ДАТЧИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ МЕТЕОРОИДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
SENSOR FOR RESEARCHING METEOROID FLOWS AND MAN-MADE PARTICLES IN SPACE

Изобретение относится к космической технике. Датчик для исследования потоков метеороидных и техногенных частиц в космическом пространстве может быть использован для решения научных и прикладных задач, а именно для определения временного и пространственного распределения в потоках метеороидных и техногенных частиц, а также измерения их параметров.
Метеороидные и техногенные частицы, воздействующие на космический аппарат (КА), представляют большую опасность как для систем, так и для самого КА. По определению Международного Астрономического Союза, метеороид - это твердый объект, движущийся в межпланетном пространстве, размером значительно меньше астероида, но значительно больше атома. Техногенное вещество (частицы) - совокупность каталогизированных и некаталогизированных космических объектов техногенного происхождения, находящихся в околоземном пространстве [1].
Известен счетчик и масс-анализатор космических частиц «Дусма», который успешно использовался на советских космических аппаратах «Вега-1» и «Вега-2» [2]. Конструктивно прибор состоял из двух блоков: «Дусма-Д» - детектор космических частиц и «Дусма-Э» - блок электроники. Прибор «Дусма» мог регистрировать число соударений частиц с чувствительным элементом детектора - объемно поляризованной поливинилиденфторидной (PVDF) пленкой - и определения массы этих частиц с последующим пересчетом в кривую распределения массы частиц в зависимости от их размера. Чувствительный элемент был заключен в цилиндрический кососрезанный тубус, который ориентировался примерно нормально к направлению траектории пылевых частиц - прибор проектировался для исследования кометы Галлея.
При соударении пылевой частицы с чувствительным элементом на его электродах возникал короткий импульс тока, который обрабатывался блоком «Дусма-Э» и затем передавался на Землю.
Прибор «Дусма» успешно испытан в натурном космическом эксперименте, однако он имеет ряд недостатков:
1. Ограниченное число измеряемых параметров - число соударяемых частиц и их массы.
2. Направленность детектора к траектории движения пылевых частиц - прибор позволяет регистрировать только локальный поток частиц.
3. При попадании частицы в стенку тубуса может происходить дробление частицы на осколки, которые будут зарегистрированы чувствительным элементом и, как следствие, искажение научного результата.
Известен датчик для регистрации метеороидных и техногенных частиц, воздействующих на КА, конструктивно состоящий из нескольких слоев [3]. Датчик содержит две электропроводящие обкладки с диэлектрической прокладкой между ними, а также электроизоляционный теплозащитный экран и эластичный экран-бампер со стороны воздействия регистрируемых частиц. При столкновении частицы с чувствительным элементом датчика возникает электрический импульс, регистрируемый блоком электроники. Датчик относительно прост и технологичен, регистрирует в существенно большем по сравнению с прибором «Дусма» диапазоне направлений встречи потоков космических частиц, однако указанный диапазон является недостаточно широким. К недостаткам датчика можно также отнести малую информативность получаемых данных.
Наиболее близким аналогом к заявляемому датчику для исследования потоков метеороидных и техногенных частиц, выбранным в качестве прототипа, является датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на КА [4].
Датчик-прототип состоит из двух полусферических многослойных PVDF-аэрогельных детекторов, каждый из которых содержит тонкие гибкие обкладки из поляризованного материала с гибкими электродами, калиброванную аэрогельную прокладку, расположенную между обкладками, внешний теплоизоляционный аэрогельный экран-демпфер, внутреннюю аэрогельную подложку, соприкасающуюся одной своей поверхностью с тонкой гибкой обкладкой, а другой - с полусферической оболочкой датчика. Корпус датчика выполнен из нанокомпозитного материала. В полусферических оболочках установлены закладные L-образные фланцы с гнездами для крепления в них плоских кронштейнов с зажимами. В нижней полусферической оболочке закреплен полый переходник, предназначенный для подвода проводов от электродов детектора к электронному блоку и установки датчика на КА.
Работа датчика-прототипа осуществляется следующим образом: при подлете частица преодолевает внешний теплоизоляционный аэрогельный экран и соударяется с первой пьезоактивной обкладкой - пленкой PVDF, которая генерирует первый электрический сигнал в виде импульса, амплитуда и время которого фиксируется в соответствующем канале блока электроники. Далее частица проходит калиброванную аэрогельную прокладку, играющую роль мерной базы, пробивает вторую пьезоактивную обкладку - пленку PVDF, которая генерирует второй электрический сигнал в виде импульса, амплитуда и время которого также фиксируется в соответствующем канале блока электроники.
