметров элементов ЭСУ.

1.3.2.3.Задачи анализа межсистемного взаимодействия.

1.4.0сновные подходы к описанию комплексного воздействия ЭРД и факторов # космического полета на элементы и системы КЛА.

1.4.¡.Основные принципы построения модели комплексного воздействия ФКПна КЛА.

Выводы.

ГЛАВА II.

СТРУИ ЭРД - МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ.

2.1 .Общие замечания.

2.2.0сновные особенности и структура струй ЭРД.

2.3.Табличная модель струи ЭРД.

2.3.1 .Параметризация табличной модели.

2.4.методы расчета параметров струй ЭРД.

2.4.1. Численное моделирование струй ЭРД.

2.4.2.Полуэмпирические модели струй ЭРД.

2.5.методы измерения параметров струй эрд. ф 2.5.¡.Определение параметров ионной компоненты.

2.5.2. Определение параметров распыленной компоненты.

2.5.2.1 .Методика эксперимента.

2.5.2.2.Методика и результаты элементного анализа мишеней.

2.5.2.3.Методика обработки результатов эксперимента.

Выводы.

ГЛАВА 3.

ТЕПЛОВОЕ, СИЛОВОЕ И ЭРОЗИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРУЙ ЭРД НА ПОВЕРХНОСТЬ КЛА.

3.1.Общие замечания.

3.2.модели взаимодействия частиц газа с поверхностью.

3.2.¡.Физические процессы при взаимодействии частиц газа с поверхностью.

3.2.2.Моделирование теплового и силового взаимодействия.

3.2.3.Моделирование ионного распыления.

3.2.4. Обобщенная модель взаимодействия частиц газа с поверхностью.

Ф 3.2.5.Вопросы практического применения Т-моделей для определения коэффициентов распыления материалов.

3.3.Методика расчета силового, теплового и эрозионного воздействия струй

• ЭРДУнаКЛА.

3.4.Восстановление коэффициентов аккомодации по экспериментальным данным

3.4. ¡.Метод решения обратной задачи.

3.4.2. Оценка коэффициентов аккомодации по данным натурной эксплуатации КЛА СЕСАТ.

3.5.Влияние угла расходимости струи ЭРД на величины возмущающих усилий и моментов.

3.6.методика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в струях ЭРД.

3.6.1 .Постановка задачи.

3.6.2.Результаты испытаний.

3.6.3.Прогноз глубины эрозии.

3.7.Обобщенные данные по силовому, тепловому и эрозионному воздействию струй ЭРД на КЛА.

3.8-Обобщенные алгоритмы прогнозирования силового, теплового и эрозионного воздействия струй ЭРД на КЛА.

Выводы.

ГЛАВА 4.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КЛА ПРИ РАБОТЕ ЭРДУ.

4.1 .Общие замечания.

4.2.0сновные положения модели загрязнения поверхностей КЛА.

4.3.Распределенные источники массы.

4.3.1. Собственное массоотделение материалов.

4.3.2.Распыление материалов струями ЭРД.

4.4.Локальные источники массы.

4.4. ¡.Моделирование струй тепловых двигателей.

4.4.2.Модель эффузионного источника.

4.5.Процессы массопереноса продуктов массоотделения.

4.6.Расчет концентрации частиц.

4.6.1.Модель прямого бесстолкновителъного массопереноса.

Ф 4.6.2. Модели рассеяния частиц, расчет возвратных потоков.

4.6.3.Модель осаждения и отражения продуктов массоотделения.

4.7.расчетная модель загрязнения поверхностей КЛА продуктами распыления элементов конструкции СПД.

4.7.1.Расчетная модель эрозии изолятора СПД.

4.7.2. Расчет параметров потока частиц распыления.

4.7.3. Расчет потоков осаждения продуктов распыления.

4.8.экспериментальн0е определение коэффициентов осаждения продуктов распыления материалов КЛА.

4.9.комбинированная методика прогнозирования уровня загрязнения функциональных поверхностей КЛА.

Выводы.

ГЛАВА 5.

МОДЕЛЬ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ СТРУЙ ЭРД, ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И СВА НА РАБОТУ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КЛА.

Ф 5.1.Общие положения.

5.2.Влияние высокоскоростных твердых частиц на работу СБ.

