РЕВЕРБЕРАЦИОННАЯ КАМЕРА
REVERBERATION CHAMBER

Изобретение относится к радиотехническому испытательному оборудованию для проведения стендовых испытаний ракетных двигателей космических аппаратов (КА), генерирующих направленные потоки заряженных частиц, с целью измерения создаваемых электромагнитных полей и определения электромагнитной совместимости двигателей и бортовых радиосистем КА. Реверберационная камера может применяться для комплексных радиотехнических измерений электромагнитного излучения, возникающего при работе электрических ракетных двигателей (ЭРД), в том числе стационарных плазменных двигателей (СПД).
Наземные испытания систем и блоков КА на электромагнитную совместимость могут проводиться в упрощенном варианте. В этом случае применяется вакуумная камера без радиопоглощающих покрытий. При проведении испытаний источник электромагнитного излучения, в частности ЭРД, ориентируется вдоль оси симметрии вакуумной камеры. Измерительные радиоантенны, перекрывающие исследуемый частотный диапазон, устанавливаются в задней полусфере двигателя на расстоянии ~1 м от среза канала двигателя (см. Caveni L.H., Curran F.M., Brophi J.R. "Russian Electric Space Propulsion Evaluated for Use on American Small Satellites". 2nd German-Russian Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, July 1993, p.134). При данной схеме испытаний отражение генерируемых радиоволн от стенок вакуумной камеры существенно искажает результаты проводимых измерений. На каждой рабочей частоте в металлической камере, служащей резонатором, формируются соответствующие моды колебаний (стоячие волны). Вследствие этого измерительные антенны в процессе проводимых измерений могут находиться в области узлов и пучностей установившихся стоячих волн. В результате исключается возможность получения достоверных результатов измерений в процессе проведения испытаний.
Для создания квазиравномерного электромагнитного поля в пространственной области, в которой устанавливается испытуемый источник излучения, используются реверберационные камеры. Резонансные условия в объеме реверберационной камеры изменяются путем периодического изменения условий излучения. Для этого применяются переизлучатели (смесители) электромагнитного излучения. В качестве переизлучателей могут использоваться соединенные между собой металлические пластины, вращаемые с помощью электромеханических приводов относительно осей вращения, ориентированных в заранее заданных (расчетных) направлениях. При вращении отражающих электромагнитное излучение пластин области максимумов и минимумов (пучностей и узлов) установившихся стоячих волн постоянно смещаются в пространстве. В расчетной точке камеры, в которой установлена измерительная антенна, с помощью переизлучателей можно обеспечить периодическое изменение амплитуды регистрируемого антенной электромагнитного поля от минимального до максимального значения. На основании обработки измеряемого сигнала во времени определяется средние статистические значения параметров электромагнитного поля в заданной точке пространства. За счет применения данной схемы испытаний на электромагнитную совместимость (при исследовании помехоэмиссии) обеспечивается достоверность измерений и повышается точность измерений характеристик электромагнитных полей.
Реверберационные камеры позволяют проводить испытания на помехоустойчивость и электромагнитную совместимость (при собственном излучении) в соответствии с международными стандартами в широком диапазоне частот без применения дорогостоящих поглотителей электромагнитного излучения. К преимуществам реверберационных камер относится также возможность создания в испытуемом объеме электрических полей высокой напряженности при низкой мощности падающей электромагнитной волны. Например, для получения напряженности электрического поля 100 В/м при частоте падающей волны 1 ГГц в объеме реверберационной камеры с размерами 3,5×2,5×3,0 м входная мощность на разъеме излучающей антенны составляет ~1 Вт.
При многократных отражениях падающей волны от электропроводящих стенок камеры высокая напряженность поля достигается за счет интерференции отраженных электромагнитных волн. Кроме того, электропроводящие стенки камеры обеспечивают экранирование (защиту) окружающей среды от воздействия создаваемого поля и экранирование внутреннего объема камеры от внешних воздействий. Реверберационная камера может применяться в широком диапазоне частот: от нескольких десятков мегагерц до 40 ГГц. Камера может работать в непрерывном либо модулированном режиме, например в режиме импульсной модуляции. С помощью реверберационных камер могут проводиться испытания на помехоустойчивость и электромагнитную совместимость различных видов оборудования, в том числе радиотехнических приборов и устройств.