Датчик-прототип позволяет экспериментально и экспериментально-расчетным методом определять и/или оценивать следующие параметры метеороидно-техногенных частиц и космической пыли:
1. Счетное число зарегистрированных частиц.
2. Плотность потока частиц.
3. Среднюю скорость частицы.
4. Количество движения частицы.
5. Массу частицы.
6. Объем частицы.
7. Коэффициент лобового сопротивления частицы.
Недостатки датчика-прототипа:
1
2
3
1
2
3
1. Датчик-прототип не способен определять вектор скорости B, В и В регистрируемых частиц (фиг. 1). Поэтому рассуждения о калиброванной мерной базе L, при определении средней скорости частицы, имеют место быть лишь при прохождении соответствующего слоя С частицей по нормали, то есть когда вектор скорости частицы направлен на центр сферы датчика. Абсолютное же большинство регистрируемых частиц имеют вектор скорости, отличный от нормали, и мерная база L далеко не всегда совпадает с фактическими пробегами частиц L, L, L и т.д.
2. В результате определяемое значение средней скорости частицы может существенно (а иногда в разы) отличаться от истинного значения. Аналогичная ситуация представляется при определении других параметров частицы с участием в расчетных зависимостях значения средней скорости.
3. Недостаточная информативность, так как датчик-прототип не может определять направления движения частиц. Кроме того, из семи заявляемых авторами датчика-прототипа параметров лишь пункты 1, 2 и 4 можно отнести к категории определяемых, остальные же, из-за неточности нахождения средней скорости частицы, следует отнести к категории оцениваемых и то с определенной долей вероятности.
Техническими задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются:
- определение направления движения регистрируемой частицы (вектора скорости);
- повышение точности измерения ее средней скорости;
- повышение информативности.
Решение технических задач достигается тем, что предлагаемый датчик для исследования потоков метеороидных и техногенных частиц в космическом пространстве выполнен в форме куба, все грани которого являются составными детекторами, состоящими из внешних и внутренних чувствительных элементов, внешние чувствительные элементы изготовлены из тонкой пленки, на которую нанесено множество ячеек с токопроводящими дорожками, а внутренние чувствительные элементы - из объемно поляризованной пленки PVDF, дающие высокую информативность регистрируемых параметров и обеспечивающие их комплексную оценку. Кроме того, мерная пролетная база определяется индивидуально для каждой частицы расстоянием между среагировавшими ячейками на разных гранях датчика и в разы больше, чем у прототипа, что позволяет с высокой точностью определить направление движения регистрируемой частицы (вектор скорости), а также значительно повысить точность измерения ее средней скорости и всех последующих расчетов, увеличив тем самым число и достоверность получаемых параметров - информативность.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
Фиг. 2 - общий вид датчика в разрезе.
Фиг. 3 - схема регистрации факта воздействия частицы на ячейку.
Фиг. 4 - структурная схема блока электроники для регистрации метеороидных и техногенных частиц.
Фиг. 5 - функциональная схема контроллера.
Корпус 1 датчика выполнен в виде каркаса из нанокомпозиционного материала, может иметь раскладывающуюся конструкцию, на одной из плоскостей установлено крепление 2 для связи с КА посредством выносной штанги 3 с проходящими по ней гибкими информационными шлейфами 4 (фиг. 2). На каркас установлены унифицированные рамки с составным детектором 5, которые при необходимости могут заменяться на аналогичные. Внешний и внутренний чувствительные элементы (ЧЭ) детектора с помощью разъемов соединены с гибкими информационными шлейфами, передающими информацию к блоку электроники. Выполнение датчика в форме куба, все плоскости которого являются детекторами, позволяет исследовать широкий диапазон регистрируемых направлений встречи потоков космических частиц 6 с КА.
Рассмотрим составной детектор, состоящий из внешнего и внутреннего ЧЭ.
Внешний ЧЭ представляет собой пленку, выполненную по технологии изготовления многослойных гибких печатных плат. Первой слой содержит множество ячеек с узкими токопроводящими дорожками 7 шириной d и промежутками между дорожками 8 шириной h (фиг. 3). На других двух слоях выполнены более широкие токопроводящие дорожки, выполняющие роль разводки и объединяющие множество ячеек в одну информационную группу (ряды и колонки) - так называемую матрицу.
