БОРТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ, СБОРА, РЕГИСТРАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕТЕОРОИДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ, МЕЖЗВЕЗДНОЙ И МЕЖПЛАНЕТНОЙ ПЫЛИ, А ТАКЖЕ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ И ПЛАНЕТОХОД-РОВЕР
ONBOARD MEASUREMENT MODULE FOR TRAPPING, ACCUMULATION, REGISTRATION AND MEASUREMENT OF PARAMETERS METEOR AND MAN-MADE PARTICLES, INTERSTELLAR AND INTERPLANETARY PARTS AND DUST AS WELL AS REGISTRATION OF IONISING RADIATION ACTING ON SPACESHIP AND SPACE ROVER

Бортовой измерительный модуль для улавливания, сбора, регистрации и измерения параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, а также регистрации ионизирующего излучения, воздействующих на космический аппарат и на планетоход - ровер, относится к средствам для исследования космического пространства, планет Солнечной системы и решения комплексных и прикладных задач по этой тематике, а именно к устройствам для обнаружения временного и пространственного распределения твердых метеороидно-техногенных тел, межзвездной и межпланетной пыли, измерения их параметров, а также регистрации ионизирующего излучения.
Данный бортовой измерительный модуль (далее бортовой модуль) может быть использован, например, и в научно-исследовательских центрах и лабораториях, учебных институтах, где проводятся работы по двухфазной газо- и аэродинамике, внешней баллистике, на высокогорных гляциологических и высокоширотных станциях в Антарктиде и Арктике.
Данные о микрометеороидах, межзвездной и межпланетной пыли, ионизирующем излучении в ближнем и дальнем Космосе, регистрация их одновременного воздействия на космический аппарат (далее КА) являются ценными источниками информации о космических телах и процессах, происходящих в глубинах Космоса. Более того, поскольку микрометеороидные и техногенные тела - совокупность обломков КА, а также ионизирующее космическое излучение, представляют большую опасность и для самого КА, и для его агрегатов и систем их изучение необходимо также и для обеспечения безопасности самого КА.
Согласно официальному определению Международного Астрономического Союза (MAC), а также ГОСТа 25645.128.85 (Вещество метеорное) метеороид - это твердый объект, движущийся в межпланетном пространстве, размером значительно меньше астероида, но значительно больше атома. Что касается космической пыли, то согласно одной из гипотез межзвездная и межпланетная пыль образуется вследствие конденсации молекул газа на зародышах - частицах углерода С, оксида кремния 8102 и др. Понятие метеороида не следует путать с понятием метеорита. Метеорит - это твердое тело космического происхождения, упавшее на поверхность небесного тела, например на Землю. В зависимости от химического состава метеориты делятся на три группы: каменные (хондриты и ахондриты), железокаменные и железные (никелистое железо).
Для повышения качества, достоверности и значимости получаемой научной информации и увеличения ее объема особое значение приобретает регистрация одновременного воздействия космических частиц, пыли и данных о ионизирующем излучении на КА.
И еще. Эффективность осуществления космического эксперимента становится бесценной, когда обеспечивается доставка на Землю в капсуле на парашюте уловленного в Космосе вещества внеземного происхождения. Такой эксперимент может стать значимым дополнением и развитием отечественной космической программы.
Известен датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на КА, представляющий собой многослойную конструкцию [1].
Датчик содержит две электропроводящие обкладки с диэлектрической прокладкой между ними и электроизоляционный теплозащитный экран, расположенный перед электропроводящей обкладкой со стороны воздействия регистрируемых частиц. Перед экраном, со стороны воздействия регистрируемых частиц, с зазором установлен также эластичный экран-бампер, выполненный в виде многослойной пленки, натянутой на каркасе. Обе электропроводящие обкладки могут быть выполнены в виде металлического покрытия, нанесенного на разные стороны диэлектрической прокладки. При ударе частицы в датчик возникает электрический импульс, регистрируемый блоком электроники. Данный датчик отличается конструктивной простотой и технологичностью, однако угловой диапазон встречи космических частиц с КА, в котором датчик осуществляет их регистрацию, является недостаточно широким. Кроме того, данные, получаемые с чувствительного элемента датчика, обладают недостаточной информативностью, помимо этого не обеспечивается сбор и сохранение частиц и пыли, воздействующих на КА, и, соответственно, доставка их на Землю.