5.2.1. Модель механического поражения элементов СБ КЛА.

5.2.2.Модель шунтирования элементов СБ при одиночных ударах частиц.

5.2.3. Определение характеристик шунтирования по результатам экспериментов на КЛА «Бега».

5.2.4. Определение характеристик шунтирования по данным лабораторных экспериментов.

5.2.4.1.Результаты экспериментов и их обсуждение.

5.3.Влияние собственной внешней атмосферы на работу СБ КЛА.

5.3.1. Общие замечания.

5.3.2.Модель воздействия СБА на СБ.

5.3.3. Восстановление параметров модели по экспериментальным данным.

5.4.влияние струй ЭРД на работу СБ КЛА.

5.4.1. Общие замечания.

5.4.2.Модель перехода состояний для описания воздействия струи ЭРДУна СБ КЛА

5.4.3.Экспериментальное определение эрозионного воздействия струи ЭРД на прозрачность защитных стекол элементов СБ.

5.5.Имитационная модель солнечных батарей КЛА.

5.5.1.Принципы построения имитационной модели.

5.5.2. Структура имитационной модели.

5.5.3. Описание элементов модели.

5.5.3.1.Солнечные элементы.

5.5.3.2.Резистор ы.

5.5.3.3.Диод ы.

5.5.3.4.Цепочки элементов.

5.5.3.5.Солнечная батарея.

5.5.3.6.Пылевые частицы.

5.5.3.7.Поток конденсирующихся частиц.

5.5.3.8.Потоки ионов.

5.5.4.Решение прямой и обратной задачи.

5.5.4.1 .Прямая задача.

5.5.4.2.Обратная задача.

Выводы.

ГЛАВА 6.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ РАБОТЕ ЭРД, НА РАБОТУ БОРТОВОГО РАДИОТРАНСЛЯЦИОННОГО КОМПЛЕКСА.

6.1.Общие замечания.

6.2.Физическая модель плазменных образований, возникающих вблизи высоковольтных устройств БРТК во время работы ЭРД.

6.2.1 .Нейтрализация ионов на поверхности.

6.2.2. Ослабление потоков плазмы дренаэ/сными щелями.

6.2.3. Ослабление потоков плазмы лабиринтами.

6.2.4.Трансформация функции распределения ионов, проникающих в приборный отсек из окружающей плазмы.

6.2.5.Экспериментальное определение коэффициентов ослабления потоков плазмы перфорированным кожухом.

6.3.Испытания радиопередающего устройства на воздействие плазменных образований, формируемых при работе СПД.

6.3.1 .Постановка задачи испытаний.

6.3.2.Методика испытаний.

6.3.3. Выбор параметров плазмы.

6.3.4.Оценка параметров динамического вакуума при натекании рабочего телаДУ

6.3.5. Описание эксперимента, анализ полученных результатов.

6.3.5.¡.Испытания на воздействие пониженного давления.

6.3.5.2.Испытания на воздействие плазмы.

6.3.5.3.Испытания на воздействие плазмы с предельной концентрацией.

Выводы.

ГЛАВА 7.

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ СТРУЙ ЭРД И ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА НА ЭЛЕМЕНТЫ И СИСТЕМЫ КЛА.

7.1.Общие положения.

7.2.Пакет программ для расчета воздействия струй ЭРДУ на КЛА.

7.2.¡.Эволюция программного комплекса.

7.2.2. Основные характеристики программы Turbo DESIGN 5.0.

7.2.3.Принципы построения интерфейса пользователя.

• 7.2.4.Геометрическая модель КЛА.

7.2.5.Задание структуры элементов КЛА.

7.2.5.1.Механизмы наследования структуры.

7.2.5.2.Механизмы наследования свойств.

7.2.6. Система управления базой данных.

7.2.7. Типы сеток для расчета параметров СБА.

7.2.7.¡.Многоуровневые прямоугольные сетки.

7.2.7.2.Одноуровневые сетки.

7.2.8.Примеры расчетов.

7.3.пр0грамма для расчета потоков частиц распыления изолятора спд.

7.3.1.Задание геометрии канала.

7.3.2.Примеры расчетов.

Выводы.

ВЫВОДЫ.

