Основные направления и результаты работ по защите Российского сегмента МКС от метеороидов и космического мусора

Проектирование и создание Международной космической станции (МКС) потребовало разработки новых подходов и развития технологий создания средств защиты пилотируемой станции от воздействия метеороидной и техногенной среды. Это связано как с увеличением общей площади гермооболочки МКС

(~1 000 м2) по сравнению со станицей «Мир» (~250 м2), так и с появлением нового угрожающего фактора в виде осколков космического мусора. Проведенные NASA в конце 1980-х – начале 1990-х гг. исследования техногенного загрязнения околоземного космического пространства в рамках разработки космической станции Freedom [1] показали, что риск разгерметизации станции в результате пробоя гермооболочки станции осколком космического мусора на порядок величины превышает соответствующий риск от метеороидов.

Это вызвало коренное изменение методов защиты модулей МКС от пробоя по сравнению со станцией «Мир». На станции «Мир» основными средствами, защищающими гермооболочку от пробоя метеороидами, являлись естественные конструктивные элементы в виде радиаторов и защитных кожухов толщиной около миллиметра, расположенных на расстоянии ~5 см от гермооболочки. Такая одноэкранная защита (так называемые экраны Уиппла) оберегала станцию от микрометеороидных частиц с размерами не более 2–3 мм и обеспечивала приемлемые значения вероятности непробоя (ВНП) модулей станции (0,95 на один модуль в течение пяти лет). Специальная противо-метеороидная защита в виде алюминиевого листа миллиметровой толщины устанавливалась только на открытых частях поверхности гермооболочки, и ее суммарная масса на модуль составляла десятки килограммов. Защита от техногенных частиц потребовала разработки эффективных экранных многослойных конструкций, обеспечивающих противоударную стойкость к частицам с размерами более 10 мм и требующих массовых затрат 1–2 т на модуль.

В результате интенсивных исследований техногенного загрязнения околоземного космоса, проведенных в 1980-х гг., к началу проекта МКС NASA сформулировало требования к величине допустимого риска пробоя модулей МКС, а также представило инструменты для его измерения в виде модели техногенной среды, созданной известным специалистом в этой области Д. Кесслером [2], и программы БАМПЕР для расчета риска пробоя, созданной в Космическом центре им. Джонсона [3]. На основе широкого круга исследований в области физики высокоскоростного удара с применением современных материалов специалистами NASA были созданы эффективные экранные конструкции, обеспечивающие эти требования [4, 5].

В России исследования в области техногенного загрязнения околоземного космоса только начинались [6, 7] и не получили еще практического внедрения в космической отрасли. Специалистам РКК «Энергия» и ЦНИИмаш предстояло за короткий срок освоить созданные NASA технологии и разработать собственные альтернативные подходы, требующие меньших временных и финансовых затрат и при этом обеспечивающие выполнение требований по безопасности [8, 9].

Развитие орбитальной конфигурации Российского сегмента МКС

Строительство МКС начиналось с выведения модуля NASA российской разработки — функционального грузового блока (ФГБ, модуль «Заря», 1998 г.) и российского служебного модуля (модуль «Звезда», 2000 г.), которые составили ядро станции, обеспечивающее обитание на ней международных экипажей и управление полетом.

Дальнейшее развитие Российского сегмента (РС) МКС происходило поэтапно добавлением следующих модулей:

• •    стыковочный отсек 1 (СО1, модуль «Пирс», 2001 г.);

• •    малый исследовательский модуль 2 (МИМ2, модуль «Поиск», 2009 г.);

• •    малый исследовательский модуль 1 (МИМ1, модуль «Рассвет», 2010 г.).

После 2018 г. в состав РС МКС будут введены многоцелевой лабораторный модуль (МЛМ-У), узловой модуль (УМ) и научно-энергетический модуль (НЭМ), а СО1 будет удален.

На рис. 1 представлена текущая конфигурация РС МКС. На рис. 2 представлена конфигурация РС МКС после 2020 г.

