Способ определения глубины каверны на оптической поверхности внешнего стекла иллюминатора пилотируемого космического аппарата

Способ определения глубины каверны на оптической поверхности внешнего стекла иллюминатора пилотируемого космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

В процессе полета космический аппарат (КА) подвергается воздействию окружающей среды: ионизирующих излучений, частиц, а также метеоритов. Большую опасность представляют даже микрометеориты, соударяющиеся со стеклами иллюминаторов КА, вследствие огромной (~8 км/с) скорости соударения, что приводит к образованию каверен на внешнем стекле иллюминатора. В качестве примера на фиг.1 приведено фото каверны на внешнем стекле иллюминатора МКС. Образовавшиеся каверны снижают прочность иллюминатора, а в критических случаях могут привести к потере его герметичности, т.е. к аварийной ситуации.

До настоящего времени непосредственно измерить величину каверны не представлялось возможным на КА в условиях полета и такие измерения не проводились. По одиночному фото невозможно достоверно определить глубину каверны.

Прототипа данного способа не обнаружено.

Задачей изобретения является достоверное определение глубины каверны (дефекта) внешнего стекла иллюминатора в условиях полета с заданной точностью.

Задача решается с помощью описываемого ниже способа.

В предлагаемом способе определения глубины каверны на оптической поверхности иллюминатора КА производят следующие действия (см. фиг.2): измеряют расстояние от центра каждого снимка стереопары до одной и той же точки изображения каверны (x₁ и х₂), измеряют расстояние между оптическими осями объективов 1 и 2 для первого и второго снимков стереопары, измеряют расстояние от главной плоскости 4 объективов 1 и 2 до поверхности внутреннего стекла 5 иллюминатора, измеряют давление воздушной среды в гермоотсеке (ГО) и в межстекольном пространстве иллюминатора, а глубину каверны определяют по следующей формуле:

где

Δ - глубина каверны,

х₁- расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на первом снимке относительно центра снимка,

х₂ - расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на втором снимке относительно центра снимка,

В - расстояние между оптическими осями объектива для первого и второго снимка,

h₀ - расстояние от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора,

P_ГО - давление в гермоотсеке,

Р_В12 - давление в межстекольном пространстве,

f - фокусное расстояние объектива,

h_СТ1 - толщина первого стекла иллюминатора,

h_СТ2 - толщина второго стекла иллюминатора,

h_В12 - толщина межстекольного пространства иллюминатора,

n_КВ - показатель преломления кварцевого стекла,

k - коэффициент пропорциональности в зависимости между показателем преломления и давлением воздушной среды:

где n_B - показатель преломления воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве,

Р - давление воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве. Зависимость между показателем преломления и давлением показана в книге К.У.Ален Астрофизические величины. Издательство иностранной литературы, 1960, §53. Атмосферная рефракция и путь луча в воздухе.

Величины х₁, x₂, В, h₀, P_ГО, Р_В12 - измеряемые. В, h₀, f - известные величины, h_СТ1,

h_СТ2, h_В12 - конструктивные параметры иллюминатора.

Фотоснимок каверны, приведенный на фиг.1, был сделан на российском сегменте международной космической станции (PC MKC) при фотосъемке иллюминатора №7 в 2002 г. На снимке на внешнем стекле иллюминатора на фоне оправы иллюминатора можно различить кратер со сколами. Диаметр кратера ~ 1,5 мм. Поскольку был сделан одиночный снимок, глубина кратера не была определена.

На фиг.2 приведена схема стереосъемки каверны на внешнем стекле 6 иллюминатора. Показано два положения 1 и 2 объектива, при которых выполняется съемка двух кадров и ход двух лучей, участвующих в построении изображения точки вершины каверны 7 в фокальной плоскости объектива на обоих снимках (точки на расстояниях х₁ и х₂ от оси объектива на одном и на другом снимке соответственно). На границе перехода из одной среды в другую (из стекла в воздушную среду и из воздушной среды в стекло) луч изменяет направление в соответствии с законом преломления:

где i₁ - угол между направлением луча в первой среде и нормалью к границе раздела двух сред,

i₂ - угол направлением луча во второй среде и нормалью к границе раздела двух сред,

n₁ - показатель преломления первой среды,

n₂ - показатель преломления второй среды.

Поскольку показатель преломления стекла иллюминатора больше показателя преломления воздушной среды: n_кв>n_вГО и n_кв>n_в12, углы наклона лучей в воздушной среде больше углов наклона лучей в стекле, что показано на фиг.2, в частности i₁₀>i₁₁.

В результате проведения стереосъемки измерения расстояний между оптическими осями объектива при выполнении первого и второго кадра стереопары, измерения расстояния от оптической поверхности внутреннего стекла илллюминатора и главной плоскостью объектива, измерения давления в ГО и межстекольном пространстве и, наконец, вычисления по приведенной выше формуле получается искомая величина Δ, на основании которой специалисты по прочности дают заключение о надежности иллюминатора.

Способ определения глубины каверны на оптической поверхности внешнего стекла иллюминатора пилотируемого космического аппарата, включающий: стереосъемку каверны, измерение расстояния от центра каждого снимка стереопары до одной и той же точки изображения каверны, измерение расстояния между оптическими осями объектива для первого и второго снимка, измерение расстояния от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора, измерение давления воздушной среды в гермоотсеке и в межстекольном пространстве, при этом глубину каверны определяют по формуле: где Δ - глубина каверны,x₁ - расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на первом снимке относительно центра снимка,х₂ - расстояние от изображения измеряемой точки повреждения (каверны) на втором снимке относительно центра снимка,В - расстояние между оптическими осями объектива для первого и второго снимка,h₀ - расстояние от главной плоскости объектива до поверхности внутреннего стекла иллюминатора,Р_ГО - давление в гермоотсеке,P_B12 - давление в межстекольном пространстве,f - фокусное расстояние объектива,h_CT1 - толщина первого стекла иллюминатора,h_CT2 - толщина второго стекла иллюминатора,h_B12 - толщина межстекольного пространства иллюминатора,n_KB - показатель преломления кварцевого стекла,k - коэффициент пропорциональности в зависимости между показателем преломления и давлением воздушной среды: ,где n_В - показатель преломления воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве,Р - давление воздушной среды в ГО или в межстекольном пространстве.