Исследование взаимодействия космических

ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
Исследование взаимодействия космических объектов
с атмосферой в экспериментах «Релаксация»
THE STUDY OF SPACE OBJECTS INTERACTION WITH THE ATMOSPHERE
IN "RELAXATION" SERIES OF EXPERIMENTS
Пластинин Ю.А., Карабаджак Г.Ф., Хмелинин Б.А.
(ФГУП ЦНИИмаш, г. Королев, Московская обл.)
II Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и эксперименты на МКС»
09 – 11 апреля 2015 г., ИКИ РАН, г. Москва
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С АТМОСФЕРОЙ В
КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ «РЕЛАКСАЦИЯ»
1. Исследование характеристик УФ излучения газоплазменных образований
космических аппаратов при входе в атмосферу Земли.
2. Исследование процессов релаксации верхней атмосферы Земли при
высокоскоростном взаимодействии с выхлопами двигательных установок
космических аппаратов.
3. Исследование процессов релаксации собственной атмосферы МКС
Аппаратура “Фиалка-МВ-Космос”,
установленная на иллюминаторе № 9 РС МКС
Характеристики спектрозональной
ОЭС «Фиалка-МВ-Космос» на РС МКС
- рабочий спектральный диапазон, нм
- число каналов регистрации
- масса, кг
Канал УФК:
- область чувствительности, нм
- чувствительность, Вт/см2 на счет
- максимальное и мгновенное поля
зрения, град
Спектрометр:
- область чувствительности, нм
- чувствительность, Вт/(см2 нм) на счет/с
- спектральное разрешение, нм
- число элементов
200...1100
3
9
200...360
210-18
11; 1.4 10-2
200...1100
6.5 10-14
1.3
1024
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
400
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УФ ИЗЛУЧЕНИЯ
ГАЗОПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ
ВХОДЕ В АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ
RESEARCH OF UV RADIATION CHARACTERISTICS OF GAS-PLASMA FORMATIONS PRODUCED
BY SPACECRAFT WHEN ENTERING EARTH'S ATMOSPHERE
Цель: Получение уникальных натурных экспериментальных данных в УФ-диапазоне спектра по
пространственной структуре и интенсивности излучения плазменных образований КА и фрагментов блоков
ТК при входе в атмосферу Земли с гиперзвуковыми скоростями с целью проведение верификации
термохимических
и радиационных моделей высокотемпературного воздуха по траектории спуска
300
разрабатываемых и перспективных КА на высотах от 110 до 30 км, а также моделирование фрагментации
космического мусора и естественных космических тел (боллидов, метеоров и др.)
Схема наблюдения спускаемого аппарата
200
YОСК
МКС
ZОСК
100
100
VМКС МГ МКС
ХОСК
S
Бытовой
отсек

НМКС
измерения

00
0,0
0.00
2,0
2.00
4,0
4.00
V,V,км/с
км/с
6,0
6.00
8,08.00
Модуль скорости спуска СА «Союз ТМА»
к центру Земли
Приборноагрегатный
отсек
МГ СА

НСА
Спускаемый
аппарат
МГ МКС
СА
Н٫ км
H, км
Результаты исследований входа КА «Союз ТМА»
VСА
ось СА
МГ СА - местный горизонт в точке СА
МГ МКС - местный горизонт в точке МКС
НМКС - высота МКС
НСА - высота спускаемого аппарата (СА)
S - дальность между МКС и СА
 - угол наблюдения (между осью S и осью СА)
 - угол атаки (между VСА и осью СА)
 - угол между V и S
(XYZ)ОСК - орбитальная система координат в точке
МКС
СА
УФ – изображения СА и фрагментов ТК «Союз ТМА»
во время входа в атмосферу Земли
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
UV imagery of plasma formation during SC reentry and fragmentation
Фрагментация и сгорание отсеков ТК
Вход СА в атмосферу
ТК
ТК
Картины свечения СА «Союз
Отсеки ТМА–6» при
ТК
наблюдении в
ночных условиях по траектории входа в атмосферу Земли
L=18,6км
11.10.2005 г.
L
Фрагментация и
сгорание агрегатного и бытового отсеков ТК
«Союз ТМА – 6»
L при входе в атмосферу 11.10.2005 г.
L
L
СА
СА
Н = 107 км,
Н = 89км,
Н = 68 км,
V= 7,58 км/с
V= 7,60 км/с
V= 7,49км/с
tДМВ = 3:49:13
Н = 67 км
L=21,0 км
Интенсивность УФ излучения плазменного
образования СА «Союз ТМА»
tДМВ = 3:49:27 tДМВ = 3:49:37 tДМВ = 3:49:48
Н = 64 км
Н = 59 км
Н = 54 км
L=28,9 км
L=14,7 км
L=5,1 км
Расчетные значения спектральной силы излучения (Вт/мкм∙ср) ударного
слоя на притуплении СА «Союз-ТМА» на высоте Н=70 км
1
3
10
105
2
Вт/мкм∙ср
I, Вт/ср
10
1
10
3
0
10
104
10
10
2
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
H, км
Экспериментальные результаты: ■ – СА ТК «Союз ТМА–4» (КЭ 24.10.04);
▲ – СА ТК «Союз ТМА–6» (КЭ 11.10.05)
Расчеты: 1 – равновесная модель; 2 – неравновесная модель;
3 – аппроксимация экспериментальных данных   = 230 – 360 нм
10
неравновесное приближение
Isum
3

2
+
N2 (1-)
O2(SR)

1
100
N2(2+)

280

330
, нм
380
Вт/мкм∙ср
2
10
7
10
6
10
5
локальное приближение
Isum
+
N2 (1-)
104
10
O2(SR)