Рис. 1. Конфигурация Российского сегмента МКС в 2017 г.: 1 — стыковочный отсек 1; 2 — служебный модуль; 3 — малый исследовательский модуль 2; 4 — функциональный грузовой блок; 5 — малый исследовательский модуль 1

Рис. 2. Конфигурация Российского сегмента МКС после 2020 г.: 1 — служебный модуль; 2 — малый исследовательский модуль 2; 3 — функциональный грузовой блок; 4 — малый исследовательский модуль 1; 5 — многоцелевой лабораторный модуль с улучшенными эксплуатационными характеристиками; 6 — узловой модуль; 7 — научно-энергетический модуль

Требования по вероятности непробоя модулей МКС

При проектировании экранной защиты модулей МКС в качестве показателя безопасности, связанной с воздействием метеороидно-техногенной среды, используется ВНП гермооболочки модуля за проектное время его эксплуатации. При формировании этого показателя для каждого модуля с целью учета площади поверхности гермооболочки модуля, а также времени эксплуатации использовался установленный для всех модулей параметр, определяющий вероятность пробоя единицы площади гермооболочки за единицу времени. По соглашению с NASA значение этого параметра было выбрано равным 10^–5 м^–2∙год^–1. Таким образом, требуемые значения ВНП конкретного модуля за определенное время вычислялись путем вычитания из единицы допустимой вероятности пробоя, получаемой умножением установленного параметра на суммарную площадь гермооболочки модуля и на время эксплуатации, одинаковое для всех модулей. В таблице представлены требуемые значения ВНП модулей РС МКС за 15 лет (за исключением СО1 и МИМ2), приведенные в Спецификации РС МКС SSP 41163 [10].

Требуемые минимальные значения вероятности непробоя модулей РС МКС

Модуль	Вероятность непробоя (15 лет)
Функциональный грузовой блок	0,9790
Служебный модуль	0,9563
Малый исследовательский модуль МИМ1	0,9940
Многоцелевой лабораторный модуль	0,9790
Узловой модуль	0,9955
Научно-энергетический модуль	0,9764

Экранная защита функционального грузового блока и многоцелевого лабораторного модуля

Поскольку разработка модуля ФГБ финансировалась NASA , американские специалисты принимали непосредственное участие в разработке его экранной защиты. Специалисты ГКНПЦ им. Хруничева сумели за короткий срок создать кооперацию с привлечением специализированных организаций и разработать экранные конструкции на основе стандартных сотовых панелей с применением металлических сеток в качестве внешнего слоя экранов.

Суммарная масса экранной защиты составила ~1,5 т, а ввиду сложности конструкции модуля из-за наличия топливных баков общее число различных типов экранной защиты составило более 30, что потребовало большого объема испытаний макетов экранной защиты на высокоскоростной пробой на ударных стендах ГосНИИАС и ЦНИИмаш.

Экранная защита МЛМ-У, ввод которого в состав МКС планируется в 2019 г., построена в основном из тех ее типов, которые уже были разработаны для модуля ФГБ.

Расчеты ВНП обоих модулей, проведенные РКК «Энергия», показали, что требования по ВНП для этих модулей (0,979 за 15 лет) выполняются.

Экранная защита служебного модуля

Особую сложность вызывала защита служебного модуля (СМ), который ко времени начала создания МКС был уже спроектирован и изготовлен в соответствии с требованиями по противо-метеороидной защите для модулей станции «Мир». Дефицит стартовой массы и отсутствие пространства под обтекателем для размещения защитных экранов не позволяли доработать экранную защиту модуля на Земле. Поэтому единственной возможностью оставалась ее доработка на орбите.

Были рассмотрены два варианта дополнительной защиты:

• 1)    с установкой экранов прямо на корпусе модуля;

• 2)    с развертыванием «теневых» экранов, обеспечивающих при постоянной орбитальной ориентации МКС перехват частиц с направлений наиболее вероятного их прихода (из переднего сектора в плоскости местного горизонта).

Поскольку первый вариант требовал существенных доработок корпуса и большого объема внекорабельной деятельности, вначале в качестве базового был принят второй вариант экранной защиты в виде двух пар дополнительных противоосколочных экранов (ДПЭ), доставляемых на орбиту в космическом корабле Space Shuttle и развертываемых в поперечном направлении с размерами каждого экрана в развернутом положении 4×6 м (рис. 3). Каждый экран представлял собой развертываемую плоскую конструкцию, состоящую из трех слоев керамической ткани. Как вариант рассматривалась возможность дополнительного использования панелей солнечных батарей (СБ) в качестве «теневых» экранов при их фиксированной вертикальной ориентации.

Рис. 3. Концепция «теневой» экранной защиты: 1 — передняя пара дополнительных противоосколочных экранов (ДПЭ);

2 — задняя пара ДПЭ

Для реализации концепции экранной защиты с помощью «теневых» экранов в ЦНИИмаш были проведены теоретические и экспериментальные исследования экранирующих свойств тонких металлических и тканевых материалов, располагаемых на большом расстоянии от защищаемой конструкции. При пробое таких экранов частицей образуется облако продуктов разрушения частицы и экрана, коллективное воздействие которого на корпус модуля значительно уменьшается за счет расширения облака при распространении, и в котором наибольшую опасность пробоя конструкции представляет только наибольший осколок [11]. Были созданы алгоритмы расчета ВНП гермооболочки модулей с учетом затенения конструкции модулей такими экранами.

