Проект «Разработка модели КА «ФОТОН»

Номинация: Самая актуальная работа
Просмотреть картинки списком
Автор: Лисичников Вячеслав Сергеевич
1ое, 2ое и 3е место: I место
Город: Москва
Место учебы: ГБОУ СПО Техникум космического машиностроения № 25

1. Космические аппараты «ФОТОН»: назначение, состав, основные характеристики, научные исследования, проводимые с использованием КА «ФОТОН»

Фотоны - серия специализированных КА, разработанных ЦСКБ Прогресс в г. Самаре, предназначенных для технологических и научных исследований.

Первый запуск КА серии "Фотон" состоялся 16 апреля 1985 года ("Космос-1645"). Далее было произведено еще 11 успешных запусков КА этой серии. При этом выполнена обширная программа исследований в области получения полупроводниковых и оптических материалов, биотехнологий, клеточной биологии, молекулярных структур, выращивания кристаллов, физики жидкости, воздействие земной атмосферы на образцы при спуске на Землю.

КА «Фотон» относятся к серии низкоорбитальных спутников, что даёт им значительные преимущества при обеспечении выполнения программы исследований, т.к. вывод КА на низкую орбиту требует меньших энергетических затрат, следовательно, при одних и тех же затратах можно вывести большее количество испытательных устройств. Кроме того, ряд технологических и биомедицинских экспериментов, связанных с микрогравитацией, возможен только на низких орбитах.

Конструкция КА «Фотон» включает следующие части:

- контейнер с блоками питания (Конструктивно представляет собой герметичный отсек, состоящий из цилиндрического корпуса с днищем и крышки. Снаружи располагаются агрегаты системы терморегулирования.);

- спускаемый аппарат с технологическими экспериментальными установками (СА представляет собой герметичный отсек, выполненный в виде сферы из алюминиевого сплава с нанесенным на наружную поверхность теплозащитным покрытием для защиты с пускаемого аппарата от аэродинамического нагрева при прохождении плотных слоев атмосферы);

- приборный отсек с системами обеспечения КА ( представляет собой герметичный отсек, выполненный из алюминиевого сплава, состоящий из верхнего и нижнего конуса и цилиндрической вставки соединенных между собой болтами);

- жалюзи системы терморегулирования (в 2-х местах: на приборном отсеке и на контейнере с блоками электропитания);

- антенны командно-траекторные;

- системы отделения (которые также находятся в двух местах: между спускаемым аппаратом и приборным отсеком и между спускаемым аппаратом и ХИТ);

- шаробаллоны с азотом (для РД ориентации);

- тормозной пороховой двигатель;

- двигатели системы ориентации и коррекции.

Спутники «Фотон» выводились на орбиту трёхступенчатой ракетой-носителем «Союз У» с военного космодрома Плесецк. Аппаратура для проведения исследований в СА КА ФОТОН-9 состоит из комплекса бортовых технических средств (КБТС) и контейнера "Биопан". В комплекс КБТС входят:

•   технологические установки УЗ04МН и УЗ04МН1 ("Зона-4МН"), на которых проводят в условиях микрогравитации эксперименты по получению полупроводниковых материалов методом бестигельной зонной плавки (российско-французский эксперимент "Гезон");

•    автоматическая установка УК02М, предназначенная для проведения в условиях невесомости экспериментов по получению оптических стекол методами объемной и направленной кристаллизации и объемного затвердевания;

. автоматическая электрофоретическая установка АЗУ02К, которая осуществляет очистку и разделение на фракции биологически активных веществ при помощи электрофоретических методов;

•    система вакуумирования СВ, предназначенная для сообщения (разобщения) внутренних полостей установок с космическим вакуумом;

•    система измерений ускорений СИУ01, которая проводит измерения виброускорений по трем взаимоперпендикулярным осям при проведении технологических экспериментов.

Также на ФОТОН-9 как и на других аппаратах серии «ФОТОН» размещена иностранная аппаратура.

Старт и выведение спутника выполнялись по следующей циклограмме:

- разделение ферм обслуживания;

- выдача предстартовых команд;

- старт;

- отделение І ступени РН (на 120 сек. после старта);

- отделение II ступени РН (на 290 сек. после старта)

- отделение КА от III ступени РН и выход его на околоземную орбиту (на 530 сек).

2.Спускаемый аппарат СА: назначение, конструкция, циклограмма спуска(приземление).

