Загадочный узор полей ускорений

МКС уже достаточно долго эксплуатируется на орбите, ее первый модуль "Заря" проработал более 10 лет.
Фото NASA

Космический эксперимент «Идентификация» связан с анализом телеметрической информации по ускорениям, замеряемым на Международной космической станции (МКС). Об этой работе рассказывает начальник отдела Центра прикладных исследований ЦНИИмаш, доктор технических наук, профессор Анатолий Лиходед.

– Анатолий Иванович, идея эксперимента «Идентификация» имеет связь с нештатными ситуациями, возникавшими еще на станции «Мир»?

– В значительной мере. Грузовой корабль «Прогресс» задел ее модуль «Спектр», а при нештатных стыковках были удары по шпангоутам стыковочных узлов – все это заставило задуматься об оценке последствий таких событий для конструкции.

Дело в том, что для всех элементов орбитальной станции (ОС) есть определенные ограничения по допускаемым нагрузкам. Поэтому в свое время для станции «Мир» специалистами РКК «Энергия» и ЦНИИмаш впервые была сделана попытка реконструкции ударного воздействия и динамических нагрузок при нештатной ситуации. К сожалению, тогда телеметрическая информация была достаточно ограниченной, в основном ориентировались на показания датчиков угловых скоростей. По ним, восстанавливая динамику движения, с большим трудом удалось оценить силовые факторы в элементах конструкции.

Когда составлялась программа эксперимента «Идентификация» для МКС, основной задачей являлась разработка методологии оценки условий нагружения по замеряемой на борту телеметрической информации. Но была и другая задача – контроль уровня микрогравитации на борту МКС.

– Как с нештатными ситуациями на МКС?

– Пока обходилось. Нештатных ситуаций, подобных имевшим место на орбитальной станции «Мир», хотелось бы принципиально избежать, хотя «мелкие» неприятности типа автоколебаний уже имели место. Для оценки степени опасности тех или иных динамических воздействий необходимо иметь надежную и достаточно полную информацию по ускорениям. К сожалению, анализ телеметрии по ускорениям показал, что действующая на станции измерительная система не полностью отвечает современным требованиям.

За годы, прошедшие со времени запуска первого модуля МАКС «Заря», произошел огромный скачок в развитии информационных, регистрирующих и телекоммуникационных систем. Поэтому измерительную систему по ускорениям необходимо существенно модернизировать. Компактность современных запоминающих устройств с большими объемами памяти дает реальную возможность вести постоянный мониторинг ускорений. Наличие надежной системы измерений полей ускорений позволит объективно оценивать степень опасности возможных нештатных ситуаций, связанных с динамическими воздействиями на МКС. Ну а на первое место по актуальности в настоящее время выходят возлагаемые на эксперимент «Идентификация» вопросы контроля расходования ресурса конструкции.

– Что вы имеете в виду?

– Модули находятся под давлением, подвержены регулярным динамическим воздействиям – от работы системы управления, стыковок-расстыковок, внутри- и внекорабельной деятельности космонавтов... Это означает, что элементы конструкции станции подвергаются регулярным циклическим нагрузкам, действие которых усугубляется наличием постоянного внутреннего давления в гермообъемах модулей. В связи с этим существует проблема прочностного ресурса конструкции МКС, и по мере эксплуатации станции эта проблема обостряется.

Очевидно, что силовой корпус станции – незаменяем, и, если с ним что-то произойдет, это будет означать выход из строя всей станции. Так что вопрос прочностного ресурса – очень важен.

– И каково может быть решение этой проблемы?

– Надо идти с двух сторон. С одной стороны, в наземных условиях отрабатывать фактический ресурс. Это и делается. Все модули проходят наземные циклические испытания. Однако, как правило, испытания проводятся на некоторые эквивалентные нагрузки – изгибающий момент или момент с осевой силой. С другой стороны, необходимо учитывать, что на орбите действует широчайший диапазон знакопеременных внешних воздействий по амплитудному уровню и спектральному составу от всевозможных динамических операций.

Ключевая задача состоит в том, чтобы при расчетах нагрузок мы не ошиблись в значениях самих уровней нагрузок. А экспериментально уровни можно проконтролировать только на основе телеметрических данных по ускорениям. В этом плане, выходит, что сейчас акцент эксперимента «Идентификация» смещается – его проведение дает возможность контролировать расходование ресурса.

– А как ведется оценка ресурса?

– Это отдельная большая работа специалистов ЦНИИмаш, РКК «Энергия» и КБ «Салют». На основе телеметрических данных и результатов моделирования, получаемых в процессе эксплуатации МКС, определяются фактические внешние силовые функции от стыковок орбитальных кораблей «Прогресс», «Союз» и шаттлов, работы управляющих органов в различных режимах и т.д., действующих на МКС.

С использованием исходных данных по внешним воздействиям и математической модели проводится расчет временных зависимостей силовых факторов во всех критических элементах модулей МКС. Для этого создан мощный программный комплекс, позволяющий сводить все многообразие спектров орбитального циклического нагружения МКС через напряженное состояние к испытательным нагрузкам, на которые отрабатывался ресурс модулей.

Важное звено в этой работе – контроль достоверности расчетов временных зависимостей силовых факторов, который осуществляется путем сопоставления расчетных и замеряемых на станции ускорений. Поэтому замеряемые ускорения, используемые в рамках нашего эксперимента, оказываются ключевыми для контроля расходования ресурса.

– Получается, что эксперимент «Идентификация» – это способ контролировать надежность оценки ресурса станции?

– Причем наиболее эффективный. Мы убедились, что упомянутая выше расчетная модель МКС имеет некоторые недостатки и упрощения.

Дело в том, что станция – объект грандиозный по масштабам и разнообразию элементов, сложный в конструктивном и динамическом плане. Ее конструкция имеет большое количество разнородных и разножестких составных элементов – гибкие солнечные батареи, стыковочные узлы, оболочечные модули, ферменные конструкции и т.п. Поэтому одной из основных задач, обеспечивающих надежность определения нагрузок и расходования ресурса, которые должны решаться в рамках эксперимента «Идентификация», является уточнение расчетной динамической модели МКС. Особенно это важно для решения обратной задачи – восстановления внешних сил по замерам ускорений.

Кроме того, наличие информации по полям ускорений всей международной станции с учетом возможностей решения обратных задач позволит разработать альтернативную методику оценки расходования ресурса конструкции МКС непосредственно по записям временных процессов по ускорениям. Если бы при этом удалось договориться с зарубежными партнерами о единой системе измерения ускорений по всей международной станции, то в результате была бы получена более полная информация по динамике конструкции МКС и существенно повысились бы возможности и точность контроля спектров нагружения, а соответственно и расходования ресурса.

Эти знания предопределяют сроки безопасной эксплуатации конструкции МКС. Поэтому работы в рамках космического эксперимента «Идентификация» позволяют гарантировать фактический спектр нагружения, а в ряде случаев и выявить резерв ресурса.