В РКК «Энергия» была проведена проектно-конструкторская проработка различных способов развертывания экранов на орбите и выбран наиболее надежный вариант на основе элементов с памятью формы. Корпус СМ был доработан с целью обеспечения установки разворачиваемых экранов на орбите. Однако после 2000 г. по результатам экспериментальных работ по наблюдению за космическим мусором с помощью специальных радиолокаторов в NASA была разработана новая модель техногенной среды ORDEM 2000 [12]. Расчеты ВНП с помощью этой модели показали, что разворачиваемые на орбите «теневые» экраны будут недостаточно эффективны ввиду большого углового разброса направлений прихода техногенных частиц по новой модели. Это привело к изменению концепции усиления экранной защиты СМ. Было решено защитить наиболее уязвимые для пробоя части поверхности рабочего отсека СМ (исключая места установки радиаторов и оборудования) с помощью доставляемых и устанавливаемых на орбите дополнительных противооско-лочных панелей (ДПП). Кроме того, была усовершенствована методика расчета ВНП с целью учета частичного экранирования модулей РС радиаторами и солнечными панелями Американского сегмента (АС) от потока техногенных частиц. Это потребовало проведения экспериментальных исследований процесса фрагментации частицы при высокоскоростном пробое тонких экранов.

Специалистами ЦНИИмаш и РКК «Энергия» была разработана и экспериментально отработана на ударных стендах ЦНИИмаш структура ДПП (рис. 4), обеспечивающая требуемую стойкость к высокоскоростному пробою гермооболочки СМ. Конструкция каждой панели (рис. 5) разрабатывалась с учетом специфики их установки на кольцевых поручнях, являющихся элементами фиксации для космонавтов при внекора-бельной деятельности.

Доставленные на борт СМ в виде укладки с пакетами ДПП (рис. 6) в грузовом отсеке Space Shuttle в 2002 и 2006 гг. 23 ДПП были установлены на конической части рабочего отсека СМ, наиболее

Рис. 4. Структура дополнительных противоосколоч-ных панелей

Рис. 5. Конструкция дополнительных противоосколочных панелей уязвимой для пробоев (рис. 7). В 2012 г. еще пять панелей были доставлены с помощью транспортного корабля «Прогресс» и установлены на рабочем отсеке СМ малого диаметра.

Рис. 6. Укладка с пакетами дополнительных противооско-лочных панелей

Рис. 7. Дополнительные противоосколочные панели после установки

Рассчитанная РКК «Энергия» ВНП гермооболочки СМ метеороидами и техногенными частицами за 15 лет по модели техногенной среды ORDEM 2000 и метеороидной модели 1991 г. [13] за 15 лет с установленными 28 ДПП с учетом частичного экранирования радиаторами и панелями СБ Американского сегмента составила 0,949, что практически обеспечивает выполнение требования Спецификации

РС МКС SSP 41163 для СМ (0,95). Однако расчет ВНП СМ за 15 лет по более современным моделям метеороидной МЕМ R 2 [14] и техногенной ORDEM 3.0 [15] сред, разработанным NASA в 2010 г., дал значение 0,934. Это более низкое значение ВНП по сравнению с расчетами по модели техногенной среды ORDEM 2000 и метеороидной модели 1991 г. объясняется тем, что расчеты проводились без учета экранирования СМ радиаторами и панелями СБ АС из-за наличия в новой модели техногенной среды стальных частиц наряду с алюминиевыми. Отсутствие экспериментальных данных по фрагментации стальных частиц при пробое тонких экранов не позволяет учитывать эффект затенения радиаторами и панелями СБ АС.

Таким образом, СМ является наиболее уязвимым модулем РС МКС для пробоя метеороидными и техногенными частицами, что потребовало разработки мероприятий по обеспечению работоспособности бортовой аппаратуры в условиях разгерметизации, а также по определению места пробоя и восстановлению герметичности.

Экранная защита малого исследовательского модуля, узлового модуля и научно-энергетического модуля

Разработка экранной защиты МИМ1, УМ и НЭМ проводилась в рамках проектно-конструкторской разработки конструкции корпусов этих модулей в соответствии с требованиями по ВНП, определенными в Спецификации РС МКС SSP 41163. Одним из проблемных вопросов был поиск отечественных тканых материалов для промежуточного экрана, обеспечивающих требуемые противоударные характеристики. Базальтовая и бронежилетная ткани, из которых была составлена структура промежуточного экрана, не уступали по свойствам тканям Nextel и Kevlar , применяемым в экранной защите модулей NASA . На рис. 8 представлена структура экранной защиты МИМ1 и УМ, а на рис. 9 — НЭМ.

Отличие структуры защиты НЭМ вызвано особенностями конструкции, связанными с использованием радиатора системы терморегулирования, занимающего бóльшую часть площади поверхности гермооболочки, в качестве первого защитного экрана.

Рис. 8. Структура экранной защиты МИМ1 и УМ: 1 — корпус 4 мм; 2 — 6 слоев бронежилетная ткань; 3 — 4(2) слоя базальтовая ткань ТБК-5-76; 4 — АМг6 Лист 2; 5 — ЭВТИ

Рис. 9. Структура экранной защиты НЭМ: 1 — гермокорпус с внешним вафельным фоном; 2 — 6 слоев ткань техническая 8353/11; 3 — 9 слоев ткань базальтовая БТ-13Н-43(100); 4 — ЭВТИ; 5 — тепловая труба; 6 — радиатор; 7 — кронштейн крепления панелей радиатора

Испытания на высокоскоростной удар образцов экранной защиты проводились на высокоскоростных ударных стендах ЦНИИмаш. Сертификационные расчеты ВНП модулей, проведенные с помощью программы БАМПЕР, подтвердили их соответствие требованиям Спецификации РС МКС.

Экранная защита стыковочного отсека и МИМ2

Экранная защита стыковочного отсека и МИМ2 соответствует требованиям по противометеороидной защите, которые предъявлялись к модулям станции «Мир», и обеспечивается алюминиевым экраном толщиной 1 мм, расположенным на расстоянии 15 мм от гермооболочки. В первичных планах развертывания РС МКС стыковочный отсек предполагалось эксплуатировать в течение двух лет, поэтому было решено не усиливать его экранную защиту ввиду незначительности риска пробоя за это время (расчетное значение ВНП = 0,996 за два года). В результате изменения планов завершения развертывания РС МКС стыковочный отсек остается в составе РС МКС до ввода в его структуру модуля МЛМ-У. После доставки на орбиту МЛМ-У стыковочный отсек будет удален.

МИМ2 проектировался как конструктивный аналог стыковочного отсека, включая экранную защиту. Поэтому рассматривался вопрос по усилению экранной защиты МИМ2 на орбите. Однако проектная проработка показала, что площадь возможного усиления защиты составляет только 35% от всей площади гермооболочки, поэтому из-за сложности и высокой стоимости работ по изготовлению, доставке и установке дополнительных экранных панелей дальнейшее продолжение этих работ было признано нецелесообразным.

Экранная защита транспортных кораблей

Транспортные корабли ТПК «Союз МС» и ТГК «Прогресс МС» пристыкованы к МКС с постоянно открытыми переходными люками, являясь частью общего гермообъема станции, с периодической сменой при замене экипажа и для обеспечения грузопотока. Однако, выполнение требований по ВНП гермооболочки кораблей на уровне требований по ВНП к модулям МКС потребовало бы слишком больших массовых затрат на экранную защиту, что значительно снизило бы их возможности по доставке полезного груза и экипажа. Поэтому эти требования были снижены до уровня, при котором требуемые массовые затраты на конструктивную доработку корпуса были максимально допустимы (25–30 кг). Структура экранной защиты транспортных кораблей была доработана при модернизации их бортовых систем [16] путем установки дополнительного экрана в виде алюминиевого листа толщиной 0,5 мм на расстоянии 15 мм от гермооболочки.

Результаты расчетов вероятности непробоя РС МКС за период 2016…2024 гг.

Расчеты проводились для интервала времени 2015…2024 гг. (согласованный срок продолжения эксплуатации МКС) с помощью разработанной ЦНИИмаш совместно с РКК «Энергия» «Комплексной методики оценки защиты модулей РС МКС и рисков возникновения нештатных ситуаций, обусловленных воздействием микрометеороидов и космического мусора» [17] и программы «Риск–удар» [18] с использованием новых моделей ме-теороидной МЕМ R2 и техногенной ORDEM 3.0 сред, разработанных NASA. В расчетах учитывались изменения конфигурации РС за этот период (ввод МЛМ-У в начале 2019 г. вместо стыковочного отсека, а также ввод УМ и НЭМ в начале 2020 г.). Учитывалось также частичное экранирование РС МКС радиаторами и панелями СБ АС, ориентация которых задавалась в фиксированном положении, определяемом путем усреднения на годовом цикле.

Общая ВНП гермооболочки модулей РС МКС за 10-летний период составила 0,938 при требуемом, согласно Спецификации РС, значении 0,882. При этом вклад техногенных частиц в вероятность пробоя составил 62,7%, а метеороидных частиц — 37,3%.

Общая ВНП транспортных кораблей с учетом времени их нахождения в различных портах составила 0,7. При этом вклад техногенных частиц в вероятность пробоя составил 89,8%, а метеороидных частиц — 10,2%.

Таким образом, транспортные корабли вносят основной вклад в общий риск пробоя гермооболочки РС МКС (≈85%). Для обеспечения безопасного парирования аварийной ситуации, связанной с разгерметизацией при пробое транспортных кораблей, необходимо:

• •    наличие в составе кораблей и МКС средств обнаружения негерметичности корабля и станции;

• •    наличие отработанных методик действий экипажа при разгерметизации МКС;

• •    запрет на прокладку транзитных магистралей через люк между кораблем и смежным модулем, за исключением быстроразъемных воздуховодов и механических зажимов между активным и пассивным стыковочными агрегатами.

Разработка новых видов экранных защитных конструкций для перспективных модулей

Разработка перспективных модулей РС МКС, использующих гибкие гермооболочки, потребовала создания новых средств защиты от метеороидных и техногенных частиц с трансформируемой геометрией.

В результате проведенных ЦНИИмаш совместно с РКК «Энергия» исследований созданы и экспериментально отработаны опытные образцы экранных конструкций [19], разворачиваемых на орбите в составе модуля с трансформируемой гермооболочкой (рис. 10).

Рис. 10. Структура многослойной трансформируемой гермооболочки, состоящей из нескольких слоев различного функционального назначения: 1 — противометеороидные тканевые экраны; 2 — межэкранные разделители; 3 — армирующие слои; 4 — герметизирующие слои; 5 — интерьерные слои

Оценка показателей безопасности, связанных с последствиями пробоя гермооболочки РС МКС

Наряду с расчетами ВНП специалисты NASA и РКК «Энергия» проводят расчеты вероятности различных сценариев последствий пробоя МКС. Однако соответствующие требования не отражены в проектных документах. Это связано со сложностью и многообразием катастрофических последствий пробоя, затрудняющих создание надежного расчетного инструмента, подобного программам БАМПЕР и «Риск–удар», используемым при расчетах ВНП. Тем не менее, как NASA , так и РКК «Энергия»

имеют программы, позволяющие моделировать эти процессы с определенной долей достоверности. Анализ результатов этих расчетов показывает, что относительная вероятность катастрофических последствий пробоя для модулей АС МКС находится на уровне 50%, тогда как соответствующие цифры для модулей РС МКС (СМ, СО, МИМ2) и транспортных кораблей, имеющих более слабую экранную защиту, в несколько раз меньше. Это связано с тем, что при пробое более слабой защиты этих модулей РС размеры отверстия в гермооболочке существенно меньше, чем при пробое более мощной защиты. Степень катастрофичности последствий пробоя определяется, в первую очередь, скоростью разгерметизации, зависящей от размера отверстия в гермооболочке. Тем не менее, более сильная экранная защита обеспечивает меньшую абсолютную вероятность катастрофического пробоя по сравнению со слабой защитой. Расчеты вероятности катастрофических последствий пробоя РС, проведенные NASA [20], показали, что относительная вероятность катастрофических последствий пробоя, приводящих к потере экипажа и станции, составляет около 30%.

Регистрация повреждений на внешней поверхности РС МКС, вызываемых ударами метеороидных и техногенных частиц

В процессе эксплуатации проводятся периодические наблюдения за состоянием внешней поверхности РС МКС как при выходах космонавтов в открытый космос для проведения работ, так и через иллюминаторы. При этом были обнаружены повреждения, свидетельствующие о реальности угрозы пробоя гермооболочки МКС. На рис. 11 представлены фотографии отверстий, обнаруженных на поверхности ЭВТИ модулей ФГБ и СМ, вызванных высокоскоростными ударами.

Кроме того, осуществляется постоянный контроль повреждений на иллюминаторах, вызываемых ударами метеороидных и техногенных частиц. Если размеры кратера, обнаруженного на иллюминаторе, превышают определенный предел, и становятся возможными рост трещины и последующее разрушение иллюминатора, иллюминатор будет закрыт герметичной крышкой.

а)

б)

Рис. 11. Наиболее крупные повреждения: а — на функциональном грузовом модуле; б — на служебном модуле