Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для защиты объекта от воздействия космоса

Изобретение относится к средствам защиты объектов, длительное время эксплуатируемых в космосе.

Известно устройство защиты космического аппарата от статического электричества [1], включающее шины металлизации, характеризующееся тем, что в его конструкцию включен электрический конденсатор большой емкости, на обкладки которого выведены шины металлизации комплекса служебных систем и целевой аппаратуры соответственно, высокоомный вольтметр, подсоединенный параллельно конденсатору и выдающий сигнал через бортовую систему управления на пусковое реле, включающее в электрическую цепь конденсатора омическое сопротивление, теплопровод и/или желоб-воздуховод, а также космический радиатор-охладитель.

Устройство не защищает от сублимации в космосе.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство [2], для осуществления контроля загрязнений элементов поверхности космического аппарата (КА), образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги, содержащее охватывающие сопло двигателя сдвоенные коаксиально расположенные защитные экраны, размещенный за кромкой внешнего защитного экрана планшет с контрольной пластиной и фиксирующими элементами, отличающееся тем, что устройство содержит селективные пьезоэлектрические датчики, установленные в вышеуказанном и других однотипных планшетах, размещенных в выбранных для контроля загрязнений зонах поверхности КА, при этом выходы пьезоэлектрических датчиков подключены ко входам штатной телеметрической системы.

Недостатком прототипа является отсутствие защиты объекта от сублимации в космосе.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является обеспечение защиты объекта от сублимации в космосе.

Технический результат достигается тем, что устройство для защиты объекта от воздействия космоса, содержащее n датчиков загрязнения, размещенных в выбранных для контроля загрязнений зонах поверхности объекта, бортовую вычислительную машину (БЦВМ) и штатную телеметрическую систему, подключенную к БЦВМ, дополнительно содержит последовательно соединенные первый коммутатор, узкополосный усилитель, детектор и пороговый блок, последовательно соединенные первый генератор, модулятор, усилитель-демодулятор и второй коммутатор, последовательно соединенные источник питания, третий коммутатор и n нагревателей, подключенных к третьему коммутатору, а также второй генератор, подключенный ко вторым входам модулятора и усилителя-демодулятора, программный таймер, подключенный к БЦВМ, выход ориентации, подключенный к БЦВМ, и вход управления пуском, подключенный к БЦВМ, причем датчики загрязнения подключены к первому и второму коммутаторам, а входы управления первым, вторым и третьим коммутаторами, источником питания, усилителем-демодулятором, узкополосным усилителем и пороговым блоком подключены к БЦВМ, выход порогового блока подключен к БЦВМ, датчики загрязнения выполнены чувствительными к уменьшению поверхностного сопротивления диэлектрика и выполнены в виде двух или более разнесенных электродов, электрически контактирующих с поверхностью диэлектрика, стойкой к сублимации и размещенной снаружи объекта в космосе на защищаемом участке объекта, имеющем тепловой контакт с диэлектриком и нагревателем, размещенном внутри объекта, первый коммутатор выполнен с n совмещаемыми входами и одним выходом, второй коммутатор выполнен с n совмещаемыми выходами и одним входом, третий коммутатор выполнен с n совмещаемыми выходами и одним входом, усилитель-демодулятор и узкополосный усилитель выполнены с управлением по усилению, источник питания выполнен с управлением по включению и уровню напряжения, пороговый блок выполнен с управлением по порогу, а датчики загрязнения выполнены с электродами, стойкими к сублимации, и с согласующими цепями.

Такое выполнение устройства обеспечивает защиту объекта от сублимации в космосе.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства (в этом варианте показаны четыре датчика загрязнения).

На фиг. 2 показана схема подключения и вариант размещения датчика загрязнения на линзе объектива, а также вариант размещения нагревателя.

Принятые обозначения:

1 - датчики загрязнения, 2 - бортовая вычислительная машина (БЦВМ), 3 - штатная телеметрическая система, 4 - первый коммутатор, 5 - узкополосный усилитель, 6 - детектор, 7 - пороговый блок, 8 - первый генератор, 9 - модулятор, 10 - усилитель-демодулятор, 11 - второй коммутатор, 12 - источник питания, 13 - третий коммутатор, 14 - нагреватели, 15 - второй генератор, 16 - программный таймер, 17 - выход ориентации, 18 - вход управления пуском.

Устройство для защиты объекта от воздействия космоса, содержит n датчиков 1 загрязнения, размещенных в выбранных для контроля загрязнений зонах поверхности объекта, бортовую вычислительную машину (БЦВМ) 2 и штатную телеметрическую систему 3, подключенную к БЦВМ 2, дополнительно содержит последовательно соединенные первый коммутатор 4, узкополосный усилитель 5, детектор 6 и пороговый блок 7, последовательно соединенные первый генератор 8, модулятор 9, усилитель-демодулятор 10 и второй коммутатор 11, последовательно соединенные источник 12 питания, третий коммутатор 13 и n нагревателей 14, подключенных к третьему коммутатору 13, а также второй генератор 15, подключенный ко вторым входам модулятора 9 и усилителя-демодулятора 10, программный таймер 16, подключенный к БЦВМ 2, выход 17 ориентации, подключенный к БЦВМ 2, и вход 18 управления пуском, подключенный к БЦВМ 2, причем датчики 1 загрязнения подключены к первому и второму коммутаторам 4, 11, а входы управления первым, вторым и третьим коммутаторами 4, 11, 13, источником 12 питания, усилителем-демодулятором 10, узкополосным усилителем 5 и пороговым блоком 7 подключены к БЦВМ 2, выход порогового блока 7 подключен к БЦВМ 2, датчики 1 загрязнения выполнены чувствительными к уменьшению поверхностного сопротивления диэлектрика и выполнены в виде двух или более разнесенных электродов, электрически контактирующих с поверхностью диэлектрика, стойкой к сублимации и размещенной снаружи объекта в космосе на защищаемом участке объекта, имеющем тепловой контакт с диэлектриком и нагревателем 14, размещенном внутри объекта, первый коммутатор 4 выполнен с n совмещаемыми входами и одним выходом, второй коммутатор 11 выполнен с n совмещаемыми выходами и одним входом, третий коммутатор 13 выполнен с n совмещаемыми выходами и одним входом, усилитель-демодулятор 10 и узкополосный усилитель 5 выполнены с управлением по усилению, источник 12 питания выполнен с управлением по включению и уровню напряжения, пороговый блок 7 выполнен с управлением по порогу, а датчики 1 загрязнения выполнены с электродами, стойкими к сублимации, и с согласующими цепями.

Устройство работает следующим образом.

