ВЫСОКОТОЧНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
HIGH-PRECISION SPACE ACCELEROMETER

Изобретение относится к космической технике и предназначено для измерения ускорения поступательного движения в условиях невесомости в системах навигации и управления движением космических аппаратов (КА).
Известно множество схем устройств акселерометров. В качестве основных направлений разработок, для сравнения с предлагаемым устройством, можно привести следующие.
1. Известен интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр (RU 2390031 C1, МПК G01P 15/14), содержащий подложку, четыре неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, четыре подвижных электрода, жестко соединенных с инерционной массой, образующих с неподвижными электродами четыре пары туннельных контактов, используемых в качестве преобразователей перемещения, якорную область, жестко закрепленную относительно подложки, четыре вспомогательных неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, четыре вспомогательных подвижных электрода, расположенных с зазором над вспомогательными неподвижными электродами, образуя с ними четыре плоских конденсатора, согласно изобретению дополнительно содержит крестообразный подвес, центральная часть которого закреплена относительно якорной области, и опорную рамку, соединенную с крестообразным подвесом и закрепленную относительно инерционной массы, при этом вспомогательные подвижные электроды закреплены по углам опорной рамки, подложка и инерционная масса выполнены из диэлектрического материала, подвижные и неподвижные электроды и вспомогательные неподвижные электроды выполнены из металла, а якорная область, крестообразный подвес, опорная рамка и вспомогательные подвижные электроды выполнены из полупроводникового материала единым элементом. При возникновении ускорения подложки в направлении одной из осей опорная рамка вместе с инерционной массой и закрепленными на ней подвижными электродами под действием сил инерции перемещается вдоль этой оси, что приводит к деформации крестообразного подвеса. Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами и неподвижными электродами, получают равные приращения вследствие одновременного изменения ширины всех зазоров, характеризуя величину ускорения. При работе в компенсационном режиме сила, воздействующая на опорную рамку с закрепленной на ней инерционной массой, вызванная измеряемым ускорением, уравновешивается с помощью вспомогательных неподвижных электродов и вспомогательных подвижных электродов, что позволяет поддерживать постоянными туннельные токи, протекающие между подвижными и неподвижными электродами. Выходным сигналом при этом является величина напряжения, прикладываемого между вспомогательными электродами.
2. Известен трехосевой акселерометр с переменной осевой чувствительностью (RU 2390030 C2, МПК G01P 15/097, G01P 15/18), содержащий инерциальную массу и опорную систему для инерциальной массы, причем опорная система содержит основание и множество опорных элементов, проходящих между основанием и инерциальной массой для подвешивания инерциальной массы в ортогональных направлениях, обеспечивая статически неопределенную конструкцию, датчики напряжений, предназначенные для измерения обусловленного напряжением ускорения в опорных элементах посредством определения параметра ускорения массы. Вместо тензодатчиков возможно использование других датчиков, например пучковых резонаторных систем, в которых частоты колебаний изменяются при изменении нагрузки пропорционально ускорению, формируя соответствующий выходной сигнал.
3. Наиболее близким из известных технических решений является угловой акселерометр (RU 2399915 C1, МПК G01Р 15/08), содержащий инерционную массу на упругих подвесах, датчик положения, основание и крышку, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены два постоянных магнита, компаратор, ключ и источник постоянного тока, инерционная масса выполнена из монокристаллического кремния в виде диска с оптическими щелями и размещена в зазоре между постоянными магнитами с возможностью углового перемещения, магниты закреплены на основании и крышке, датчик положения выполнен из двух излучателей и двух фотоприемников, оптические оси которых проходят через оптические щели и закреплены в отверстиях на основании и крышке, на поверхности инерционной массы радиально напылены токопроводящие дорожки, начала и концы которых соединены между собой напыленными токопроводящими кольцами и каждое из колец токопроводами через упругие подвесы соединены с выходами ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход компаратора, ко входу которого подключены выходы фотоприемников, а излучатели подключены к источнику постоянного тока. Данное техническое решение взято за прототип.
В первом аналоге используют то, что «вследствие малости зазора, разделяющего области подвижных и неподвижных электродов, электроны, имеющие достаточную вероятность прохождения сквозь потенциальные барьеры, образованные зазорами, туннелируют из неподвижных электродов в соответствующие подвижные электроды и тем самым создают туннельные токи, которые являются выходными сигналами устройства».