В патенте RU 2419801 C2 (опубл. 27.05.2011) описана реверберационная камера, предназначенная для испытания объекта (КА или летательного аппарата - самолета) на воздействие электромагнитного излучения. Помещаемый в камеру объект подвергается электромагнитному воздействию. Корпус камеры выполнен из электропроводящего материала. Для каждой частоты возбуждающего сигнала исследуются характеристики облучаемого объекта. Излучающая антенна (источник электромагнитного излучения) и исследуемый объект устанавливаются в полости реверберационной камеры и отделяются друг от друга электропроводящим экраном. Главное направление излучения может изменяться относительно исследуемого объекта для увеличения генерируемых мод резонатора в объеме камеры. Прежде чем достигнуть исследуемый объект, электромагнитная волна многократно переотражается в объеме камеры с помощью переизлучателя (смесителя) электромагнитного излучения. Узел крепления излучающей антенны содержит поворотные двигатели для изменения главного направления излучения путем перемещения антенны вдоль трех пространственных осей. Равномерное распределение электромагнитных полей в объеме камере достигается при использовании лопастного переизлучателя, который содержит две отражательные лопасти, вращаемые относительно оси, ориентированной в заданном направлении. Переизлучатель устанавливается в полости камеры над исследуемым объектом.
Реверберационная камера может быть снабжена вторым переизлучателем, выполненным в виде цилиндра с прорезями (отверстиями), в полости которого устанавливается излучающая антенна. Через каждое отверстие в цилиндре формируется направленное электромагнитное излучение. Отверстия равномерно распределяются по поверхности цилиндра либо они располагаются на периферии цилиндра в виде неупорядоченных групп. При вращении цилиндра происходит изменение направления излучения через отверстия и диаграммы направленности антенны. В результате осуществляется переотражение электромагнитных волн и обеспечивается разнообразие мод, возбуждаемых в полости камеры.
Наряду с испытаниями на помехоустойчивость устройств и оборудования реверберационные камеры могут использоваться для исследования электромагнитной совместимости радиотехнического оборудования. В опубликованной патентной заявке US 2014/0210502 A1 (дата публикации: 31.07.2014) раскрыта конструкция усовершенствованной реверберационной камеры, являющейся наиболее близким аналогом изобретения. Внутренний объем камеры ограничен металлическими плоскими стенками. В полости камеры на подвижных опорах установлены исследуемый источник электромагнитного излучения, например излучающая антенна, и измерительная (приемная) антенна. Обе антенны закреплены на опорах с возможностью вращения. Между антенной-излучателем и измерительной антенной установлен металлический (электропроводящий) экран. В камере установлены также два переизлучателя электромагнитного излучения. Оба переизлучателя выполнены с возможностью вращения с помощью привода. Оси вращения переизлучателей взаимно перпендикулярны: ось вращения первого переизлучателя ориентирована в вертикальном направлении, ось вращения второго переизлучателя - в горизонтальном направлении. Переизлучатели выполнены в виде металлических пластин, соединенных под определенным углом.
При использовании в качестве источника электромагнитного излучения ракетного двигателя, при работе которого создается квазинейтральный поток заряженных частиц, генерирующий электромагнитное излучение в широком диапазоне частот, описанная выше реверберационная камера не позволяет обеспечить достоверность и требуемую точность измерений. Недостаточная точность измерений при проведении испытаний на электромагнитную совместимость оборудования связана с тем, что вращаемые переизлучатели не обеспечивают переотражение электромагнитных волн во всем диапазоне излучения генерируемого потока заряженных частиц. Кроме того, использование только вращаемых лопастных переизлучателей с фиксированными геометрическими размерами ограничивает диапазон пространственных перемещений узлов и пучностей стоячих волн относительно измерительной антенны. Вследствие данного ограничения не представляется возможным создать достоверную пространственно-временную структуру мод колебаний, обеспечивающую статистически равномерное распределение электромагнитного поля во всем объеме реверберационной камеры.
Изобретение направлено на расширение диапазона переотражения (переизлучения) электромагнитных волн во всем диапазоне либо в отдельных выделенных диапазонах частот колебаний, излучаемых потоком заряженных частиц. Вместе с тем решается задача, связанная с равномерным распределением электромагнитного поля во всем объеме камеры. Решение данных технических задач позволяет обеспечить достоверность и высокую точность измерений возбуждаемых электромагнитных колебаний (помехоэмиссии) в процессе испытаний ракетного двигателя на электромагнитную совместимость с бортовым радиотехническим оборудованием.
Для создания статически квазиравномерного электромагнитного поля используется реверберационная камера, предназначенная для радиотехнических измерений электромагнитного излучения, которая содержит корпус, источник электромагнитного излучения, измерительную антенну, экран, выполненный из электропроводящего материала, узлы крепления элементов конструкции камеры к внутренней поверхности корпуса, по меньшей мере один переизлучатель электромагнитного излучения, выполненный с возможностью вращения, и по меньшей мере один узел вращательного движения переизлучателя. Электропроводящий экран устанавливается в полости камеры между источником электромагнитного излучения и измерительной антенной.
