Способ определения глубины каверны на оптической поверхности внешнего стекла иллюминатора пилотируемого космического аппарата

Способ определения глубины каверны на оптической поверхности внешнего стекла иллюминатора пилотируемого космического аппарата включает стереосъемку каверны, измерение расстояния от центра каждого снимка стереопары до одной и той же точки изображения каверны. А также измерение расстояния между оптическими осями объектива для первого и второго снимка, измерение расстояния от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора и измерение давления воздушной среды в гермоотсеке и в межстекольном пространстве. При этом глубину каверны определяют по формуле:

Технический результат - достоверное определение глубины каверны (дефекта) внешнего стекла иллюминатора в условиях полета с заданной точностью. 2 ил.

 

В процессе полета космический аппарат (КА) подвергается воздействию окружающей среды: ионизирующих излучений, частиц, а также метеоритов. Большую опасность представляют даже микрометеориты, соударяющиеся со стеклами иллюминаторов КА, вследствие огромной (~8 км/с) скорости соударения, что приводит к образованию каверен на внешнем стекле иллюминатора. В качестве примера на фиг.1 приведено фото каверны на внешнем стекле иллюминатора МКС. Образовавшиеся каверны снижают прочность иллюминатора, а в критических случаях могут привести к потере его герметичности, т.е. к аварийной ситуации.

До настоящего времени непосредственно измерить величину каверны не представлялось возможным на КА в условиях полета и такие измерения не проводились. По одиночному фото невозможно достоверно определить глубину каверны.

Прототипа данного способа не обнаружено.

Задачей изобретения является достоверное определение глубины каверны (дефекта) внешнего стекла иллюминатора в условиях полета с заданной точностью.

Задача решается с помощью описываемого ниже способа.

В предлагаемом способе определения глубины каверны на оптической поверхности иллюминатора КА производят следующие действия (см. фиг.2): измеряют расстояние от центра каждого снимка стереопары до одной и той же точки изображения каверны (x₁ и х₂), измеряют расстояние между оптическими осями объективов 1 и 2 для первого и второго снимков стереопары, измеряют расстояние от главной плоскости 4 объективов 1 и 2 до поверхности внутреннего стекла 5 иллюминатора, измеряют давление воздушной среды в гермоотсеке (ГО) и в межстекольном пространстве иллюминатора, а глубину каверны определяют по следующей формуле:

где

Δ - глубина каверны,

х₁- расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на первом снимке относительно центра снимка,

х₂ - расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на втором снимке относительно центра снимка,

В - расстояние между оптическими осями объектива для первого и второго снимка,

h₀ - расстояние от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора,

P_ГО - давление в гермоотсеке,

Р_В12 - давление в межстекольном пространстве,

f - фокусное расстояние объектива,

h_СТ1 - толщина первого стекла иллюминатора,

h_СТ2 - толщина второго стекла иллюминатора,

h_В12 - толщина межстекольного пространства иллюминатора,

n_КВ - показатель преломления кварцевого стекла,

k - коэффициент пропорциональности в зависимости между показателем преломления и давлением воздушной среды:

где n_B - показатель преломления воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве,

Р - давление воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве. Зависимость между показателем преломления и давлением показана в книге К.У.Ален Астрофизические величины. Издательство иностранной литературы, 1960, §53. Атмосферная рефракция и путь луча в воздухе.

Величины х₁, x₂, В, h₀, P_ГО, Р_В12 - измеряемые. В, h₀, f - известные величины, h_СТ1,

h_СТ2, h_В12 - конструктивные параметры иллюминатора.

Фотоснимок каверны, приведенный на фиг.1, был сделан на российском сегменте международной космической станции (PC MKC) при фотосъемке иллюминатора №7 в 2002 г. На снимке на внешнем стекле иллюминатора на фоне оправы иллюминатора можно различить кратер со сколами. Диаметр кратера ~ 1,5 мм. Поскольку был сделан одиночный снимок, глубина кратера не была определена.

На фиг.2 приведена схема стереосъемки каверны на внешнем стекле 6 иллюминатора. Показано два положения 1 и 2 объектива, при которых выполняется съемка двух кадров и ход двух лучей, участвующих в построении изображения точки вершины каверны 7 в фокальной плоскости объектива на обоих снимках (точки на расстояниях х₁ и х₂ от оси объектива на одном и на другом снимке соответственно). На границе перехода из одной среды в другую (из стекла в воздушную среду и из воздушной среды в стекло) луч изменяет направление в соответствии с законом преломления:

где i₁ - угол между направлением луча в первой среде и нормалью к границе раздела двух сред,

i₂ - угол направлением луча во второй среде и нормалью к границе раздела двух сред,

n₁ - показатель преломления первой среды,

n₂ - показатель преломления второй среды.

Поскольку показатель преломления стекла иллюминатора больше показателя преломления воздушной среды: n_кв>n_вГО и n_кв>n_в12, углы наклона лучей в воздушной среде больше углов наклона лучей в стекле, что показано на фиг.2, в частности i₁₀>i₁₁.

В результате проведения стереосъемки измерения расстояний между оптическими осями объектива при выполнении первого и второго кадра стереопары, измерения расстояния от оптической поверхности внутреннего стекла илллюминатора и главной плоскостью объектива, измерения давления в ГО и межстекольном пространстве и, наконец, вычисления по приведенной выше формуле получается искомая величина Δ, на основании которой специалисты по прочности дают заключение о надежности иллюминатора.

Способ определения глубины каверны на оптической поверхности внешнего стекла иллюминатора пилотируемого космического аппарата, включающий: стереосъемку каверны, измерение расстояния от центра каждого снимка стереопары до одной и той же точки изображения каверны, измерение расстояния между оптическими осями объектива для первого и второго снимка, измерение расстояния от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора, измерение давления воздушной среды в гермоотсеке и в межстекольном пространстве, при этом глубину каверны определяют по формуле:

где Δ - глубина каверны,
x₁ - расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на первом снимке относительно центра снимка,
х₂ - расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на втором снимке относительно центра снимка,
В - расстояние между оптическими осями объектива для первого и второго снимка,
h₀ - расстояние от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора,
Р_ГО - давление в гермоотсеке,
P_B12 - давление в межстекольном пространстве,
f - фокусное расстояние объектива,
h_CT1 - толщина первого стекла иллюминатора,
h_CT2 - толщина второго стекла иллюминатора,
h_B12 - толщина межстекольного пространства иллюминатора,
n_KB - показатель преломления кварцевого стекла,
k - коэффициент пропорциональности в зависимости между показателем преломления и давлением воздушной среды:
,
где n_В - показатель преломления воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве,
Р - давление воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве.