Первый опыт очистки внешней поверхности остекления иллюминатора космического пилотируемого аппарата

Все пилотируемые космические аппараты различного назначения оснащены средствами для визуальных наблюдений и оптического контакта с окружающей средой — иллюминаторами. Начиная с первых кораблей «Восток» и по сегодняшний день иллюминаторы являются неотъемлемой частью пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций. Опыт эксплуатации Международной космической станции (МКС) показал, что в процессе полета на поверхности иллюминаторов (их внешних стекол) появляются различные загрязнения, которые ухудшают оптические характеристики иллюминаторов. Отчеты, представляемые операторами после возвращения с МКС, как правило, содержат замечания к состоянию поверхностей остекления иллюминаторов. В результате было принято решение провести пробную очистку стекол иллюминаторов. Для его реализации было разработано и доставлено на борт МКС специальное приспособление. Впервые в международной практике во время выхода членов экипажа во внешнее пространство была выполнена пробная очистка внешнего стекла иллюминатора. Результаты этой работы представлены в данной статье.

Постановка задачи

По результатам мониторинга технического состояния иллюминаторов, который проводится два раза в год, было отмечено, что на внешней поверхности стекол иллюминаторов появляются различные дефекты [1]. Кроме механических повреждений, которые образуются в результате бомбардировки поверхности МКС микрометеороидами и частицами космического мусора, на поверхности стекол иллюминаторов появляются зоны затемнения, природа появления которых не всегда понятна. Источники таких загрязнений могут быть как естественного, так и техногенного происхождения (остатки ракетного топлива, продукты газовы-деления материалов внешних поверхностей станции). Изменения значений таких оптических параметров, как коэффициент светопропускания, угол отклонения, коэффициенты светорассеяния и загрязнения, снижают качество фото- и видеоматериалов.

Внутренняя часть остекления иллюминаторов, доступная экипажу со стороны гермообъема, может быть очищена относительно простыми средствами, не требующими специальных приспособлений. Наружная часть остекления иллюминаторов загрязнена значительно больше, с точки зрения обслуживания труднодоступна, и ее очистка возможна только при работе оператора в открытом космосе в процессе внекорабельной деятельности (ВКД). Так как иллюминаторы Российского сегмента (РС) МКС не могут быть заменены из-за их конструктивного исполнения, была поставлена задача провести пробную очистку иллюминатора в процессе эксплуатации станции.

Подготовка к проведению очистки

Для подготовки решения данной проблемы были проведены следующие работы:

• •    анализ расположения, назначения и полей зрения иллюминаторов с целью определения возможных загрязнений от потока частиц космической пыли, расположения двигательных установок и прочих элементов станции как источников техногенных загрязнений;

• •    анализ проводимых работ в районе зон иллюминаторов РС МКС с точки зрения возможных загрязнений;

• •    анализ химического состава загрязнений;

• •    анализ взаимосвязи химического состава загрязнений и работ, проводившихся при ВКД;

• •    анализ качества фотоснимков в зависимости от загрязнения иллюминаторов;

• •    тепловые испытания вариантов чистящих средств и материалов;

• •    оценка влияния химического и механического воздействия чистящих средств на оптические покрытия остекления иллюминаторов.

Для определения уровня механического воздействия на оптические покрытия остекления иллюминаторов была проведена пробная очистка наземных образцов стекол от разных типов загрязнений: жировых пятен, пыли и пр. Из перечня чистящих материалов был выбран оптимальный с точки зрения качества очистки и эксплуатационных характеристик — фторлоновая ткань.

В ходе наземных экспериментов была отработана методика очистки стекол иллюминаторов и подтверждена возможность очистки с использованием разработанного приспособления.

По результатам проработки условий действия экипажа при ВКД с иллюминаторами, физико-химического состава загрязнений и прочих факторов было разработано, изготовлено и доставлено на МКС на ТГК «Прогресс» приспособление для очистки.

Перед отправкой на МКС были проведены его наземные испытания, в т. ч. пробная очистка стекол на стенде обезвешивания оператора «Селен». В обеспечение наземных испытаний на стенд был установлен специально разработанный имитатор иллюминатора, аналогичный штатным образцам, и отработана методика выполнения работ по его очистке с участием экипажа.

Одновременно с подготовкой очистки был проведен космический эксперимент «Тест», задачей которого было взятие проб-мазков с различных элементов наружной поверхности станции для определения химического состава загрязнений и оценки возможности снятия загрязнения. Были взяты пробы по периметру остекления иллюминатора, что позволило убедиться в возможности удаления слоя загрязнений [2].

Иллюминаторы в составеРоссийского сегмента МКС

В составе РС МКС имеется 17 иллюминаторов, из них:

• •    в служебном модуле (СМ) — 13;

• •    в модуле МИМ2 — 2;

• •    в стыковочном отсеке — 2.

На рис. 1 показана схема расположения иллюминаторов СМ РС МКС.

№7 №9 №1

Рис. 1. Иллюминаторы служебного модуля РС МКС

В табл. 1 приведены типы используемых иллюминаторов.

Таблица 1

Основные характеристики используемых иллюминаторов

Световой диаметр, мм	Внешний оптический диаметр, мм	Фокусное расстояние, м	Количество
426	490	20 000	1
228	228	10 000	15
80	80	5 000	1

Все иллюминаторы — двухстекольные, камерного типа, заполненные сухим азотом под давлением 1 кг/см2. В качестве остекления иллюминаторов используются кварцевые стекла марки КВ, на которые нанесены прозрачные покрытия, обеспечивающие пропускание световых волн в диапазоне 400…2 500 нм.

