Математическое моделирование проводимости в ударносжатых пленочных металл-диэлектрик-металл (МДМ) структурах, используемых для регистрации параметров микрометеоритов и космического мусора

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

Аппаратура «Метеор» предназначена для измерения параметров высокоскоростных пылевых частиц естественного и искусственного происхождения, параметров потоков заряженных частиц и определения уровня электризации элементов поверхности МКА, для измерения углового положения Солнца относительно поверхности МКА.

Аппаратура «Метеор» обеспечивает решение следующих задач: оценку параметров высокоскоростных пылевых частиц, взаимодействующих с поверхностью ионизационного датчика; временную и пространственную привязку, результатов измерения параметров высокоскоростной пылевой частицы для последующего определение направления прихода пылевой частицы и ее идентификации, определения принадлежности к классу микрометеороидов или техногенных частиц; периодическое измерение наведенного на поверхностном датчике потенциала, с пространственно-временной привязкой результата измерения, периодическое измерение пространственного положения Солнца относительно связанных координат МКА, с последующей оценкой возможных потоков заряженных частиц на поверхность МКА и динамики изменения поверхностного заряда, исследование эффекта возможной дифференциальной зарядки аппарата.

Пространственно-временная привязка осуществляется с использованием данных, формируемых аппаратурой МАГКОМ на основании измерения геомагнитного поля Земли, времени и координат, выданных навигационной системой аппаратуры КУНС «Дока».

Обмен информацией аппаратуры «Метеор» с бортовым комплексом КУНС средства телеметрического контроля, навигационной и команд управления, производится через аппаратуру МАГКОМ, посредством стартстопных стыков Я8-232 по согласованным протоколам. Выдаваемая телеметрическая информация включается в общий телеметрический пакет аппаратуры МАГКОМ. Навигационная и командная информация транслируется аппаратурой МАГКОМ по запросу аппаратуры «Метеор».

В ходе работ были испытан датчик микрометеоритов на электродинамическом ускорителе пылевых частиц. Результаты испытаний приведены на рис. 1.

Кл/кг

Рис. 1. Зависимость удельного заряда частицы от скорости частицы (для танталовой мишени - 1 и мишени

из стекла-2)

Рис. 2. Осциллограммы с колец Фарадея на ускорителе заряженных частиц - 1 и с датчика метеоритов - 2

Таким образом, данная научная аппаратура позволяет определять параметры частиц, оценивать направление на Солнце датчика, электризацию, а также на основе измеренных магнитных полей производить компенсацию микроускорений.

© Телегин А. М., Семкин Н. Д., 2010

УДК 767.378

А. М. Телегин, М. О. Уваров Научный руководитель - Н. Д. Семкин Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева, Самара

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОВОДИМОСТИ В УДАРНОСЖАТЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ (МДМ) СТРУКТУРАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МИКРОМЕТЕОРИТОВ И КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА

Рассмотрен МДМ-датчик параметров микрометеоритов и космического мусора. Представлена система уравнений, описывающих поведение МДМ-структуры при высокоскоростном соударении. Сделан вывод об использовании данного датчика.

При исследовании и разработке бортовых детек- связанные с ними параметры частицы в электриче-торов космической пыли необходимо создание ап- ские сигналы.

паратуры, преобразующей ударные воздействия и В качестве датчика в такой аппаратуре использу-

Секция «Автоматика и электроника»

ется МДМ-структура. При толщине верхней обкладки большей размера частицы кратер при ударе механически не разрушает материал диэлектрика, но ударная волна, за счет сжатия и последующего нагрева, приводит к кратковременному увеличению его проводимости. При этом предварительно заряженный конденсатор частично разряжается через канал проводимости. Измеряя остаточное напряжение на конденсаторе можно оценить интенсивность ударной волны и, следовательно, параметры частицы.

Процессы, происходящие при высокоскоростном взаимодействии частиц с твердым веществом, описываются с помощью уравнений гидродинамики, а также уравнения состояния, описывающего поведение сжатого твердого тела [1].

При столкновениях твердых тел со скоростями в несколько километров в секунду возникает давление порядка единиц и более мегабар. Поскольку такие давления во много раз превышают прочность материалов, последней можно пренебречь и рассматривать твердое тело как идеальную (невязкую) сжимаемую жидкость. Само собой разумеется, что при всяком ударе давление в конечном итоге спадает, и прочность материала опять станет главным фактором, определяющим окончательную конфигурацию материала, к какой он придет в состоянии покоя.

Современные представления о распространении сильных ударных волн в газах во многом обязаны методам подобия. К сожалению, две особенности данной задачи не позволяют воспользоваться этим методом с тем же успехом, какой он до этого обеспечил применительно к задаче о взрыве. Первая особенность состоит в том, что течение зависит от двух пространственных переменных и, таким образом, даже при условии соблюдения подобия оно описывается системой дифференциальных уравнений с частными производными. Вторая особенность связана с тем, что интенсивность возникших при ударе волн обычно достаточно мала, чтобы удовлетворить предположению о подобии.

В наиболее общем случае для определения проводимости ударносжатых диэлектриков МДМ-структуры как функции времени, параметров частицы решается система уравнений гидродинамики и электродинамики с использованием уравнений состояния для металла и диэлектрика вида [2]:

5р д/

+ йп(\¥ )= 0,

4 *)

др

+ йы

)+ Vp

= 0,

дЕ^ + йы(рЕ1¥ )+ й1у(рТ¥ ) = 0,

Р = Р

р = ар ; T =

Ш2

р ; Е - — I , = 1,2 ... , 3 p - a

4рЫ

где 3 - ток через МДМ-структуру (полный ток через ударносжатый конденсатор); и - напряжение на обкладках структуры; V - обьем интегрирования области, охваченной ударной волной; ст(г, /) -удельная электропроводность; й - толщина диэлектрика; г , / - координаты, время соответственно записаны законы сохранения массы, импульса и энергии, а также уравнений состояния вещества алюминия и диэлектрика. Температура Т определяется из трехчленного уравнения состояния, величины р, Е, Ш , р, находятся в результате решения уравнений методом крупных частиц полная методика решения на основе этих уравнений приведена в [3]. В результате решения системы уравнений (1)-(5) определяются значения и, V, Е, р, р, характеризующие поведение веществ во времени. Также можно рассчитать поле температур в ячейках. Расчеты используются для вычисления удельной электропроводности, зависящей от температуры ударносжатого канала проводимости МДМ-структуры. Зная температуру, по известной функции ст = ст0 • ехр(- ДЕ/кТ) определяют ст , либо зная ст и Т можно установить эмпирическую зависимость ст от Т.

На основании зависимости ст(Т, /), получаем значение для проводимости МДМ структуры

)=,' ^.

Зная зависимость проводимость МДМ структуры от времени и начальное напряжение на конденсаторе, можно получить изменение напряжение на конденсаторе.

Предложенная модель позволяет проанализировать процессы, протекающие при высокоскоростном ударе микрометеоритов и космического мусора по мишени, представляющей собой МДМ структуру, вывести зависимости изменения напряжения на обкладках конденсатора в зависимости от параметров частиц.

Библиографические ссылки

1. Семкин Н. Д., Телегин А. М., Изюмов М. В. Детектор микрометеороидов и техногенных частиц на основе пленочных структур металл-диэлектрик-металл // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008. Т. 11. № 4. С. 79-88.

2. Семкин Н. Д., Воронов К. Е. Проводимость ударносжатых МДМ-структур на основе полиме-тилметакрилата //ЖТФ. 1998. Т. 68. № 8. С. 63-66.

3. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М. : Наука, 1982.

© Телегин А. М., Уваров М. О., Семкин Н. Д., 2010