Проектирование космического аппарата для исследования микрогравитации

SPACECRAFT ENGINEERING FOR MICROGRAVITY RESEARCH

Maxim Arevkov

Assistant, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk.

Ruslan Buzikov

Student, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk.

Alexander Voronkov

Student, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk

Аннотация. Выращивание белковых кристаллов является перспективным ответвлением современной науки. Изучение структуры белковых кристаллов позволит разработать новые разновидности лекарственных препаратов. Проанализировать их структуру возможно с помощью рентгеновского и нейтронного излучения. Для более совершенной кристаллической решетки, белковые кристаллы необходимо выращивать в условиях микрогравитации.

Для решения этой задачи был спроектирован космический аппарат, состоящих из технологического и транспортно – энергетического модуля, который необходимо вывести на орбиту Земли.

Abstract. The cultivation of protein crystals is a promising branch of modern science. The study of the structure of protein crystals will allow to develop new varieties of drugs. It is possible to analyze their structure by means of X-ray and neutron radiation. For a better crystal lattice, protein crystals should be grown in microgravity conditions.

To solve this problem, a spacecraft consisting of a technological and transport - energy module, which should be put into orbit of the Earth, was designed.

Ключевые слова: микрогравитация; микроускорения; стыковочный агрегат; конус стыковки; спускаемый аппарат; технологический модуль.

Keywords: microgravity; microacceleration; docking module; connecting cone; lander; technological module.

Для более глубокого понимания работы человеческого организма необходимо изучить его белковую структуру. Это возможно осуществить рентгеновским методом, но для его применения обязательны кристаллические образцы. На Земле белковые кристаллы можно получить в скрининговых машинах, в которых белок кристаллизуется при определенных, заранее установленных параметрах. Проблемой земного метода является сложность задания правильных условий роста кристаллов. Вследствие чего кристаллы, выращенные на Земле, получаются малых размеров и с неоднородной кристаллической решеткой. Для получения более совершенных кристаллов рационально их выращивать в условиях микрогравитации.

Микрогравитация – это состояние, при котором ускорение, вызванное гравитацией, очень мало, а гравитационная сила постоянна. Чтобы достичь такого состояния, необходимо вывести космический аппарат на орбиту.

Помешать возникновению микрогравитации могут два типа факторов.

К первому типу относятся: сопротивление атмосферы планеты, неоднородность гравитационного поля, возмущение орбиты космического аппарата из-за влияния небесных тел и другие.

Ко второму типу относятся: вибрации космического аппарата (солнечные панели, радиоантенны), функционирование бортовой системы (системы ориентации, вентиляции, двигатели …).

Цель данной статьи рассказать о конструкции космического аппарата, на котором возможно выращивание белковых кристаллов в условиях микрогравитации.

Концепция космического аппарата для достижения низкого уровня остаточных микроускорений предполагает использование двух модулей:

1. Технологический модуль – это небольшой спутник с печью для выращивания кристаллов, с минимальной системой питания и пассивной системой гравитационной стабилизации. В этом случае он имеет малые габариты, высокую удельную массу и симметричную несложную форму. Использование гравитационной стабилизации позволяет отказаться от двигателя в составе технологического блока. При этом исключается влияние на микрогравитационное состояние работающих двигателей и зависимость положения центра масс технологического блока от уменьшения объёма топлива в бортовых баках. Симметричная форма упрощает размещение зоны кристаллизации в центре масс. В результате уровень как внешних, так и собственных остаточных микроускорений, можно будет снизить до минимума.
2. Транспортно – энергетический модуль, выполняющий функции управления системой и производства энергии для осуществления технологических процессов. Данный модуль находится на относительно небольшом расстоянии от технологического модуля, а передача энергии осуществляется с помощью сфокусированного лазерного луча. Давление такого излучения при предполагаемых уровнях мощности не превышает естественного давления солнечного света и поэтому не вызывает дополнительных возмущений движения технологического модуля.

Рисунок 1. Концептуальная схема космической системы

Так как объектом эксперимента являются кристаллы, получаемые на борту технологического модуля, а транспортно-энергетический модуль выполняет функции обеспечения технологического модуля, то в данной статье будет рассматриваться именно технологический модуль, к которому предъявляются высокие требования по компоновке.