Переизлучатель выполняется в виде цилиндрической обечайки с расположенными на ее поверхности щелевыми отверстиями (прорезями). В качестве источника электромагнитного излучения используется ракетный двигатель, генерирующий направленный поток заряженных частиц (ионизованный поток газа). К таким двигателям, в частности, относятся жидкостные, твердотопливные и электрические ракетные двигатели. В качестве корпуса реверберационной камеры используется осесимметричный корпус вакуумной камеры. Выходной канал ракетного двигателя ориентируется в направлении продольной оси симметрии вакуумной камеры. Переизлучатель устанавливается со стороны выходного канала ракетного двигателя. Переизлучатель выполнен с возможностью вращения относительно его продольной оси симметрии и соединен с узлом вращательного движения. Внутренний диаметр переизлучателя превышает поперечный размер ракетного двигателя. Продольная ось симметрии переизлучателя ориентирована вдоль направления движения генерируемого ракетным двигателем потока заряженных частиц.
Ракетный двигатель, в частности ЭРД, вместе с генерируемым направленным потоком заряженных частиц является пространственно распределенным источником широкополосного излучения. С помощью вращаемого переизлучателя, выполненного в виде цилиндрической обечайки с расположенными на ее поверхности щелевыми отверстиями (прорезями), осуществляется частотная селекция спектра излучения двигателя, переизлучение и перемешивание возникающих мод электромагнитного излучения в каждом выделенном частотном диапазоне излучаемого спектра. Выполненные в обечайке щелевые отверстия, например в форме периодически повторяющихся щелевых структур, выполняют функцию многочастотной антенны. Излучение совокупности щелевых антенн, каждая из которых настроена на определенную частоту, перекрывает заданный диапазон или выделенные диапазоны широкополосного источника излучения (ракетного двигателя). При вращении с постоянной скоростью цилиндрической обечайки (переизлучателя), в полости которой локализован направленный поток заряженных частиц, происходит равномерное перемешивание мод каждого частотного диапазона с внешней стороны обечайки (переизлучателя).
За счет одновременной частотной селекции и перемешивания электромагнитных колебаний широкополосный спектр излучения, образованный многочисленными стоячими волнами (модами), преобразуется после усреднения в смешанный спектр электромагнитных колебаний, в котором отсутствуют ярко выраженные стационарные узлы и пучности, характерные для стоячих волн. Как уже отмечалось, данные пространственно связанные минимумы и максимумы электромагнитного излучения являются причиной недостоверных результатов измерений помехоэмисии ракетного двигателя.
Наиболее эффективно реверберационная камера может использоваться для проведения комплексных радиотехнических измерений электромагнитного излучения, возникающего при работе ЭРД, генерирующих интенсивные квазинейтральные потоки заряженных частиц.
Для предотвращения распыления стенок вакуумной камеры за счет преобразования кинетической энергии потока заряженных частиц в тепловую энергию в полости камеры со стороны, противоположной области размещения ракетного двигателя, установлен охлаждаемый экран.
Выход измерительной антенны подключается к входу системы измерения и обработки сигнала. Для более полного перемешивания в объеме вакуумной камеры мод колебаний (регистрируемого спектра излучения) измерительная антенна может быть выполнена с возможностью вращения относительно корпуса камеры.
Щелевые отверстия могут иметь прямоугольную или криволинейную форму. Щелевые отверстия могут быть разомкнуты со стороны торцевых частей переизлучателя. Щелевые отверстия, имеющие замкнутую форму, выполняются на поверхности переизлучателя между его торцевыми частями.
Длина щелевых отверстий вдоль образующей цилиндрической поверхности переизлучателя и их количество определяет рабочий частотный диапазон и выбирается в зависимости от требуемого разрешения по частоте и границ частотного диапазона. Исходя из данных требований щелевые отверстия могут иметь одинаковую длину либо длина отверстий может периодически изменяться вдоль образующей цилиндрической поверхности переизлучателя и в направлении вращения переизлучателя. Щелевые отверстия, имеющие одинаковую длину, используются для отдельных выделенных диапазонов измерений, а отверстия с периодически изменяющейся длиной - для измерений во всем широкополосном спектре излучения.
С целью равномерного перемешивания мод колебаний во всем частотном диапазоне излучения вращение переизлучателя (цилиндрической обечайки) производится относительно оси симметрии переизлучателя, которая смещена относительно оси симметрии выходного канала ракетного двигателя, то есть относительно оси симметрии генерируемого потока заряженных частиц. В этом случае расстояние между щелевыми отверстиями и источником излучения (направленным потоком заряженных частиц) периодически изменяется.
Возможны различные варианты выполнения узла конструкции, обеспечивающего вращательное движение переизлучателя. Узел вращательного движения может содержать по меньшей мере четыре вращающихся барабана, внешняя поверхность которых контактирует с внешней поверхностью переизлучателя. Оси вращения барабанов и переизлучателя размещаются параллельно друг другу. В данном варианте конструкции по крайней мере один барабан служит ведущим барабаном и механически связан с приводом вращательного движения.
Узел вращательного движения переизлучателя может быть выполнен с внешней цилиндрической зубчатой передачей. В этом случае используется ведомое зубчатое колесо, выполненное на поверхности переизлучателя, а ведущий барабан узла вращательного движения выполняется в виде ведущего зубчатого колеса. В качестве ведомого зубчатого колеса может использоваться торцевая часть переизлучателя.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения реверберационной камеры, предназначенной для комплексных радиотехнических измерений электромагнитного излучения ЭРД при проведении испытаний ЭРД на электромагнитную совместимость с бортовым радиотехническим оборудованием КА.
На поясняющих чертежах изображено следующее:
на фиг. 1 - схематичный разрез реверберационной камеры с местным разрезом переизлучателя;
на фиг. 2 - развертка цилиндрической поверхности переизлучателя с замкнутыми щелевыми отверстиями прямоугольной формы, имеющими периодически изменяющуюся длину и расположенными между торцевыми частями переизлучателя;
на фиг. 3 - развертка цилиндрической поверхности переизлучателя с замкнутыми щелевыми отверстиями прямоугольной формы, имеющими одинаковую длину и расположенными между торцевыми частями переизлучателя;
на фиг. 4 - развертка цилиндрической поверхности переизлучателя со щелевыми разомкнутыми отверстиями криволинейной формы, имеющими одинаковую длину.
Реверберационная камера, изображенная на фиг. 1, содержит корпус, в качестве которого используется корпус вакуумной камеры 1, имеющей цилиндрическую форму. В полости камеры 1 на стойке 2 установлен источник электромагнитного излучения, в качестве которого используется СПД 3, генерирующий направленный квазинейтральный поток 4 заряженных частиц. С противоположной стороны вакуумной камеры 1 размещена широкополосная измерительная антенна 5, установленная на стойке 6. Калибровочные характеристики антенны 5 перекрывают частотный диапазон измерений. В рассматриваемом примере полоса пропускания антенны 5 составляет от 750 МГц до 18 ГГц. Между измерительной антенной 5 и СПД 3 расположен стальной электропроводящий экран 7. Выходной канал СПД 3 ориентирован в направлении продольной оси симметрии корпуса вакуумной камеры 1.
Со стороны выходного канала СПД 3 в вакуумной камере 1 расположен переизлучатель 8, выполненный в виде цилиндрической обечайки. Переизлучатель 8 имеет возможность вращения относительно продольной оси симметрии обечайки. Внутренний диаметр переизлучателя 8 превышает поперечный размер СПД 3. Продольная ось симметрии переизлучателя 8 ориентирована вдоль направления движения генерируемого потока 4 заряженных частиц. В рассматриваемом примере выполнения конструкции используется один переизлучатель, однако возможны варианты конструкции, предусматривающие использование нескольких вращаемых переизлучателей, установленных вдоль направления движения потока 4 заряженных частиц. Применение нескольких последовательно расположенных переизлучателей целесообразно при проведении измерений спектра излучения протяженного потока 4 заряженных частиц на большей части его длины.
На поверхности переизлучателя 8 выполнены щелевые отверстия (прорези) 9, которые расположены на цилиндрической поверхности обечайки и образуют щелевые антенны. В рассматриваемом примере щелевые отверстия 9 ориентированы вдоль направляющей цилиндрической поверхности переизлучателя. Возможны варианты выполнения переизлучателя со щелевыми отверстиями, ориентированными под углом относительно образующей цилиндрической поверхности переизлучателя. В полости вакуумной камеры 1 со стороны, противоположной области размещения СПД 3, установлен охлаждаемый экран 10, с помощью которого осуществляется преобразование кинетической энергии направленного потока 4 заряженных частиц в тепловую энергию. Экран 10 выполнен в форме круга и закреплен на съемном фланце вакуумной камеры.
Продольная ось симметрии переизлучателя 8, относительно которой осуществляется его вращение, смещена на расстояние l относительно оси симметрии выходного канала СПД 3, из которого истекает направленный поток 4 заряженных частиц (см. фиг. 1 чертежей). Переизлучатель 8 соединен с узлом вращательного движения. В рассматриваемом примере узел вращательного движения состоит из четырех барабанов 11 и 12, внешняя поверхность которых контактирует с внешней поверхностью переизлучателя 8. Оси вращения барабанов и переизлучателя параллельны друг другу. Барабан 12 служит ведущим барабаном и механически связан через редуктор с электрическим приводом 13. Узел вращательного движения выполнен с внешней цилиндрической зубчатой передачей. На цилиндрической поверхности переизлучателя 8 выполнено ведомое зубчатое колесо 14, расположенное на торцевой части обечайки. Ведущий барабан 12 выполнен в виде зубчатого колеса.