3
N2(2+)
10
2


280
330
, нм

380
Результаты исследований входа КА ATV («Жюль Верн»)
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
КА ATV «Jules Verne»
Двигательный
отсек
Промежуточный
отсек
МКС-17 29.09.2008 г.
-11
Грузовой отсек
2
2
Интенсивность, Вт/( см нм)
окисли
-тель
Стыковочный
узел
груз
окисли
-тель
горючее
груз
груз
груз
Т=935К
= 514 нм
-11
горючее
2
Полосы зеленой системы AlO (B -X )
4,5x10
4,0x10
= 484 нм
-11
3,5x10
Излучение поверхности
фрагментов
=456 нм
-11
3,0x10
Al
= 396 нм
-11
2,5x10
-11
2,0x10
OH
K
= 766 нм
= 539нм
Mg
= 383 нм
Na
=589 нм
-11
1,5x10
Li
= 671 нм
-11
1,0x10
-12
5,0x10
Литиевые
батареи
Бак с водой и
газом
Бортовое радиоэлектронное
Изоляционное
оборудование
покрытие
0,0
300
Взрывной процесс фрагментации
500
600
700
800
Длина волны, нм
Спектр излучения плазменного образования
при фрагментации КА ATV на высоте ~ 65 км
Кадры видеоизображений входа и фрагментации КА ATV «Jules Verne»
Начальная стадия
фрагментации
400
Торцевая часть
грузового отсека
Стадия сгорания и фрагментации после взрыва
tGMT
13:36:16
13:36:17
13:36:19
13:36:20
13:36:21
13:36:22
13:36:24
13:36:28
Н, км
75,9
75,7
75,4
75,2
75,1
74,9
74,5
73,8
Фрагмент КА – стыковочный узел из титана
Заключительная стадия
Начало наблюдения Н=86,6 км
Интенсивная фрагментация
Н=75,6 км
Интенсивное сгорание корпуса
Н=69,5 км
13:38:06
13:38:10
13:38:14
13:38:16
13:38:18
13:38:20
13:38:23
13:38:26
13:38:30
52,4
51,2
49,9
49,3
48,6
48,0
46,9
45,9
44,6
Результаты: комплексные исследования как спектров излучения, так и пространственно временной структуры
фрагментов КА в ультрафиолетовом диапазоне спектра позволяет однозначно судить о составе фрагментов, их
температуры, а также определить количество, размеры и скорость фрагментов, не успевших сгореть в атмосфере и
достигающих поверхности Земли
Траектория входа ATV
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВЫХЛОПАМИ
ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ СОБСТВЕННОЙ АТМОСФЕРЫ МКС
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
Цель КЭ: Исследование физико-химических и радиационных процессов при гиперскоростных столкновениях молекулярных
потоков с атмосферным кислородом и развитие моделей взаимодействия выхлопов двигательных установок с верхней атмосферой
Земли. исследование динамики релаксации СВА МКС при взаимодействии выхлопов бортовых двигательных установок с верхней
атмосферой Земли
1.4 м
6 км
1,0
Отн.ед.
0,8
Свечение выхлопа ДПО
ТК «Союз» в УФ-диапазоне
=270-320 нм
Свечение выхлопа
ТГК «Прогресс» в УФ-диапазоне
Радиальное распределение
яркости выхлопа
Присопловая область
0,6
0,4
Область свечения выхлопа
в дальнем поле
0,2
0,0
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
угол, град
Развитие глобального свечения ионосферы при воздействии на нее
молекулярного потока выхлопов ДУ КА «Прогресс»
Нестационарная фаза
взаимодействия с атмосферой
0.1 сек
Стационарная фаза
взаимодействия с атмосферой
0.6 сек
1.5 сек
5.6 сек
ВРЕМЯ ПОСЛЕ ВКЛЮЧЕНИЯ СКДУ КА «ПРОГРЕСС»
Н>390 км
10.4 сек
Временная зависимость яркости излучения СВА
РЕЗУЛЬТАТЫ:
• Проведены измерения интенсивности и пространственно-временных характеристик УФ свечения в области активного взаимодействия выхлопов ДУ с
верхней атмосферой Земли.
• Определены фундаментальные константы процессов гиперскоростного взаимодействия атомов кислорода с компонентами выхлопов ДУ.
• Разработана модель высокоскоростного взаимодействия и проведена ее верификация в КЭ с КА «Прогресс» и «Союз».
• Установлено, что при работе бортовых двигательных установок (ДУ) наблюдается яркое УФ свечение собственной атмосферы МКС в молекулярных
полосах OH.
• Разработана модель свечения собственной внешней атмосферы (СВА) МКС, связанного с накоплением в ней паров воды при работе ДУ и воздействием
на СВА факторов космического пространства.
Заключение
Conclusion
В результате исследований взаимодействия космических объектов с
атмосферой в экспериментах «Релаксация»:
 Проведены систематические экспериментальные исследования
интенсивности излучения ударной волны (УВ) в ультрафиолетовом
(УФ) диапазоне спектра на всей траектории спуска КА, начиная с
участка входа в атмосферу на высоте ~ 120 км. Разработана методика
расчета интенсивности УВ, верифицированная по данным натурных
измерений.
 Проведены систематические исследования интенсивности в УФ
диапазоне спектра
глобальных свечений, возникающих при
высокоскоростном взаимодействии струй корректирующих и
тормозных двигателей с верхней атмосферой. Разработана модель
взаимодействия и проведена ее верификация по данным натурных
исследований.
 В результате анализа процесса взаимодействия струй двигательных
установок с атмосферой уточнены константы упругих и неупругих
молекулярно-атомарных столкновений при сверхвысоких скоростях
столкновений 8 – 11,5 км/с.