Отечественная промышленность применяет фольгированную медью полиимидную пленку для производства гибких печатных плат (ООО «Невская электронная компания», Новосибирский завод печатных плат «Электроконнект», производственный альянс «Контракт электроника» и др.).
Приведем отдельные характеристики выпускаемой продукции:
- количество слоев - до 64;
- толщина платы - от 0,1 мм;
- минимальная ширина проводника и зазора - от 0.05 мм;
- толщина медной фольги - от 0,012 мм;
- диапазон рабочих температур - от минус 200°С до 300°С.
Условия гарантированной регистрации факта воздействия частицы 6 размером D на ячейку (при работе токопроводящей дорожки «на разрыв») будет D=2d+h (фиг. 3). Таким образом, внешний чувствительный элемент способен регистрировать частицы размером от 0,05 мм, а гарантированно - от 0,15 мм.
Внутренний ЧЭ детектора представляет собой тонкую эластичную поляризованную пленку PVDF толщиной, например, 30 мкм. Производство пленки PVDF в настоящее время освоено в Российской Федерации, этот перспективный материал неоднократно применялся при проведении исследований на орбитальной станции «МИР» и других космических аппаратах. Внутренний ЧЭ, кроме того, способен регистрировать частицы и меньших размеров, чем внешний ЧЭ.
На фиг. 4, где изображена структурная схема бортовой системы регистрации метеороидных и техногенных частиц, использованы следующие обозначения: 9 - датчики внешнего ЧЭ детектора (ячейки с токопроводящими дорожками); 10 - датчики внутреннего ЧЭ детектора (пьезоактивные пленки PVDF); 11 и 12 - наборы интерфейсов для сопряжения с датчиками; 13 - оперативное запоминающее устройство; 14 - постоянное программируемое запоминающее устройство; 15 - контроллер; 16 - устройство сопряжения с командной линией КА; 17 - блок обработки сигнала; 18 - устройство формирования группового телеметрического сигнала; 19 - блок электроники.
Δ
s
cp
Δ
Работа предлагаемого датчика осуществляется следующим образом. При попадании КА в поток метеороидных и/или техногенных частиц происходит их высокоскоростное соударение с детекторами 5 датчика. Частица 6 последовательно пробивает внешний и внутренний ЧЭ одной грани датчика, затем - внутренний и внешний ЧЭ другой грани. При этом аппаратура регистрирует четыре сигнала, привязанных к системе бортового времени КА. По сигналам с внешних ЧЭ блок обработки сигнала 17 с помощью контроллера 15 выявляет координаты сработавших ячеек, определяет вектор скорости и пролетное расстояние частицы L, а имея информацию по разнице во времени зарегистрированных сигналов t, рассчитывает среднюю скорость частицы (w)=L/t.
s
s
s
s
s
cp
s
cp
s*
s
cp
s
s
cp
s
cp
Сигналы с внутренних ЧЭ поступают в виде импульсов I, пропорциональных количеству движения частицы P, т.е. I ~ P. Данный принцип был использован американцами в 2000 году на военном спутнике «Argos» в детекторе космических частиц «Spadus». Тогда (I) ~ (P)=m(w). Таким образом, блок обработки сигнала 17 определяет массу частицы m=(P)/(w). Полученная информация поступает в устройство формирования группового телеметрического сигнала и передается на Землю.
Отдельно следует рассмотреть работу контроллера 15, входящего в состав блока электроники 19. Основу контроллера составляет универсальный микропроцессор 20 (фиг. 5). В режиме функционирования регистрирующей аппаратуры микропроцессор 20 последовательно опрашивает каналы 1..N, соответствующие группе из N ячеек 21, выбранной посредством мультиплексора 22 из K линий. В нормальном режиме функционирования на входы каналов микропроцессора подается напряжение, соответствующее логической единице. При срабатывании ячейки на вход n-го канала k-й линии микропроцессора подается напряжение, соответствующее логическому нулю. Одновременно опрашивается система бортового времени космического аппарата Z для временной привязки события. Получаемые данные Q передаются в блок обработки сигнала 17. Такая схема опроса состояния ячеек выбрана, прежде всего, для сокращения числа информационных каналов.
В настоящее время отечественная промышленность выпускает всего несколько типов микропроцессоров и элементов запоминающих устройств, которые удовлетворяют требованиям к элементной базе, прежде всего, требованиям повышенной радиационной стойкости. Например, многоядерный сигнальный микропроцессор 1892ВМ8Я (MC-24R), однократно программируемое ПЗУ на основе элемента "antifuse" (32К×8) 1645РТ2У и статическое ОЗУ 4 Мбит, (512К×8) 1657РУ1У.
