Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Определение поля микроускорений в области полезной нагрузки автоматической поворотной виброзащитной платформы «Флюгер» при различных режимах управления в условиях микрогравитационной обстановки на МКС»
(шифр: КОМО)
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Высокая гравитационная чувствительность технологических процессов к микроускорениям зафиксирована в экспериментах по физике жидкости, биотехнологии и материаловедению на спутнике-автомате "Фотон", на пилотируемых станциях "Мир", "Атлантис" и в экспериментах на МКС.
Так, в результате обобщения и анализа полученных с 1975 года экспериментальных данных о структурном совершенстве и примесных неоднородностях в монокристаллах ряда полупроводниковых материалов, выращенных методами направленной кристаллизации из расплава на КА, установлена причинно-следственная связь особенностей макро и микронеоднородностей в монокристаллах с остаточными микроускорениями на КА [1].
На рис. 1 в двух проекциях представлена фотография кристалла InSb:Te, выращенного из расплава на КА “Фотон-5”. Нарушение симметрии формы кристалла на макроуровне свидетельствует о несимметричности теплового поля в расплаве, которая, в свою очередь, вызвана асимметрией конвективных течений в расплаве, обусловленной воздействием на расплав вектора квазистатического микроускорения, имеющего переменную по величине компоненту (~10-5–10-6g), ортогональную направлению кристаллизации. Искривление оси кристаллизации соответствует пространственной эволюции вектора квазистатического ускорения во время эксперимента.
Помимо неоднородностей на макроуровне, вращательное движение квазистатического вектора микроускорения также негативно влияет на микроструктурное совершенство выращиваемых кристаллов. На рис. 2 показан фрагмент фотографии шлифа продольного сечения кристалла, выращенного на борту КА «Фотон М №2» (указаны реальные размеры областей кристалла в миллиметрах; кристаллизация шла слева направо) [2]. Видны границы областей двойникования монокристаллов и тонкая слоистая структура – примесная полосчатая микронеоднородность. Отчётливо проявляется определённая периодичность в распределении легирующей примеси по длине кристалла.
Рис. 2.
1 – затравка; 2 – примесный канал в затравке; 3 – начальный фронт кристаллизации; 4, 5, 6, 7 и 8 – границы двойникования.
На рис. 3 представлен фрагмент структуры металлографического шлифа продольного сечения по оси монокристалла InSb:Te, выращенного на «Фотон-3».
 |
Рис. 3
При анализе результатов эксперимента установлено практически до 80% совпадения частот гармонических составляющих примесной полосчатой микронеоднородности с частотами квазистатической составляющей микроускорений на борту КА. Образно говоря, выращиваемые монокристаллы «записывают» в виде сложной картины слоистых неоднородностей пространственную эволюцию воздействия квазистатического бортового вектора микроускорения, действующего на расплав перпендикулярно оси кристаллизации.
Таким образом, наиболее значимыми причинами возникновения макро - и микронеоднородностей в выращиваемых монокристаллах являются микроускорения, имеющие частоты не больше чем 10-2 – 10-3 Гц, даже величиной порядка 10-6g. Суммарный вектор этих микроускорений, переменный и по величине, и по направлению, не совпадает с направлением кристаллизации расплавов при выращивании монокристаллов.
В ряде работ [3-5] представлены результаты анализа гидромеханических систем в условиях воздействия переменного во времени и пространстве поля ускорений. Основной вывод из этих работ состоит в том, что поведение гидромеханической системы определяется не столько амплитудно-частотными характеристиками компонент ускорений по осям координат, сколько пространственно временной эволюцией вектора в целом.
В работе [6] рассматривается задача устойчивости эмульсий как гетерогенной сплошной среды в поле микроускорений и термокапиллярных сил. Показано, в частности, что в общем случае однородное состояние эмульсии, заполняющей все пространство, неустойчиво, причем наиболее опасными оказываются низкочастотные возмущения, а одним из дестабилизирующих факторов является неколлинеарность градиента температуры и вектора микроускорений. Учет взаимного расположения векторов градиента температуры DТ и микроускорений n является определяющим для управления поведением дисперсной системы.