При проектировании космического аппарата были поставлены следующие задачи:

1. Минимизировать массу космического аппарата;
2. Разместить целевую аппаратуру в центре масс космического аппарата;
3. Минимизировать собственные вибрации космического аппарата и их влияния на целевую аппаратуру;
4. Измерение остаточных микроускорений;
5. Доставка на Землю полученных белковых кристаллов для дальнейшего исследования.

В модуле целесообразно использовать наименее массивную, надежную и малоэнергоемкую аппаратуру. В качестве оборудования для выращивания кристаллов, была выбрана печь «Белка». Печь располагается в центре масс технологического модуля, для обеспечения минималь­ного влияния остаточных микроускорений. Для подавления вибрационных микроускорений с частотой более 1 Гц оборудование будет располагаться на виброзащитной платформе, которая соединена с основанием с помощью виброизолирующих узлов, выполненных по схеме «пружинный крест». За счет пассив­ной гравитационной стабилизации можно отказаться от бортовых систем ориента­ции и стабилизации, что существенно упростит конструкцию космического аппарата и, соответственно, уменьшит влияние внутренних факторов на уровень микро­ускорений. Энергию модуль будет получать через фотоэлектрические преобразователи от транспортно-энергетического модуля. Для контроля уровня микрогравитации используется аппарат для контроля состояния и компенсации микроускорений. В модуль так же будет установлена бортовая аппаратура: бортовой комплекс управления, аккумуляторные батареи, бортовой радиокомплекс. Для возвращения образцов на Землю будет установлена парашютная система.

С целью уменьшения микроускорений, спускаемый аппарат не имеет собственных двигательных установок, следовательно, не может осуществить возврат на Землю. Для спуска технологического модуля будем использовать транспортно-энергетический модуль с разгонным блоком. Для возможности захвата, проектируемого космического аппарата, на нем будет установлено стыковочное устройство «конус» системы «штырь-конус». Установка бортового радиотехнического комплекса «Курс» обеспечит автоматическую стыковку на орбите.

Для возвращения технологического модуля на Землю нужно обеспечить его прохождение через плотные слои атмосферы и гарантировать модулю «мягкую посадку». На высотах 5 – 10 км будет пролегать граница участков спуска и приземления. Для защиты модуля от перегрева устанавливается абляционная защита, которая допускает разрушение внешнего слоя и частичный унос массы тепловой защиты. Помимо установленных на борту модуля радиотехнических средств для поиска и обнаружения, ориентиром для визуального обнаружения в светлое время суток будет парашют, а в ночное время - светоимпульсные маяки.

Для скользящего спуска (спуск с малым аэродинамическим качеством для снижения перегрузки и обеспечения точной посадки) будет применяться сегментальная форма модуля.

Исходя из вышеперечисленных критериев, был спроектирован следующий космический аппарат:

Рисунок 2. Схема членения космического аппарата

1 – Шпангоут стыковочного конуса; 2 – Обечайка конуса; 3 – Нижний шпангоут стыковочного конуса; 4 – Стакан конуса; 5 – Антенно-фидерное устройство системы «Курс»; 6 – Шпангоут для конуса; 7 – Антенно-фидерное устройство;   8 – Теплозащитное покрытие; 9 –  Верхняя обечайка; 10 – Верхний шпангоут;   11 – Обечайка; 12- Радиатор; 13 – Обечайка парашютного отсека 14 – Юбка парашютного отсека; 15 – Шпангоут парашютного отсека; 16 – Крышка парашютного отсека; 17 – Фотоэлектрический преобразователь; 18 – Крышка люка лаза; 19 – Шпангоут для люка лаза; 20 – Юбка люка лаза; 21 – Телеметрический комплекс; 22 – Аккумуляторная батарея; 23 – Виброзащитная платформа; 24 – Комплекс контроля состояния и компенсации микроускорений; 25 – Блок питания и управления; 26 – Акселерометр; 27 – Блок управления печкой «Белка»; 28 – Бортовой комплекс управления; 29 – Блок кристаллизации «Белка»; 30 – Днище; 31 – Уголки для приборной панели; 32 – Приборная панель; 33 – Нижний шпангоут; 34 – Система сближения «Курс»; 35 – Бортовой радиокомплекс; 36 – Тепловой щит; 37 – Система гравитационной стабилизации.

Рисунок 3. Компоновка космического аппарата