Наиболее близким аналогом к заявляемому бортовому измерительному модулю для улавливания, сбора, регистрации и измерения параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, а также регистрации ионизирующего излучения, воздействующих на КА, принятым в качестве прототипа, является плоскопанельный коллектор пыли, использованный на американской автоматической межпланетной станции (АМС) «Stardust» во время ее космической экспедиции к комете «Вильда-2» (07.02.1999 - 15.01.2006 гг.) [2].
Данный коллектор пыли выполнен в виде плоской панели с прямоугольными ячейками-ловушками, расположенными с двух сторон панели. Ячейки-ловушки коллектора были заполнены аэрогелем [2, 3]. Коллектор пыли укреплен на петлях в отсеке возвращаемой капсулы, из которой он согласно командам бортового блока управления АМС мог выводиться, экспонироваться и снова убираться в капсулу. Ячейки-ловушки на одной стороне коллектора были предназначены для улавливания межзвездной пыли, ячейки-ловушки на другой стороне коллектора использовались для улавливания кометной пыли и летучих веществ в коме планеты «Вильда-2». В ячейки-ловушки за время экспедиции микрометеороиды, частицы межзвездной и кометной пыли, летучих веществ были уловлены, а затем в капсуле с помощью тормозного парашюта спущены на Землю. В настоящее время в американских и европейских научных центрах проводятся экспериментальные исследования доставленных из Космоса частиц внеземного происхождения, а в соответствующих журналах появляются научные публикации по этой тематике.
2
Экспонируемая площадь каждой стороны коллектора была равна 1225 см и содержала по 130 прямоугольных ячеек-ловушек размером 4×2 см и две ромбовидные ячейки-ловушки меньшей площади. Толщина аэрогеля в ячейках-ловушках на одной из сторон коллектора была равна 3 см, толщина аэрогеля в ячейках-ловушках с другой стороны коллектора была равна 1 см.
2
S
s
кр
S
АГ
-6
До начала экспедиции «Stardust» в Космическом центре имени Джонсона и Исследовательском центре имени Эймса (США) были выполнены экспериментальные исследования по улавливанию частиц размером от микрона до сантиметра в аэрогель [2]. Согласно проведенным исследованиям было установлено, что SiO - аэрогель способен улавливать и затормаживать высокоскоростные частицы, соударяющиеся с ним при скорости порядка w=(6-7) км/с. В этих же экспериментах было получено, что время движения частицы размером 10 мкм при торможении в аэрогеле составляет менее 1 мкс, т.е. τ<10 с, в аэрогеле образуется трекконический удлиненный кратер, глубина которого равна примерно L≈2 мм, т.е. в 200 раз больше ее размера, а частица нагревается до T≈600°С=873 К и выше. Так как время торможения частицы в аэрогеле мало, разрушения частицы не происходит. В то же время аэрогель в пограничном слое конического кратера-трека в ловушке разогревается до температуры Т≥10000 К, при этом волокна аэрогеля, соприкасающиеся с тормозящейся частицей, плавятся и капсулируют частицу. Конические кратеры-треки, образуемые частицей в аэрогеле, можно обнаружить и исследовать с помощью стереомикроскопа. Можно отметить, что, например, отечественный стереоскопический микроскоп марки МБС-10 позволяет наблюдать как обычные предметы, так и тонкие пленочные и прозрачные объекты.