Для очистки был выбран иллюминатор № 2 как наиболее загрязненный.

Устройство приспособления для очистки

Приспособление для очистки состоит из трех основных составных частей: рамки, очистителей и емкости для хранения загрязнений. На рис. 2 показан общий вид приспособления.

Рис. 2. Приспособление для очистки остекления иллюминаторов МКС. Общий вид: 1 — лирка; 2 — очистители; 3 — рамка; 4 — емкость

Рамка служит несущей конструкцией, на которой закреплены все элементы приспособления. Два очистителя с помощью пружинных элементов (лирок) крепятся на рамке и фиксируются от перемещений внутри емкости. Емкость выполнена в виде сменного цилиндра и служит для закрепления очистителей и хранения загрязнений после очистки иллюминаторов.

Очиститель состоит из сменной кассеты и ручки.

Сменная кассета после использования извлекается из очистителя и фиксируется специальными крепежными элементами в емкости, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Емкость с установленными в ней отработанными кассетами: 1 — крепежные элементы; 2 — кассета; 3 — емкость

Технология очистки

Действия космонавтов состоят из двух стадий:

• •    обеспечение доступа к иллюминатору, принятие и стабилизация рабочей позы;

• •    подготовка приспособления к использованию и движения для механического снятия слоя пыли.

Иллюминатор № 2 расположен в зоне поверхности СМ, которая не оснащена средствами фиксации в непосредственной близости от иллюминатора. Обеспечение доступа выполнено путем взаимодействия двух космонавтов.

Экипажу было предложено две возможных схемы расположения. На рис. 4 показана схема, по которой оператор О1, удерживаясь за продольный поручень, ориентирует оператора О2, придерживая его за ногу. На рис. 5 показана схема, согласно которой О1 прижимает О2 к поверхности СМ, опираясь рукой на ранец его скафандра. По инициативе экипажа реализована была первая схема.

Рис. 4. Схема № 1 расположения космонавтов при чистке иллюминатора

Рис. 5. Вариант № 2 расположения космонавтов во время чистки иллюминатора

После принятия рабочей позы оператор поочередно (для проверки возможности достижения лучшего эффекта) проводит работу каждым из очистителей: извлекает из закрепления очиститель, установленный на рамке, проводит очистку оптической поверхности иллюминатора и возвращает очиститель обратно.

Для следующего цикла работ емкость с отработанными сменными кассетами внутри гермообъема заменяется на новую, на очистители устанавливаются чистые кассеты. Отработанные емкости с кассетами утилизируются или возвращаются на Землю. Безопасность операторов при замене емкости с отработанными сменными кассетами обеспечивается ее конструктивным исполнением: чистящие поверхности сменных кассет утоплены внутрь емкости и зафиксированы специальными крепежными элементами.

Результаты очистки

10.08.2015 г. во время выхода в открытый космос впервые в международной практике была проведена очистка наружной части остекления иллюминатора (иллюминатор № 2

РС МКС) космонавтами Михаилом Корниенко и Геннадием Падалка. Процесс очистки иллюминатора продолжался не более 30 мин, в течение которых космонавт с определенным усилием перемещал приспособление по окружности стекла иллюминатора.

Результаты очистки стекол иллюминатора № 2 показаны на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Иллюминатор № 2 служебного модуля РС МКС до очистки (26.06.2015 г.)

Рис. 7. Иллюминатор № 2 после очистки во время вне-корабельной деятельности 10.08.2015 г.

Недостатком в обеспечении процесса очистки было отсутствие опор для фиксации положения оператора, что привело к невозможности создания необходимого для полной очистки усилия на поверхность стекла со стороны оператора. Таким образом, была доказана принципиальная возможность очистки иллюминаторов, но максимального результата при этом достигнуть не удалось.

На рис. 8 показано расположение оператора относительно плоскости иллюминатора и способ хвата рукоятки очистителя.

Рис. 8. Космонавт Михаил Корниенко проводит очистку иллюминатора № 2

По окончании очистки отработанные кассеты (рис. 9) были возвращены с борта РС МКС на Землю с целью определения химического состава загрязнений.

Рис. 9. Отработанная кассета, извлеченная из емкости

На рис. 10 приведен кадр, полученный в процессе исследования загрязнения на микрочастицы в рентгеновском свете.

В табл. 2 показан химический состав микрочастиц загрязнений чистящей поверхности отработанной кассеты.

По результатам проведения очистки иллюминаторов РС МКС было выпущено заключение о положительных результатах пробной очистки.

Рис. 10. Исследуемая частица в рентгеновском свете

Таблица 2

Химический состав микрочастиц загрязнений

Элементы	C	O	F	Al	Si	S	K	Zn	Сумма
Содержание, %	17,72	15,56	4,92	0,37	0,19	0,04	0,38	60,82	100,00

Выводы

• 1.    Проведенная очистка показала принципиальную возможность проведения очистки иллюминаторов при ВКД.

• 2.    Визуальный осмотр с борта РС МКС показал, что после очистки иллюминатора № 2 качество изображения значительно улучшилось.

• 3.    Проделанные работы дают возможность в дальнейшем проводить очистку иллюминаторов РС МКС отработанными методами с минимальными затратами средств и времени, чтобы в определенной степени восстановить их оптические характеристики.