Полость вакуумной камеры 1 соединена с системой 15 вакуумной откачки (СВО), которая включает в свой состав криогенные насосы. Выход измерительной антенны 5 подключен через кабель связи с проходным разъемом к входу системы измерения и обработки сигнала, которая содержит последовательно соединенные спектроанализатор (СА) 16, устройство 17 ввода-вывода информации (УВВ) и персональный компьютер (ПК) 18. Используемый спектроанализатор 16 имеет диапазон частот от 3 Гц до 26.5 ГГц и обеспечивает цифровой спектральный и временной анализ в полосе 80 МГц для центральной частоты, лежащей в пределах измеряемого диапазона частот. Работой спектроанализатора 16 управляет персональный компьютер 18.
В зависимости от измеряемого диапазона частот широкополосного источника излучения (СПД 3) выбирается количество, размеры, форма, ориентация и взаимное расположение щелевых отверстий 9 на цилиндрической поверхности переизлучателя 8. В примере выполнения, изображенном на фиг. 2 чертежей, замкнутые прямоугольные щелевые отверстия 19 расположены на цилиндрической поверхности переизлучателя между его торцевыми частями. Длина отверстий 19 периодически изменяется вдоль направляющей цилиндрической поверхности переизлучателя и в направлении его вращения. Данный вариант конструкции переизлучателя 8 предназначен для измерения излучаемого спектра в широком диапазоне частот за счет использования набора щелевых антенн, имеющих различную длину и, соответственно, настроенных на различные узкополосные частотные диапазоны.
В примере выполнения, изображенном на фиг. 3 чертежей, замкнутые прямоугольные щелевые отверстия 20 расположены на цилиндрической поверхности переизлучателя между его торцевыми частями. Длина отверстий 20 постоянна как вдоль направляющей цилиндрической поверхности переизлучателя, так и в направлении его вращения. Данный вариант конструкции может использоваться при проведении измерений в отдельном выделенном диапазоне частот.
В примере выполнения, изображенном на фиг. 4 чертежей, щелевые отверстия 21 разомкнуты со стороны торцевых частей переизлучателя. Кромки отверстий 21, образующих прорези в переизлучателе, имеют криволинейную форму. При наличии криволинейных кромок ширина щелевого отверстия изменяется вдоль длинной стороны отверстия и, соответственно, вдоль образующей цилиндрической поверхности переизлучателя. В этом случае расширяется полоса пропускания каждой щелевой антенны, расположенной на поверхности переизлучателя, что позволяет сократить количество щелевых антенн, необходимых для перекрытия заданного частотного диапазона.
Проведение комплексных радиотехнических измерений электромагнитного излучения ЭРД осуществляется с помощью реверберационной камеры следующим образом.
В вакуумной камере 1 на стойках 6 и 2 устанавливаются широкополосная измерительная антенна 5 и СПД 3. Узлы и блоки СПД 3 подключаются к системе подачи рабочего газа (ксенона) и к системе электропитания (не показаны). Со стороны выходного канала СПД 3 на четырех барабанах 11 и 12 монтируется переизлучатель 8. Установка переизлучателя 8 на барабанах 11 и 12 осуществляется за счет его собственного веса без дополнительного крепления. На съемном фланце вакуумной камеры монтируется охлаждаемый экран 10, подключаемый к системе принудительной циркуляции хладоагента. Между антенной 5 и СПД 3 устанавливается электропроводящий экран 7. Антенна 5 подключается через соединительный кабель и проходной разъем, выполненный в стенке вакуумной камеры, к входу спектроанализатора 16, входящего в состав системы измерения и обработки сигнала. Привод 13 узла вращательного движения переизлучателя подключается к источнику электропитания (не показан).
-4
После монтажа оборудования в полости вакуумной камеры 1 производится откачка внутреннего объема камеры с помощью криогенных насосов, входящих в состав системы 15 вакуумной откачки. Откачка производится до уровня остаточного давления не выше 10 мм рт.ст. При данном уровне остаточного давления в вакуумной камере обеспечивается расчетный (штатный) режим работы СПД 3. Требуемый уровень вакуума в камере 1 поддерживается в процессе проведения радиотехнических измерений с помощью системы 15 вакуумной откачки.