Помимо АМС «Stardust» аэрогель в качестве ловушек и теплоизоляционного материала использовался, как минимум, в 8 полетах американских орбитальных кораблей «Space Shuttle», а также на станции «Мир».
Наряду с определенными достоинствами плоскопанельный коллектор пыли имеет и ряд недостатков. Рассмотрим эти недостатки более подробно.
1. Плоскопанельный коллектор пыли, использованный на АМС «Star-dust», изначально был спроектирован:
а) только для трех операций: улавливания, сбора частиц внеземного происхождения аэрогельными ловушками и последующего возвращения коллектора на Землю;
б) коллектор может улавливать частицы внеземного происхождения только по одной оси, например Х (прямом и противоположном направлении), т.е. когда траектории подлета частиц нормальны (угол 90°) к плоскопанельному коллектору либо составляют с плоскопанельным коллектором угол, меньший 90°. Иные частицы внеземного происхождения, подлетающие к плоскопанельному коллектору по осям Y, Z  (рассматривается прямоугольная система координат), коллектором не улавливаются и «свистят» мимо. Следует заметить, что в Космосе, например, метеороидные «дожди» возникают спорадически, перемещаются по непредсказуемым траекториям, так что истиной о процессах и событиях, происходящих в Космосе или на космическом аппарате, на Земле никто не владеет.
2
2. Улавливающая поверхность аэрогельных ловушек (2×4 см), использованных в коллекторе пыли АМС «Stardust», является достаточно большой, что создает определенные технологические трудности по обнаружению и извлечению уловленных микрометеороидных частиц внеземного происхождения из ловушек.
3. В коллекторе пыли АМС «Stardust» аэрогельные ячейки изготовлены непосредственно в плоской панели и не являются съемными. Извлечение аэрогеля из таких ячеек технологически также затруднено, при обработке результатов экспериментов на Земле возможны случаи повреждения и/или потери вместе с отколовшимися кусочками аэрогеля частиц внеземного происхождения. Не секрет, что частицы внеземного происхождения являются уникальным и очень дорогим первичным экспериментальным материалом.
Таким образом, хотя предлагаемый прибор и решает частично задачу сбора, улавливания, сохранения частиц и пыли, воздействующих на КА, и доставку их на Землю, однако при этом не обеспечивается регистрация ионизирующего излучения, воздействующего на КА, а задача по улавливанию, сохранению частиц и пыли, воздействующих на КА, и доставку их на Землю решается не в полном объеме, что в целом снижает информативность получаемой научной информации.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение информативности при измерении параметров частиц внеземного происхождения, мелкодисперсного космического мусора, ионизирующего излучения, доставка этих частиц и космического мусора, в случае необходимости, на Землю. Данная задача решается как во время полета КА по его орбитальной траектории, так и при нахождении планетохода-ровера на другой планете, например Марсе, при помощи бортовой научной аппаратуры и наземных станций слежения.