Представленные выше примеры результатов расчетно-теоретических и экспериментальных работ показывают, что протекание гравитационно-чувствительных процессов на КА существенным образом зависит не только от величины, но и направления вектора квазистатических (медленно меняющихся) ускорений. От ориентации контейнера с гравитационно-чувствительной средой относительно вектора микроускорений зависят направление и характер разделения эмульсий, структура и интенсивность конвективных течений в жидкостях, структурное совершенство выращиваемых кристаллов и т. п. Для обеспечения удовлетворительных условий протекания большинства технологических процессов необходимо, чтобы перпендикулярная составляющая вектора микроускорений к выделенной оси технологической установки (оси кристаллизации, градиенту температуры, градиенту плотности примеси и т. п.) была не более 3×10-7g. Величину угла между вектором ускорения и осью технологического контейнера (установки) можно использовать в канале обратной связи для управления ходом технологического процесса на КА.
Технической реализации такого способа можно добиться с помощью использования специальной поворотной платформы, обеспечивающей заданное угловое положение расположенной на ней различной научной аппаратуры или технологического оборудования относительно направления вектора квазистатических микроускорений. Такая платформа была разработана для МЛМ РС МКС. Это - автоматическая поворотная виброзащитная платформа (АПВП) «Флюгер», с помощью которой возможно решить задачу автоматической ориентации и стабилизации технологической установки с гравитационно-чувствительной средой относительно бортового вектора квазистатического микроускорения с одновременной защитой установки от фоновых вибраций высоких и средних частот [7-12]. АПВП также дает возможность программного динамического воздействия на технологическую установку (полезную нагрузку), в частности, вибровоздействия с заданной частотой и амплитудой.
Для планирования и постановки космических экспериментов с использованием АПВП необходима информация о возможных достижимых значениях вектора микроускорений и вектора угловой скорости (поля микроускорений) в области полезной нагрузки АПВП при различных режимах функционирования платформы. Данная информация может быть получена только проведя экспериментальные исследования в реальных условиях космического полёта.
В [13] проведена оценка предельных возможностей снижения составляющей микроускорения, перпендикулярной технологической оси ПН с гравичувствительной средой, с помощью АПВП «Флюгер». Показана принципиальная возможность сведения этой составляющей к нулю за счет управления вращением рамок подвеса АПВП. Построен алгоритм управления платформой, решающий эту задачу.
В рамках космического эксперимента «КОМО» будет определена область контролируемых микроускорений для полезной нагрузки автоматической поворотной виброзащитной платформы «Флюгер» в условиях микрогравитационной обстановки на МКС. Также будут выбраны оптимальные регулируемые технические параметры СУ АПВП для проведения микрогравитационных исследований при различных режимах функционирования АПВП.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС.
Необходимость проведения КЭ «КОМО» на борту РС МКС определяется тем, что на основе использования только наземного физического и математического моделирования невозможно получить полную и достоверную информацию о поле микроускорений в области ПН при различных режимах функционирования АПВП. Так, при наземном физическом моделировании управляемого углового движения платформы принципиально недостижимы те уровни микроускорений, которые существуют на борту. В свою очередь для построения адекватной математической модели АПВП, обеспечивающей численную оценку параметров поля микроускорений в области ПН с необходимой точностью, требуется экспериментальное уточнение значений параметров СУ АПВП.
3. Ожидаемые результаты
3.1. Получение экспериментальных данных по определению амплитудно-частотных параметров линейных и угловых микроускорений, создаваемых в рабочей зоне полезной нагрузки (ПН) автоматической поворотной виброзащитной платформы (АПВП) при различных управляемых режимах функционирования СУ АПВП, включающих программное динамическое воздействие на ПН, а также режим угловой стабилизации вектора ускорения в рабочей зоне ПН.
