Разработка научно-технических решений и методов создания малых (сверхмалых) космических аппаратов для осуществления радиационного мониторинга в околоземном космическом пространстве и космических систем на их основе

Соглашение о предоставлении субсидии от 8 сентября 2014 г. № 14.604.21.0127 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по теме:
«Разработка научно-технических решений и методов создания малых (сверхмалых) космических аппаратов для осуществления радиационного мониторинга в околоземном космическом пространстве и космических систем на их основе»

Уникальный идентификатор RFMEFI60414X0127

Руководитель работ по проекту - директор НИИЯФ МГУ М.И.Панасюк

Реализация проекта направлена на решение проблемы радиационной безопасности экипажей пилотируемых кораблей, элементов космической техники и прогноза радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве (ОКП).

Целью прикладных научных исследований (ПНИ) является разработка методов создания и научно-технических решений аппаратуры радиационного контроля и определение облика малых (сверхмалых) космических аппаратов (МКА) многоярусной системы мониторинга радиационной обстановки в ОКП.

Реализация проекта позволит создать специализированный МКА (массой не более 100 кг) с целевой аппаратурой для радиационного мониторинга. Группировка из 3-х таких идентичных МКА обеспечит прогноз радиационной обстановки в ОКП.

В период с 8 сентября 2014 г. по 31 декабря 2014 г. в рамках 1 этапа ПНИ по теме:
«ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЗДАНИЯ МКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МОНИТОРИНГА РАДИАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ» выполнены следующие работы:

  • Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему создания МКА и многоярусной группировки на их основе для осуществления мониторинга радиационных условий на различных орбитах в ОКП.
  • Выполнена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике. Выбрано направления исследований. Получены результаты исследования параметров функционирования аппаратуры радиационного контроля ОКП и служебных систем МКА.
  • Разработана математическая модель функционирования МКА радиационного мониторинга ОКП, в том числе в составе многоярусной группировки.
  • Разработаны структурные схемы блоков аппаратуры радиационного контроля ОКП и принципы их работы.
  • Разработана математическая модель работы аппаратуры радиационного контроля ОКП, учитывающей внешние воздействующие факторы ОКП.
  • Проведены маркетинговые исследования с целью изучения рынка сбыта новой продукции (коммерциализации РИД), создаваемой на основе научно-технических решений по данным ПНИ в сфере деятельности Индустриального партнера.
  • Выполнен анализ научно-технической, производственно-технологической и испытательной базы в части обеспечения разработки и производства служебных систем и МКА в целом.
  • Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему создания специализированной аппаратуры радиационного контроля для мониторинга радиационных условий на различных орбитах в ОКП.
  • Проведены исследования параметров функционирования аппаратуры радиационного контроля ОКП и служебных систем МКА с целью определения технических требований к служебным системам и аппаратуре радиационного контроля.

Основные результаты 1 этапа проекта:

Для проведения мониторинговых радиационных измерений предложены:
- оригинальная группировка из трех МКА располагающихся на следующих орбитах: орбита высотой 650-750 км с наклонением 86-94°; орбита высотой 1500-2000 км с наклонением 65-70°; орбита высотой 6500-8000 км с наклонением 45-50°;
- оптимальная система дешевой и надежной магнитно-гироскопической системы ориентации и стабилизации (СОС), полностью удовлетворяющая требованиям радиационных измерений;
- новая компоновка из 4-х спектрометров для раздельной регистрации протонов и электронов, основных радиационно-опасных компонентов в ОКП.

Применение проектируемого комплекса радиационных измерений, в совокупности с предлагаемой СОС, позволит создать специализированный МКА массой не более 100 кг, который в составе 3-х спутниковой группировки обеспечит выполнение задачи определения условий функционирования для других КА, находящихся на околоземных орбитах.
Наряду с прикладными аспектами, наш проект будет иметь также важное значение для решения фундаментальных задач физики магнитосферы.
Наработки, полученные при выполнении задач проекта, могут быть использованы для образовательных целей при подготовке специалистов соответствующих направлений.