После завершения программы полёта длительностью 13÷16 суток на эллиптической орбите (с Перигеем 220км и Апогеем 400км) КА ориентировался в строго заданном направлении и в расчетное время включалась тормозной ракетный двигатель твердого топлива, сообщающий тормозной импульс КА. Затем следует разделение отсеков и включается в работу парашютная тормозная система, которая срабатывает в следующем порядке:

1  этап: отстрел крышки парашютного отсека с выводом вытяжного парашюта и последующей сразу расчековкой тормозного парашюта. Это происходит на скорости приблизительно 200 м/сек;

2 этап: спуск на тормозном парашюте до скорости 90 м/сек, до высоты 3 км;

3 этап: отделение тормозного и выпуск основного парашюта, снижение на рифлёном основном парашюте;

4 этап: разрифление основного парашюта и спуск до V = 10 м/сек;

5 этап: включение двигателей мягкой посадки, при этом скорость СА уже 3 м/сек.

В случае приводнения СА производится выпуск и наполнение газом мешка плавучести.

Следует отменить, что при возвращении на Землю на значительные части траектории СА движется со сверхзвуковой скоростью, отсюда - наличие головной ударной волны, которая приводит к повышению температуры в сжатом слое до 5,5 тыс. градусов °С; очевидно, что для сохранения целостности СА, требуется его серьёзная теплозащита. Наружное теплозащитное покрытие изготавливается методом вакуумного прессования аблирующего материала на основе асбоволокна, стекло- и кварцевого волокна, пропитанного смолой. Этот слой испаряется и газы вводятся в пограничный слой, отводя тепло от корпуса СА.

Кроме того, внутренняя поверхность СА также обклеивается теплоизоляцией, что исключает переохлаждение внутреннего объёма на орбите, а также является защитным слоем при нагреве корпуса.

3. Двигательные установки КА «ФОТОН»

На космических аппаратах установлено несколько типов двигателей, которые выполняют различные функции:

-  корректирующие ДУ, создающие импульс тяги для изменения скорости полёта КА;

- тормозные двигатели, обеспечивающие сход с орбиты спасательного аппарата (как правило, это твёрдотопливные двигатели);

-  двигатели ориентации и стабилизации многоразового запуска;

-  двигатели «мягкой» посадки при приземлении.

Многоразовые ЖРД отличаются от одноразовых наличием узлов, многократного срабатывания, обеспечивающих многократный запуск двигателя, в то время как разгонные двигатели, установленные в ступенях РН оснащённого узлами ПГС (пневмо-гидросистема) одноразового срабатывания (пироузлами).

Схема МЖРД представлена на рисунке.

Здесь применяется вытеснительная система подачи топлива в камеру сгорания. Топливные баки горючего 7 и окислителя 8 размещены в ёмкостях в виде сферы с перегородкой; в каждом топливном объёме размещены эластичные мешки, в которые при запуске из баллонов подаётся вытеснительный газ (азот), который по мере наполнения мешков вытесняет компоненты в камеру сгорания.

При каждом запуске открываются электро-пневмоклапаны подачи газа в полости баков О и Г. Давление в топливных объемах повышается и при достижении давлением расчетной величины, обеспечивающей запуск двигателя по команде от следящих сигнализаторов давления открываются пневмоклапаны подачи топливных компонентов в К.С. Как правило, в этих двигателях применяются самовоспламеняющиеся топливные пары О и Г. Для выключения двигателя после выполнения задачи, двигатель выключается подачей командного электрического сигнала на клапаны подачи азота в топливные полости и топливные клапаны. Закрытие этих клапанов приводит к выключению К.С. Двигатель готов к следующему запуску.

4. Космические аппараты нового поколения: «ФОТОН-М»: особенности, назначение; результаты исследований

Все КА «Фонтон», запускаемые до 1999 года, не имели системы жизнеобеспечения, поэтому биологические эксперименты проводились только с биообъектами, не требующими

значительного потребления кислорода и очистки атмосферы.

Спутники новой серии «Фотон М» оборудованы более совершенной системой терморегулирования, обеспечивающей температуру газовой среды внутри СА в диапазоне +10-^30 °С. Кроме того, доработка конструкции спутника при примерно одинаковой массе «Фотона» и «Фотона М», равная 6500 кг, привела к увеличению массы СА с 700 кг до ~ 2500 кг.

Это позволило, помимо технологических исследований, обеспечивать проведение биологических экспериментов по фундаментальной биологии и радиационной дозиметрии.

Первый КА «Фотон М1» стартовал 15 октября 2002 года с космодрома Плесецк. На его борту помимо, оборудования для продолжения ранее начатых экспериментов, впервые были размещены биологические объекты: тритоны, гекконы и кубинские раки.

К сожалению, на 29 секунде старта в ракете носителе появился дым, она упала на расстоянии 1-го км от стартовой площадки и взорвалась с такой силой, что даже привело к повреждению стартового комплекса, пострадали люди, находящиеся в оцеплении (один солдат погиб). Благодаря неагрессивным компонентам, используемым на борту РН (кислород и керосин), экономический урон, нанесённым взрывом был минимален.

Несмотря на катастрофу 13 стран, участвующих в проекте «Фотон М1», вызвали готовность продолжить эксперимент на следующих КА этой серии. В процессе изготовления нового КА и РК было вынесено решение по переносу запусков КА «Фотон» с космодрома Плесецк на «Байконур», в связи с тем, что в это время началась реализация программы «Ангара» в Плесецке и места для старта «Союза» не хватало.

КА «Фотон М2» был выведен на орбиту 31 мая 2005г. РН «Союз», стартовавшим с космодрома «Байконур». Кроме 20-ти экспериментов по биологии, физике и материаловедению для европейских заказчиков, отрабатывалась технология получения высокочистых лекарственных препаратов для лечения вирусных и опухолевых заболеваний. В космос также были отправлены микроорганизмы, а также гекконы, тритоны, виноградные улитки и скорпионы; у тритонов удалили хвост и сетчатку глаза с целью сравнения скорости регенерации организмов в невесомости и на Земле; специальная аппаратура собирала информацию о состоянии атмосферы вокруг поверхности «Фотона».

В 2007 году третий КА «Фотон М» был выведен на орбиту ракетоносителем «Союз» с космодрома «Байконур». На его борту было размещено много биологических объектов: 12 мышей-песчанок, 20 тритонов, 5 ящериц, 20 улиток, 54 таракана, а также бабочки тутового шелкопряда и множество микроорганизмов.

Потомство тараканов, побывавших в космосе развилось быстрее «наземных» собратьев; мыши-песчанки оставались активными на всех этапах полета, но они не пережили приземления и их усыпили.

Членистоногие тихоходки, размером от 1 до 1,5 мм, подвергались воздействию вакуума (открытие заслонки), ультрафиолетового облучения и низкой температуры; большинство выжило. Изучение способностей живых систем

выдерживать губительное воздействие космоса является важной основой для организации дальних космических полетов.

5. Специальная разработка: построение циклограммы приводнения СА

К неудаче полета КА «Фотон М3» следует отнести эксперимент с организацией «космической почты» в виде капсулы с результатами эксперимента, которая в определенной точке должна была отделиться от КС и спуститься на Землю с помощью 30-ти километрового разматываемого троса из синтетического волокна. К сожалению, трос стал разматываться со скоростью намного меньшей, чем расчетная и вышел только на 5-ти километровую длину; в результате чего трос был срезан, и капсула затерялась в пространстве, став неуправляемой.

С учетом того, что ударная нагрузка действующая на СА при приземлении, в 4 раза превышает нагрузку, действующую при приводнении, мы предлагаем установить на СА систему, обеспечивающую его приводнение. Отделение СА происходит на высоте 4 тыс. м., затем выстреливается вытяжной парашют, который, в свою очередь, своими вытяжными стропами освобождает из замка основной парашют; происходит торможение СА; на высоте 1 тыс. м. выпускается мешок плавучести, который заполняется воздухом и при контакте СА с водной поверхностью не допускает глубокого его погружения в жидкость.

В расчетной части был проведен расчет объема мешка плавучести, а также давление газа в шаробаллонах.

6. Расчёт объёма мешка плавучести и давления газа в шаробаллонах

Определяем давление заправки баллона

Определение выталкивающей силы (илл. 1).

Условием равновесия тела в некоторой системе отсчета является равенство равнодействующих, всех приложенных к телу сил: ∑ Fi = На СА, находящийся в воде действует сила (FA) при условии, если мешок плавучести надут.

Определение объема мешка плавучести (илл. 2).

При расчете полагаем что он на 2/3 объёма погружен в воду.

Определение давления в шар-баллонах (илл. 3).

(принимаем количество шар-баллонов равным 4 и их диаметр 0,3м).

Если при выходе газа из одного состояния в другое состояние масса его не меняется, то из уравнения газового состояния Менделеева – Клайперона

Заключение

В дальнейших планах федеральной космической программы до 2015 года намечено выполнить 3 запуска КА на базе спутника «Бион М» - очень близкого по конструкции к «Фотонам М». Исследование космического пространства продолжается.