Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Плазма-СА
Направление НПИ: 5. Технологии освоения космического пространства
Секция КНТС: 7. Технические исследования и эксперименты
Наименование эксперимента: Спектрометрические и лазерные исследования на возвращаемых космических аппаратах
Цель эксперимента:

- экспериментальное исследование плазмы, возникающей вокруг спускаемого аппарата на этапе прохождения атмосферы, посредством регистрации спектра излучения;

- экспериментальное исследование динамики процессов загрязнения иллюминатора на этапе прохождения спускаемым аппаратом атмосферы посредством регистрации лазерного излучения, отражённого от наружной поверхности иллюминатора;

- экспериментальное определение влияния плазмы как помехи в канале связи в ИК диапазоне, посредством регистрации спектральной мощности излучения плазмы, поступающей через иллюминатор, в том числе в диапазоне 1,5…1,6 мкм;

- экспериментальное определение возможности связи со спускаемым аппаратом посредством регистрации в ИК диапазоне тестового сигнала, передаваемого лазером с поверхности Земли.

- экспериментальное подтверждение достоверности расчетно-теоретических моделей плазмообразования и поведения продуктов термохимического разрушения теплозащитных материалов в сжатом слое у спускаемых аппаратов, разрабатываемых и используемых при проектировании их аэротермодинамики, тепловой защиты и средств связи на теплонапряженных участках траектории входа.

 

Описание эксперимента:

Основными задачами КЭ являются:

- экспериментальное исследование плазменной оболочки СА посредством регистрации спектра излучения в видимом, ближнем ИК и УФ диапазоне на всем плазменном участке спуска;

- экспериментальное исследование динамики процессов загрязнения иллюминатора на всем плазменном участке спуска посредством регистрации лазерного излучения, отраженного и рассеянного от наружной поверхности иллюминатора;

- экспериментальное исследование колебаний плотности мощности излучения плазмы на выделенных длинах волн ближнего ИК при частоте дискретизации, соизмеримой с частотой модуляции несущей волны предполагаемой лазерной связи;

- экспериментальное определение возможности связи со СА посредством регистрации в ИК диапазоне тестового сигнала, передаваемого лазером с поверхности Земли.

Каждый сеанс эксперимента проводится в следующей последовательности:

- до отделения бытового и приборно-агрегатного отсеков, на бортовую часть визира ВСК устанавливается ВБ НА «Плазма-СА» (или моноблочный корпус НА). При установке используются уже имеющиеся на визире крепления для рассеивающего экрана;

- после установки, при нажатии кнопки “Пуск” на корпусе, НА «Плазма-СА» начинает работу. Продолжительность работы составляет ~12 минут, до момента срабатывания основной системы посадки. По истечении данного времени НА автоматически выключается.

- после приземления СА, НА «Плазма-СА» извлекается из СА ТПК «Союз-ТМА-М» и доставляется к месту обработки полученной информации.

КЭ включает в себя два этапа. На первом этапе планируется четыре сеанса КЭ для проверки НА «Плазма-СА».

Первый сеанс КЭ (один спуск) осуществляется с выполнением регистрации спектра излучения плазмы в автоматическом режиме при помощи миниспектрометра, входящего в состав НА. Функцию устройства, принимающего и записывающего информацию, выполняет компактный компьютер, также находящийся в составе НА.

Во время второго сеанса дополнительно к спектрометрическим измерениям выполняется исследование динамики загрязнения иллюминатора с помощью дополнительных блоков, установленных в НА «Плазма-СА» на данном этапе КЭ. Корпус НА со всеми посадочными местами датчиков и т.п. изначально проектируется под второй этап КЭ. Для проведения второго сеанса в НА «Плазма-СА» добавляется источник и приемник лазерного излучения.

Приемником считывается рассеянный и отраженный сигнал ЛИ от наружной поверхности иллюминатора, на которую происходит осаждение продуктов термодеструкции тепловой защиты на участке плазменного спуска СА.

Во время третьего сеанса дополнительно к измерениям первых двух сеансов выполняются измерения мощности излучения плазмы на выделенных длинах волн ближнего ИК при частоте дискретизации, соизмеримой с частотой модуляции несущей волны предполагаемой лазерной связи.

Во время четвертого сеанса планируется дополнительно к измерениям предыдущих сеансов, выполнить регистрацию в ИК диапазоне тестового сигнала, передаваемого лазером с поверхности Земли.

На втором этапе планируется в шести сеансах получить основную часть информации по главным направлениям исследований КЭ с целью обнаружения вариации свойств плазмы и степени загрязнения наружной поверхности иллюминатора.

Данный КЭ позволит получить необходимую информацию о параметрах плазмы для формирования требований к приёмникам и передатчикам лазерного излучения разрабатываемой системы лазерной связи со спускаемым аппаратом, а также для валидации авторских компьютерных комплексов по радиационной газовой динамике, используемых в настоящее время для прогнозирования конвективной и радиационной тепловой нагрузки на перспективный пилотируемый транспортный корабль (ПТК) в РКК «Энергия» им.С.П.Королёва.

