RU2612474C1

RU2612474C1 - Protection method of spacecraft from static electricity and device for its implementation

Info

Publication number: RU2612474C1
Application number: RU2015143660A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Горовцов; Евгений Николаевич Кузин; Вячеслав Петрович Макаров; Наталья Николаевна Бабич
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина"
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-03-09

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: group of the inventions relates to the methods and means for protection of the spacecraft (SC) on-board equipment, as well as the flight crews of the manned spacecrafts (stations). The method includes aircraft bonding of the equipment so that the units and hardware (1) of the spacecraft service systems are output to one bus bar (2), and the complex (5) of the purpose and/or scientific hardware - to the other bus bar (4). The bus bars are output to the bodies of the two spacecraft parts isolated from each other with the non-conductive truss and/or the adapter module (3). The bus bar ends are attached to the high-value capacitor plates (6). Upon reaching certain potential difference, fixed by the voltmeter (7), on the plates, the on-board control system gives a command, through the starting relay (10), for the capacitor discharge on the active resistance (8). The heat generated therein is abstracted by means of heat conductors and/or the grooves - air ducts (9) to the radiator-emitter (11) and from it - into the surrounding area.

EFFECT: methods and means for protection of the on-board equipment, which increase the reliability and life expectancy of the spacecraft on-board equipment, and the safety of the flight crews of the manned spacecraft.

2 cl; 1 dwg

Description

Изобретение относится к области обеспечения надежного функционирования бортового оборудования (агрегатов, устройств), служебной и целевой аппаратуры космических аппаратов (КА) всех типов как пилотируемых, так и автоматических, а также обеспечения безопасности полетов экипажей космических и орбитальных кораблей, орбитальных станций и т.д. Может быть применимо к ракетным (разгонным) блокам и к другим видам летательных аппаратов, совершающих полет в верхних сильно разреженных слоях атмосферы (ионосфере, экзосфере).The invention relates to the field of ensuring the reliable functioning of airborne equipment (units, devices), service and target equipment of spacecraft (SC) of all types, both manned and automatic, as well as ensuring the safety of crews of space and orbital ships, orbital stations, etc. . It can be applied to rocket (booster) blocks and to other types of aircraft flying in the upper highly rarefied layers of the atmosphere (ionosphere, exosphere).

