Система контроля состояния внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией, используемая космонавтом в процессе внекорабельной деятельности, и способ её эксплуатации Российский патент 2020 года по МПК B64G4/00 

Группа изобретений относится к космической технике, в частности, к средствам неразрушающего контроля технического состояния конструктивных элементов на поверхности космического объекта (КО), используемым космонавтом в процессе внекорабельной деятельности (ВКД), а именно, гермооболочки. Космический объект, например, орбитальная станция (ОС) представляет собой изолированную структуру, эксплуатируемую в агрессивной среде. При функционировании систем ОС внешние поверхности взаимодействуют с собственной внешней атмосферой (СВА), которая формируется под воздействием продуктов неполного сгорания (ПНС) топлива двигателей ориентации и коррекции, двигателей транспортных кораблей, летучих органических соединений (ЛОС), паров воды, газообразных и пылевых выбросов из отсеков при очистке внутренней атмосферы, включая и микробиологические организмы, утечки газов и пыли в процессе шлюзования и внекорабельной деятельности, доставленных с Земли под экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ), набегающего потока внешней среды. Проникновение ПНС и ЛОС под газопроницаемую ЭВТИ может приводить к загрязнениям, предпосылкам к эрозии, микро- и биодекструкции материалов и защитного покрытия гермооболочки корпуса.

Цепочка микродеструктивных процессов (физико-химических, биохимических, микробиологических) снижает ресурсные характеристики гермооболочки корпуса ОС. Состояние и состав мелкодисперсной осадочной среды на внешней поверхности гермооболочки и ее воздействие на материалы требуют систематического объективного контроля, являющегося фактором безопасной, надежной эксплуатации ОС, особенно для объектов с длительными сроками существования (Цыганков О.С., Гребенникова Т.В., Дешевая Е.А. и др. Исследование мелкодисперсной среды на внешней поверхности Международной космической станции в эксперименте «Тест»: обнаружены жизнеспособные микробиологические объекты // Космическая техника и технологии. 2015. №1. С. 31-40).

В первую очередь заслуживают внимания зоны гермооболочки с вероятностью их контаминации¹ (¹ Контаминация (от лат. contamination) - загрязнение в результате соприкосновения, смешения). Таковыми являются зоны расположения дренажных клапанов бортовых систем, выходных люков шлюзовых отсеков, стыковочных узлов, двигателей различного назначения самого объекта, поверхностей, противостоящих набегающему потоку пылевой плазмы, а также сварных швов.

Известны различные системы контроля технического состояния корпусов объектов.

Известно техническое решение по патенту RU 2210065, опубл. 10.08.2003, бюл. №22, МПК: G01M 3/24 (2000.01), G01N 29/14 (2000.01), относящееся к системе контроля, содержащее блок датчиков, причем часть датчиков равномерно расставлена по всему корпусу, а часть - в предполагаемых местах наибольших напряжений в корпусе объекта.

Известна система контроля прочностного ресурса оболочки путем регистрации перегрузок по показаниям датчиков микроускорений космического объекта (Анисимов А.В., Лиходед А.И. Расчетная реконструкция стыковочных силовых воздействий на конструкцию Международной космической станции на основе обработки записей бортовых акселерометров. // Космонавтика и ракетостроение. 2007. №4 (49). С. 115-119).

Известные решения не обеспечивают получение информации о состоянии поверхности гермооболочки и защитных покрытий, о поверхностных явлениях и аномалиях и могут рассматриваться только как аналогии подхода в части размещения множества датчиков в местах ожидаемых отклонений от нормального состояния.

Известно устройство для отбора проб-мазков космонавтом с внешней поверхности космического объекта, их термоизоляции и доставки на Землю (патент RU 2536746, опубл. 27.12.2014, бюл. №36, МПК: G01N 1/02 (2006.01), B64G 4/00 (2006.01), входящее в состав предложенной системы контроля состояния внешней поверхности гермооболочки КО и содержащее корпус из химически, термически, механически стойкого и γ-проницаемого материала, в корпусе выполнена, по меньшей мере, одна глухая полость с резьбой и конической поверхностью на входе, в полость ввернут пробозаборник с ответной конической поверхностью, обеспечивающий при завертывании герметизацию полости при контакте конических поверхностей, при этом, к одной из сторон корпуса прикреплена металлическая пластина, вырез в которой образует ручку, согласованную с перчаткой скафандра.

Однако, деструктивные поверхностные процессы могут проявляться в различных физических состояниях: мелкодисперсные осаждения, конденсат водяных паров, газов, криоконденсат, коллоидные системы-гели (студенистые тела), твердые золи, осадки суспензий, (несгораемые осадки топлива), признаки эрозии, коррозии и биодеструкции. Для забора, сохранения и доставки на Землю проб, пробоотборники должны содержать средства для забора и аккумуляции материалов из аномальных образований различной консистенции, что в известном устройстве не предусмотрено.