 

Новизна эксперимента: Отличительной чертой планируемого эксперимента является измерение спектроэнергетических характеристик сжатого слоя с подветренной стороны СА, чего ранее практически не выполнялось. Указанные экспериментальные данные будут получены впервые. Учитывая сложную аэрофизику отрывных течений совместных анализ экспериментальных и расчетных данных будет выполнен в мировой практике впервые. Данные полученные из КЭ будут использованы для проектирования лазерной системы связи со СА. На данный момент в мировой практике технически реализованной связи через плазму со СА не существует.

 

Научная аппаратура: Основные массогабаритные характеристики НА «Плазма-СА» следуют из располагаемого пространства внутри капсулы СА и требований к максимально возможной массе груза, возвращаемого вместе с экипажем. НА «Плазма-СА», кроме предъявленных ограничений к его размерам и массе должен быть безопасен для членов экипажа СА, а также быть практичным с точки зрения транспортировки, установки и эксплуатации.

При этом НА должна выполнить свою основную задачу: качественный автоматический сбор данных об изучаемых объектах на протяжении заданного временного интервала в соответствующих условиях КЭ.

Общие требования к НА «Плазма-СА» по двум этапам КЭ:

- продолжительность срока хранения устройства на борту РС МКС при наличии готовности проведения измерений – до 200 суток;

- продолжительность работы в режиме записи – около 12 минут;

- допустимые габаритные размеры ГБ: 280x150x110

- допустимые габаритные размеры ВБ:

- диаметр до 250 мм;

- высота до 50 мм;

- масса ВБ НА не более 0,5 кг;

- общая ГБ и ВБ не более 5 кг;

- регистрация спектров в диапазоне 200-1080 нм и 900-1650 нм;

- формирование лазерного излучения мощностью до 300 мВт, измерение мощности отраженного и рассеянного излучения данной длины волны от наружной поверхности иллюминатора при наличии сажи и запись полученной информации;

- регистрация излучения от плазмы выделенных длин волн в ближнем ИК диапазоне при частоте дискретизации, соизмеримой с частотой модуляции предполагаемой лазерной связи;

- работа в условиях перегрузок, вибрации и радиации.

На сегодняшний день существует техника, отвечающая данным условиям компактности, производительности, надежности и низкой потребляемой мощности, позволяющая на её основе создать автоматизированную систему измерения и записи информации. Ниже приведены основные составляющие НА «Плазма-СА».

Основные параметры спектрометра:

- возможность регистрации спектров в двух вышеперечисленных диапазонах;

- источник питания – USB порт компьютера;

- максимальный ток потребления < 140 мA;

- АЦП преобразователь 16 бит;

- габариты 90х40х130 мм;

- масса 0,35 кг.

Основные параметры компьютера:

- процессор 2300 МГц

- количество ядер 4

- оперативная память 2 Гб DDR3

- емкость аккумулятора 4800 мА/ч

- размеры (ДхШхВ) 219x128.5x7.2 мм

- вес 331 г

Основные параметры АЦП:

- частота дискретизации до 100 Msps;

- разрядность до 12 бит.

 

Ожидаемые результаты: Проведение КЭ позволит получить данные о динамике загрязнения стекол иллюминаторов, данные об уровне плотности мощности излучения плазмы для предполагаемых длин волн в качестве несущих, собрать информацию о колебаниях данного уровня с целью формирования требований к приемникам и передатчикам лазерного излучения. Такие устройства предполагается использовать на СА нового поколения для бесперебойной связи с экипажем, а также для повышения точности посадки СА посредством передачи информации о его уточненном векторе состояния на сам СА.

Информация, полученная из реального летного эксперимента по излучательной способности сжатого слоя у поверхности спускаемого аппарата с разрушаемой тепловой защитой, имеет первостепенное значение не только для планируемого в будущем эксперимента по оптической (лазерной) связи, но крайне необходима и для валидации авторских компьютерных комплексов по радиационной газовой динамике, используемых в настоящее время для прогнозирования конвективной и радиационной тепловой нагрузки на перспективный пилотируемый транспортный корабль (ПТК) в РКК «Энергия» им. С.П.Королева.

Предполагаемый космический эксперимент будет иметь не только значительное практическое значение, но окажет серьезное влияние на развитие фундаментальной физико-химической механики и аэрофизики возвращаемых космических аппаратов. Учитывая очевидную междисциплинарность планируемого исследования, можно утверждать о значительном количестве публикаций, которые последуют за выполненным экспериментом, что, несомненно будет служить повышению международного научного авторитета РКК и ее научных групп.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: 2017-20 гг.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук
Организации участники: ОАО РКК «Энергия», ООО «НТЦ волоконно-оптических устройств», ОАО «ЛОМО», НИЯУ МИФИ, ЦНИИмаш
Научный руководитель: Суржиков С.Т., Институт проблем механики РАН, заместитель директора по научной работе, д.ф.-м.н., профессор, член-корр. РАН, Тугаенко В. Ю., ПАО РКК «Энергия», начальник отдела, к.ф.-м.н.
Публикации по эксперименту:

 

Последнее обновление: 17.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения