Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Исследование изгибных и крутильных колебаний модулей МКС с помощью высокоточных датчиков звездной ориентации»
Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Основными целями КЭ являются изучение угловых микроускорений отдельных модулей МКС и взаимных изгибных и крутильных колебаний модулей МКС на частотах от 5 Гц до 10–3 Гц с помощью высокоточных звездных датчиков ориентации, а также исследование характеристик высокоточных звездных датчиков в полетных условиях.
В утвержденной программе научных исследований на борту МКС присутствуют ряд КЭ «Идентификация», «Изгиб» и «Среда-МКС», также посвященные изучению вибраций и колебаний МКС. Однако в этих КЭ изучаются не угловые, а линейные моды колебаний. Предлагаемый нами эксперимент дополняет указанные исследования.
Ранее проведение эксперимента с требуемой точностью было невозможно из-за отсутствия высокоточных ЗД. Прототип подобного датчика был разработан ГАИШ МГУ в 2010–2012 гг. в рамках Госконтракта № 14.740.11.0153 с Минобрнауки РФ. В настоящее время доработка и испытания этого датчика ведется (инновационная фирма – участник фонда Сколково, организованная ГАИШ МГУ).
Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС
Основной целью КЭ являются исследование поведения самой МКС – изучение угловых микроускорений отдельных модулей МКС и взаимных изгибных и крутильных угловых колебаний модулей МКС на частотах ниже 5 Гц.
Дополнительной целью КЭ является изучение характеристик и поведения высокоточных звездных датчиков в полетных условиях.
Описание КЭ Порядок проведения КЭ Доставка НА на МКС. Установка и монтаж НА (моноблока ЗД) вне гермоотсека (ГО) на МИМ2. Необходимо провести от 30 до 100 сеансов в год суммарной длительностью не менее 10 суток за КЭ, при полной длительности КЭ равной 3 годам. Передача научной информации на Землю или запись на внешние носителей информации (при необходимости). Доставка внешних носителей с информацией на Землю в составе возвращаемого груза для обработки (1–2 раза в год при необходимости). Установка и монтаж НА (моноблока ЗД) вне ГО на МЛМ или СМ. Проведение серии сеансов в течение 1 года (но не менее одного сеанса в месяц) с записью результатов на внешние носители (при необходимости). Передача научной информации на Землю или запись на внешние носителей информации (при необходимости). Доставка внешних носителей с информацией на Землю в составе возвращаемого груза для обработки (1–2 раза в год при необходимости).
Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ Целостность конструкции НА после выведения на орбиту и монтажа. В поля зрения и 15° окрестности полей зрения ЗД не должна попадать Земля. В поля зрения и 15° окрестности полей зрения ЗД не должны попадать небликующие элементы конструкции МКС. В поля зрения и 30° окрестности полей зрения ЗД не должны попадать Солнце и бликующие элементы конструкций МКС. Резонансные частоты вибраций ЗД в закрепленном состоянии должны быть выше 20 Гц. Для выполнения задач КЭ требуется проведение около 200 сеансов наблюдений. Сеансы должны проводиться в различных режимах функционирования МКС: штатный режим, период сна экипажа, период занятий физкультурой, режим микрогравитации, выход экипажа в открытый космос, период стыковки и маневрирования. Критерий выполнения эксперимента – 100–300 сеансов наблюдений суммарной длительностью за КЭ не менее 10 суток. Требования к точности ориентации и стабилизации ПКК не предъявляются Технические особенности НА
В состав НА «Качка» входят:
- два моноблока ЗД, каждый из которых включает в себя: два звездных датчика (ЗД); один блок управления (БУ); один механический адаптер крепления моноблока ЗД на внешней поверхности МКС соединительные кабели – обеспечивают: подачу электропитания к моноблокам ЗД; передачу данных и ТМИ между моноблоком ЗД и бортовыми системами МКС; сменные внешние носители информации (ВНИ).