Согласно вышеизложенному с помощью заявляемого датчика экспериментально и экспериментально-расчетным методом возможно определять и/или оценивать следующие параметры метеороидных и техногенных частиц:
1. Счетное число частиц, столкнувшихся с датчиком, с привязкой к параметрам орбиты космического аппарата и его бортовому времени.
2. Плотность потока частиц.
3. Направление движения регистрируемых в потоке частиц (вектор скорости).
s
cp
Δ
4. Среднюю скорость частицы (w)=L/t.
s
5. Количество движения (импульс) частицы P.
s
s
cp
s
cp
6. Массу частицы m=(P)/(w).
s
s
3
7. Объем частицы V=m/ρ, где ρ - средняя плотность частицы, о ней можно судить по [1], где для небольших (до 5 мм) каталогизированных космических объектов приводится значение ρ=2,5…2,7 г/см.
s
8. Площадь миделя частицы оценивается исходя из определенного объема частицы V и инженерных соображений. Кроме того, оценить размер частицы можно по тому факту, что зарегистрировали ее оба чувствительных элемента детектора или только внутренний. При этом следует учесть, что внешний чувствительный элемент способен регистрировать частицы размером от 0,05…0,15 мм и выше.
Необходимо указать, что датчик должен пройти предварительную экспериментальную отработку на баллистическом стенде на предмет воздействия высокоскоростных частиц с построением градуировочных зависимостей. Для охвата полного диапазона пространственной регистрации частиц целесообразно размещение двух датчиков с разных сторон КА. В заявляемом датчике герметичность его внутреннего объема по отношению к внешней среде – космосу - не требуется. Напротив, пролет мерной базы частицей в естественных для нее условиях способствует повышению точности измерений.
В процессе практической отработки элементов датчика авторами в лабораторных условиях с помощью фоторезиста были изготовлены гибкие печатные платы из фольгированного лавсана [5], которые затем успешно испытаны на баллистическом стенде [6] при скорости метаемого шарика 2400 м/с и диаметре 1 мм. Толщина слоя лавсана в нашем случае составляла 0,125 мм, медной фольги - 0.035 мм, ширина дорожки - 0,5 мм, промежутка между дорожками - 0,25 мм.
При разработке датчика авторы стремились к простоте и надежности конструкции, технологичности изготовления и эксплуатации, вплоть до возможности менять рамки с чувствительными элементами. Учтены условия эксплуатации прибора в условиях вакуума, радиационного воздействия на материалы и элементную базу блока электроники, продумана возможность снижения масса-габаритных характеристик прибора.
В заключение еще раз отметим, что конструкция предлагаемого датчика направлена на достижение технического результата, заключающегося в комплексной пространственной регистрации метеороидных и техногенных частиц в космических потоках и измерении их параметров.
Источники информации
1. Национальный стандарт Российской Федерации. Космическая среда (естественная и искусственная). ГОСТ Р 25645.167-2005// М.: Стандартинформ, 2005, с. 41.
2. Описание и научные задачи Международного проекта Венера - Галлей (1984-1986)/ Отв. за подготовку издания В.М. Балебанов, Г.А. Скуридин, Э.В. Воронцова// Международный научно-технический комитет по проекту Венера - Галлей, 1984, с. 260.
3. Тулин Д.В., Клишин А.Ф., Иванов Н.Н., Ященко Б.Ю. Датчик для регистрации метеороидных и техногенных частиц, воздействующих на космический аппарат// Патент на полезную модель №95314, B64G1/68, 2010, БИ №18.
4. Иванов Н.Н., Иванов А.Н. Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат// Патент РФ №2457986 с приоритетом от 12.04.2011,  БИ №22.
5. Гончаров П.С., Денисов A.M., Загорный С.В., Светлорусов М.А., Суворов Р.В., Тимофеев Н.М. Задача измерения скорости ударников малых диаметров и способ изготовления рамы-мишени для ее решения/ Труды V Общероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии и технические средства специального назначения»// Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», 2013, №16, с 102-103.
6. Бабин A.M., Гончаров П.С., Денисов A.M., Светлорусов М.А., Тимофеев Н.М. Экспериментальный баллистический комплекс для исследования ударного воздействия высокоскоростных твердых частиц на элементы конструкции космических аппаратов/ Труды V Общероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии и технические средства специального назначения»// Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», 2013, №16, с 75-78.