По команде системы управления производится подача рабочего газа (ксенона) в блоки СПД 3 и подключение электродов и магнитной системы СПД 3 к соответствующим блокам системы электропитания. С помощью охлаждаемого экрана 10 осуществляется преобразование кинетической энергии струи ионизованного газа, генерируемой СПД 3, в тепловую энергию. Для охлаждения экрана 10 применяется циркуляционная система охлаждения замкнутого типа. Рассеянный на поверхности экрана 10 газовый поток откачивается с помощью криогенных наосов системы 15 вакуумной откачки.
После выхода СПД 3 на расчетный режим работы производится включение электрического привода 13 узла вращательного движения переизлучателя 8. С помощью механического редуктора вращательное движение передается на ведущий барабан 12, выполненный в виде зубчатого колеса. За счет зацепления барабана 12 с ведомым зубчатым колесом 14 переизлучатель 8 приводится во вращательное движение с заданной скоростью через внешнюю цилиндрическую зубчатую передачу.
Электромагнитное излучение, возникающее в процессе работы СПД 3, локализуется в полости переизлучателя 8, который расположен со стороны выходного канала СПД 3. Локализация электромагнитного излучения в полости переизлучателя 8 обеспечивается за счет того, что внутренний диаметр цилиндрической обечайки (переизлучателя 8) превышает поперечный размер СПД 3, а продольная ось симметрии переизлучателя, относительно которой происходит его вращательное движение, ориентирована вдоль направления движения потока 4 генерируемого потока заряженных частиц. Для повышения равномерности перемешивания мод колебаний продольная ось симметрии переизлучателя 8, относительно которой происходит его вращение, смещена относительно оси симметрии выходного канала СПД 3 на расстояние l. Из-за смещения оси вращения переизлучателя 8 периодически происходит изменение расстояния между щелевыми отверстиями и осью симметрии генерируемого потока 4 заряженных частиц, который совместно с СПД 3 является источником электромагнитного излучения.
Создаваемое СПД 3 электромагнитное излучение возбуждает щелевые антенны, образованные щелевыми отверстиями 9, которые расположены на поверхности переизлучателя 8. В результате переизлучения возбуждаемые электромагнитные колебания передаются в объем вакуумной камеры в виде последовательности мод колебаний в широком диапазоне частот. За счет вращения переизлучателя 8, на поверхности которого образована структура расположенных щелевых отверстий 9, происходит перемешивание мод колебаний каждого частотного диапазона в пространственной области между внешней поверхностью переизлучателя 8 и стенками вакуумной камеры 1.
В зависимости от требований к регистрируемому спектру электромагнитного излучения выбирается форма, размеры, ориентация и взаимное расположение щелевых отверстий, образующих целевые антенны. В простейшем варианте конструкции переизлучателя 8 развертка цилиндрической поверхности которого изображена на фиг. 3 чертежей, используются прямоугольные щелевые отверстия 20, имеющие одинаковую длину вдоль направляющей цилиндрической поверхности переизлучателя. Отверстия 20 имеют замкнутую форму и расположены между торцевыми частями переизлучателя. Вращение переизлучателя в данном варианте конструкции осуществляется с помощью узла вращательного движения с внешней цилиндрической зубчатой передачей (см. фиг. 1). Ведомое зубчатое колесо размещается со стороны торцевой части обечайки аналогично примеру, изображенному на фиг. 1 чертежей.
При использовании щелевых отверстий 20 равной длины электромагнитное излучение генерируется (переизлучается) в выделенном диапазоне частот. Резонансный режим излучения щелевой антенны связан с определенным выбором размеров щелевого отверстия: длина отверстия должна быть равна λ/4 либо λ/2, а ширина отверстия - λ/10, где λ - длина волны возбуждаемого колебания. Для нижней границы частотного диапазона измерений 500 МГц максимальная длина щелевого отверстия равна 30 см, а для верхней границы 10 ГГц - 1,5 см. Соответственно, каждой длине щелевого отверстия соответствует выделенный диапазон частот. Полоса пропускания щелевых антенн характеризуется их добротностью Q, которая зависит от относительной ширины щели d/λ (d - ширина щелевого отверстия), изменяющейся в диапазоне от 0,05 до 0,1, и не превышает 10.
Каждый исследуемый (выделенный) частотный диапазон определяется на основании действующих требований, предъявляемых к радиолиниям связи бортовой аппаратуры КА с наземными станциями. Выбираемые при проведении измерений частотные диапазоны соответствуют рекомендациям Консультативного комитета по системам космической связи (СС505). Согласно данным рекомендациям для дальнего космоса магистральная радиолиния Земля - КА должна работать на частоте 7,2 ГГц, а радиолиния КА - Земля - на частоте 8.4 ГГц. Для ближнего космоса выделяются другие частотные диапазоны. Размеры щелевых отверстий 20 определяются в соответствии с выбранным исследуемым частотным диапазоном радиолинии.
