Стенд для испытаний бортовой аппаратуры в космическом пространстве на орбитальной станции Российский патент 2024 года по МПК B64G4/00 G01M99/00 

Изобретение относится к области испытаний космической техники, а точнее к средствам испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов и может быть использовано для упорядочения разработки, испытаний и сокращения затрат на создание бортовой аппаратуры космического назначения при воздействии дестабилизирующих факторов космического пространства (ФКП) с использованием Международной космической станции (МКС) и/или Российской орбитальной служебной станции (РОСС).

Из уровня техники известен способ оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства [1]. Согласно известному техническому решению предлагается использовать следующий подход: в начале измеряют параметры воздействующих факторов: температуру, поглощенную дозу ионизирующего излучения, интегральный поток ультрафиолетового излучения, количество ударов микрометеорных частиц. Затем проводят обработку данных, при которой исследуются поведение материалов в натурных условиях при действии только одного или двух факторов, а также при комплексном воздействии ФКП. Материалы исследуются как в свободном, так и в нагруженном состояниях. Некоторые свойства материалов, например, рост трещин в клеевых соединениях, замеряют в процессе экспонирования на орбите, и эти данные по каналам телеметрии передаются на Землю. Образцы испытуемых материалов экспонируют в условиях открытого космоса на внешней поверхности космического аппарата (КА), где устанавливаются контейнеры с панелями «Компласт», на которых размещают испытуемые образцы. Все контейнеры выполнены съемными для возможности замены панелей после экспонирования. При наступлении этого срока оператор-космонавт выносит на поверхность КА транспортный герметичный контейнер, в котором находится новый контейнер с панелями. Этот новый контейнер вынимают и устанавливают на поверхности КА вместо снимаемого. При этом, снятый контейнер с экспонированными образцами укладывают в транспортный контейнер, который здесь же в открытом космосе герметично закрывают. Тем самым вакуумная окружающая среда сохраняется в его полости. Конструкция транспортного контейнера в данной заявке не рассматривается. Затем, не позднее, чем через 3 месяца, его возвращают на Землю. После возвращения на Земле в лабораторных условиях определяют изменение свойств. Для выполнения этого условия транспортный контейнер помещают в специальную вакуумную камеру для разгерметизации, извлечения образцов и их раскладки в отдельные герметичные пеналы для перенесения в место контроля свойств в специализированных лабораториях.

Недостатками известного технического решения является узкая специализация применения данного решения, а именно исследование исключительно материалов после воздействия факторов космической среды, а также отсутствие контроля герметичности пеналов во время транспортировки.

Из публикации [2] известен стенд для проведения на орбите натурных испытаний сложных унифицированных модулей бортовой аппаратуры (декодер командно-программной и телеметрической информации, унифицированный модем высокоскоростной радиолинии, бортовая ЭВМ) космического аппарата. Сложные унифицированные модули бортовой аппаратуры компонуют в выносной блок, размещенный в открытом космическом пространстве и представляющий собой крейт. Контроль за проведением испытаний обеспечивает тестовая аппаратура, размещенная частично в выносном блоке, частично в герметичном отсеке космического аппарата. Применение крейта для размещения испытуемой аппаратуры в космическом пространстве позволяет повысить достоверность оценки поведения унифицированных модулей под воздействием дестабилизирующих факторов космического пространства в связи с проявлениями синергетического эффекта при натурных испытаниях. Одновременное воздействие указанных факторов и определяет синергизм испытаний, при котором результат всех наземных испытаний не будет равнозначен результату натурных испытаний, учитываемый благодаря применению крейта.

Недостатками известного технического решения является отсутствие мер по обеспечению унификации в части модульного построения и по обеспечению технологичности в части быстрой замены испытуемой аппаратуры и контроля параметров текущего состояния.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является техническое решение, изложенное в [3]. Согласно известному решению стенд натурных испытаний состоит из платформы, для размещения испытуемых блоков, и тестовой аппаратуры, которые электрически и информационно связаны друг с другом. Платформа для размещения испытуемых блоков и внешний блок тестовой аппаратуры выполнены в виде выносного крейта, располагаемого вне герметичного отсека космического аппарата. Сенсоры для оценки параметров условий окружающей среды связаны через датчико-преобразующую аппаратуру с вычислительным устройством внутреннего блока тестовой аппаратуры, а внутренний блок аппаратуры содержит вычислительное устройство.

Недостатками известного технического решения является отсутствие мер по обеспечению унификации в части модульного построения и по обеспечению технологичности в части быстрой замены испытуемой аппаратуры и дублированного контроля параметров текущего состояния, а также отсутствие возможности изменения уровня внешних воздействующих факторов отдельно для каждого модуля.

Техническим результатом предлагаемого решения является введение унификации за счет модульного построения и применения унифицированных сборочных единиц, обеспечение технологичности в части быстрой замены испытуемой аппаратуры вне герметичного отсека («сборка на месте») за счет масштабирования конструкции и применения фиксаторов (электромеханических замков), а так же использование дублированного контроля параметров текущего состояния с возможностью изменения уровня внешних воздействующих факторов отдельно для каждого модуля расширяют технические возможности платформы.

Технический результат достигается следующим образом. Стенд для испытаний бортовой аппаратуры в космическом пространстве на орбитальной станции включает платформу для размещения испытуемых блоков, подвергающихся воздействию внешних и эксплуатационных факторов, и тестовую аппаратуру, состоящую из электрически и информационно связанных внутреннего и внешнего блоков, причем платформа для размещения испытуемых блоков и внешний блок тестовой аппаратуры выполнены в виде выносного крейта, располагаемого в открытом космическом пространстве вне герметичного отсека космического аппарата. Крейт включает средства, обеспечивающие установку в него для проведения испытаний в космическом пространстве, от одного до восьми унифицированных модулей с извлечением без применения инструментов после завершения испытания, причем крейт снабжен механическими средствами защиты от внешних воздействий, например, микрометеороидов и/или фрагментов космического мусора. Так же крейт и унифицированные модули снабжены средствами обеспечения теплового режима. Средства обеспечения теплового режима могут быть выбраны для каждого из модулей из перечня, включающего, экранно-вакуумную теплоизоляцию, контурные тепловые трубы, теплоотводящие шины, привалочные поверхности и управляемый температурный барьер для установки необходимых температурных режимов каждого унифицированного модуля по отдельности. Унифицированный модуль для его монтажа в крейт снабжен фиксатором, обеспечивающим фиксацию модуля и контроль его фиксации связанный электрически и информационно с внутренним блоком стенда. Фиксатор унифицированного модуля состоит из направляющих и подвижной ручки-замка с защелками, а фиксатор крейта из направляющих, ловителей, фиксаторов замка и электронных датчиков.

Крейт содержит до восьми посадочных мест под установку унифицированных модулей, каждое посадочное место содержит набор унифицированных сборочных единиц, таких как: фиксатор для установки и фиксации модуля, унифицированный соединитель, для обеспечения питания и информационного взаимодействия, и привалочную поверхность для обеспечения температурных режимов модуля. Конструкция унифицированного модуля содержит унифицированные ответные части устройств и механизмов и обеспечивает его масштабирование кратно ширине минимального модуля (90 мм) с сохранением длины и высоты. Максимальная ширина модуля в таком случае ограничивается шириной крейта или количеством свободных мест в крейте. Масса единичного модуля не должна превышать 3 кг, масса модуля другой ширины пропорциональна его ширине. Все модули, независимо от ширины, построены на одной базе унифицированных сборочных единиц.

Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг. 1 условно показано размещение всех частей крейта, на Фиг. 2 изображена внешняя часть крейта с модулями, на Фиг. 3 изображен унифицированный модуль, на Фиг. 4 изображен фрагмент крейта с фрагментом модуля в увеличенном масштабе, на Фиг. 5 условно показан структурный состав модуля.

На фиг. 1-5 обозначены следующие позиции:

поз. 1 - крейт;

поз. 2 - унифицированный модуль;

поз. 3 - блок тестовой аппаратуры;

поз. 4 - внутренний блок тестовой аппаратуры;

поз. 5 - герметичный отсек;

поз. 6 - кабель Ethernet;

поз. 7 - кабель питания крейта;

поз. 8 - направляющие модуля;

поз. 9 - направляющие крейта;

поз. 10 - ловители крейта;

поз. 11 - центрирующие штыри модуля;

поз. 12 - соединитель крейта;

поз. 13 - соединитель модуля;

поз. 14 - фиксатора;

поз. 15 - ручка-замок;

поз. 16 - паз;

поз. 17 - светодиод контроля фиксации;

поз. 18 - верхняя панель модуля;

поз. 19 - вилка из состава средств обеспечения теплового режима;

поз. 20 - розетка из состава средств обеспечения теплового режима;

поз. 21 - субблок тестовой аппаратуры;

поз. 22 - датчики внешних воздействующих факторов (ВВФ);

поз. 23 - испытуемая аппаратура;

поз. 24 - управляемый температурный барьер из состава средств обеспечения теплового режима.

Работу стенда для испытаний в космическом пространстве бортовой аппаратуры на орбитальной станции можно пояснить следующим образом.

Крейт 1 располагается на посадочном месте внешней поверхности космической станции. Сменные унифицированные масштабируемые модули 2 устанавливаются в крейт на специально отведенные для них позиции. Так же в состав крейта входит внешний блок тестовой аппаратуры 3, предназначенный для установки необходимых режимов работы унифицируемых модулей 2 и обеспечения информационной связью в внутренним блоком тестовой аппаратуры 4, располагаемым в герметичном отсеке 5, по интерфейсу Ethernet при помощи кабеля 6. Внутренний блок тестовой аппаратуры 4 состоит из ПЭВМ и специального программного обеспечения (СПО). Питание крейта осуществляется при помощи кабеля 7 от бортовой сети станции с номинальным напряжением 27 В. Установка в крейт унифицированного масштабируемого модуля 2 начинается с совмещения направляющих 8 модуля 2 с направляющими 9 крейта 1. Далее модуль 2 перемещается по направляющим и перед окончательной установкой происходит точное позиционирование модуля в крейте при помощи ловителей 10 крейта и центрирующих штырей 11 унифицированного модуля 2, после чего происходит стыковка соединителей 12 и 13 крейта и модуля соответственно. Через соединители 12 и 13 осуществляется питание и информационное взаимодействие крейта 1 с модулем 2. Завершается процесс установки защелкиванием фиксатора 14, механически связанного с ручкой-замком 15, в пазовых частях 16 крейта 1. Индикация контроля фиксации осуществляется как при помощи светодиода 17 на верхней панели 18 модуля 2 так и в СПО внутреннего блока тестовой аппаратуры при помощи опроса датчика, расположенного в пазовых частях 16 крейта 1. Теплообмен модуля 2 с привалочной поверхностью станции осуществляется через крейт 1 при помощи температурного моста состоящего из вилки 19, расположенной на крейте 1 и розетки 20, расположенной на модуле 2. Установка необходимых температурных режимов осуществляется по командам от внутреннего блока тестовой аппаратуры 4 при помощи тепловых труб, управляемого температурного барьера (основанного на элементах Пельтье) и субблока тестовой аппаратуры 21, входящих в состав модуля 2. Модуль 2 состоит из субблока тестовой аппаратуры 21 с датчиками ВВФ 22, испытуемой аппаратуры 23, средств обеспечения теплового режима 24 и корпуса с элементами позиционирования и механизмами фиксации и индикации. Субблок тестовой аппаратуры 21 совместно с датчиками ВВФ 22 обеспечивает контроль текущих воздействий ВВФ и управление температурой испытуемой аппаратуры 23 при помощи управляемого температурного барьера, построенного на элементах Пельтье, из состава средств обеспечения теплового режима 24.

Таким образом, предложен стенд для испытаний в космическом пространстве бортовой аппаратуры на орбитальной станции, конструкция которого обеспечивает возможности реализации сборки и разборки крейта вне герметичного отсека («сборка на месте»), который состоит из унифицированных масштабированных модулей с возможностью изменения уровня воздействия внешних воздействующих факторов для более точной имитации условий эксплуатации бортовой аппаратуры. Также применение масштабируемой конструкции унифицированных модулей, состоящих из одних и тех же унифицированных сборочных единиц позволяет сократить себестоимость изготовления.

Литература.

1. Т.Н. Смирнова, Н.Г. Александров, Т.Л. Бородакова, М.Ю. Рожков, О.В. Буянов, В.Н. Черник, Л.С. Новиков, Г.Г. Соловьев, О.Б. Дзагуров, В.В. Криволап. Способ оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства. Патент РФ RU 2238228 С1, Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева". Дата подачи заявки: 25.03.2003. Опубл. 20.10.2004. Бюл. №29.

