Способ контроля герметичности иллюминаторов пилотируемых космических объектов
Владельцы патента RU 2280848:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" (RU)
Изобретение относится к области эксплуатации и обеспечения безопасности полетов пилотируемых космических объектов (КО), в частности к методам определения герметичности иллюминаторов пилотируемых КО. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности осуществлять периодический контроль герметичности иллюминаторов в условиях полета на борту КО для повышения надежности и безопасности пилотируемых космических полетов. Актуальность этой задачи особенно велика при длительных космических полетах. Этот результат обеспечивается за счет того, что для контроля герметичности иллюминаторов пилотируемых КО космонавты измеряют в полете величину деформации (прогиба) внутреннего стекла иллюминатора, обращенного в сторону гермоотсека КО, и по измеренной величине деформации судят о степени нарушения герметизации. 5 ил.
Предлагаемый способ относится к области эксплуатации и обеспечения безопасности полетов пилотируемых космических объектов (КО), в частности к методам определения герметичности иллюминаторов пилотируемых КО.
Пилотируемые космические аппараты обычно оснащены различными оптическими иллюминаторами, содержащими не менее двух стекол, которые обеспечивают герметичность отсеков КО с двумя барьерами защиты.
В случае, если внешнее стекло или уплотнители (между стеклом и оправой иллюминатора) под воздействием различных факторов космического полета (удары микрометеоритов, облучение жестким ультрафиолетовым излучением уплотнений иллюминаторов, случайные механические воздействия космонавтов при выходе в открытый космос) теряют способность обеспечивать герметизацию, то герметизацию отсеков КО обеспечивает только внутреннее стекло с его уплотнителями. Естественно, что надежность герметизации отсеков КО и безопасность полетов в этом случае понижается, т.к. остается один барьер защиты.
В настоящее время герметичность иллюминаторов проверяется только в наземных условиях перед установкой их на КО путем наполнения межстекольного пространства иллюминатора гелием с последующим контролем утечки гелия в барокамере. После подтверждения герметичности межстекольное пространство наполняется сухим воздухом с определенным давлением, например 1,0 атм, и иллюминаторы устанавливаются на КО. Повторный контроль герметичности иллюминаторов проводится в составе КО, когда КО размещается в барокамере, его гермоотсеки наполняются гелием и по его утечке делается заключение о герметичности отсеков КО и, в частности, иллюминаторов.
Недостатком существующей технологии контроля герметичности иллюминаторов является то, что этот контроль проводится только в наземных условиях, а во время полета в условиях длительного воздействия различных факторов космического полета такой контроль не проводится, т.к. до настоящего времени не предложено приемлемого способа для проведения такого контроля.
Прототипа предлагаемого изобретения не найдено.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности осуществлять периодический контроль герметичности иллюминаторов в условиях полета на борту КО для повышения надежности и безопасности пилотируемых космических полетов. Актуальность этой задачи особенно велика при длительных космических полетах.
Данная задача решается тем, что для контроля герметичности иллюминаторов пилотируемых КО космонавты измеряют в полете величину деформации (прогиба) внутреннего стекла иллюминатора, обращенного в сторону гермоотсека КО, и по измеренной величине деформации судят о степени нарушения герметизации.
На фиг.1 изображена типичная конструкция иллюминаторов, устанавливаемых на космических станциях.
На фиг.2 схематично показан случай, когда герметичность межстекольного пространства со стороны внешнего стекла нарушена.
На фиг.3 показана схема наблюдения интерференционных колец.
На фиг.4 приведены номограммы для определения давления в межстекольном пространстве иллюминатора.
На фиг.5 показана схема измерения прогиба внутреннего стекла.
На фиг.1-5 обозначено:
1. - Корпус КО
2. - Оправа иллюминатора
3. - Внутреннее стекло
4. - Внешнее стекло
5. - Межстекольное герметичное пространство
6. - Уплотнители стекол
7. - Уплотнители корпуса и оправы иллюминатора
8. - Пробное стекло
9. - Интерференционные кольца
10. - Источник света
11. - Эталонная поверочная линейка
12. - Штатив
13. - Измерительная головка
В случае нарушения герметичности (см. фиг.2)
Р0>P1=РB,
где:
Р0 - давление снаружи КО;
Р1 - давление в межстекольном пространстве иллюминатора;
РВ - давление внутри КО.
Под действием разности давлений между внутренним объемом КА и объемом межстекольного пространства иллюминатора внутреннее стекло деформируется (прогибается). Стрелка прогиба d (см. фиг.2) зависит от разности давлений:
ΔР=Р0-Р1,
где ΔР - разность давлений.
Радиус кривизны поверхности внутреннего стекла иллюминатора под действием разности давлений ΔР=Р0-P1 может быть вычислен по формуле:
где:
ΔР - давление, действующее на внутреннее стекло иллюминатора;
h - толщина стекла;
а - радиус диска стекла;
Е - модуль упругости стекла;
μ - коэффициент Пуассона.