Недостатком данного устройства является безусловно низкая чувствительность, которую не поднять никакими приемами в данном направлении техники, поскольку теория туннельного эффекта сложна, формула плотности тока, то же, что и силы, имеют специфический для каждого вещества коэффициент и степенную форму, в степени стоят напряженность внешнего электрического поля и величина в тех же единицах, включающая в себя достаточно много нелинейной специфики, относящейся к свойствам электрона. Отсюда следует, что функция изменения силы тока (что можно интерпретировать как ускорение от внешних сил) также не линейна - одни и те же условия опыта не гарантируют качества определения ускорения.
-3
-8
Во втором аналоге возможно применение в его устройстве широкого спектра различных чувствительных элементов, параметры которых изменяются пропорционально ускорению от нагрузки, таких как тензорезисторы, кристаллические диэлектрики, резонаторные системы. Возможно, у него есть один плюс - массогабаритные характеристики (что не факт, поскольку измерительную систему зачастую приходится наращивать под выбранный диапазон внешних усилий), но и один большой минус - ни одна модификация данного технического решения не приближает точность определения ускорения к точности показаний единичного хорошего датчика, скажем, 1-2%, уже потому, что длинная цепочка датчиковой аппаратуры, преобразовательных цепей, часов от внешнего усилия до результата. В отношении тензодатчиков. Они работают обычно в области упругих деформаций при ε≤10, изменяя свое сопротивление пропорционально начальному, ε и коэффициенту тензочувствительности k=2-200, при этом в области малых нагрузок (k - единицы), что имеет место при включениях двигателей коррекции в космосе, собственно эффект исчезает на фоне температурного изменения сопротивления даже при изменении температуры на несколько градусов. Такую теплоизоляцию в условиях космоса обеспечить проблематично. В отношении пьезоэлектрических датчиков. Под действием давления возникают электрические сигналы (суммарная ЕДС пропорциональна давлению) за счет поляризации диэлектрика, пропорциональной некоторому коэффициенту, для кварца 3·10 и сильно зависящего от условий работы, в общем эффект с одной стороны тонкий - небольшая величина поляризации, с другой грубоватый - большие внешние нагрузки. И главное - ввиду того, что при относительно постоянном давлении (ускорении), что требуется в космических условиях при определении ускорения движения центра масс КА, эффект быстро исчезает, т.к. электрические заряды «стекают», пьезодатчики в принципе не применимы. В отношении применения резонаторных систем. Данное техническое решение основано на том, что элемент-камертон, подверженный колебанию от генератора частоты, под действием растяжения/сжатия от воздействия инерционной массы изменяет частоту своих колебаний пропорционально ускорению. Пропорциональность возможна еще при колебательном движении инерционной массы, и маловероятна при поступательном движении, которое необходимо при определении ускорения от работы двигателя. В любом случае точность определения изменения результирующего колебания резонатора весьма низкая, либо технически сложная задача.
Опускаем рассмотрение чисто механических всякого рода пружинных систем со стрелками - они явно непригодны для такого деликатного дела, как определение ускорения при тяге двигателя коррекции движения центра масс КА, схожей с дуновением ветра.
Прототип, в принципе, дает хорошие результаты и обладает приемлемыми массогабаритными характеристиками, однако устройство предназначено строго для определения угловых ускорений от внешних сил и должно находиться в центре инерции, отступление от которого вносит значительные погрешности определения углового ускорения. Это большой недостаток данного решения. И данное техническое решение по своей функциональности непригодно для вышеуказанной задачи определения поступательного ускорения.
1
2
Задачей является создание акселерометра, измеряющего ускорение поступательного движения с высокой точностью при имеющихся в настоящее время уровнях тяг двигателей коррекции движения центра масс КА (далее - просто двигатели коррекции), т.е. акселерометра, определяющего ускорения от десятых долей миллиметра в секунду за секунду. Цель достигается тем, что в акселерометр, содержащий инерционную массу, корпус и электрическую схему переключателя и фиксации времени, введены: внутренняя полая сфера, имеющая номинальный зазор с внешним сферическим корпусом прибора и подвес из четырех подпружиненных штырей, равномерно разнесенных по ее поверхности, закрепленных на ней, связывающих ее с корпусом, свободно проходящих сквозь люфтовые отверстия в корпусе; с внешней стороны корпуса - электромагниты в количестве, кратном двум, по числу осей установок двигателей коррекции движения космического аппарата; во внутренней сфере - магнитовосприимчивый шарик, инерционная масса которого 10:1 к массе внутренней сферы достаточна для уверенного замыкания внешней электрической цепи, имеющей синхронизатор времени и предназначенной для синхронизации событий рабочего цикла: отключение электромагнита и размыкание электроконтакта (время t - начало движения шарика) и замыкание одного из электроконтактов при нажиме шарика в каком-либо месте на поверхность внутренней сферы в конце его движения (время t) от исходной позиции - торца сердечника выбранного для работы электромагнита.
