Ученые из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН исследовали негативное воздействие продуктов сгорания двигателей, отвечающих за ориентацию Международной космической станции на орбите, сообщает издание «Наука в Сибири». Специалистам уже удалось при помощи модельных экспериментов разработать специальные экраны, уменьшающие загрязняющий эффект от выхлопных струй. На следующем этапе планируется провести аналогичную работу для других режимов включения двигателей.
Истечение пристенной пленки этанола, подкрашенного ксантеновым красителем Родамин 6Ж, из сверхзвукового сопла в вакуум с подсветкой по методу «лазерного ножа». Именно такие обратные потоки капельной фазы являются основной причиной загрязнения от работы двигателей ориентации МКС
МКС — один из наиболее сложных и дорогих инженерных проектов за всю историю человечества. Эта пилотируемая орбитальная станция с 1998 года и по настоящее время постоянно находится в космосе и используется как многоцелевой исследовательский комплекс. Ее вес составляет около 420 тонн, а размеры — 109х73 метра — превышают футбольное поле. Для сборки МКС потребовались десятки космических запусков, произведенных госкорпорацией «Роскосмос» и NASA, и более 150 выходов космонавтов и астронавтов в открытый космос.
Станция построена по модульному принципу, всего их 15 — российские, американские, европейский и японский. Огромное космическое сооружение необходимо поддерживать, ориентировать в определенном положении относительно нашей планеты, кроме того, иногда возникает необходимость уклониться от космического мусора или поменять орбиту в других целях. Для решения перечисленных задач существует система ориентации и управления космической станцией. Она состоит из нескольких компонентов. На американском сегменте установлены четыре силовых гироскопа — гиродина (вращающееся инерциальное устройство, применяемое для высокоточной стабилизации и ориентации). Такие устройства не засоряют космос, не расходуют топливо и работают полностью от электричества, вырабатываемого с помощью солнечных батарей. Однако их возможности ограничены: они могут только незначительно корректировать курс МКС, но для изменения орбиты и уклонения от космического мусора их мощности недостаточно. Поэтому для осуществления подобных маневров на российском сегменте установлена система жидкостных ракетных двигателей, более эффективная для решения задач по перемещению станции, но являющаяся причиной загрязнения поверхности МКС и расходующая запасы топлива. Таким образом, на космическом сооружении сформирован определенный принцип работы: в обычном режиме используются электрические гиродины, но периодически включаются двигатели ориентации на российском сегменте.
Существуют различные типы двигателей, используемых для ориентации космических аппаратов. На небольшие и легкие, например, спутники, устанавливают электрические ракетные двигатели. На борту есть запас газа, который ионизируется и ускоряется, после чего полученная плазма выбрасывается из сопла и создается тяга (импульс). В итоге спутник может повернуться или начать движение в заданном направлении. Однако такие двигатели имеют небольшую тягу и не могут решить задачи управления МКС. Поэтому для космических станций обычно используются жидкостные ракетные двигатели малой тяги, работающие на двухкомпонентном топливе: окислитель (амил) и горючее (гептил) при соединении воспламеняются, потом высокотемпературные продукты сгорания через реактивное сверхзвуковое сопло выбрасываются в космос и создают тягу. Чтобы двигатель не сгорел, необходимо охлаждать его корпус, поэтому вдоль стенок подается пленка из топлива. В итоге в космос выбрасываются струя газа и часть пристенной пленки, которая доходит до выходной кромки сопла. Проблема в том, что компоненты топлива являются химически агрессивными и крайне токсичными веществами — загрязняется всё, что попадает в поле течения выхлопных струй. Но самое опасное - если продукты сгорания остаются на внешней поверхности станции и в дальнейшем могут попасть на скафандры космонавтов. Занесение подобной грязи в жилой отсек представляет большую опасность для экипажа. Когда в космосе работала предшественница МКС — станция «Мир», проблеме загрязнения внешней поверхности станции струями двигателей не уделяли должного внимания. Но во время строительства новой Международной космической станции с американской стороны последовало предложение минимизировать негативное воздействие двигателей управления на внешнюю поверхность станции, тем самым устранить риски для оборудования станции и астронавтов. Были разработаны специальные меры предосторожности при работе в открытом космосе. Поскольку вся внекорабельная деятельность запланирована наперед на многие месяцы, а иногда и годы, существует запрет на включение двигателей до определенного момента. «Если известно, что на каких-то частях станции вблизи двигателей должен работать космонавт, то за несколько месяцев до этого момента нельзя включать ближние к зоне работы двигатели. Существуют запретные зоны, куда космонавтам нельзя приближаться. В случае прикосновения скафандром к загрязненной части нужно воспользоваться специальным набором: протереть салфеткой место соприкосновения на скафандре, заклеить его защитной лентой, а после завершения работы скафандр на станции должен быть герметично упакован и может даже не использоваться повторно», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории разреженных газов ИТ СО РАН, кандидат физико-математических наук Игорь Вячеславович Ярыгин.
Крупномасштабная вакуумная газодинамическая установка ВИКИНГ ИТ СО РАН, предназначенная для проведения фундаментальных и прикладных исследований в области термогазодинамики разреженных сред
Созданные правила обезопасили пребывание космонавтов на МКС, после чего ученые занялись изучением причин загрязнения. Существуют определенные особенности истечения газов и жидкостей в вакуум. Например, если, находясь на Земле, подуть в трубочку, то струя воздуха будет удаляться от ее источника. Но если то же самое сделать в космосе, то значительная часть воздуха развернется назад — возникают так называемые обратные потоки газа. То же происходит и с жидкостью, кроме того, при попадании в вакуум жидкость взрывообразно распадается на капли. Подобным образом на выходной кромке сопла двигателя ориентации МКС часть продуктов сгорания разворачивается на 180 градусов и начинает двигаться в обратном направлении, попадая на поверхность станции и загрязняя ее. Кроме того, на уровень выбросов влияют режимы работы двигателей. Обычно они включаются на доли секунды или даже на несколько секунд. При таком относительно длительном режиме работы охлаждающая пленка топлива, движущаяся по стенке сопла, должна испариться, не достигнув среза, и выбросы должны быть минимальными. Но в моменты запуска и остановки двигателя пристенная пленка не успевает испариться, и происходят наиболее интенсивные выбросы загрязняющих веществ.
«Когда мы начали заниматься проблемой, причина загрязнения не была понятна. Испытывать какую-то конструкцию в космосе крайне трудно и дорого, поэтому более эффективным является проведение модельных исследований на Земле. Были обоснованы критерии моделирования работы двигателей управления и ориентации МКС, выбрана модельная жидкость, близкая по основным физическим свойствам к ракетному топливу, развиты методы диагностики пристенной пленки жидкости и капельной фазы в вакууме и проведены экспериментальные исследования в крупномасштабной вакуумной камере “Викинг” ИТ СО РАН. Проведенные эксперименты позволили понять механизм загрязнения, связанный в основном с разворотом в обратном направлении охлаждающей пристенной пленки топлива на выходной кромке сопла жидкостного ракетного двигателя управления, а также получить детальную информацию о пространственной структуре течения капельной фазы в струе за соплом и обосновать концепцию управления ею с помощью специальных газодинамических защитных устройств (экранов). Полученные результаты и рекомендации были переданы заказчику — ПАО “Ракетно-космическая корпорация ˝Энергия˝ им. С.П. Королёва”, где сконструировали и изготовили соответствующие защитные устройства, которые в дальнейшем были доставлены на МКС и установлены на двигатели ориентации cлужебного модуля “Звезда”», — говорит главный научный сотрудник лаборатории разреженных газов ИТ СО РАН профессор, доктор технических наук Вячеслав Николаевич Ярыгин.
В ходе проведенного натурного космического эксперимента «Кромка» и последующей обработки полученных данных (2001—2012 гг.) подтвердились результаты модельных экспериментов и эффективность разработанных защитных устройств. Кроме того, подобные устройства были установлены на магистралях дозаправки (после доставки на станцию новой порции компонентов топлива с Земли топливную магистраль необходимо продувать, что тоже приводило к загрязнению внешней поверхности МКС). Совместными усилиями ученых удалось существенным образом снизить остроту проблемы загрязнения и сделать работу космонавтов более безопасной.
Однако Международная космическая станция постоянно изменяется: с момента ее создания увеличились размеры солнечных батарей, добавились новые модули, и в итоге масса сооружения стала больше. Для снижения динамических нагрузок на конструкции станции поменялись режимы работы двигателей, моменты корректировки курса стали иными, и с конца 2013 года реализуется только алгоритм Pulse Train (10—15 коротких импульсов включения двигателей длительностью 0,2—0,4 секунды). Российские жидкостные двигатели стали работать чаще, но с более короткими импульсами включения. В итоге из-за большого количества циклов включения и остановки двигателей проблема загрязнения МКС актуализировалась и требует нового решения, поскольку существующие защитные экраны рассчитаны на другие условия работы.
В 2017 году на борту МКС начался новый натурный космический эксперимент «Импакт». Специалисты хотят понять, как различные режимы запуска двигателей влияют на уровень загрязнения, усиливается он или нет, достаточно ли существующих мер или нужно принимать новые. «К сожалению, космические эксперименты занимают несколько лет. Сам по себе процесс сложный — подготовка оборудования, доставка и установка его на корпус станции, оценка в процессе работы, потом демонтаж оборудования, отправка обратно на Землю и уже наконец анализ полученных данных. Нужно достаточно много времени и терпения. Поэтому быстро проанализировать ситуацию и устранить все выявленные проблемы невозможно. В этом году планируется возвращение контрольных панелей на Землю, а после их обработки станет возможным понимание целесообразности оптимизации защитных устройств для новых режимов работы двигателей. Мы надеемся, что у нас получится решить возникшие задачи, а результаты исследований найдут свое применение на борту как Международной космической станции, так и перспективных станций, только планируемых к запуску в будущем», — комментирует Игорь Ярыгин.
Андрей Фурцев
Фото предоставлены исследователями