3.2. Экспериментальное определение значений регулируемых параметров СУ АПВП, обеспечивающих оптимальные динамические условия проведения микрогравитационных КЭ с использованием АПВП при различных режимах функционирования платформы.
3.3. Отработка в условиях орбитального полёта рабочих алгоритмов СУ АПВП при различных режимах функционирования.
3.4. Уточнение моделей ПМО стенда комплексных испытаний и сопровождения КЭ (СКИ) на основе лётных испытаний АПВП.
4. Описание КЭ
4.1. Порядок проведения КЭ
Определение поля микроускорений в области полезной нагрузки автоматической поворотной виброзащитной платформы при различных режимах управления в условиях микрогравитационной обстановки на МКС (КЭ «КОМО») предлагается провести в 1 этап, разбитый на 12 сеансов, в течение 4 месяцев.
Для проведения эксперимента предполагается использовать ранее разработанную автоматическую поворотную виброзащитную платформу «Флюгер» (АПВП «Флюгер»), а также вновь разрабатываемую аппаратуру – блок тестирования системы управления (БТСУ).
При различных управляемых режимах функционирования СУ АПВП, включающих программное динамическое воздействие на ПН, а также режим угловой стабилизации вектора ускорения в рабочей зоне ПН, производится измерение и регистрация параметров поля микроускорения в зоне размещения ПН с помощью БТСУ.
Вектор измеряемых параметров содержит: компоненты трехмерного вектора ускорения во всех точках области ПН, компоненты трехмерного вектора угловой скорости ПН.
Для получения статистических характеристик поля микроускорения в области ПН КЭ проводится в 12 сеансов в течение 4 месяцев.
Действия оператора МКС регламентируются бортовой инструкцией по проведению КЭ «КОМО», а также, при необходимости, отдельные уточнения и рекомендации по ходу эксперимента могут быть переданы оперативно из ЦУП'а специалистом во время сеансов связи с экипажем.
Передача данных, полученных при проведении КЭ «КОМО» и записанных в БТСУ, осуществляется во время сеансов связи с ЦУП.
Наземное сопровождение КЭ «КОМО» осуществляется с помощью стенда СКИ, на котором параллельно с ходом выполнения КЭ проводится полунатурное моделирование процесса проведения КЭ на основе получаемых данных с БТСУ.
4.2.Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
Эксперимент проводится при неработающих двигателях МКС, а также в отсутствие стыковочно-расстыковочных операций МКС с кораблями
«Прогресс-М», «Союз» и др.
5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
Автоматическая поворотная виброзащитная платформа (АПВП) «Флюгер» является уникальной аппаратурой, не имеющий зарубежных и отечественных аналогов. Данная платформа позволяет в автоматическом режиме ориентировать и стабилизировать размещённую на ней технологическую установку со средой, обладающей дифференцированной чувствительностью к пространственно-частотным компонентам вектора остаточных микроускорений относительно бортового вектора квазистатического микроускорения с одновременной защитой установки от фоновых вибраций высоких и средних частот.
В КЭ «КОМО» впервые решается задача параметрической оптимизации системы управления АПВП в условиях микрогравитационной обстановки на МКС, а также определения поля микроускорений в области полезной нагрузки АПВП при различных режимах управления.
6. Предполагаемое использование полученных в ходе выполнения КЭ результатов
Результаты КЭ «КОМО» предполагается применять при подготовке и проведении гравитационно-чувствительных экспериментов с использованием АПВП – КЭ «Мираж», «Конкон» и др.
7. Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками
В настоящее время технические возможности аппаратной реализации систем измерения микроускорений вышли на новый качественный уровень в части датчиков микроускорений, например, акселерометры разработки ИКИ РАН [14], Guralp Systems Ltd., GeoSIG Ltd., SYSCOM Instruments, Bruel & Kjaer, что позволяет создать БТСУ с заданными характеристиками.
8. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
При проведении КЭ члены экипажа не должны находиться в рабочей зоне АПВП.
Список цитируемой литературы
1. Barmin I. V. Growing doped InSb crystal during the Salyut-6 - Soyuz mission / I. V. Barmin, V. S. Zemskov, M. R. Raukhman // The paper presented at the XXXI Congress of the IAF, Tokyo, Japan, Sept. 1980. - Preprint IAF-SO-C-103, Pergamon Press, 19р.
2. Земсков экспериментов на спутнике «Фотон М №2» по изучению влияния конвекции в расплаве на бесконтактный рост кристаллов антимонида индия методом Бриджмена / , , // Рост монокристаллов и тепломассоперенос: Материалы 6-й Международной конференция ICSC-2005 г. Обнинск 2005г. - Обнинск, ГНЦ РФ – ФЭИ, изд. Оргкомитета конференции, 2005. - т. 4,С. 803-814.
3. Ветошкин малых ускорений на борту орбитальных научных станций с точки зрения воздействия на гидродинамические системы / , , В. Савичев // Космический исследования. Т.36, № 2, 1998, с.221-224.
4. Корольков моделирование поведения системы жидкость-газ под действием различных возмущающих факторов // МЖГ, № 2, 1997Ю. - С.19-29.
5. О влиянии эволюции вектора остаточных ускорений на гидродинамические системы. / , , // Механика невесомости. Итоги и преспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем: Сб. трудов VII Российского симпозиума, Москва, 11-14 апреля 2000. - г. Моска, изд. Орг. комитета, 2001г., С.189-193.
6. Гудзь однородного состояния эмульсии в поле микроускорений и термокапиллярных сил / , в сб. трудов VII Российского симпозиума // Механика невесомости. Итоги и перспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем: Сб. трудов VII Российского симпозиума, Москва, 11-14 апреля 2000. - М.: изд. Орг. комитета, 2001г., С. 220-233.
7. Анфимов наука: исследования ЦНИИмаш // Земля и Вселенная, №5, 2005г., С. 3-14.
8. Пат. 2369535 РФ, МПК Н 04 B64G1/22 (2006.01), B64G1/36 (2006.01). Способ оптимизации динамических условий функционирования гравитационно-чувствительных установок в условиях остаточных микроускорений на борту орбитальных космических аппаратов и устройство для его реализации / , , - /11, заяв. 28.02.2008, опуб. 10.10.2009, бюл. № 28.
9. Борисов платформа для стабилизации углового положения технологической установки по вектору микроускорения / , , // Материалы XLVI научных чтений памяти г. Калуга 13-15.09.2011. – Калуга, изд-во «Наша типография», 2011 г., С.124-125.
10. Борисов технических средств обеспечения контролируемых динамических условий при проведении исследований гравитационно - чувствительных систем / , , // Космонавтика и ракетостроение№4 (49). - С.168-173.
11. Борисов поворотная виброзащитная платформа «Флюгер» для проведения микрогравитационных экспериментов на борту КА / , , // Материалы Пятого Международного Аэрокосмического Конгресса IAC’06 г..Москва, 27-31.09.2006. - , ИП И, 2006. - С.299.
12. Борисов динамических условий проведения бортовых микрогравитационных экспериментов с помощью автоматической поворотной виброзащитной платформы «Флюгер» / , , // Космическое материаловедение: Материалы Российского симпозиума г. Калуга 10-13.09.2007г. - Калуга, изд-во Манускрипт, 2007. - С.50.
13. Акуленко кажущимся ускорением твердого тела, закрепленного в двухстепенном подвесе на подвижном основании / , , // Известия РАН. Теория и системы управления. 2012 г. - №3.
14. Манукин высокочувствительный акселерометр-сейсмометр/ , , // Космические исследованиятом 48, №4. - С.355-361.