Поскольку физическое состояние аномалий прогнозировать трудно, появляется необходимость выносить из гермоотсека несколько устройств с различными пробозаборниками и использовать их последовательно, затрачивая при этом время и энергоресурс космонавта на извлечение их из транспортировочного контейнера и обратную укладку, что снижает производительности труда.

Известное устройство используется следующим образом. На Земле пробоотборник стерилизуют автоклавированием, вворачивают в полость корпуса, герметизируя при этом полость. Затем производят γ-облучение корпуса, чем достигается стерилизация полости и пробоотборника в собранном виде. В таком состоянии устройство доставляется на орбитальную станцию и при выходе космонавтов в открытый космос выносится из шлюзового отсека.

В процессе внекорабельной деятельности космонавт извлекает пробоотборник из полости, берет пробы, заводит в полость пробоотборник и, ввинчивая его по резьбе, герметизирует полость, возвращает устройство в шлюзовой отсек, а затем в гермоотсек. В таком виде устройство возвращается на транспортном корабле на Землю для исследований.

Прототипы системы и способа ее эксплуатации не выявлены.

Задачей группы изобретений является создание системы неразрушающего контроля технического состояния конструктивных элементов на внешней поверхности космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией и способа ее эксплуатации космонавтом в процессе внекорабельной деятельности.

Техническим результатом группы изобретений является повышение уровня наблюдения и прогнозирования расхода эксплуатационного ресурса гермооболочки способом, доступным и соразмерным с возможностями космонавта в процессе ВКД, с последующим анализом проб из аномальных образований.

Технический результат достигается тем, что система контроля состояния внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией, используемая космонавтом в процессе внекорабельной деятельности, содержит устройство для забора проб со стерилизованными и гермоизолированными пробозаборниками, система снабжена, по крайнем мере, двумя смотровыми окнами, вырезанными в экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта и клапанами, перекрывающими контур смотрового окна и выполненными из экранно-вакуумной теплоизоляции, идентичной по конструкции с экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта, клапаны содержат по периметру жесткий каркас и окантовку, при этом одна сторона каждого клапана прикреплена к внешней поверхности экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта, кроме того, по периметру каждый клапан крепится застежкой «велкро», при этом пробозаборники оснащены разными видами оконечностей: марлевым тампоном, мелкоячеистой стальной сеткой, твердосплавным скребком.

Технический результат достигается тем, что способ эксплуатации системы контроля состояния внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией, используемый космонавтом в процессе внекорабельной деятельности, состоит в том, что в наземных условиях стерилизуют автоклавированием, γ-облучением и гермоизолируют пробозаборники, доставляют их на космический объек т, выполняют забор проб с внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта посредством пробозаборников, после чего их гермоизолируют в устройстве для забора проб, доставляют на КО, в процессе внекорабельной деятельности расстегивают застежку «велкро» клапана смотрового окна, открывают упомянутый клапан, определяют наличие аномального образования на внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта, оценивают физическое состояние аномального образования по его консистенции, в соответствии с которым выбирают вид оконечности пробозаборника и осуществляют забор проб с внешней поверхности гермооболочки, затем гермоизолируют пробозаборник в устройстве для забора проб, закрывают смотровое окно клапаном с использованием застежки "велкро", возвращают устройство с пробозаборниками в гермоотсек, затем - на Землю.

Конструкция системы показана на фигурах:

на Фиг. 1 - корпус КО.

на Фиг. 2 - узел А - смотровое окно-клапан.

на Фиг. 3 - сечение по Б-Б.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - ЭВТИ;

2 - корпус КО;

3 - смотровое окно;

4 - гермооболочка;

5 - клапан;

6 - каркас;

7 - окантовка;

8 - петельная лента застежки "велкро";

9 - строчка;

10 - крючковая лента застежки «велкро»;

11 - застежка «велкро».

Система содержит устройство для забора проб и используемое, например, по патенту RU 2536746, опубл. 27.12.2014, бюл. №36, МПК: G01N 1/02 (2006.01), B64G 4/00 (2006.01) со стерилизованными и гермоизолированными пробозаборниками, выполненными из Амг-6 и оснащенными разными видами оконечностей - марлевым тампоном, мелкоячеистой стальной сеткой (например, тканая сетка - ячейка 0,04, диаметр 0,03, из низкоуглеродистой нержавеющей проволоки ГОСТ 3826-82), твердосплавным скребком. В ЭВТИ 1 (Космические аппараты. Под редакцией К.П. Феоктистова. Военное издательство, 1983. С. 201) корпуса 2 вырезаны смотровые окна 3, обеспечивающие доступ к внешней поверхности гермооболочки 4 корпуса 2 КО, контуры смотровых окон 3 перекрываются клапанами 5, которые выполнены из ЭВТИ, идентичной по конструкции ЭВТИ 1 корпуса 2 КО, клапан 5 содержит по периметру жесткий замкнутый каркас 6 (выполнен например, из проволоки 4,0-Т-12Х18Н10Т, ГОСТ18143-72) и окантовку 7 (выполнена, например, из ткани ТТА-2 арт. 86-165-04, ТУ8288-039-1727788575-2005), одна сторона каждого клапана 5 прикреплена к внешней поверхности ЭВТИ 1 корпуса 2 КО, например, на гибком шарнире. Кроме того, по периметру каждый клапан крепится застежкой «велкро» 11, состоящей из крючковой ленты 10 (артикул 3С421-Г50, ГОСТ30019.1-93), пристроченной по периметру клапана 5, петельной ленты 8 (артикул 3С422-Г50, ГОСТ30019.1-93), пристроченной по периметру окна 3.

Система эксплуатируется следующим образом.

В наземных условиях стерилизуют автоклавированием, γ-облучением и гермоизолируют пробозаборники в устройстве для забора проб, на транспортном корабле доставляют на космический объект, в процессе внекорабельной деятельности расстегивают застежку «велкро» 11, открывают клапан 5 смотрового окна 3, определяют наличие аномального образования на внешней поверхности гермооболочки 4 корпуса 2 КО, оценивают физическое состояние аномального образования по консистенции, в соответствии с состоянием выбирают вид оконечности пробозаборника, осуществляют забор проб с внешней поверхности гермооболочки 4 корпуса 2 КО, гермоизолируют пробозаборники в устройстве для забора проб, закрывают смотровое окно 3 клапаном 5 с использованием застежки «велкро» И, возвращают устройство с пробозаборниками в гермоотсек, затем на транспортном корабле - на Землю.

Примером реального забора проб-мазков с помощью пробозаборника с марлевым тампоном с поверхностей иллюминаторов, радиаторов системы терморегулирования, фотопреобразователей солнечных батарей и др. и доставки проб на Землю является космический эксперимент "Тест", успешно реализуемый на российском сегменте МКС с 2010 года по настоящее время существования (Цыганков О.С, Гребенникова Т.В., Дешевая Е.А. и др. Исследование мелкодисперсной среды на внешней поверхности Международной космической станции в эксперименте «Тест»: обнаружены жизнеспособные микробиологические объекты // Космическая техника и технологии. 2015. №1. С. 31-40).

Группа изобретений относится к космической технике, в частности к средствам неразрушающего контроля технического состояния конструктивных элементов. Система контроля состояния внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией содержит устройство для забора проб и снабжена, по крайнем мере, двумя смотровыми окнами. Окна вырезаны в экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта и снабжены клапанами. Клапаны содержат по периметру жесткий каркас и окантовку. Одна сторона каждого клапана прикреплена к внешней поверхности экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта. Космонавты расстегивают застежку «велкро», открывают упомянутый клапан и осуществляют забор проб. Достигается повышение уровня наблюдения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система контроля состояния внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией, используемая космонавтом в процессе внекорабельной деятельности, содержащая устройство для забора проб со стерилизованными и гермоизолированными пробозаборниками, отличающаяся тем, что система снабжена, по крайнем мере, двумя смотровыми окнами, вырезанными в экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта и клапанами, перекрывающими контур смотрового окна и выполненными из экранно-вакуумной теплоизоляции, идентичной по конструкции экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта, клапаны содержат по периметру жесткий каркас и окантовку, при этом одна сторона каждого клапана прикреплена к внешней поверхности экранно-вакуумной теплоизоляции космического объекта, кроме того, по периметру каждый клапан крепится застежкой «велкро», при этом пробозаборники оснащены разными видами оконечностей: марлевым тампоном, мелкоячеистой стальной сеткой, твердосплавным скребком.

2. Способ эксплуатации системы контроля состояния внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта под экранно-вакуумной теплоизоляцией, используемый космонавтом в процессе внекорабельной деятельности, состоящий в том, что в наземных условиях стерилизуют автоклавированием, γ-облучением и гермоизолируют пробозаборники, доставляют их на космический объект, выполняют забор проб с внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта посредством пробозаборников, после чего их гермоизолируют в устройстве для забора проб и возвращают на Землю, отличающийся тем, что в процессе внекорабельной деятельности расстегивают застежку «велкро» клапана смотрового окна, открывают упомянутый клапан, определяют наличие аномального образования на внешней поверхности гермооболочки корпуса космического объекта, оценивают физическое состояние аномального образования по его консистенции, в соответствии с которым выбирают вид оконечности пробозаборника и осуществляют забор проб с внешней поверхности гермооболочки, затем гермоизолируют пробозаборник в устройстве для забора проб, закрывают смотровое окно клапаном с использованием застежки "велкро", возвращают устройство с пробозаборниками в гермоотсек, затем - на Землю.