«Техника-молодежи» 2000 г №7, с.26-27
| Анатолий ЮХНЕВИЧ, заведующий лабораторией физико-химии поверхности НИИ физико-химических проблем Белорусского государственного университета, Минск | ПРОВЕРЕНО: ДЫРОК НЕТ! |
Всем известно, что человек в космосе жить может только в замкнутом, герметичном объеме, с искусственно поддерживаемым составом атмосферы. Но мало кто знает, что даже необитаемые приборные отсеки лучше наддувать каким-либо нейтральным газом — это резко упрощает задачу охлаждения оборудования, а значит, — повышения его надежности. Короче, значение контроля герметичности отсеков космического аппарата (КА) очевидно — и тем не менее...
Вспомним недавние события на орбитальной станции «Мир». Негерметичность корпуса модуля «Спектр» в результате столкновения с грузовиком «Прогресс» была обнаружена по уменьшению давления газа внутри отсека модуля. Попытки экипажа найти места утечки атмосферы путем внутреннего и внешнего визуального осмотра оказались безуспешными. Другими же средствами поиска макро— и микронегерметичностей станция «Мир» пока не оснащена.
Между тем, такие средства могут быть созданы уже сейчас. Наиболее перспективным принципом их функционирования, по нашему мнению, будет «внешняя» регистрация утечек при помощи высокочувствительных газовых датчиков (сенсоров), размещенных в вакууме над поверхностью аппарата.
Предлагаемый способ контроля герметичности основан на том, что молекулы газа устремляются в вакуум от места утечки по прямым линиям. Кроме этого, у каждого вакуумного сенсора может быть сформирована определенная диаграмма направленности (индикатриса газовой чувствительности) — зависимость выходного электрического сигнала от направления подлета регистрируемых молекул. Компьютерная обработка сигналов от таких датчиков, размещенных определенным образом относительно контролируемого КА, позволит определить и интенсивность каждой течи, если их несколько, и их координаты на внешних поверхностях.
На таком принципе могут быть созданы высокоэффективные системы внешнего контроля герметичности (СВКГ) космических аппаратов, с использованием различных методов «газового осмотра». В «статических» СВКГ газовые сенсоры будут размещаться стационарно на выносных штангах над поверхностью контролируемого объекта, а в «динамических» — на подвижных управляемых платформах (на субспутниках, на штанговых манипуляторах, в руках космонавтов).
Мы полагаем, что в недалеком будущем СВКГ станут обязательной составной частью бортового оборудования космических аппаратов при выполнении длительных пилотируемых полетов, например, межпланетных экспедиций. В условиях автономного многолетнего полета, при отсутствии страховки от возникновения случайных нарушений герметичности различной природы (материаловедческих, эксплуатационных, астрономических), наличие такого оборудования повысит безопасность работы экипажа и увеличит вероятность успешного выполнения программы полета. Оно обеспечит непрерывный чувствительный контроль общего состояния герметичности КА, позволит быстро обнаружить возникновение негерметичностей, измерить интенсивность и скорость их возможного развития в аварийные течи, определит их местоположение.
Эта информация даст возможность оперативно оценить степень опасности ситуации и своевременно принять эффективные меры по обеспечению дальнейшей безопасной работы (выключение аварийных и включение резервных блоков, ремонтная герметизация, рациональная корректировка программы полета). Перечисленные достоинства СВКГ определяют эффективность использования такого оборудования также при наземных испытаниях КА на вакуумных стендах.
 Система внешнего контроля герметичности (принципиальная схема). Цифрами обозначены: 1 — космический аппарат; 2 — газовый датчик; 3 — локальная течь; 4 — индикатриса направленности датчика; 5 — индикатриса рассеяния истекающего газа. Как СВКГ повлияет на конструкцию космических аппаратов: а) КА, в конструкции которых не учитывается использование СВКГ; б) установка СВКГ на разнесенной обшивке. Цифрами обозначены: 1 — корпус КА; 2 — покрытие; 3 — стык панелей покрытия; 4 — датчик; 5 — течь. |
Следует отметить, что создание совершенных СВКГ потребует еще немалых усилий. Основной проблемой является разработка высокочувствительных вакуумных газовых сенсоров, способных длительное время непрерывно функционировать в условиях относительно сильных помех от десорбционных газовых потоков с поверхности КА, от набегающих молекулярных потоков (на низких околоземных орбитах), при существенных колебаниях температуры и освещенности.