Под рабочим циклом подразумеваются фиксированные начало и окончание движения инерционной массы (шарика) в полости внутренней сферы.
2
1
Технический результат достигается за счет того, что перед началом рабочего цикла осуществляется притягивание на старт инерционной массы из полости внутренней сферы выбранным и включенным электромагнитом, зная расположение электромагнита в привязке к спутниковой системе координат и угол установки двигателя коррекции движения космического аппарата, следовательно, зная заранее расстояние, которое проходит шарик внутри сферы, и время прохождения этого расстояния как разность (t-t), будем иметь значение ускорения от работы данного двигателя коррекции с относительной погрешностью менее 3%.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного высокоточного космического акселерометра (ВКА), отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна». Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники (измерительная техника, акселерометры, микросистемная техника) с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Ни один из отличительных признаков данного изобретения: ни вложенная инерционная сфера, ни электромагниты, ни магнитовосприимчивая инерционная масса ранее не применялся для изготовления акселерометров, и потому все отличительные признаки отвечают условию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена электрокинематическая схема ВКА. Введены следующие обозначения:
1 - корпус ВКА;
2 - электромагниты;
3 - электроконтакты;
4 - источник постоянного тока;
5 - синхронизатор времени;
6 - внутренняя сфера;
7 - инерционная масса - магнитовосприимчивый шарик;
8 - штыри;
9 - люфтовые отверстия;
10 - пластинчатые пружины.
Количество подпружиненных штырей 8 должно быть именно четыре, поскольку это, с одной стороны, достаточный минимум для пространственного равноправного подвеса, с другой стороны, гарантия того, что при завершении рабочего цикла сработает только один электоконтакт 3, с третьей стороны, минимизация сопротивления при скольжении поверхностей одной сферы относительно другой при движении штырей 8 в люфтовых отверстиях 9 во внешней сфере 1 (корпусе ВКА).
Пружины 10 должны быть именно пластинчатые, т.к. они надежнее витых пружин и занимают в узком пространстве между сферами мало места.
Источник постоянного тока 4 может быть представлен любой типовой схемой, удовлетворяющей заданным параметрам силы электромагнитов, притягивающих на старт инерционную массу.
Масса шарика 7 - рабочей инерционной массы - составляет порядка 1 кг. Масса внутренней сферы 6 вместе с системой подвеса - подпружиненными штырями 8 - равна 1/10 рабочей инерционной массы - порядка 0,1 кг. Зазор между сферами должен составлять не более 5 мм, тогда пластинчатые пружины 10 подпружиненных штырей 8 в начале рабочего цикла, когда выбранный электромагнит 2 вместе с шариком 7 заодно притягивает к внешней сфере 1 (корпусу прибора) и внутреннюю сферу 6, не смогут создать заметных реакций сопротивления. Внутренняя сфера 6 всегда восстанавливает свое исходное положение относительно внешней сферы 1 (корпуса прибора). За весь рабочей цикл затрачивается работа:
,
|
||
где индексы «н» (номинал) и «пруж» относятся соответственно к движению только под действием ускорения от работы двигателя коррекции и только пружин; индексы «» и «» относятся соответственно к участкам движения в начале рабочего цикла и движению до замыкания электроконтакта в конце рабочего цикла.
-4
2
-4
-4
-7
-7
-4
-3
общ
При движении инерционной массы по диаметральному пути в начале рабочего цикла пружина выталкивает массу 1,1М (М - масса шарика), а в конце (положение подпружиненной внутренней сферы стабилизировано, и ситуацию правомочно представлять как неупругий удар) - сопротивляется массе 1,1М, то , и результирующее действие пружинного подвеса в рабочем цикле равно нулю. Значит, влиянием пружин можно пренебречь полностью. При движении по наихудшему сценарию, когда угол установки двигателя коррекции равен 45° относительно осей электромагнитов ВКА, суммарное влияние пружин оценивается в . Для примера, масса шарика М=1 кг, номинал тяги двигателей коррекции 0,1Н, ему соответствует ускорение 1·10м/с КА с массой 1000 кг, и  Сила упругости пружины должна уравновешивать силу действия на пружину внутренней сферы, движущейся в разрешенном диапазоне 5 мм с ускорением, создаваемым двигателем коррекции, причем в самом начале, в 1/10 стрелы прогиба пружины - для стабилизированного положения внутренней сферы и исключения несанкционированных замыканий электроконтактов, значит, эта сила в полном прогибе пружины должна быть 10 М, не менее, в частности, 1·10Н, и =5·10Дж. Относительная погрешность знания (или незнания) реакции пружин составляет 0,29·(5·10/5·10)·100, т.е. 0,029%, не менее, а относительно общей работы за цикл А и того меньше (0,5·10%). Поскольку реальные характеристики КА, двигательной установки и акселерометра не далеки от вышеприведенного примера, можно сделать вывод: при конструировании акселерометров вовсе не следует добиваться того, чтобы оси электромагнитов акселерометра ВКА и посадочные оси двигателей коррекции КА были соответственно параллельными, хотя оптимизация взаимного расположения осей электромагнитов ВКА и осей двигателей желательна исходя из нижеприведенного обоснования методической точности акселерометра.
Обоснование методической точности предлагаемого акселерометра
Ускорение определяется из уравнения равноускоренного движения при отсутствии начальной скорости движения тела:
где S - пройденное расстояние, м;
2
1
t=t-t, c.
Дифференцируем (1) и переходим к уравнению ошибок:
Диаметр (D) внутренней поверхности корпуса 1 прибора - внешней сферы (265-285) мм, не меньше, с учетом имеющихся в настоящее время уровней малых тяг двигателей коррекции и того, что необходимо время движения инерционной массы (точнее сферы, относительно неподвижного в инерциальном пространстве шарика), фиксация которого давала бы относительную ошибку не более 1%. Наиболее критичным будет угол установки (α) двигателей коррекции 45° относительно осей электромагнитов ВКА. Это сокращает номинальное рабочее расстояние против диаметрального в 1,4 раза.
1. Рассмотрим первое слагаемое в уравнении (2) - составляющую погрешности ускорения от единственно действующего на пройденное расстояние шариком нерасчетного фактора - работы системы ориентации и стабилизации (СОС) КА.
КА в процессе эксплуатации производит эволюции вокруг центра масс согласно логике работы СОС. ВКА может быть расположен от центра масс КА на удалении, гарантированно не превышающем 1 м. Погрешность поддержания ориентации КА в пространстве не превышает 0,1°. Это значит, что реальная точка соприкосновения шарика в конце пройденного пути шарика/сферы может отстоять от расчетной точки на расстоянии, не превышающем l=1000·sin 0,1°=1,75 мм, что, в свою очередь, означает погрешность в знании пройденного расстояния:
тогда ΔS = 0,006 мм, δS = 0,002%;
исходя из теоремы косинусов
тогда ΔS=1,23 мм, и δS=0,62%.
-4
2
В наихудшем варианте S=(0,1874-2d), м, где d - зазор между сферами (не более 5 мм) + радиус шарика (инерционной массы), тогда номинальное время движения шарика исходя из номинала тяги двигателей коррекции 0,1Н и соответствующего ему (1,0-0,5)·10 м/с ускорения КА с массой (1000-2000) кг составляет не менее 51,45 с при d=0,055 м.
-7
2
Максимальный вклад в Δa составляет 9,3·10м/с.
1
2
2. Рассмотрим второе слагаемое в уравнении (2) - составляющую погрешности ускорения от точности привязки событий, т.е. - от точности фиксации времен t и t.
-7
2
Погрешность снятия бортового времени составляет 0,25 с. Это и следует считать значением Δt в уравнении (2). Тогда δt=0,48%, и вклад в Δa составляет 9,7·10 м/с.
-6
2
Исходя из всего сказанного максимальная погрешность определения ускорения составляет 1,9·10 м/с, и относительная погрешность определения ускорения составляет менее 3%, при наиболее вероятной 1-2%, что позволяет именовать данный акселерометр высокоточным. Далее, ВКА является именно космической техникой, поскольку в условиях гравитации он работать не может, что позволяет именовать данный акселерометр космическим.