Эксперимент «Знамя»

Целями проведения КЭ «Знамя 3» являются:

• Подтвердить технические решения, связанные с созданием на околоземной орбите сверхлегких крупногабаритных пленочных конструкций (КГПК), формируемых центробежными силами;

• Показать возможность создания космических парусных кораблей, длительно функционирующих без расхода рабочего тела, космических аппаратов системы космического освещения, сверхмощных концентраторов солнечного излучения (для орбитальных печей, лазерных систем защиты и восстановления озонового слоя Земли, энергоснабжения Земли из космоса);

• Изучить эффективность КГПК в качестве их использования как элементов микрометеорной защиты протяженных орбитальных объектов (космических станций) от частиц антропогенного и естественного происхождения.

Комплексный космический эксперимент «Знамя-3» решает несколько задач по созданию в космосе сверхлёгких крупногабаритных плёночных конструкций, Солнечного парусного корабля (СПК) и космического отражателя солнечного света.

Эксперимент планируется провести в три этапа:

Первый этап. Разработка и изготовление макета спаренного гироскопа. Наземная отработка метода управления ориентацией КА с использованием изменения кинетического момента путем излома оси вращения маховиков СГ. Практически на данном этапе должен быть изготовлен макет спаренного гироскопа, произведена его наземная отработка, а также изготовлена и апробирована система управляемости макетом в космосе.

Второй этап. Создание полотнища диаметром 25-30 м, раскрытие на базе ТГК «Прогресс-М» одного полотнища с реализацией доработок для улучшения отражающих характеристик пленки с исследованием отражающих характеристик поверхности полотнища.

Третий этап. Создание нового космического аппарата на базе ТГК «Прогресс-М» с двумя полотнищами, вращающимися в разные стороны. Отработка режимов автономного полета Солнечного парусного корабля и космического отражателя солнечного света, или выведение автономного космического аппарата «Солнечный парус».

Эксперимент базируется на опыте ранее проведенных работ (КЭ «Знамя-2», «Знамя-2,5»), наличии задела в области создания аппаратуры для развертывания крупногабаритных пленочных конструкций, отработанной методики.

Новизна заключается в применении новых материалов с улучшенными свойствами для развертывания на околоземной орбите сверхлегких крупногабаритных пленочных конструкций (КГПК), формируемых центробежными силами, отработке методов безрасходного управления ориентацией КА, применении полученных результатов как в практической и теоретической космонавтике, так и для ее популяризации среди широких слоев населения.

Научная аппаратура первого этапа КЭ «Знамя 3» состоит из следующих элементов:

- Модель Спаренного гироскопа (СГ) - Проведение исследований по определению управляемости СГ в невесомости

- Пульт управления - Управление приводами и арретирами модели СГ

- Кабели - Обеспечение электрических связей с системами РС МКС

Научная аппаратура второго этапа КЭ «Знамя 3» состоит из следующих элементов:

- Агрегат развертывания отражателя (АРО) - Отработка развертывания и устойчивого вращения полотнища отражателя

- Проведение исследований по определению характеристик полотнища агрегата

- Блок электроники научной аппаратуры - Управление приводами АРО

- Кабели - Обеспечение электрических связей с системами РС МКС

- Цифровой фотоаппарат с телеобъективом - Регистрация КЭ с борта МКС

- Наземная аппаратура регистрации отражающих характеристик полотнища - Регистрация отражающих характеристик полотнища АРО

Научная аппаратура третьего этапа КЭ «Знамя 3» состоит из следующих элементов:

- Агрегат развертывания малого отражателя (АРМО) - Отработка развертывания и устойчивого вращения полотнища отражателя

- Проведение НИ по определению характеристик полотнища агрегата отражателя

- Агрегат развертывания большого отражателя (АРБО) - Отработка развертывания и устойчивого вращения полотнища отражателя.

- Изменение угла оси вращения полотнища отражателя.

- Проведение НИ по определению характеристик полотнища агрегата отражателя.

- Блок электроники научной аппаратуры - Управление приводами АРБО и АРМО.

- Регистрация, обработка, хранение информации, и запись данных с результатами КЭ на съемный носитель информации (flash-память)

- Блок регистрации с эффективности микрометеорной защиты - Регистрация эффективности микрометеорной защиты полотнищ отражателей АРБО и АРМО

- Дополнительная телекамера - Видеорегистрация раскрытия и устойчивого вращения полотнища отражателя АРБО

- Видеокоммутатор - Коммутация видеосигналов телекамер для передачи оператору видеоизображения в режиме ТОРУ

- Цифровой фотоаппарат с телеобъективом - Регистрация КЭ с борта МКС

- Наземная аппаратура регистрации отражающих характеристик полотнищ - Регистрация отражающих характеристик полотнищ АРБО и АРМО

Эксперимент «Знамя-3» является многоплановым, комплексным, и предполагает поэтапную реализацию с получением промежуточных результатов необходимых в итоге для создания прототипа Солнечного парусного корабля.

В качестве результатов первого этапа эксперимента будут получены достоверные количественные данные о поведении гироскопической пары в невесомости – скорости и ускорения движения гироскопической пары при различных углах относительного положения осей, при различных накопленных кинетических моментах на концах гироскопической пары. Будут проводиться исследования по возбуждению и активному демпфированию продольных и поперечных колебаний, опыты полета «по траектории». Такого рода системы ещё никогда не использовались в космосе. При этом риск проведения этого этапа эксперимента минимален.

Результат работ второго этапа – отработанные в космосе агрегат развертывания, пленочный парус для третьего этапа эксперимента, количественные оценки оптических свойств такого рода пленочных отражателей, базирующиеся на фактических данных, алгоритмы управления и фактические данные об устойчивости и управляемости вращаемого пленочного паруса для проекта СПК.

Результатом третьего этапа должен стать прототип СПК, отработанный в реальных условиях космического полета.

Итоговые результаты реализации всех трех этапов КЭ:

• Определение рациональных вариантов конструкций пленочных полотнищ, схем укладки и характеристик агрегатов развертывания, обеспечивающих плавный (без ударов, колебаний, запутывания) управляемый роспуск из уложенного состояния в требуемую форму развернутого полотнища.

• Определение эффективности отражающих поверхностей и прочностных характеристик пленочных материалов в условиях комплексного воздействия эксплуатационных нагрузок и внешних условий среды.

• Создание двухосного напряженного состояния пленочной конструкции с максимальными отражающими характеристиками.

• Изучение динамики управляемого и неуправляемого роспуска конструкций, формируемых центробежными силами, математическое моделирование процесса роспуска и напряженного состояния конструкции.

• Управление положением в пространстве раскрытых конструкций в соответствии с предъявляемыми требованиями к точности поверхности и ее ориентации; изучение процессов пассивного и активного демпфирования колебаний от воздействия гироскопических сил, подбор параметров конструкции, при которых в конкретной задаче эти колебания допустимы.

• Создание технологий изготовления и укладки пленочных полотнищ диаметром до 200 м (подбор раскроя, режимов сварки или склейки швов равнопрочных основному материалу, точность изготовления, укладка в минимальный объем).

• Разработка схем креплений и намотки для тросовых элементов конструкций отражателей, обеспечивающих динамику их управляемого и надежного роспуска.

• Создание методик наземных экспериментальных исследований отражающих характеристик маломасштабных моделей пленочных отражателей при переориентации в пространстве; проведение модельных наземных экспериментов, в том числе, в вакуумной камере.

• Определение оптимального облика перспективных космических аппаратов различного назначения на базе разрабатываемого типа пленочных конструкций.

Таким образом, полученный научно-технический задел окажется уникальным и востребованным не одним поколением будущих разработчиков космической техники.

Применение результатов КЭ "Знамя 3" возможно в следующих областях.

В прикладных аспектах:

- мониторинг и прогноз гелиогеофизической обстановки;

- создание солнечных отражателей и концентраторов, гелиоэнергетика;

- крупногабаритные антенны для космической и межбортовой связи;

- безрасходный двигатель на «солнечном ветре»;

- освещение районов Земного шара;

- защита от космического мусора.

В фундаментальной науке:

- исследования частиц высоких энергий;

- исследование солнечной активности;

- ловушки космической пыли.

В образовательно-демонстрационном приложении:

- демонстрация и популяризация возможностей отечественной космонавтики;

- привлечение для проектирования и конструирования элементов студентов профильных ВУЗов.

Список публикаций в процессе редактирования.