Зная радиус кривизны поверхности стекла иллюминатора, можно вычислить стрелку прогиба стекла:
В практике разработки иллюминаторов для КО используется кварцевое стекло марки KB, для которого:
μ=0,165
Е=7409 кг/мм2.
Расчеты показывают, что для наиболее распространенных иллюминаторов со световым диаметром 220 мм, толщиной стекла 14 мм при ΔР=1,0 атм (0,01 кг/мм2), т.е. при полном нарушении герметизации внешнего стекла, радиус кривизны и стрелка прогиба стекла составят:
R=230241,830 мм, d=26×10-3 мм;
а при ΔР=0,5 атм, т.е. при частичном нарушении герметизации
R=460483,66 мм, d=13×10-3 мм.
Таким образом, по величине прогиба внутреннего стекла или радиуса кривизны поверхности внутреннего стекла можно судить о степени нарушения герметизации иллюминатора.
Для измерения величины прогиба (деформации) стекла с целью контроля герметичности иллюминатора можно предложить два варианта:
1) Измерения с использованием эталонных пробных стекол (плоских), т.е. применение известного метода контроля обработки оптических поверхностей с наблюдением интерференционной картины (кольца Ньютона).
2) Измерение зазора d с помощью микрометра относительно базовой плоскости (см. фиг.2 и 5).
Описание первого варианта и формулы для вычисления радиуса испытуемой поверхности с использованием пробного стекла приведены в «Справочнике конструктора оптико-механических приборов», ред. М.Я.Кругер, изд. Машиностроение, Л., 1967.
В условиях полета космонавт должен приложить к поверхности внутреннего стекла иллюминатора пробное стекло (плоское круглое) и осветить его источником света. В качестве источника света используется фонарь со сверхъяркими светодиодами (красного цвета). В зазоре между эталонным стеклом и стеклом иллюминатора образуются концентрические интерференционные полосы, которые можно наблюдать, как показано на фиг.3. При измерениях давление на пробное стекло со стороны космонавта должно быть минимальным, т.к. метод очень чувствительный и дополнительное давление внесет погрешность в измерения.
Количество интерференционных колец зависит от деформации стекла, диаметра эталонного стекла и длины волны источника излучения.
Количество темных колец вычисляется по формуле:
где Rтем - радиус последнего темного кольца, помещающегося на пробном стекле,
Rпрог - радиус прогиба стекла,
λ - длина волны источника света
аналогично вычисляется количество светлых колец:
где Rсветл - радиус последнего светлого кольца, помещающегося на пробном стекле,
Rпрог - радиус прогиба стекла,
λ - длина волны источника света.
Космонавту, для удобства работы, должен быть предоставлен альбом с графиками для каждого иллюминатора, позволяющими по количеству наблюдаемых темных и светлых колец определять прогиб стекла, а следовательно, и давление на внутреннее стекло.
На фиг.4. представлены графики, рассчитанные для одного из иллюминаторов КО.
Пример. Диаметр внутреннего стекла иллюминатора 430 мм, диаметр пробного стекла 140 мм, толщина внутреннего стекла 35 мм, длина волны источника 0,65 мкм.
Если на краю пробного стекла видно 4-е темное интерференционное кольцо, то, как следует из графиков (на фиг.4.) давление в межстекольном пространстве Р=0,5 атм.
Измерения по второму варианту в условиях космического полета производятся следующим образом.
На поверхность внутреннего стекла иллюминатора поз.3 (фиг.5) накладывается специальная эталонная (недеформируемая) линейка поз.11. На линейку устанавливается штатив поз.12 с измерительной головкой поз.13. Космонавт, предварительно зафиксировав себя, что является необходимым при выполнении точных работ в условиях невесомости, прижимая штатив с измерительной головкой к эталонной линейке, а линейку к стеклу, проводит измерения в центре стекла и на краях стекла. При измерениях необходимо соблюдать осторожность, чтобы не ударить по стеклу и не поцарапать его поверхность. Разность показаний измерительной головки при измерениях в центре и на краю соответствует стрелке прогиба d. Расстояние между центром стекла и точкой измерения на краю стекла равно а (измеряется эталонной линейкой). Измерив значения d и а, вычисляем радиус кривизны внутреннего стекла R по формуле:
и далее вычисляем давление ΔР, действующее на внутреннее стекло иллюминатора по формуле:
По величине давления ΔР делается заключение о целостности или нарушении герметизации иллюминатора.
Примечание. В качестве измерительной головки можно применить: Головки измерительные рычажно-зубчатые (ГОСТ 18833-73) 1 ИГ или 2 ИГ, имеющие погрешность измерения ±0,4 мкм и ±0,8 мкм соответственно.
Способ контроля герметичности иллюминаторов пилотируемых космических объектов (КО), отличающийся тем, что измеряют в полете величину деформации внутреннего стекла иллюминатора, обращенного в сторону гермоотсека КО, и по измеренной величине деформации судят о степени нарушения герметизации внешнего стекла, обращенного в космическое пространство.