Разработана математическая модель многоярусной группировки МКА, которая показала, что оптимальным вариантом является группировка МКА, размещающихся на 3-х круговых орбитах, имеющих высоты 650, 1700 и 8000 км и наклонения 80, 65 и 50° соответственно.

slide0098_image004.png

O1: Высота 650 км, наклонение 80°
O2: Высота 1700 км, наклонение 65°
O3: Высота 8000 км , наклонение 50°

Разработана спектроскопическая система для регистрации радиационной обстановки ОКП и выбрана оптимальная конфигурация спектроскопических систем, состоящая из 4-х идентичных детекторных сборок, в котором оси трех сборок располагаются по трем осям прямоугольной декартовой системы, а ось четвертой — вдоль главной оси куба, построенной на осях первых трех детекторов.

spektroskopicheskaya_sistema.png
spektroskopicheskaya_sistema-2.png
Проработаны различные варианты состава бортовых систем МКА, предложено использование в составе МКА радиационного контроля дешевой и надежной магнитно-гироскопической системы ориентации (МГСО) с использованием одного маховика, магнитометра и датчика угловой скорости высокой точности. В качестве метода определения ориентации будет использован фильтр Калмана.

mahoviki.png
Маховики производства ВНИИЭМ

magnitnaya_katushka.png
Магнитная катушка производства ВНИИЭМ

optovolokonnyy_datchik_uglovoy_skorosti.png
Оптоволоконный датчик угловой скорости производства ФИЗОПТИКА

Задачи 1 этапа проекта по обоснованию выбора направления исследований создания МКА для осуществления мониторинга радиационных условий в ОКП и космических систем на их основе решены в полном объеме.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на этапе 1 исполненными надлежащим образом.

В период с 1 января 2015 г. по 30 июня 2015 г. в рамках 2 этапа ПНИ по теме:
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ОСНОВНЫМ СЛУЖЕБНЫМ СИСТЕМАМ МКА И АППАРАТУРЕ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ОКП С УЧЕТОМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МКА В СТРУКТУРЕ МНОГОЯРУСНОЙ ГРУППИРОВКИ»
получены следующие результаты:

Разработаны общие и специализированные технические требования к системе ориентации и стабилизации (СОС) и аппаратуре радиационного мониторинга с учетом их использования в составе многоярусной группировки малых (сверхмалых) космических аппаратов (МКА), предназначенных для прогнозирования радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве (ОКП). Приведены состав и характеристики, которым должны удовлетворять отдельные узлы и блоки СОС и аппаратуры радиационного мониторинга. Показано, что составные элементы СОС и аппаратуры радиационного мониторинга должны изготавливаться из радиационно-стойких электрорадиоизделий (ЭРИ).
Проведено моделирование работы аппаратуры радиационного контроля ОКП с учетом использования МКА в структуре многоярусной группировки математическим методом, позволяющим проводить детальное моделирование процессов взаимодействия излучения с веществом с учетом рождения вторичных частиц, рассеяния излучения в материалах и т.д. Использовался один из наиболее точных и универсальных расчетных методов, а именно, программный комплекс GEANT4. Произведен расчет энерговыделений в блоке детекторов в системе GEANT4 на предполагаемых орбитах работы прибора.

modeling.png
Рисунок - Визуализация воздействия изотропного потока электронов на модель телескопа в GEANT4

Выполнено обоснование оптимальных значений характеристик блока детекторов и информационного блока аппаратуры радиационного контроля ОКП. Показано, что присчет событий от протонов, прошедших через боковой корпус, наблюдается при исходной энергии протонов > 50 МэВ для корпуса из дюралюминия и >100 МэВ для корпуса из латуни (см. схему спектрометра, выше). На основе полученных данных проведен анализ эффективности различных логических схем отбора сигналов. Показано, что использование в качестве управляющего сигнала ненулевого сигнала в детекторе D2 позволяет практически полностью убрать сигналы от частиц, прошедших через корпус прибора, в случае регистрации электронов и значительно уменьшить количество таких сигналов в случае регистрации протонов.

Результаты моделирования электронных узлов предлагаемой к реализации аппаратуры радиационного контроля показывают, что для однозначного определения типа и энергии первичной частицы требуется использование не менее 4 энергетических порогов для каждого из детекторов D1 и D4, а для детекторов D2 и D3 используется 8 и 7 порогов соответственно. В ходе создания электронной модели работы аппаратуры радиационного контроля получен аппаратный код VHDL, оптимизированный для использования с устройствами производства Xilinx и пригодный для использования с ПЛИС других производителей, в том числе и российских.

По результатам моделирования аппаратуры радиационного контроля разработаны структурные схемы аппаратуры радиационного контроля. Логические устройства отбора реализованы на логических элементах «И» и «НЕ». Данные логические устройства отбора реализуют условия, позволяющие раздельно регистрировать электроны и протоны ОКП и получать энергетические распределения (зависимость потоков частиц от энергии) этих частиц в пространстве и во времени. Даны рекомендации по улучшению быстродействия полученных схемных решений.
Разработана эскизная конструкторская документация на стенд исследования характеристик макета системы ориентации и стабилизации МКА.

Проведены патентные исследования технического уровня и тенденций развития магнитно-гироскопических систем ориентации МКА в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

Задачи второго этапа проекта по определению технических требований к основным служебным системам МКА и аппаратуре радиационного мониторинга ОКП с учетом использования МКА в структуре многоярусной группировки решены в полном объеме.

В период с 1 июля 2015 г. по 31 декабря 2015 г. в рамках 3 этапа ПНИ по теме:

«РАЗРАБОТКА ЭСКИЗНОЙ КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ НА МАКЕТЫ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ МКА И МАКЕТ АППАРАТУРЫ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ОКП»

получены следующие результаты:

- разработана эскизная конструкторская документация на макет системы ориентации и стабилизации МКА;

- разработана эскизная конструкторская документация на макет аппаратуры радиационного контроля ОКП;

- произведена закупка материалов и комплектующих для создания стенда исследования характеристик макета системы ориентации и стабилизации МКА в части реализации шины мультиплексного канала информационного обмена и технологического интерфейса;

- изготовлен стенд исследования характеристик макета системы ориентации и стабилизации МКА.

Задачи третьего этапа проекта по разработке эскизной конструкторской документации на макеты системы ориентации и стабилизации МКА и макет аппаратуры радиационного контроля ОКП решены в полном объеме.

В период с 1 января 2016 г. по 30 июня 2016 г. в рамках 4 этапа ПНИ по теме:
«ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТОВ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ МКА И АППАРАТУРЫ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ОКП»
получены следующие результаты:

- изготовлен макет системы ориентации и стабилизации МКА;
- изготовлен макет аппаратуры радиационного контроля ОКП;
- разработана программа и методика исследовательских испытаний макета системы ориентации и стабилизации МКА с использованием стенда;
- проведены испытания стенда исследования характеристик макета системы ориентации и стабилизации МКА.
Для макета магнито-гироскопической системы ориентации (МГСО) ООО НПП "Антарес" разработал и изготовил комплекс исполнительных и чувствительных элементов, в составе которого, в частности, входят:


Волоконно-оптический блок измерения угловых скоростей БИУС-РМ ДКШГ.402138.029


Магнитометр аналоговый МА-5 КМИВ.411172.004


Управляющие электромагниты ЭМ 33472 ПИГН.677112.002


Управляющий двигатель-маховик ДМ1-20 ТАИК.525376.001

Изготовлен макет аппаратуры радиационного контроля, состоящий из двух блоков:


Блок детекторный (БД)


Блок информационный (БИ)

Задачи четвертого этапа проекта по изготовлению макетов системы ориентации и стабилизации МКА и аппаратуры радиационного контроля ОКП решены в полном объеме.