2. А.А. Жуков, А.Е. Тюлин, О.Е. Хромов, И.В. Чурило. Концепция натурных испытаний сложных унифицированных блоков бортовой аппаратуры космического назначения. Международная конференция. «Космические системы». 27 апреля 2021 г. Тезисы. - М. Издательство «Перо», МАИ. 2021 [Электронное издание]. С. 14-15.

3. А.А. Жуков, А.Е. Тюлин, О.Е.Хромов, И.В. Чурило. Стенд для натурных испытаний аппаратуры в космическом пространстве. Патент РФ RU 2774491 С1. Патентообладатель: АО «Российские космические системы». Дата подачи заявки: 17.12.2021. Опубл. 21.06.22. Бюл. №18.

Изобретение относится к области испытаний космической техники. Стенд для испытаний в космическом пространстве на орбитальной станции включает платформу для размещения испытуемых блоков, подвергающихся воздействию внешних и эксплуатационных факторов, и тестовую аппаратуру, состоящую из электрически и информационно связанных внутреннего и внешнего блоков. Платформа для размещения испытуемых блоков и внешний блок тестовой аппаратуры выполнены в виде выносного крейта, располагаемого в открытом космическом пространстве вне герметичного отсека космического аппарата. Стенд включает средства, обеспечивающие установку в крейт для испытаний в космическом пространстве от одного до восьми унифицированных модулей последующим их извлечением после завершения испытания. Крейт снабжен механическими средствами защиты от внешних воздействий, таких как микрометеороиды и/или фрагменты космического мусора. Также крейт и унифицированные модули снабжены средствами обеспечения теплового режима. Унифицированный модуль для его монтажа в крейт снабжен фиксатором, обеспечивающим фиксацию модуля и контроль его фиксации, связанный электрически и информационно с внутренним блоком стенда. Фиксатор унифицированного модуля состоит из направляющих и подвижной ручки-замка, а фиксатор крейта - из направляющих и ловителей. Конструкция унифицированного модуля обеспечивает его масштабирование кратно ширине минимального модуля. Достигается обеспечение возможности реализации сборки и разборки крейта вне герметичного отсека («сборка на месте»). 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Стенд для испытаний бортовой аппаратуры в космическом пространстве на орбитальной станции, включающий платформу для размещения испытуемых блоков, подвергающихся воздействию внешних и эксплуатационных факторов, и тестовую аппаратуру, состоящую из электрически и информационно связанных внутреннего и внешнего блоков, причем

платформа для размещения испытуемых блоков и внешний блок тестовой аппаратуры выполнены в виде выносного крейта, располагаемого в открытом космическом пространстве вне герметичного отсека космического аппарата, отличающийся тем, что включает

средства, обеспечивающие установку в крейт для испытаний в космическом пространстве по меньшей мере одного унифицированного модуля с извлечением после завершения испытания, в том числе

по меньшей мере один фиксатор, обеспечивающий фиксацию по меньшей мере одного унифицированного модуля и контроль его фиксации, связанный электрически и информационно с внутренним блоком стенда, при этом

крейт и унифицированные модули снабжены управляемым температурным барьером, обеспечивающим тепловой режим по командам от внутреннего блока тестовой аппаратуры.

2. Стенд для испытаний бортовой аппаратуры в космическом пространстве на орбитальной станции по п. 1, отличающийся тем, что оснащен средствами обеспечения теплового режима, выбранными из перечня, включающего, по меньшей мере, экранно-вакуумную теплоизоляцию, контурные тепловые трубы, теплоотводящие шины, привалочные поверхности.

3. Стенд для испытаний бортовой аппаратуры в космическом пространстве на орбитальной станции по п. 1, отличающийся тем, что крейт снабжен механическими средствами защиты от внешних воздействий, например микрометеороидов и/или фрагментов космического мусора.

4. Стенд для испытаний бортовой аппаратуры в космическом пространстве на орбитальной станции по п. 1, отличающийся тем, что фиксатор унифицированного модуля состоит из направляющих и подвижной ручки-замка, а фиксатор крейта - из направляющих и ловителей.

5. Стенд для испытаний бортовой аппаратуры в космическом пространстве на орбитальной станции по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что конструкция унифицированного модуля обеспечивает его масштабирование.