В качестве газовых сенсоров могут использоваться любые высокочувствительные детекторы нейтральных молекул, например, датчики ионизационных вакуумметров, портативные масс-спектрометры. Особо перспективными первичными преобразователями для СВКГ являются полупроводниковые газовые сенсоры — новые газоаналитические приборы, изготовленные на основе монокристаллического кремния и позволяющие, теоретически, сочетать высокую газовую чувствительность с исключительно малыми габаритами и энергопотреблением. Принцип их функционирования основан на регистрации электрических сигналов, вызванных адсорбцией и/или десорбцией молекул анализируемых газов на/с поверхности чувствительных элементов.
В наших разработках первичным сигналом служит изменение поверхностной электропроводности чувствительных элементов. Такой газовый сенсор представляет собой миниатюрный, довольно сложный, полупроводниковый прибор с характерным общим размером порядка 1 мм, изготовленный по микроэлектронной технологии. Он включает, кроме газочувствительных элементов, ряд вспомогательных устройств микронных размеров, обеспечивающих работоспособность сенсора (выделение и усиление первичного сигнала, стабилизацию температуры, компенсацию мешающих воздействий и пр.).
Диаграмма направленности задается формой диафрагм, входящих в конструкцию газового сенсора и ограничивающих поток анализируемых молекул на чувствительную поверхность. Аналитические сигналы сенсоров передаются на борт КА, для дальнейшей обработки, по электрокабелям через герморазъемы.
Можно сказать, что СВКГ (с набором сенсоров) по принципу функционирования аналогичен оптической камере-обскуре, но изображение формируется не квантами света, а молекулами анализируемых газов. На компьютерном изображении КА, полученном в таком «молекулярном свете», течи предстанут в виде пятен, яркость которых будет соответствовать, например, интенсивности течи, а цвет — сорту выходящего вещества. Очевидно, что чувствительность и пространственная разрешающая способность системы контроля герметичности зависят от расстояния между газовыми сенсорами, входящими в состав СВКГ, и контролируемым объектом. В наших опытах это расстояние находилось в диапазоне от 1 см до 10 м.
Нужно отметить, что полупроводниковые газовые сенсоры еще не вышли из стадии исследования и пробного применения во всем мире, и проблема их создания заслуживает отдельного рассмотрения.
Для реализации высокой точности локации негерметичностей потребуется модернизация конструкции защитных покрытий КА: их структура должна препятствовать растеканию детектируемого газа вдоль поверхности аппарата.
На начальных этапах разработки — СВКГ будут, вероятно, использоваться на КА со сплошным покрытием, при создании которого еще не учтена необходимость внешнего контроля герметичности. Если течь образуется под таким покрытием, то выходящий газ растекается по поверхности КА и выходит в вакуум преимущественно на краях покрытия и в местах сшивки. СВКГ определит координаты этих мест, что даст дополнительную полезную информацию о локализации течи. В перспективных конструкциях покрытий можно будет ограничить растекание газа вдоль поверхности КА, обеспечив выход молекул в вакуум в непосредственной близости от негерметичностей корпуса, что повысит точность их локации.
Однако эти проблемы принципиально разрешимы уже сейчас, о чем свидетельствует опыт нашей лаборатории. В течение ряда лет совместно с сотрудниками Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени СП. Королева мы изучали некоторые особенности внешнего контроля герметичности при испытаниях отдельных частей КА на вакуумных стендах. Результаты этих исследований подтвердили перспективность принципа внешней регистрации негерметичностей и техническую возможность создания эффективных бортовых СВКГ на основе полупроводниковых газовых сенсоров.
Рисунки Михаила ШМИТОВА