Датчиковая аппаратура для измерения характеристик космического пространства

УДК 681.586+629.78

DOI 10.21685/2307-5538-2018-3-5

И. Е. Славкин, А. В. Пронин

ДАТЧИКОВАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

I. E. Slavkin, A. V. Pronin

SENSOR EQUIPMENT FOR MEASUREMENT OF SPACECRAFT SPACES CHARACTERISTICS

Аннотация. Актуальность и цели. Датчиковая аппаратура, устанавливаемая на космических аппаратах, предназначена для обеспечения заданных условий внутри космического аппарата и характеристик его движения, а также для решения специальных задач, связанных с достижением конечных целей полета. Цель исследования - разработка унифицированного ряда датчиков, входящих в состав системы для регистрации внешних воздействий космического пространства. Материалы и методы. Объектом исследования является система измерения и архивирования характеристик космического пространства. Предметом исследования являются датчиковая аппаратура, а именно: датчик ударных воздействий, сигнализатор солнечного воздействия и датчик мощного радиочастотного воздействия. В процессе работы рассмотрен ряд схемотехнических решений, используемых при проектировании аналогичных изделий, применены методы математического моделирования. Выводы. При разработке датчиковой аппаратуры предложены принципы построения датчика ударных воздействий, структура сигнализатора солнечного излучения, структура построения датчика мощного радиочастотного излучения. Представлены результаты проектирования ДА, конкретные схемотехнические решения, проведено математическое моделирование.

Abstract. Background. The sensor equipment installed on space vehicles is designed to provide specified conditions inside the spacecraft and the characteristics of its movement, as well as to solve special problems associated with achieving the ultimate flight objectives. The research objective is the development of a unified range of sensors that make up the system for recording the external impacts of space spaces. Materials and methods. The object of the study is a system for measuring and archiving the characteristics of outer space. The subject of the study are sensor equipment, namely impact sensor, solar alarm and a powerful RF exposure sensor. In the process of work, a number of circuit-based solutions used in the design of similar products are considered, methods of mathematical modeling are applied. Conclusions. In the development of sensor equipment, the principles for the construction of a shock sensor, the structure of a solar radiation detector, and the construction structure of a powerful radio frequency radiation sensor are proposed. The results of DA design, specific circuitry solutions, mathematical modeling are presented.

Ключевые слова: датчик ударных воздействий, сигнализатор солнечного излучения, датчик радиочастотного излучения.

Key words: impact sensor, solar radiation detector, RF-radiation sensor.

Введение

Важнейшую роль в обеспечении длительной безотказной работы космических аппаратов (КА) и других долговременных космических объектов играет стойкость примененных в

них конструкционных материалов и элементов бортового оборудования к воздействию окружающей космической среды. По оценкам отечественных и зарубежных экспертов, более половины отказов и сбоев в работе бортовой аппаратуры КА обусловлено неблагоприятным воздействием факторов космического пространства (ФКП).

В зависимости от характера процессов, инициируемых воздействием космической среды, происходящие изменения свойств материалов и элементов оборудования могут иметь разный временной масштаб, быть обратимыми и необратимыми, представлять различную опасность для бортовых систем.

К разрушениям поверхностей КА и в первую очередь к разрушению поверхностей солнечных батарей приводит воздействие движущихся в Солнечной системе метеорных тел с поперечными размерами от нескольких десятков метров до долей микрометра. Скорости метеоритных тел относительно Земли лежат в интервале от ~ 10 до 70 км/с. Несмотря на малость их размеров и масс, разрушительная способность метеоритов связана с высокими скоростями их движения в космическом пространстве и значительностью кинетической энергии, передаваемой КА при столкновении.

Несмотря на достигнутые к настоящему времени значительные успехи в обеспечении стойкости материалов и оборудования КА к воздействию ФКП, исследования в этой области остаются актуальными в связи с регистрацией множества отклонений в работе КА по указанной причине.

Для исследования влияния части указанных факторов на надежность в АО «НИИФИ» разработана система регистрации и архивирования, в состав которой входят:

- шесть датчиков ударных воздействий;

- восемь сигнализаторов солнечного излучения;

- шесть датчиков мощного радиочастотного излучения;

- многоканальный прибор, предназначенный для сбора, обработки, хранения информации об ударных воздействиях метеоритных потоков, солнечном излучении и радиочастотном излучении;

- комплекты кабелей для подключения датчиков к прибору сбора и преобразования.

Информационное взаимодействие и управление между составными частями системы

осуществляются по интерфейсу SpaceWire и RS-485.

Особенности построения датчика ударных воздействий

Данные о количестве и параметрах метеорных тел, вторгающихся в атмосферу Земли, получают на основании наблюдений за метеорами или светящимися следами. На основе этих наблюдений получена информация о наличии в метеорах частиц массой на уровне от 10-3 до 10-2 г, движущихся со скоростями от 0,8 до 9 км/с. В момент столкновения с КА возникает кинетическая энергия в пределах от 0,89 103 до 8 103 Дж.

Достаточно крупные объекты регистрируются с помощью наземных оптических и радиолокационных средств (РЛ).

Значение кинетической энергии позволяет использовать датчики удара с высокой температурной стабильностью на основе емкостных акселерометров уравновешивающего преобразования.

Измерение реакции на удар метеорита силового элемента для крепления акселерометра обеспечивает возможность установки чувствительного элемента (ЧЭ) датчика с внутренней стороны КА. Подобное решение позволяет совместить электронику и ЧЭ в одном корпусе и уменьшить за счет этого массу датчика и обеспечить повышение стойкости датчика к воздействию ионизирующего излучения космического пространства (ИИКП).

С учетом изложенного было проведено математическое моделирование датчика ударных воздействий.

Для проведения расчетов, подтверждающих работоспособность датчика ударного воздействия, необходимо в первую очередь определить зависимости между силой ударного воздействия на элементы конструкции КА и ударным ускорением.

Зависимость между силой удара и ускорением ау определяется на основе анализа составляющих формулы для определения кинетической энергии удара Жкин, равной

w =Fx

"кии 2 y '

Measuring. Monitoring. Management. Control

где т, V - масса и скорость метеорного вещества; х - деформация основания конструкции, на которую установлен датчик.

При изменении массы метеорита т в пределах от 0,1 до 10 г и скорости соударения от 0,8 до 8,9 км/с кинетическая энергия удара изменяется в пределах от 0,89-103 до 8103 Дж.

Значение подсчитанной кинетической энергии удара высокоскоростных метеорных частиц с высокоскоростным движением КА можно подтвердить следующим примером.

Скорость частицы, падающей под воздействием ускорения свободного падения, за 1 с составляет 9,81 м/с. При этом кинетическая энергия от удара частицы будет находиться в интервале от 4,8 до 480 Дж, что значительно меньше, чем при ударе высокоскоростной частицы.

При деформации места установки акселерометра под воздействием удара на уровне 110-6 м максимальная сила удара, определенная из формулы (1), будет составлять

р = ^=8 108Н.

у 10-5

Диапазон измерений датчика определяем по формуле

«у = ^

У Су

где Су - жесткость крепления датчика к конструкции КА; - масса датчика; Су = т&юуст.

При тг = 100 10-3 кг, юуст = 6,28 104 рад/с получаем

8-108 2 03 . 2

ау =-3-2-- = 2,03 м/с .

у 100 -10-3 • 6,282 -108

Следовательно, для измерения метеоритных ударов максимальной величины датчик удара должен иметь диапазон измерений 2 м/с2. Для перекрытия возможных изменений масс и скоростей метеоритов целесообразно проводить разработку унифицированного ряда диапазона измерений в пределах от ±0,18 до ±22 м/с2 с одновременным нормированием и определением разрешающей способности датчика.

Для расчета характеристик измерительной цепи от входа датчика удара до его унифицированного аналогового выхода (1,6 ± 1,3) В, совместимого с АЦП; микроконтроллера прибора сбора и преобразования использованы математические модели и методы их анализа [1].

Результаты моделирования поведения датчика ударного воздействия средствами комплекса прикладных программ МаЙаЬ 6.0, приведенные в [1], подтверждают возможность ускорения частиц в пределах от 0,2 до 10 м/с2 путем регулирования параметров цепи уравновешивания акселерометра.

Обоснование структуры построения сигнализатора солнечного излучения

Почти вся энергия Солнца выделяется в форме низкоэнергичных фотонов в области от дальнего ультрафиолетового до видимой области и инфракрасного диапазонов. Внеатмосферный солнечный спектр, например на борту КА, характеризуется длинами волн от 170 до 800 нм. Около 50 % энергии приходится на видимую часть спектра (400-750) нм, 8 % на ультрафиалето-вую (^ < 400 нм) и около 45 % на инфракрасную (^ > 760 нм). Из этого следует, что для измерения характеристик внеатмосферного слоя могут использоваться светочувствительные элементы, предназначенные для регистрации различных участков спектра в диапазоне от 170 до 800 нм.

На протяжении последних 30 лет схемотехника фоточувствительных преобразователей с использованием фотодиодов серий ФД, КДФ, УДФ и ФПУ отработана в АО «НИИФИ» достаточно хорошо, а результаты испытаний устройств с их применением показывают, что указанные фотоприемники могут эффективно использоваться для регистрации солнечного излучения.

Как уже указано выше, основным функциональным элементом сигнализатора является фотодиод серии ФД, а конкретно ФД-7К с диапазоном спектральной чувствительности в пределах от 400 до 1100 нм. Электрическая схема сигнализатора содержит фотоприемник и учитывает то, что в качестве электрических элементов фотоприемники отличаются высоким выходным сопротивлением [2] или фактически являются датчиками тока.

По этой причине фотодиод сигнализатора может быть включен по простейшей схеме инвертирующего усилителя с заземленным неинвертирующим входом. В таком варианте

включения операционный усилитель выполняет функцию преобразователя тока фотодиода в выходное напряжение, в котором сопротивление цепи отрицательной обратной связи определяет как значение тока фотодиода, так и коэффициент преобразования. Остальные узлы сигнализатора выполняют функции усиления напряжения до получения требуемого выходного напряжения (1,6 ± 1,3) В, совместимого с АЦП контроллера прибора сбора и преобразования. Но при использовании фотодиода вся структура в целом выполняет функцию преобразования «ток - напряжение».

Коэффициент преобразования сигнализатора, равной отношению единицы измерения выходного сигнала его измерительной цепи [В] к единице светового потока [лм] определяется, главным образом, интегральной чувствительностью фотоприемника ^инт, измеряемой в [А/лм]. Для фотоприемника ФД-7К $инт = 610-3А/лм, что соответствует протеканию через него тока в 6 мА при воздействии светового потока в 1 лм.

Учитывая то, что изменение выходного напряжения сигнализатора составляет 2,6 В, номинальное значение коэффициента преобразования сигнализатора должно быть равным К0 = 2,6 В/лм. Для получения такого значения электронная часть измерительной цепи, являющаяся преобразователем «ток - напряжение», должна иметь коэффициент преобразования, равный

K_ = - K

2 6 R

: —=0,43 10-3= 430 — = 430 Ом. 6-10-3 A

Схема построения такого преобразователя как части измерительной цепи сигнализатора достаточно проста и представляет собой эквивалентный резистор нагрузки фотодиода. При этом учтена особенность режима работы фотодиода - слабая зависимость падения напряжения на нем от сопротивления нагрузки вследствие его высокого выходного сопротивления.

Обоснование структуры построения датчика радиочастотного излучения

С точки зрения проблем электромагнитной совместимости аппаратуры различного назначения, размещаемой на КА, под внешними электромагнитными помехами понимаются излучения, генерируемые радиопередающими и радиоприемными устройствами каналов связи КА.

Как правило, радиочастотные помехи являются узкополосными, а их наибольшее влияние на функционирование аппаратуры наблюдается при совпадении частоты помехи с частотой, на которой имеет место максимальная чувствительность аппаратуры. В этой связи измерение мощного радиочастотного излучения является актуальным в целях повышения достоверности проводимых на борту измерений различных параметров за счет идентификации и разделения помехи на собственные и внешние.

Выбор структуры построения датчика мощного радиочастотного излучения на основе использования возможностей радиоприема является обоснованным вследствие высокой практической подтвержденности эффективности технического решения [3-5].

При этом выбор диапазона измерений по частоте и мощности излучения определяется типами радиопередающих устройств, используемых на КА.

В структуру датчика (рис. 1) в качестве необходимого функционального узла введен делитель частоты радиоизлучения, необходимый для обеспечения возможности использования отечественной ЭКБ для дальнейших преобразований в датчике.

Рис. 1. Структура построения датчика радиочастотного излучения

Measuring. Monitoring. Management. Control

В настоящее время активные делители частоты предлагаются фирмами Hittile Microwa-we, Microsemi Corporation, в линейку продукции которых входят электронные компоненты радиочастотного диапазона серии HMC, MO, MMA, UAO, MMIC, UXN-усилители, аттенюаторы, модуляторы, умножители и делители частоты и т.д. [6, 7]. Отечественные активные делители частоты не найдены. В публикациях [6, 7] приводятся результаты исследований в РФ по созданию на основе смешанной комплектации фирмы ZARLINK отечественных транзисторов 2П306, 2Т312. Из-за отсутствия отечественных аналогов активных делителей частоты предприятиями-разработчиками радиоаппаратуры используются пассивные делители частоты собственных разработки и производства.

Характеристики радиопередатчиков и радиоприемников космических аппаратов зависят от параметров орбиты, ориентации и геометрии космического корабля. Выбор типа антенны в большей мере зависит от степени стабилизации КА. Анализ доступной информации по эксплуатации радиопередатчиков на изделиях РКТ показывает, что на части изделий РКТ используются бортовые радиопередающие устройства типа УПЦМ или УПЦД производства АО «НПО ИТ» с характеристиками:

- выходная мощность до 25 Вт;

- несущая частота и длина волны 300 МГц и 1 м соответственно;

- несущая частота и длина волны 5 ГГц и 10 см соответственно (на КА используются радиопередающие устройства с несущими частотами от 9 до 10 ГГц).

Проведем расчет датчика для варианта использования штыревой приемной антенны для частоты 3 ГГц. При этом выбираем длину штыря равной 0,25 длины волны.

Допускаем, что регистратор мощных радиочастотных излучений находится на расстоянии 10 м от радиопередатчика под углом 30° к его экваториальной плоскости. При работе радиопередатчика на штыревую антенну будут действовать электрическое и магнитное поля с несущей частотой 3 ГГц, а под воздействием радиочастотного излучения в ней будет наводиться ЭДС еа.

Данные для расчета наведенной в антенне еа:

- длина приемной антенны l = 0,25 м;

- активное сопротивление приемной антенны Ra = 0,1 Ом;

- мощность радиопередатчика P^ = 20 Вт;

- ток возбуждения антенны радиопередатчика Im = 0,5 А;

- КПД приемной антенны п = 0,1;

- расстояние от радиопередатчика до середины штыревой антенны r = 10 м.

Полученные по результатам расчета данные:

2P 40

- полное сопротивление передающей антенны Rs = ==160 Ом ;

m

I

- отношение —=

X

- напряженность магнитного поля Нт =sin30o=02 • 4 • 0,5 = 0,02 А/м;

2г X 20

- напряженность электрического поля Ет = Z0Hm =120п • 0,02=7,536 В/м ;

- наведенная ЭДС е а = ф'^К« = ^20 • 0,1-4 • 0,1 = 0,89 В.

Расчеты показывают, что при выполнении условий задачи наведенная на штыревую антенну ЭДС составляет значительную величину, для преобразования которой в унифицированный сигнал, совместимый с сигналом со входа АЦП микроконтроллера, требуется незначительное усиление.

Следует отметить, что реализация СВЧ-радиоприема требует также использования СВЧ-предварительных усилителей. Известным методом для обеспечения неискаженного радиоприема при отсутствии СВЧ-компонентов является использование полосковых делителей радиочастоты. Их применение обеспечивает использование высокочастотной ЭКБ и в первую очередь интегральных микросхем и транзисторов для построения СВЧ-радиоприемных каналов.

Под полосковой линией понимают линию передачи энергии сверхвысоких частот, состоящую из проводящей полосы и основания в виде заземленной проводящей пластины, слу-

жащей вторым проводом. Использование технологий микроэлектроники в производстве мик-рополосковых делителей обеспечивает возможности:

- сравнительной простоты изготовления;

- миниатюризации конструкции и интегрального исполнения делителя;

- автоматизации производства;

- повышения надежности и хорошей воспроизводимости характеристик.

Библиографический список

1. Мокрое, Е. А. Статико-динамические акселерометры для ракетно-космической техники / Е. А. Мокров, А. А. Папко. - Пенза : ПАИИ, 2004.

2. Электрические измерения неэлектрических величин / под ред. П. В. Новицкого. - Л. : Энергия, 1975.

3. Крэсснер, Г. Н. Введение в системы космической связи / Г. Н. Крэсснер, Дж. В. Ми-хаелс. - М. : Связь, 1967.

4. Белоцерковский, Г. Б. Основы радиотехники и антенны. Ч. 1. Основы радиотехники / Г. Б. Белоцерковский. - М. : Советское радио, 1969.

5. Белоцерковский, Г. Б. Основы радиотехники и антенны. Ч. 2. Антенны / Г. Б. Белоцер-ковский. - М. : Советское радио, 1969.

6. Hittite Microwawe. Портрет фирмы. Электроника // Наука, бизнес, технологии. - 2005. -№ 7.

7. Монолитные СВЧ-компоненты Microsemi Corporation для отечественных применений // Компоненты и технологии. - 2016. - № 7.

Славкин Илья Евгеньевич

аспирант,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: ilya-slavkin@yandex.ru

Slavkin Ilya Evgenevich

postgraduate student,

Penza State University

Пронин Александр Владимирович

аспирант,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: pronin.alexandr2017@yandex.ru

Pronin Alexander Vladimirovich

postgraduate student,

Penza State University

УДК 681.586+629.78 Славкин, И. Е.

Датчиковая аппаратура для измерения характеристик космического пространства /

И. Е. Славкин, А. В. Пронин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2018. - № 3 (25). -С. 37-42. - БО! 10.21685/2307-5538-2018-3-5.

í.........................................................................................

Measuring. Monitoring. Management. Control