Устройство предназначено для защиты от массопереноса (сублимации) объектов, длительное время находящихся в космосе. Контакт наружной поверхности объекта с космическим вакуумом сопровождается испарением частиц материалов с нагретых участков поверхности и осаждением частиц на более холодные участки поверхности объекта. Возможные последствия этого: снижение сопротивления изоляции токонесущих цепей, вплоть до короткого замыкания, ухудшение оптических характеристик объективов и поверхностей, увеличение трения за счет механического сцепления перемещаемых деталей с неподвижными элементами объекта, изменение характеристик датчиков положения и антенн приемо-передающих устройств [3], [4]. Например, в обычном низковольтном разъеме, длительное время работающем в космосе, возможно испарение частиц материала токонесущих штырьков, более нагретых по сравнению с диэлектриком и слаботочными штырьками, осаждение частиц в зазоре между ответными частями разъема и штырьками и снижение сопротивления изоляции до недопустимого уровня. Частичная (пассивная) защита от сублимации выполняется путем введения изолирующих перемычек, экранов и выбора для нагреваемых узлов материалов, стойких к сублимации (имеющих малую скорость испарения), однако это конструктивно весьма затруднительно сделать для объекта в целом, и большинство узлов объекта подвержено воздействию сублимации. Предлагаемое техническое решение, представленное на фиг. 1, предусматривает определение степени загрязнения сублимацией на контролируемых участках поверхности объекта при помощи n датчиков 1, чувствительных к уменьшению поверхностного сопротивления диэлектрика, и при превышении допустимого уровня загрязнения контролируемых участков поверхности объекта предусматривает увеличение сублимации контролируемых участков путем повышения их температуры по отношению к остальным участкам поверхности объекта. Такой управляемый массоперенос позволяет увеличить время безотказного пребывания объекта в космосе и реализуется аппаратно при наличии на объекте источника электрической энергии или (и) средств ориентации. Датчики 1 загрязнения диэлектрика, например, могут быть выполнены в виде m групп по три электрода, два из которых измерительные, а третий - охранный, подключенные к согласующим цепям сопротивлений в соответствии с известной схемой измерения больших поверхностных сопротивлений [5] непосредственно на контролируемых участках поверхности объекта. Электроды и диэлектрик должны быть выполнены из материала, стойкого к сублимации, например, из вольфрама и керамики [6]. Однако измерить по известной схеме поверхностные сопротивления, как показано в [5], с постоянным током в космосе невозможно их-за больших помех, создаваемых статическим электричеством. В предложенном техническом решении измерение поверхностного сопротивления диэлектрика производится с помощью низкочастотного тока. Для этого сигналы с выходов первого и второго генераторов 8, 15 поступают на модулятор 9, с выхода которого амплитудно - модулированный сигнал поступает на усилитель-демодулятор 10, где усиливается, повышается трансформатором до требуемого высокого уровня и демодулируется для выделения низкочастотной составляющей сигнала. Такой способ получения высокого низкочастотного напряжения используется для снижения веса аппаратуры по сравнению с повышением напряжения второго генератора 15 непосредственно на низкой частоте. Амплитуда высокого напряжения устанавливается сигналом, поступающим на вход управления усилителя-демодулятора 10 от БЦВМ 2. Высокое напряжение поступает через второй коммутатор 11 на датчики 1 поочередно или одновременно на два или несколько датчиков 1 по командам БЦВМ 2, поступающим на вход управления второго коммутатора 11. С выходов согласующих цепей датчиков 1 (согласующих поверхностные сопротивления диэлектриков и сопротивления измерительных цепей, например, [7], см. фиг. 2) сигналы поступают на первый коммутатор 4, подключающий к узкополосному усилителю 5 поочередно или одновременно два или несколько датчиков 1 по командам БЦВМ 2, поступающим на вход управления первого коммутатора 4. С выхода узкополосного усилителя 5 (с управлением по усилению от БЦВМ 2) сигнал поступает на детектор 6 и далее, на пороговый блок 7, срабатывающий при превышении входным сигналом уровня, заданного БЦВМ 2, подачей сигнала на вход управления порогового блока 7. По сигналу с выхода порогового блока 7 БЦВМ 2 подает команду на вход управления источника 12 питания, включает источник 12 питания и устанавливает уровень выходного напряжения, которое поступает через третий коммутатор 13 на нагреватель 14 участка поверхности, соответствующего датчику 1. При наличии нескольких датчиков 1, сигнализирующих о загрязнении, третий коммутатор 13 подключает одновременно несколько нагревателей 14, соответствующих этим датчикам. При превышении заданного количества датчиков 1, сигнализирующих о загрязнении, и при отсутствии ограничений на положение объекта, БЦВМ 2 подает команду на отключение источника 12 питания и команду на выход 17 ориентации для ориентации загрязненной поверхности объекта к Солнцу (при возможности нагрева поверхности объекта Солнцем, если это разрешается командой из штатной телеметрической системы 3, в противном случае используется только источник 12 питания). БЦВМ 2 поддерживает режим обогрева в течение заданного времени и проводит повторное измерение степени загрязнения. В результате нагрева увеличивается испарение материала с загрязненных участков поверхности и степень загрязнения уменьшается до допустимого значения, о чем сигнализируют датчики 1. Пороговый блок 7 снимает выходной сигнал и БЦВМ 2 выключает обогрев и восстанавливает положение объекта, если это необходимо. Включение устройства осуществляется программным таймером 16, либо вручную, подачей сигнала на вход 18 управления пуском (при обитаемом объекте), либо по сигналу из штатной телеметрической системы 3.

Таким образом, достигается заявленный результат и предлагаемое устройство обеспечивает защиту объекта от сублимации в космосе.

Источники информации.

1. Способ защиты космического аппарата от статического электричества и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2612474, МПК B64G 1/52, B64G 1/50, 09.03.2017.

2. Способ контроля загрязнений элементов поверхности космического аппарата, образующихся при работе ракетных двигателей малой тяги, и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2402466, МПК B64G 1/52, 27.10.2010.

3. Пребывание в космосе. Helpiks.org. https://helpiks.org/6-24500.html. 2014-2019 гг.

4. Влияние вакуума. Библиотека по астрономии и космонавтике. 2001-2019 гг.

http://12apr.su/books/item/f00/s00/z0000023/st004.shtml

5. Измерение больших сопротивлений - метрология и технические измерения. Bstudy net - статьи для высших учебных заведений. 2017-2019 г.

https://bstudy.net/689865/tehnika/izmerenie_bolshih_soprotivleniy

6. Космические аппараты, глава 1.2, Влияние вакуума, Бобков В. Н., Васильев В. В. и др., Москва, Военное издательство, 1983 г.

http://12apr.su/books/item/f00/s00/z0000023/st004.shtml

7. Исследование и разработка устройства для измерения больших сопротивлений, Григорьев М. Г., Бабич Л.Н, «Молодой ученый» . № 11 (91) Технические науки. Июнь, 2015 г., стр. 295, https://moluch.ru/archive/91/