Моноблок ЗД с помощью механического адаптера устанавливаются вне гермоотсека на одном из модулей МКС. БУ в составе моноблока ЗД соединяется кабелями с бортовыми системами МКС. Сменные ВНИ используются в КЭ при необходимости и заменяются по мере заполнения или при необходимости доставки на Землю. Заполненные (или частично заполненные) ВНИ доставляются на Землю в составе спускаемого груза.
Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
КЭ является новым, поскольку ранее проведение эксперимента с требуемой точностью методами астроориентации было невозможно из-за отсутствия ЗД с необходимой точностью. Реализация подобных измерений с помощью гироскопов также не позволяло достичь микрорадианной точности в течение часа.
На борту МКС были проведен ряд КЭ по исследованию вибраций станции, ряд других подобных экспериментов, в том числе для РС МКС, готовятся в настоящее время. Все они посвящены исследованию линейных вибраций и микроускорений.
Качественный уровень предлагаемого исследования превосходит аналогичные зарубежные и российские исследования.
Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование Основные результаты КЭ: Частоты, амплитуды и спектры изгибных и крутильных угловых колебаний РС МКС. Типичные спектральные состояния угловых колебаний МКС. Характерные периоды качественного изменения вида спектров угловых колебаний МКС в различных режимах функционирования. Характеристики высокоточных ЗД в космических условиях и их изменение со временем. Результаты предполагается использовать: При создании систем виброгашения в новых модулях МКС. Для разработки систем стабилизации оптических инструментов для контроля комического пространства, дистанционного зондирования Земли и астрономии, устанавливаемых на ПКК. В ходе доработки существующих и разработки новых моделей высокоточных ЗД и приборов на их основе.
Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками
Техническая возможность создания НА с заданными характеристиками подтверждается наличием прототипа высокоточного ЗД и предварительными результатами его испытаний.
Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
При монтаже НА за бортом МКС – обычный уровень риска и дискомфорта при ВнеКД.
Замена носителей информации – риска и дискомфорта нет.
Список литературы
, , . «Датчики звездной ориентации следующего поколения» // Труды ИПА. 2009. Т. 20. С. 427–432. , М. E. Прохоров, . «Разработка и использование высокоточных звездных датчиков ориентации нового поколения» / Глава в монографии «Инновационные решения для космической механики, физики, астрофизики и медицины», Ред. , , М. // М.: изд. МГУ. 2010. С. 44–63. , , . «Современные датчики звездной ориентации» / Труды 38-й конференции «Физика космоса» // Екатеринбург: Изд. УрГУ. 2009. С. 170–186. , . «Систематические и случайные ошибки определения положения фотоцентров звезд на матричных фотоприемниках» // Механика, управление и информатика. 2011. № 2. С. 280–288. , , . «Конструктивные особенности узкопольного звездного датчика ГАИШ МГУ с зеркальным объективом» // Механика, управление и информатика. 2013. № 9. С. 69–79. , , . «Расчет оптимальных характеристик оптической системы и матричного приемника излучения звездного датчика ориентации по его ТТХ» // Механика, управление и информатика. № 9. 2013. С. 80–90. , , . «Навигационный звездный каталог минимального объема, привязанный к квазиравномерной сетке на небесной сфере» // Механика, управление и информатика. 2013. № 9.С. 230–242. , , . «Эффективность методов распознавания звездных конфигураций путем сравнения пар звезд с использованием и без использования информации о блеске звезд» // Механика, управление и информатика. 2013. № 9. С. 220–229. , , . «Учет термо-генерации матричных ПЗС как основа повышения точности измерения звездного датчика» // Механика, управление и информатика. № 9. 2013. С. 249–256. , , . «Расчет блеска звезд в спектральной полосе кремниевого фотоприемника звездного датчика по данным каталогов Tycho-2 и 2MASS» // Механика, управление и информатика. 2013. № 9. С. 243–248. SSP 50094A, NASA/RSA joint specifications standards document for the ISS Russian segment - International Space Station program (10 mar 2000). SSP 50094B, NASA/RSA joint specifications standards document for the ISS Russian segment – International Space Station program (30 jun 2009).
