Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Кромка
Направление НПИ: 5. Технологии освоения космического пространства
Секция КНТС: 9. Космические энергосистемы и двигательные установки
Наименование эксперимента: Исследование динамики выноса загрязняющих веществ из управляющих жидкостных реактивных двигателей малой тяги при их импульсных включениях, проверка эффективности устройств для защиты внешних поверхностей МКС от загрязнений
Цель эксперимента:

Исследование на борту МКС динамики выноса загрязняющих веществ из ЖРДМТ 11Д428А-16 (используются на СМ, КА «Прогресс» и «Союз») и ЖРДМТ С5.144 (входят в состав БВДО на НЭП), их дальнейшей эволюции в имеющих место условиях на МКС по невесомости, тепловым режимам двигательной установки, длительному воздействию факторов окружающего космического пространства. Исследование влияния осаждения загрязняющих веществ на характеристики материалов и внешних покрытий элементов МКС (радиаторы, панели СБ и др.). Проверка эффективности работы газодинамических защитных устройств (ГЗУ), размещаемых на СМ и БВДО, предназначенных для защиты поверхностей МКС от загрязнений.

Описание эксперимента:

Последние десятилетия в России и за рубежом интенсивно проводятся, главным образом за рубежом, экспериментальные и расчетные исследования по загрязняющему воздействию на поверхности КА управляющих жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ), работающих на двухкомпонентных топливах АТ+НДМГ, АТ+ММГ.

Выносящиеся из двигателей и осаждающиеся на поверхности КА конденсированные загрязняющие продукты (контаминанты) существенно, в худшую сторону, изменяют функциональные характеристики поверхностей КА: снижается к.п.д. солнечных батарей, ухудшаются характеристики терморегулирующих поверхностей, снижается прозрачность оптических иллюминаторов и др. Для современных долговременных космических станций из-за плотной пространственной компоновки их блоков степень отрицательного влияния контаминантов из ЖРДМТ, особенно при их импульсной работе, многократно увеличивается.

В ходе космического эксперимента "Кромка" исследовалась динамика выноса загрязняющих веществ из ЖРДМТ 11Д428А служебного модуля при импульсной работе и их дальнейшая эволюция в имеющих место условиях на МКС по невесомости, тепловым режимам двигательной установки, длительному воздействию факторов окружающего космического пространства. Была проверена эффективность работы монтируемых в виде насадки на соплах двигателей газодинамических защитных устройств (ГЗУ), размещённых на СМ и предназначенных для защиты поверхностей МКС от загрязнений. Загрязняющие свойства ЖРДМТ 11Д428А и эффективность ГЗУ определялись посредством анализа функционального состояния экспонируемых образцов, размещавшихся на СМ, после их демонтажа и доставки на Землю.

Новизна эксперимента:

Аналогичные зарубежные работы и исследования, направленные на защиту МКС от загрязняющих воздействий двигателей, работающих на двухкомпонентных топливах, отсутствуют. Проводившиеся до настоящего времени космические эксперименты ставили целью лишь фиксацию различных эффектов воздействий факелов двигателей, но не минимизацию этих воздействий.

Научная аппаратура:

Оборудование КЭ «Кромка-1» (рис. 1) состоит из: планшета 17КС.320Ю1100А-900 (цифра 1), страховочного фала (2), специального ключа-переходника (3), защитного чехла (4), комплекта упаковки для хранения экспонированного планшета на борту МКС и возвращении на Землю, рис. 2.

Планшет представляет собой кассету с размерами 235х140х20 мм, выполненную из алюминиевого сплава, толщина стенок кассеты 1,5 - 2 мм. На внешней стороне дна кассеты (рис. 3, 4) установлены ручка-скоба и замок для фиксации планшета на поручнях.

Планшеты для разных этапов КЭ отличались друг от друга наличием в конструкции переходных кронштейнов. Эти кронштейны устанавливались в планшетах между кассетой и замком и обеспечивали требуемую ориентацию кассеты с образцами на поручнях.

Кассета планшета «Кромка 1-3» оснащена крышкой, раскрывающейся вручную после его установки и закрывающейся после демонтажа (рис. 5). Крышка защищает экспонированные образцы от контакта с материалами транспортировочного контейнера. В раскрытом положении крышка в два раза увеличивает площадь контрольной поверхности.

Комплект упаковок для возврата планшета на Землю (рис. 2) разработан с учетом требований, предъявляемым для хранения высокотоксичных соединений. Состав упаковочных средств обеспечивает 3 уровня защиты экипажа при хранении экспонированного оборудования в обитаемом объеме МКС и при возвращении на Землю в корабле «Союз». Первичная упаковка планшета производится космонавтами сразу после его демонтажа в специальный полужесткий герметичный контейнер (цифра 1 на рис. 2).

Вид этого контейнера в раскрытом состоянии с планшетом «Кромка 1-1» показан на рис. 6. После возвращения космонавтов в обитаемый объем станции проводится дополнительная упаковка внесенной укладки в пакет из полиэтилена (2), мягкий контейнер из прорезиненной ткани (3) и в мягкий транспортировочный контейнер (4).

Общие габариты планшета 292х140х100 мм.

Вес планшета не превышал 1.4 кг.

Вес возвращаемой на ТК «Союз» укладки составлял 2.5 кг, габаритные размеры - 340х340х140 мм.

Рис. 1. Комплект оборудования

Рис. 2. Комплект упаковочных средств

Рис. 3. Планшет «Кромка 1-0»

Рис. 4. Планшет «Кромка 1-1»

Рис. 5. Плашет «Кромка 1-3»

Рис. 6. Полужесткий контейнер

Ожидаемые результаты:

Ожидаемыми результатами выполнения КЭ являлись:

• количественные данные по пространственному распостранению загрязняющих веществ - контаминантов, образующихся при срабатываниях ЖРДМТ, по влиянию контаминантов на физико-химические, оптические и другие характеристики различных наружных поверхностей МКС;

• сравнительные данные по загрязняющим воздействиям двигателей среди других источников загрязнения поверхностей МКС, таких как газовыделение, двигатели КК «Шаттл», сбросы жидкостей;

• экспериментальное подтверждение эффективности ГЗУ, позволяющих минимизировать загрязняющие воздействия ЖРДМТ;

• внедрение ГЗУ на ЖРДМТ PC, что значительно уменьшит деградацию СБ, радиаторов и других элементов МКС, продлив сроки их существования, уменьшит риск загрязнения скафандров космонавтов при контактах с поверхностями во время внекорабельной деятельности.

В успешном проведении КЭ и его результатах заинтересованы зарубежные организации и фирмы, в частности Центр Джонсона (NASA), «Boeing» и другие.

Полученные результаты:

Проведены* комплексные физико-химических исследований свойств материалов и образцов, экспонировавшихся на планшетах «Кромка 1–0», «Кромка 1–0», «Кромка 1–2», «Кромка 1–3» в области воздействия двигателей ориентации СМ МКС. Исследования включали: анализ химического состава продуктов неполного сгорания (ПНС) компонентов ракетного топлива, визуальный и инструментальный анализ состава отложений ПНС на образцах, анализ изменения оптических характеристик образцов, денситометрирование изображений контрольных пластин.

1. Практически во всех исследуемых образцах планшета «Кромка 1–0» обнаружен нитрозодиметиламин, являющийся наиболее токсикологически опасным веществом. С использованием специальной разработанной методики на основе «аккумуляторов свежего контаминанта» (АСК), определен баланс между массой осаждающихся и испаряющихся ПНС. Уставлено, что массовая доля стойких фракций составляет 1/300-1/860 от массы осаждающихся на поверхности фракций. Результаты проведения этапа КЭ «Кромка 1-0» подтвердили прогнозные модели о существенных выбросах капельных фракций ПНС в периферийные области и о необходимости установки газодинамических защитных устройств (ГЗУ) для защиты поверхности СМ МКС.

2. Сравнительный анализ динамики загрязнения продуктами неполного сгорания планшетов «Кромка 1-1» (экспонировавшегося ~3 месяца) и «Кромка 1-2» (23 месяца) показал идентичность характера загрязнения, что подтверждает эффективность газодинамических устройств, снижающих загрязняющие воздействия ЖРДМТ, а также сохранение ресурса ГЗУ с момента их установки (25.01.02г.).

Установлено, что защитное устройство обеспечивает эффективное ограничение зоны загрязняющих воздействий двигателей крена углом ~450 , предотвращая тем самым загрязнение элементов конструкции СМ МКС. По результатам исследования получено угловое распределение продуктов неполного сгорания (ПНС) в струе, используемое при проведении расчетного прогнозирования загрязняющих воздействий двигателей крена СМ МКС на элементы конструкции и внешние поверхности.

3. В результате проведенного исследования на поверхности планшета «Кромка 1-2» были обнаружены следы капель ПНС малого размера диаметром менее 1мм в количестве ~200штук и следы более крупных капель размером 1-2мм в количестве ~10штук. Следов более крупных капель не обнаружено. Желтый налет обусловлен осаждением паровой фазы ПНС. Анализ химического состава ПНС на образцах планшета «Кромка 1-2» позволил идентифицировать следующие продукты неполного сгорания топлива: нитрозодиметиламин, диметламиноацетонитрил, метилформамид, метилтриазол.

Измерение коэффициента поглощательной способности солнечной радиации As на образцах ТРСО-12 показало, что за время экспонирования, в результате воздействия двигателей, максимальный прирост значений As (в местах максимальных воздействий двигателей) составил 0.1-0.12 (исходные значения составляли ~0.185).