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 11000 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 KJLA; если 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 КЛА; разработка 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 модели; разработка обобщенной модели взаимодействия частиц газа с поверхностью, позволяющей учитывать основные значащие факторы, имеющей высокое быстродействие и возможность адаптироваться к полноте вектора исходных данных; разработка математической модели комплексного воздействия факторов космического полета, включая струи ЭРД, на солнечные батареи КЛА; разработка 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 КЛА; разработка методов и средств восстановления параметров моделей по экспериментальным данным и результатам натурной эксплуатации КЛА; разработка 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 коррекции; методика экспериментального определения потоков частиц распыления изолятора в струях СПД; методика ускоренных испытаний материалов КЛА на эрозионную стойкость в струях ЭРД; методика 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 покрытия; оптические свойства пленок загрязнений; данные о распределении распыленной компоненты в струях СПД; данные 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 г; Европейской 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. обл; Материалах Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 1999, 2002 г., Москва; Международной 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 г; Материалах 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. Москва; Материалах 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 - Звенигород; V 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 группы -Владимиру 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

1. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии: Учеб. пособие для спец. электронной техники вузов,- М.:Высш. шк., 1984.-320 е., ил.

2. Автоматический космический комплекс по доставке на землю образцов грунта Фобоса: Эскизный проект, Книга 3, Часть 1: Электроракетная двигательная установка / Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики (НИИПМЭ МАИ).- М., 2002.

3. Акишин А.И., Кирюхин В.П., Новиков Л.С.,Сливков И.Н. К вопросу об инициировании пробоя в вакууме ударами быстролетящих частиц // Журнал технической физики.- 1984,-том 54, №.1. с. 179-181.

4. Альперт Я.Л., Гуревич A.B. и др. Искусственные спутники Земли в разреженной плазме. М.: Мир, 1964.

5. Анализ уровней эрозии и загрязнения функциональных поверхностей космического аппарата «Экспресс-АМ» при натурной эксплуатации: Отчет о НИР по теме 20790-02080 (Промежуточный); Руководитель

6. A.Б.Надирадзе.-М.2002. 32с.

7. Андрианкин Э.И., Степанов Ю.С., О глубине пробивания при ударе метеорных частиц // Сб. «Искусственные спутники земли», Вып. 15. Изд.-во АНСССР, 1963, с. 44 52.

8. Анисимов С.И., Карягин В.П., Константинов А.Б.и др. Исследование пылевой атмосферы кометы Галлея. Эксперимент ФОТОН на межпланетных станциях «Вега» / Препринт. М.: МАИ, 1987.- 53 е., ил.

9. Арбатский В.М., Егоров В.К., Надирадзе А.Б., Чиров A.A., Шапошников

10. B.В. Изучение углового распределения примесного элементного состава в струе электрореактивного двигателя методами с использованием ионных пучков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.- 2000, №5.-с. 102-110.

11. Арцимович JI.A., Андронов И.М., Морозов А.И. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя (СПД) и его испытания на ИСЗ «Метеор» // Космические исслелдования, 1974, том 12, №3, С.451.

12. Асхабов С.Н., Бургасов М.П., Веселовзоров А.Н. и др. Исследование струи стационарного плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП) // Физика плазмы. 1981. - 7, №1. - С.225-230.

13. Баранцев Р.Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями.-М.: Наука, 1975.

14. Баранцев Р.Г., Москалева Н.М. Рассеяние на адсорбированном слое // Вестн. Ленингр. ун-та. Сер. математики, механики, астрономии. -1980.-№13.-вып,3.-С.73-78.

15. Басс В.П., Бразинский В.И. Численное моделирование процессов массопереноса в окрестности тел сложной геометрической формы // Труды VIII конференции по динамике разреженныхгазов, Москва, сентябрь, 1985,- М.: Изд-во МАИ, 1987.

16. Бёрд Г. Молекулярная газовая динамика / Пер. с англ. А.И.Ерофеева, О.Г.Фридлендера и В.Е.Яницкого, под ред. О.М.Белоцерковского и М.Н.Когана.- М.Мир, 1981. 316 е., ил.

17. Берков В.И., Козинцева М.В., Разиков Е.В.и др. Свойства керамики в плазменном потоке УЗДП // Шестая всесоюзная конференция «Плазменные ускорители и инжекторы», Днепропетровск, 16-18 сент. 1986 г.

18. Бишаев A.M. Численное моделирование струи разреженного слабоионизированного газа, выходящего из кольцевого отверстия // ЖВМиМФ.- 1993.- с. 1190.

19. Бишаев A.M., Калашников В.К., Ким В.П. Численное исследование струи разреженной плазмы стационарного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП) // Физика плазмы.- 1992.- т. 18, вып.6, с 698.

20. Бишаев A.M., Ким В.П., Чуян Р.К. Исследование динамики ионов в канале УЗДП // Материалы II Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям. Минск: изд. ИФАН БССР, 1973, С.83-84.

21. Бобырев В.А., Бойко В.И., Бункин Ф.В.и др. Генерация и отжиг неравновесных дефектов под действием лазерного излучения // Изв. АН СССРю Сер. физ,- 1987.-51, №.6.-с. 1180-1192.

22. Болынев Л.Н., Смирнов Н.В., Таблицы математической статистики. -М.-Наука, 1983,-416 с.

23. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ / Пер. с нем.; Под ред. Г.Гроше и В.Цтглера,- М.:Наука, 1980.- 974 е., ил.

24. Бургасов М.П., Безнос И.А., Верхотуров В.И., и др. Активная нейтрализация поверхностей КА в натурных и лабораторных экспериментах // Сб. тр. I Международной конференции «Проблемы взаимодействия ИСЗ с космической средой», Новосибирск, 15-19 июня 1992.

25. Бургасов М.П., Надирадзе А.Б. О принципиальной возможности использования солнечных батарей в качестве датчиков частиц космического мусора Труды МАИ, №1, 2000 г http://www.mai.ru/proiects/mai works/articles/numl/article9/auther.htm

26. Бургасов М.П., Надирадзе А.Б., Чиров А.А.и др. Эффекты взаимодействия струи электроракетных двигателей и солнечных батарей космического аппарата // Космические исследования.- 1994,- т. 32, вып. 4-5, стр. 194-201.

27. Бутакова И.Л., Михосев Ю.И., Шаров A.M., Эвоинформатика. Теория и практика эволюционного моделирования. М.: «Наука», 1991.

28. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд. / Пер с англ.- М.: «Издательство Бином», СПб: «Невский диалект», 1998 г., 560 е., ил.

29. В.М.Арбатский, В.В.Шапошников, А.А.Чиров, А.Б.Надирадзе,

30. B.К.Егоров Изучение углового распределения примесного элементного состава в струе ЭРД ионопучковыми методами // Сб. тез. докл. 24 Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 31.05-3.06 1999 г., Москва.-1999.-Зс.

31. Вайсберг О.Л., Смирнов В.Н., Горн Л.С., Иовлев М.В. Массовый спектр и пространственное распределение пыли в голове кометы Галлея по данным прибора СП-1 на КА «Вега-1» и «Вега-2» // Космические исследования.- 1987.- т.25, вып. 6.

32. Вальд А. Последовательный анализ / Пер. с англ. П.А.Бакута и др. Под ред. Б.А.Севастьянова.- М.:Физматгиз, I960.- 328 е., ил.

33. Варакин Г.К. Динамика собственной внешней атмосферы при газовыделении летательных аппаратов // Труды VIII конференции по динамике разреженныхгазов, Москва, сентябрь, 1985. Москва, МАИ, 1987.

34. Васильев Ю.В., Максимов И.А., Оценка влияния работы СПД на функционирование РТР КА «Экспресс №12» : Тех.справка / НПО ПМ, Железногорск,- 1997.

35. Власов В.И., Жестков Б.Е., Омелик А.И. Собственная атмосфера вблизи орбитального аппарата и моделирование условий на его поверхности // Динамика разреженного газа. Новосибирск, 1980, ч.2, с. 159- 164.

36. Высокоскоростные ударные явления.- М.,Мир, 1973.- 511 с, ил.

37. Гаврюшин A.B., Надирадзе А.Б. Новый подход к измерению прозрачности защитного стекла солнечной батареи // Сб. тез. докл. XXVI академических чтений по космонавтике, посвященных памяти академика

38. C.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеровосвоения космического пространства, 30 января 1 февраля 2003 г., г. Москва (в печати).

39. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. Кн.1: Учеб. Пособие для вузов / Общая ред. А.И.Галушкина. М.:ИПРЖР, 2000. - 416 е.: ил. (Нейрокомпьютеры и их применение).

40. Готлиб В.М., Евланов E.H., Зубков Б.В., Лебедев Ю.В., Линкин В.М., Прилуцкий О.Ф. Энерго-масс-анализатор в проекте «ПЛУТОН» // Пр-1986, Москва, ИКИ РАН, 1998. 11 с.

41. Гришин С.Д., Кокорин В.В., Харламов Н.П. Теоретические основы создания двигательных установок для управления космическими аппаратами // М.: Машиностроение, 1985. 192 е., ил.

42. Гудман Ф., Вахман Г. Динамика рассеяния газа поверхностью М.:Мир, 1980.-423 С.

43. Гусев К.И., Рыжов Ю.А., Стриженов Д.С., Шкарбан И.И. Коэффициент аккомодации энергии частиц, падающих на поверхность твердого тела при Е0 » 100-500 эВ. // Труды МАИ.-1976.-№351.-С.50-55.

44. Гусев К.И., Рыжов Ю.А., Шкарбан И.И., Измерение коэффициентов аккомодации энергии при бомбардировке металлов положительнымиионами инертных газов // Аэродинамика разреженных газов. Л.:Изд.-во Ленингр. ун.-та, 1974.-№7.-С.77-82.

45. Гусев К.И., Стриженов Д.С., Шкарбан И.И. Энергообмен между разреженными потоками с энергией 80-500 эВ с поверхностями // Труды МАИ.-1975.-№334.-С.4-13.

46. Гусева М.И., Мартыненко Ю.В. Радиационный блистеринг // Успехи физических наук. 1981. Том 135. вып. 4. С.671-691.

47. Дремин А.Н., Ададуров Г.А. Поведение стекла при динамическом нагружении // Физика твердого тела.- 1985.- том 6, №6, с. 1757-1764.

48. Дюк В., Самойленко A. Data mining учебный курс.- СПб: Питер, 2001. - 368 е., ил.

49. Дюк В.A. Data Mining интеллектуальный анализ данных.- Byte (Россия), 1999, №9, С.18-24.

50. Егоров В.К. Особенности неразрушающего послойного элементного концентрационного анализа пленок ВТСП с помощью ионных пучков // Труды X всесоюзного совещания по эксплуатации и использованию электростатических ускорителей, Обнинск, 1992, стр. 34-85.

51. Ерофеев А.И. О взаимодействии быстрых частиц с поверхностью твердого тела // Уч. Записи ЦАГИ.-1970.-1,№4.-С.52-62.

52. Ерофеев А.И. Об обмене энергией и импульсом между атомами и молекулами газа и поверхности твердого тела // Журн. прикладн. механики и техн. физики. 1967. - №2. - С.135-140.

53. Ефимова В.Н. Дисс. канд. физ.-мат. наук.- Красноярск, 1984.

54. Жевандров И.Н., Морозов А.И., Якунин С.А. Динамика плазмы, образующейся при ионизации разреженного газа // Физика плазмы.-1984,-том. 10, вып. 2.- С.353 -360.

55. Закс.Л. Статистическое оценивание / Пер. с нем. В.Н.Варыгина, Науч.ред. и предисл. Ю.П. Адлера и В.Г.Горского. М.:Статистика, 1987.598 с.

56. Заявлин В.Р., Летин В.А. Прогнозирование ресурса фотоэлектрических батарей космических аппаратов // Гелиотехника.- 2001.- №3.- с. 11-22.

57. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений.- М.:Наука, 1966.

58. Зи. С. Физика полупроводниковых приборов / В 2-х книгах. Кн.2. Пер с англ.- 2-е перераб. и доп. изд.- М.:Мир, 1984. -456 е.,ил.

59. Зукас Дж.А., Николас Т. Свифт Х.Ф. Грещук Л.Б., Куран Д.Р. Динамика удара / Пер с англ. М.:Мир, 1985.- 296 е.,ил.

60. Иванов Л.И., Литвинова H.A., Янушкевич В.А. Закономерности образования ударных волн при воздействии лазерного излучения на поглощающие тела // Проблемы прочности.- 1978.- №.6. с. 99-101.75