Одной из серьезнейших конструктивных проблем, с которой приходится сталкиваться разработчикам КА, является защита бортового оборудования, элементов конструкций, экипажей (для пилотируемых кораблей и станций) от статического электричества, которое может накапливаться в течение длительных полетов, особенно на околоземных орбитах, до больших потенциалов [Космические аппараты/Под общ. ред. К.П. Феоктистова. - М.: Воениздат, 1983 (Ракетно-космический комплекс), с. 35-36; Инженерный справочник по космической технике / Под ред. А.В. Солодова. - Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Воениздат, 1977, с. 33-34]. При движении по орбите КА проходит пояса со скоплением заряженных частиц и через потоки свободных электронов и протонов. Совместное воздействие корпускулярной и коротковолновой радиации, а также взаимодействие КА с окружающей его плазмой вызывает появление так называемого поверхностного заряда [Космические аппараты / Под общ. ред. К.П. Феоктистова. - М.: Воениздат, 1983 (Ракетно-космический комплекс), с. 35-36]. Распределение потенциала на КА в принципе неравномерно, так как зависит от соотношения потока фотоэлектронов, испускаемых поверхностью, освещенной Солнцем, приходящегося на КА потока электронов и ионов плазмы космического пространства и вторичной электронной эмиссии, вызываемой энергичными электронами, а также от внешней конфигурации КА и свойств его материалов. Возникновение поверхностного заряда, влияние его на работу систем КА и меры его «нейтрализации» на сегодняшний день изучены, к сожалению, мало. В подтверждение тому можно отметить, что впервые в мировой практике космических исследований только на российском КА «Электро-Л» №1, запуск которого состоялся в январе 2011 года, в состав модуля служебных систем была включена система контроля электризации (СКЭ), предназначенная для сбора и обработки данных о параметрах электроизоляции КА с целью оценки эффективности использования применяемых способов защиты служебной аппаратуры, элементов конструкции КА и целевой аппаратуры от вредного воздействия статического электричества [Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований / Под общ. ред. Д.т.н., проф. Г.М. Полищука и д.т.н., проф. К.М. Пичхадзе. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010, с. 562-563]. Однако сегодня уже с большей степенью достоверности можно предполагать, что это явление стало причиной неоднократно зафиксированных случаев ложного срабатывания электронных систем (особенно построенных на элементах микроэлектроники), ухудшения характеристик терморегулирующих поверхностей на искусственных спутниках Земли, работающих на синхронной орбите, где они могут заряжаться, как отмечалось выше, до весьма высоких потенциалов, искажения измерений, получаемых научной аппаратурой (например, данных регистрации электростатических полей и концентрации частиц малых энергий), возникновения нежелательных последствий из-за разницы поверхностных потенциалов при стыковке космических кораблей (КК), находившихся в длительном автономном полете, возвращении на КК или орбитальную станцию членов экипажа, длительное время находившихся за их пределами, или при переходе членов экипажа на другой корабль и т.п.One of the most serious design problems that spacecraft developers have to deal with is the protection of on-board equipment, structural elements, crews (for manned ships and stations) from static electricity, which can accumulate over long flights, especially in low Earth orbits, to great potentials [ Spacecraft / Under the general. ed. K.P. Feoktistova. - M .: Military Publishing, 1983 (Rocket and Space Complex), p. 35-36; Engineering Reference for Space Technology / Ed. A.V. Solodova. - Ed. 2nd, rev. and additional - M: Military Publishing House, 1977, p. 33-34]. When moving in the orbit of the spacecraft, belts with an accumulation of charged particles and through the flows of free electrons and protons pass. The combined effect of corpuscular and short-wave radiation, as well as the interaction of the spacecraft with the plasma surrounding it, causes the appearance of the so-called surface charge [Spacecraft / Ed. ed. K.P. Feoktistova. - M .: Military Publishing, 1983 (Rocket and Space Complex), p. 35-36]. The potential distribution on the SC is uneven in principle, since it depends on the ratio of the flow of photoelectrons emitted by the surface illuminated by the Sun, the flow of electrons and plasma ions in outer space and the secondary electron emission caused by energetic electrons, and also on the outer configuration of the SC and its properties materials. The emergence of a surface charge, its effect on the operation of spacecraft systems and measures of its "neutralization" to date, unfortunately, are little studied. In support of this, it can be noted that for the first time in the world practice of space research, only on the Russian spacecraft Elektro-L No. 1, which was launched in January 2011, the electrification control system (SCE), intended for collecting and processing data on the parameters of the electrical insulation of the spacecraft in order to assess the effectiveness of the use of the applied methods of protecting office equipment, structural elements of the spacecraft and target equipment from the harmful effects of static electricity [Avtomatich spacecraft for fundamental and applied scientific research / Ed. ed. Prof. Dr. G.M. Polishchuk and Doctor of Technical Sciences, prof. K.M. Pichkhadze. - M .: Publishing house MAI-PRINT, 2010, p. 562-563]. However, today, with a greater degree of certainty, it can be assumed that this phenomenon has caused repeatedly recorded cases of false triggering of electronic systems (especially those built on microelectronic components), deterioration of the characteristics of temperature-controlled surfaces on artificial Earth satellites operating in synchronous orbit, where they can be charged as noted above, to very high potentials, distortion of measurements obtained by scientific equipment (for example, electrostatic registration data fields and concentration of low-energy particles), the occurrence of undesirable consequences due to the difference in surface potentials when docking spacecraft (SC) that were in a long autonomous flight, when crew members who were outside them for a long time returned to the spacecraft or orbital station, or during transition crew members to another ship, etc.

Известен и широко применяется практически на всех летательных аппаратах (ЛА) способ защиты бортового оборудования и элементов конструкции от статического электричества металлизацией [Авиация: Энциклопедия / Гл. ред. Г.П. Свищев. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994]. Суть его состоит в соединении токопроводящими деталями элементов конструкции, аппаратуры и агрегатов ЛА для обеспечения между ними надежного электрического контакта. Все элементы конструкции и бортового оборудования соединяют «в общую массу» на внешней поверхности (корпусе) ЛА. Для выполнения металлизации оборудования (аппаратуры, узлов, агрегатов) используют гибкие проводники-перемычки, шины; для металлизации элементов конструкции - перемычки, заклепки, болты, хомуты и т.д. Вся служебная и целевая аппаратура через перемычки и шины «заземляется» на корпус ЛА.Known and widely used on almost all aircraft (LA) is a method of protecting airborne equipment and structural elements from static electricity by metallization [Aviation: Encyclopedia / Ch. ed. G.P. Svishchev. - M .: Big Russian Encyclopedia, 1994]. Its essence consists in connecting conductive parts of structural elements, equipment and aircraft components to ensure reliable electrical contact between them. All structural elements and on-board equipment are connected “to the total mass” on the outer surface (body) of the aircraft. To perform metallization of equipment (equipment, components, assemblies) use flexible jumpers, busbars; for metallization of structural elements - jumpers, rivets, bolts, clamps, etc. All service and target equipment through jumpers and buses is “grounded” on the aircraft body.

Данный способ, успешно применяемый на всех типах самолетов, где отводимый на корпус самолета заряд статического электричества с помощью специальных устройств «стекает» в окружающее воздушное пространство, является мало эффективным для КА, осуществляющих полет в безвоздушном пространстве.This method, successfully used on all types of airplanes, where the static electricity charged to the airplane’s hull “drains” into the surrounding airspace using special devices, is not very effective for spacecraft flying in airless space.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка эффективного способа защиты агрегатов и аппаратуры КА от статического электричества с «нейтрализацией» поверхностного заряда.The task to be solved by the claimed invention is directed is the development of an effective method for protecting spacecraft components and equipment from static electricity with "neutralization" of the surface charge.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении надежности и живучести бортовых агрегатов, устройств, систем, аппаратуры КА различного назначения, а дополнительно - в повышении безопасности экипажей пилотируемых аппаратов.In the implementation of the invention, the task is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the reliability and survivability of onboard units, devices, systems, spacecraft equipment for various purposes, and additionally in improving the safety of crews of manned vehicles.

Указанный технический результат по объекту - «способ» достигается тем, что шины металлизации отдельно агрегатов и аппаратуру служебных систем с одной стороны и комплекса целевой аппаратуры с другой выводят на корпуса двух изолированных друг от друга фермой и/или переходным отсеком из электроизоляционного материала (например, стекло или органопластика) частей космического аппарата, концы шин подсоединяют к обкладкам электрического конденсатора большой емкости, разряжаемого по достижении определенной разности потенциалов на омическое (активное) сопротивление; выделившуюся на нем тепловую энергию через штатные элементы системы обеспечения теплового режима или системы терморегулирования космического аппарата отводят в окружающее пространство.The indicated technical result for the object - the “method” is achieved by the fact that the metallization tires of the individual units and the service system equipment on the one hand and the target equipment complex on the other are brought to the housings of two isolated from each other farm and / or transition compartment from an insulating material (for example, glass or organoplastics) of the parts of the spacecraft, the ends of the buses are connected to the plates of a large-capacity electric capacitor, discharged when a certain potential difference is reached by ohmic (Active) resistance; the thermal energy released on it through the standard elements of the thermal regime support system or the spacecraft thermal control system is diverted to the surrounding space.

Указанный технический результат по объекту - «устройство» достигается тем, что устройство для защиты бортового оборудования и аппаратуры КА от статического электричества содержит две шины металлизации с выведенными на них отдельно корпусами агрегатов и приборов служебных систем на одну шину и корпусами целевой аппаратуры на другую, конденсатор большой емкости, высокоомный вольтметр, омическое сопротивление, пусковое реле включения сопротивления в электрическую цепь, либо теплопроводы на базе аксиальных или контурных тепловых труб, либо желоба-воздуховоды и космический радиатор-охладитель.The specified technical result for the object - “device” is achieved by the fact that the device for protecting the onboard equipment and the spacecraft equipment from static electricity contains two metallization buses with separately housed units of units and devices of service systems on one bus and the bodies of the target equipment on the other, a capacitor high-capacity, high-resistance voltmeter, ohmic resistance, start relay for switching resistance into an electric circuit, or heat pipes based on axial or contour heat pipes, l for gutters, ducts and space radiator-cooler.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектовых изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявляемых объектов группы - устройство предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - способа защиты бортового оборудования и аппаратуры космического аппарата от статического электричества. При этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.The claimed group of inventions meets the requirement of the unity of inventions, since the group of diverse inventions forms a single inventive concept, moreover, one of the claimed objects of the group - the device is designed to implement another claimed object of the group - a method of protecting onboard equipment and equipment of the spacecraft from static electricity. In this case, both objects are aimed at solving the same problem with obtaining a single technical result.

Между существенными признаками изобретения и заявленным техническим результатом существует причинно-следственная связь.Between the essential features of the invention and the claimed technical result, there is a causal relationship.

Изобретение поясняется приведенной на чертеже принципиальной схемой защиты оборудования и аппаратуры КА от статического электричества, с помощью которой реализуется заявленный способ и устройство, где 1 - корпуса агрегатов и приборов служебных систем; 2 - шина металлизации комплекса служебных систем; 3 - ферма или перекидной отсек из электроизоляционного материала; 4 - шина металлизации комплекса целевой аппаратуры; 5 - корпуса комплекса целевой аппаратуры; 6 - электрический конденсатор большой емкости; 7 - высокоомный вольтметр; 8 - омическое сопротивление; 9 - теплопровод и/или желоб-воздуховод; 10 - пусковое реле включения сопротивления; 11 - радиатор-охладитель.The invention is illustrated in the drawing by the schematic diagram of the protection of the spacecraft equipment and apparatus from static electricity, with the help of which the claimed method and device is implemented, where 1 - housing units and devices of service systems; 2 - bus metallization complex service systems; 3 - a farm or a cross over compartment from an insulating material; 4 - bus metallization complex target equipment; 5 - housing complex target equipment; 6 - electric capacitor of large capacity; 7 - high resistance voltmeter; 8 - ohmic resistance; 9 - heat conduit and / or air duct; 10 - starting relay enable resistance; 11 - radiator-cooler.

Способ посредством устройства осуществляется следующим образом.The method by means of the device is as follows.

Электростатические заряды с корпусов агрегатов и приборов служебных систем 1 или с корпусов комплекса целевой аппаратуры 5 по соответствующим шинам металлизации 2 или 4 стекают на обкладки электрического конденсатора большой емкости 6. При накоплении определенной разности потенциалов на обкладках конденсатора 6 по сигналу высокоомного вольтметра 7 бортовая система управления КА запитывает обмотку пускового реле 10, которое своими контактами подключает к конденсатору 6 омическое сопротивление 8. В результате разряда конденсатора 6 на резистор 8 на корпусе последнего выделяется тепло, которое с помощью штатных элементов системы обеспечения теплового режима КА - теплопроводов на базе тепловых труб и/или желобов-воздуховодов 9 отводится на радиатор-охладитель 11, расположенный на теневой стороне космического аппарата.Electrostatic charges from the enclosures of the units and devices of the service systems 1 or from the enclosures of the complex of the target equipment 5 through the corresponding metallization buses 2 or 4 flow onto the plates of the electric capacitor 6. With the accumulation of a certain potential difference on the plates of the capacitor 6 by the signal of the high-resistance voltmeter 7, the onboard control The SC feeds the winding of the start relay 10, which with its contacts connects the ohmic resistance 8 to the capacitor 6. As a result of the discharge of the capacitor 6 on the wire Side 8, heat is released on the body of the latter, which is transferred to the radiator-cooler 11 located on the shadow side of the spacecraft using standard elements of the spacecraft’s thermal regime - heat pipes based on heat pipes and / or air ducts 9.

Цикл накопления заряда статического электричества на обкладках конденсатора 6 с последующим разрядом его на омическое сопротивление 8, выделением на поверхности его тепла и отводом последнего через радиатор-охладитель 11 в окружающее пространство повторяется многократно, что исключает накапливание поверхностного заряда на корпусе КА и гарантированно защищает бортовые агрегаты, аппаратуру от сбоев в работе и полного выхода их из строя. Одновременно с этим существенно снижается опасность поражения членов экипажа космического корабля (станции) статическим электричеством.The cycle of accumulation of a charge of static electricity on the plates of the capacitor 6, followed by its discharge to the ohmic resistance 8, the release of heat on the surface of the latter and the removal of the latter through the radiator-cooler 11 into the surrounding space is repeated many times, which eliminates the accumulation of surface charge on the spacecraft’s body and guarantees the protection of on-board units , equipment from malfunctions and their complete failure. At the same time, the risk of damage to the crew of the spacecraft (station) by static electricity is significantly reduced.

Claims

1. A method of protecting a spacecraft from static electricity, including metallization of all units, equipment and the spacecraft’s body, as well as collecting, measuring, transferring the accumulated surface charge into thermal energy and dissipating it in outer space, characterized in that the equipment of service systems metallized on one bus, and the complex of target and / or scientific equipment - on another bus, displayed on the hull of two parts of the spacecraft, isolated from each other by a non-conductive rm and / or transition compartment, and both buses are connected to the plates of a large-capacity electric capacitor, discharged automatically upon reaching a certain potential difference, on command from the control system, to the ohmic resistance with the release of the last heat on the surface, which is removed through the radiator-cooler to the surrounding space.

2. A device for protecting the spacecraft from static electricity, including metallization buses, characterized in that its design includes a large-capacity electric capacitor, onto the plates of which are metallized buses of a complex of service systems and target equipment, respectively, a high-resistance voltmeter connected in parallel with the capacitor and issuing signal through the on-board control system to the start relay, which includes ohmic resistance, heat conduit and / or and a groove-duct, as well as a space radiator-cooler.