4. Визуальным осмотром планшета КЭ «Кромка 1-3» на поверхностях контрольной пластины и защитной крышки обнаружены следы капель в полосе значений углов от ~470 до 550. Количество следов капель с размерами от ~0.3 мм до 2 мм не превышает 30 (при количестве импульсов ДО-К равном 14000). Ниже линии угла 550 следы капель не обнаружены. Также обнаружено, что на контрольных элементах (образцы и пластина в кассете и защитная крышка) осадок ПНС находится в жидком состоянии и растекся по поверхности пластины и по поверхности крышки. Это является косвенным свидетельством того, что концентрация осадка ПНС на элементах планшета, а именно, в его верхней части превосходит по уровням значения, зафиксированные в предыдущих этапов КЭ.

Анализ химического состава ПНС на различных участках планшета показал, что поверхности пластины обнаружены продукт трансформации гептила с m/z = 44, неидентифицированный продукт (m/z = 80), димер этого продукта (m/z = 161) и продукт трансформации с m/z = 174, а также нитрозодиметиламин и другие производные гептила. Определено также примерное количество продуктов трансформации на поверхности планшета.

В полном виде результаты эксперимента будут изложены в итоговом отчёте.

* Обработка и комплексный анализ результатов КЭ «Кромка», полученных после возвращения образцов на Землю. Этапный отчёт, ОКР «Наука - ЦК», 2011.

Сроки проведения: Эксперимент проводился в 2001-2005г.г. В 2011г. выпущен отчёт с результатами обработки и анализом данных КЭ, полученных после возвращения экспонированных образцов на Землю. На 2012г. запланирован выпуск итогового отчёта.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: Постановщиками КЭ являются ФГУП «Центр Келдыша» и ОАО РКК «Энергия» им. С.П.Королева.
Организации участники: Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (ИФХиЭ РАН
Научный руководитель: Герасимов Ю.И., РКК «Энергия», главный научный сотрудник , д.т.н.
Публикации по эксперименту:

1. Буряк А.К., Герасимов Ю.И., Ребров С.Г., А.В.Ульянов. Хромато-масс-спектрометрическое исследование загрязнений, образующихся на поверхности международной космической станции (МКС) при работе двигателей ориентации. Тезисы доклада в сборнике Всероссийского симпозиума «Современные проблемы хроматографии», 18-22 марта 2002г., Москва.

2. Ребров С.Г. Контаминационное воздействие ЖРДМТ, использующих компоненты АТ и НДМГ, на КА. III-я Международная Конференция по Малым спутникам, 2002г, г. Королев Московской обл.

3. S.F. Naumov, Y.I. Gerasimov, S.P. Sokolova, S.G. Rebrov, T.I. Gerasimova, O.V. Kalistratova, M.A. Prokofyev, A.V. Grigorevsky. V.M. Prosvirikov, A.K. Buryak, V.N. Chernik. Influence Orientation Thrusters Fuel/Oxidizer Reaction Products on Thermo-Optic Properties of Spacecraft Thermal Control Coating. 9th International 9th International Symposium on Materials in a Space Environment. 16-20 June 2003 ESTEC, Noordwijk, The Netherlands

4. Герасимов Ю.И., .Ребров С.Г. и др. Газодинамические аспекты проблемы загрязнения международной космической станции. Натурные эксперименты. Теплофизика и аэромеханика, 2003, том 10, №4.

5. Условия образования устойчивых осадков продуктов неполного сгорания топлива жидкостных ракетных двигателей на внешних элементах орбитальных станций. Ю. И. Герасимов, А. К. Буряк, Химическая физика, - том 27, № 10, Октябрь 2008, с. 26-34.

6. Герасимов Ю.И., Крылов А.Н. Результаты исследований влияния загрязнений от СВА на характеристики конструкционных материалов и терморегулирующих покрытий кораблей и модулей МКС., Физико-химическая кинетика в газовой динамике www.chemphys.edu.ru/pdf/2011-06-06-001.pdf

7. Герасимов Ю.И., Крылов А.Н., Ярыгин В.Н. и др. Газодинамические аспекты проблемы загрязнения Международной космической станции. 2. Натурные эксперименты, том 10, №4, Новосибирск, 2003.

8. Герасимов Ю.И., Ярыгин И.В. методология исследований в космосе параметров выбросов загрязняющих фракций из двигателей ориентации орбитальных станций, оперативного и послеполетного анализа их результатов. Хим. физика. 2008. Т. 27. № 10, с. 35-43.

9. Патент на изобретение РФ №2111904 от 27мая 1998г. «Управляющая двигательная установка космических аппаратов и станций с ракетными двигателями малой тяги» Авторы: Поскачеев Ю.Д., Ребров С.Г., Герасимов Ю.И.

10. Патент на изобретение РФ №2148538 от 10мая 2000г. «Управляющая двигательная установка космических аппаратов и станций с ракетными двигателями». Авторы: Ребров С.Г, Дроздов В.И., Герасимов Ю.И.

11. Патент на изобретение РФ №21419807 от 27мая 2000г. «Способ защиты поверхности космического аппарата от загрязнений, образующихся при дренаже гидравлических магистралей и работе реактивных двигателей, и устройство для его осуществления. Авторы: Герасимов Ю.И., Мишина Л.В., Приходько В.Г., Ярыгин В.Н

Последнее обновление: 15.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения