Чистота на высоте

Поверхность МКС защитили от загрязнения


Международная космическая станция (МКС) — гигантское сооружение массой более 400 тонн и длиной 109 метров, шириной 73 метра (что превышает, например, размеры футбольного поля) и высотой 27 метров. МКС на орбите необходимо постоянно поддерживать в определенном пространственном положении относительно Земли и Солнца. За это отвечает система ориентации. Она же уводит МКС от столкновения с космическим мусором — в таких случаях меняют орбиту станции на несколько сотен метров, используя двигатели управления и ориентации российского сегмента МКС и грузовых кораблей «Прогресс». Эти двигатели работают на самовоспламеняющихся компонентах топлива, температура сгорания которого составляет около 3500 К. Раскаленная струя газа — продукты сгорания — через сопло выбрасывается в космос, создавая импульс, меняющий положение станции. Однако компоненты используемого топлива — амил и гептил — очень агрессивны и токсичны. На МКС работают и электрические двигатели, но они не дают нужного импульса. Приходится использовать вредные компоненты, и загрязнению продуктами их сгорания подвергается все, что попадает в поле течения струи: корпус станции, панели солнечных батарей, антенны связи. Решить проблему смогли ученые Института теплофизики СО РАН (ИТ СО РАН).
— Впервые на загрязняющее воздействие выхлопных струй обратили внимание еще во время эксперимента «Двикон», проведенного на российской орбитальной станции «Мир», — рассказывает главный научный сотрудник лаборатории разреженных газов ИТ СО РАН доктор технических наук Вячеслав Ярыгин. — После этого для космонавтов были введены предписания по работе в открытом космосе, чтобы избежать соприкосновения с загрязнениями. Но когда запустили МКС с американскими, европейским и японским модулями, потребовались другие подходы к решению проблемы загрязнения внешней поверхности струями двигателей ориентации. Наши давние партнеры из ракетно-космической корпорации «Энергия» обратились к нам с предложением провести совместные модельные исследования, чтобы понять причины загрязнения и найти пути его минимизации. Защита стенок двигателя от высокотемпературных продуктов сгорания осуществляется с помощью пленки жидкости (а именно — одного из компонентов топлива), стекающей вдоль стенки двигателя, начиная от камеры сгорания. Проведя модельные исследования, мы обнаружили новый физический эффект. Оказывается, вышеупомянутая пленка жидкости достигает среза сопла и начинает двигаться в вакууме не вперед, как при истечении в атмосферу, а назад по поверхности модели, развернувшись на выходной кромке сопла. Этот неожиданный эффект позволил понять механизмы загрязнения и предложить концепцию защиты от него. Мы провели детальные исследования различных конструкций газодинамических защитных устройств — специальных экранов, которые устанавливаются на входной части сопла и собирают внутри себя всю грязь, и в итоге нашли оптимальные варианты. Экраны по форме напоминают стаканчики и закрепляются вокруг сопла. Они не влияют на тяговые характеристики двигателя, но не дают обратным потокам возвращаться на поверхность станции. Эксперименты проводились на установке «Викинг» (на снимке), которая, кстати, соответствует по размерам служебному модулю МКС, — так случайно получилось. Установка была построена в нашем институте еще в 1985 году при поддержке РКК «Энергия». На ней уже проводился ряд экспериментальных исследований в рамках космических программ.
Но эффективность предложенных защитных экранов надо было проверить в натурном эксперименте. На основе рекомендаций сибирских теплофизиков в РКК «Энергия» изготовили такие устройства, и в один из выходов в открытый космос космонавты Юрий Онуфриенко и Дэниэл Берш установили их на двигатели ориентации служебного модуля «Звезда». Так в 2002 году начался эксперимент «Кромка». Натурные эксперименты в космосе продемонстрировали, как поверхность станции загрязняется в отсутствие экранов и как они защищают от грязи. Уже в ходе первого этапа эксперимента с помощью контрольных планшетов и специальных датчиков выяснили, что установка экранов позволяет уменьшить степень загрязнения на 2-3 порядка.
— Затем были проведены еще второй и третий этапы эксперимента «Кромка», в рамках которых вблизи блоков двигателей устанавливались планшеты с образцами различных материалов, — продолжает Вячеслав Николаевич. — На образцы осаждались загрязняющие фракции, после чего планшеты были демонтированы и возвращены на Землю для проведения детального исследования химического состава контаминантов и их воздействия на различные материалы. Планшеты наглядно показали, что защитные экраны справились с поставленной задачей. Сейчас заканчивается натурный эксперимент «Импакт», цель которого — исследовать, как различные режимы работы двигателей влияют на загрязнение, достаточно ли предложенных защитных мер.
Космические эксперименты — дело долгое и дорогое, они занимают, как правило, несколько лет. Но хотел бы подчеркнуть другое: без проведения фундаментальных исследований процессов, происходящих при истечении газа, в том числе плазменных струй, в вакуум, невозможно понять механизмы загрязнения, о котором шла речь.
Космические эксперименты стимулировали и дальнейшие фундаментальные исследования в СО РАН. Если в виде охлаждающей пристенной пленки жидкости использовать воду, то она при попадании в вакуум разворачивается, начинает испаряться и быстро замерзает. Но некоторые жидкости при истечении в вакуум взрывообразным образом распадаются на испаряющиеся капли. И, используя раствор медикамента заданной концентрации, можно получить наноразмерные формы лекарственных препаратов для ингаляционной терапии. Эта идея была успешно реализована в интеграционном проекте ИТ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
— В наших экспериментах есть место и красоте, — улыбается В.Ярыгин. — Так, при истечении газа в вакуум может возникнуть сложная интересная структура течения. Мы ее назвали «художественной газодинамикой»: если сделать поперечное сечение, по мере удаления от центра картинки меняются. Но художественными эффектами дело не ограничивается: эти данные позволяют определить силовое и тепловое воздействие струй на элементы конструкции космических аппаратов. Впервые художественную газодинамику мы наблюдали во время моделирования стыковки космических аппаратов «Союз» и «Аполлон».

Ольга Колесова

Нет комментариев