Для расширения спектра переизлучаемых электромагнитных колебаний могут применяться переизлучатели с разомкнутыми щелевыми отверстиями 21 криволинейной формы (см. фиг. 4 чертежей). При данном конструктивном выполнении полоса пропускания щелевой антенны увеличивается за счет изменения ширины отверстия, ограниченного криволинейными кромками, вдоль протяженной стороны отверстия. Щелевые отверстия 21 разомкнуты со стороны торцевых частей переизлучателя 8. Вращение переизлучателя осуществляется с помощью узла вращательного движения с внешней цилиндрической зубчатой передачей (см. фиг. 1). Ведомое зубчатое колесо в рассматриваемом варианте конструкции переизлучателя выполняется на поверхности обечайки между ее торцевыми частями с разомкнутыми щелевыми отверстиями.
Широкий спектр переизлучаемых электромагнитных колебаний обеспечивается при использовании переизлучателей с прямоугольными отверстиями 19, длина которых периодически изменяется вдоль образующей цилиндрической поверхности переизлучателя и в направлении его вращения (см. фиг. 2 чертежей). Разноразмерные отверстия 19 имеют замкнутую форму и образуют периодически повторяющиеся структуры, расположенные на цилиндрической поверхности переизлучателя между его торцевыми частями. Количество и размеры щелевых отверстий 19 выбирается в зависимости от заданной полосы пропускания переизлучателя и ширины исследуемого частотного диапазона. Вращение переизлучателя в данном варианте конструкции осуществляется с помощью узла вращательного движения с внешней цилиндрической зубчатой передачей (см. фиг. 1). Ведомое зубчатое колесо размещается со стороны одной из торцевых частей обечайки аналогично примеру, изображенному на фиг. 1 чертежей.
При вращении переизлучателя 8 вместе с расположенными на его поверхности щелевыми антеннами происходит периодическое перемещение узлов и пучностей стоячих волн (мод колебаний). Области максимумов и минимумов стоячих волн, излучаемых отдельными щелевыми антеннами, расположенными на поверхности переизлучателя 8, постоянно смещаются в пространстве. В результате перемешивания мод колебаний в пространственной области между внешней поверхностью переизлучателя 8 и стенками вакуумной камеры 1 формируется периодически изменяющееся во времени электромагнитное поле.
В области размещения антенны 5 (измерительной зоне), ограниченной стенками вакуумной камеры 1, в выделенном частотном диапазоне распространяется сигнал, образованный последовательностью пространственно перемещающихся мод колебаний. С помощью электропроводящего экрана 7 исключается возможность прямого распространения в измерительной зоне электромагнитного сигнала непосредственно из области генерации направленного потока 4 заряженных частиц, минуя переизлучатель 8. В результате квазиравномерного перемешивания переизлучаемых электромагнитных сигналов в измерительной зоне формируется амплитудно-модулированный результирующий сигнал.
Амплитуда электромагнитного поля вблизи антенны 5 периодически изменяется за счет равномерного перемешивания резонансных спектров излучения отдельных щелевых антенн. Антенна 5 фиксирует изменение результирующего электромагнитного поля во времени и передает мгновенный сигнал в систему измерения и обработки сигнала. С помощью спектроанализатора 16 производится измерение интенсивности принимаемого мгновенного сигнала и усреднение сигналов во времени для каждой выбранной частоты в диапазоне измерения. В результате формируется зависимость интенсивности усредненного электромагнитного излучения от частоты. Связь спектроанализатора 16 с персональным компьютером 18, управляющим его работой, осуществляется через устройство 17 ввода-вывода информации с использованием одного из стандартных протоколов: RS-232, LAN, GPIB, USB и т.п. Возможен режим системы измерения и обработки сигнала, при котором спектроанализатор 16 только фиксирует мгновенные сигналы и передает результаты измерений в реальном масштабе времени через устройство 17 ввода-вывода информации в персональный компьютер 18. Дальнейшая обработка и усреднение результатов измерений производится с помощью процессора персонального компьютера 18.
Работа системы измерения и обработки информации осуществляется с помощью специального программного обеспечения, разработанного с использованием пакета прикладных программ MATLAB. Программное обеспечение позволяет выполнять следующие функции системы измерения и обработки сигнала:
- управление работой спектроанализатора, включая его параметрическую настройку и выбор режима работы;
- получение и хранение полученных результатов измерений;
- визуализация и контроль результатов измерений.
Процесс измерений и обработки сигнала включает предварительную настройку измерительного прибора (спектроанализатора), инициализацию измерительного прибора и передачу параметров настройки от персонального компьютера 18. По запросу персонального компьютера 18 производится измерение спектра сигнала, усреднение результатов измерений и передача полученных данных. С помощью персонального компьютера 18 осуществляется обработка и визуализация результатов измерений. Полученные данные сохраняются на внешнем накопителе информации. Затем осуществляется статистическая обработка сохраненных данных и формирование спектра излучения ракетного двигателя в выделенном частотном диапазоне.
При измерении спектра излучения проводится процедура усреднения результатов измерений в течение периода вариации перемешиваемых мод колебаний. В случае вращения только переизлучателя 8 период вариации мод равен периоду вращения. В процессе обработки сигнала предполагается, что время сканирования спектроанализатора 16 существенно меньше периода изменения мод колебаний. При непрерывном вращении переизлучателя спектроанализатор 16 работает в режиме последовательных измерений спектра в течение периода изменения мод колебаний. Результаты многократно повторяемых измерений спектра сохраняются путем записи в соответствующие файлы. Для повышения точности измерений регистрация излучаемого спектра может осуществляться в течение интервала времени, равного нескольким десяткам периодов изменения мод колебаний.
Вместе с переизлучателем 8 во время приема сигнала, излучаемого СПД 3, может вращаться и антенна 5. Для этого используется вращаемая стойка крепления антенны и дополнительный узел вращательного движения стойки (не показаны). Аналогичная возможность предусмотрена и в устройстве-прототипе (см. US 2014/0210502 A1). В этом случае перемешивание мод колебаний будет носить периодический характер на частоте биений, возникающих при взаимодействии частот вращения переизлучателя 8 и антенны 5. Для получения достоверных статистических результатов измерений необходимо проводить усреднение результатов измерений за промежуток времени, превышающий несколько суммарных периодов вращения переизлучателя 8 и антенны 5. Данная операция может осуществляться с помощью спектроанализатора 16, работающего в режиме усреднения измерений мод колебаний. Проводя усреднение результатов измерений по 100 модам колебаний, можно повысить точность измерений при исследовании широкополосного излучения.
Возможен вариант конструкции реверберационной камеры с использованием лопастных переизлучателей (смесителей), выполненных в виде роторов с пластинчатыми лопастями. В данном варианте роторы переизлучателей подключаются к дополнительному приводу вращательного движения. При размещении дополнительных лопастных переизлучателей в объеме вакуумной камеры повышается равномерность перемешивания различных мод колебаний в широком диапазоне частот.
Использование переизлучателя, выполненного в виде цилиндрической обечайки со структурой щелевых отверстий, вращаемой вокруг широкополосного источника электромагнитного излучения (потока заряженных частиц), позволяет расширить диапазон переотражения электромагнитных волн. При данном выполнении переизлучателя происходит равномерное распределение электромагнитного поля в объеме вакуумной камеры. В процессе проведения радиотехнических измерений электромагнитного излучения ракетного двигателя путем усреднения фиксируется квазиравномерное электромагнитное поле. При использовании реверберационной камеры с вращаемым переизлучателем исключается возможность возникновения в измерительной зоне пространственно связанных стоячих волн с ярко выраженными узлами и пучностями. Вследствие этого обеспечивается достоверность и высокая точность измерений возбуждаемых электромагнитных колебаний (помехоэмиссии) при испытаниях ракетного двигателя на электромагнитную совместимость с радиотехническим оборудованием.
Вышеописанные примеры осуществления изобретения основываются на использовании в составе реверберационной камеры конкретных элементов конструкции, узлов и блоков вспомогательных систем, в том числе системы измерения и обработки сигнала и системы вакуумной откачки. Однако представленное описание примеров осуществления изобретения не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы. В зависимости от конкретных задач, решаемых при проведении испытаний и измерениях электромагнитного излучения, выбираются соответствующие элементы конструкции реверберационной камеры, их форма и размеры, а также узлы и блоки вспомогательных систем. В частности, на основании требований, предъявляемых к частотному диапазону регистрируемого спектра излучения, выбираются размеры переизлучателя, количество, структура, форма, размеры и ориентация щелевых отверстий, выполненных на поверхности переизлучателя. В соответствии с программой испытаний определяется количество переизлучателей, устанавливаемых в вакуумной камере, необходимость использования дополнительных лопастных переизлучателей и целесообразность применения вращаемой измерительной антенны.
Реверберационная камера может использоваться в составе стендового испытательного оборудования, предназначенного для проведения испытаний различных типов ракетных двигателей КА, которые генерируют направленные потоки заряженных частиц. К числу испытуемых ракетных двигателей, в частности, относятся жидкостные, твердотопливные и электрические ракетные двигатели. В ходе комплексных радиотехнических измерений регистрируются электромагнитные поля, создаваемые ракетным двигателем и генерируемым потоком заряженных частиц, и определяется электромагнитная совместимость двигателей и бортовых радиосистем КА.