Решение вышеупомянутой задачи достигается тем, что в предлагаемом бортовом модуле для улавливания, сбора, регистрации и измерения параметров метеороидов и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, а также регистрации ионизирующего излучения, воздействующих на КА и планетоход-ровер, силовой корпус бортового модуля выполнен в виде сетчато-цилиндрической оболочки, соединенной торцами с полусферическими оболочками, причем в корпусе верхней полусферической оболочки с наружной стороны нанесено многослойное покрытие из чередующихся слоев поляризованного материала из пьезоактивной пленки и аэрогеля, выполнены сквозные отверстии, в которых закреплены чувствительные элементы датчиков ионизирующего излучения, один из которых установлен в месте пересечения продольной оси бортового модуля с корпусом верхней полусферической оболочки, а другие установлены в ее нижней части под углом (10-15)° соответственно к осям Y и Z прямоугольной системы координат бортового модуля, при этом с наружной стороны корпуса нижней полусферической оболочки нанесено многослойное покрытие, образующее датчик конденсаторного типа, а в месте пересечения продольной оси бортового модуля с корпусом нижней полусферической оболочки выполнено сквозное отверстие для подсоединения полого переходника, обеспечивающего установку бортового модуля на корпус космического аппарата и защиту электрической связи между детекторами, датчиком конденсаторного типа, чувствительными элементами датчиков ионизирующего излучения бортового модуля и аппаратурой космического аппарата, при этом бортовой модуль снабжен аэрогельными ловушками, выполненными в виде заполненных аэрогелем съемных открытых кювет, установленных во всех ячейках силового корпуса в несколько параллельных рядов, причем не менее чем в четырех, разнесенных друг от друга на 90°, кюветах смонтированы многослойные PVDF-аэрогельные детекторы-ловушки частиц, а в остальных кюветах, симметрично установленных относительно продольной оси бортового модуля, размещена сотовая и прямоугольная совокупность аэрогельных ловушек, заполненных аэрогелем, при этом сетчато-цилиндрический корпус бортового модуля, корпуса полусферических оболочек, кюветы и аэрогельные ловушки выполнены из материала, стойкого к УФ-излучению.
Кроме того, многослойное покрытие, образующее датчик конденсаторного типа, включает аэрогельную обкладку, две электропроводящие обкладки, разделенные диэлектрической, например, вафельного типа прокладкой, и электроизоляционный теплозащитный экран, расположенный с внешней стороны бортового модуля.
Кроме того, аэрогель в кюветах, аэрогельных ловушках, аэрогельные слои в PVDF-аэрогельных детекторах-ловушках могут иметь как постоянную, так и переменную плотность.
Кроме того, установка бортового модуля на корпусе КА обеспечивается посредством силового телескопического кронштейна, соединенного с полым переходником.
Кроме того, бортовой модуль снабжен автономным источником электропитания, выполненным в виде гибкой солнечной батареи, установленной на полом переходнике.
Выполнение силового корпуса бортового модуля в виде сетчато-цилиндрической оболочки, соединенной торцами с полусферическими оболочками, позволяет, в случае необходимости, установить первичные преобразователи и датчики дополнительных измерительных систем, расширить номенклатуру регистрируемых и анализируемых параметров, обеспечить широкий заданный диапазон регистрируемых космических факторов, упростить технологию сборки бортового модуля.
Выполнение в корпусе верхней полусферической оболочки, с наружной стороны которой нанесено многослойное покрытие из чередующихся слоев поляризованного материала из пьезоактивной пленки и аэрогеля, сквозных отверстий, в которых закреплены чувствительные элементы датчиков ионизирующего излучения, один из которых установлен в месте пересечения продольной оси бортового модуля с корпусом верхней полусферической оболочки, а другие установлены в ее нижней части под углом (10-15)° соответственно к осям Y и Z прямоугольной системы координат бортового модуля, при этом с наружной стороны корпуса нижней полусферической оболочки нанесено многослойное покрытие, образующее датчик конденсаторного типа, а также выполнение в месте пересечения продольной оси бортового модуля с корпусом нижней полусферической оболочки сквозного отверстия для подсоединения полого переходника, обеспечивающего установку модуля на корпусе КА и защиту электрической связи между многослойным детекторам, PVDF-аэрогельными детекторами-ловушками, датчиком конденсаторного типа, чувствительными элементами датчиков ионизирующего излучения бортового модуля и аппаратурой КА, использование на бортовом модуле съемных открытых кювет с аэрогельными ловушками, установленными в несколько параллельных рядов во всех ячейках силового сетчато-цилиндрического корпуса, причем не менее чем в четырех, разнесенных друг от друга на 90°, кюветах смонтированы PVDF-аэрогельные детекторы-ловушки, а в остальных кюветах, симметрично установленных относительно продольной оси бортового модуля, размещена сотовая и прямоугольная совокупность аэрогельных ловушек, заполненных аэрогелем, при этом силовой корпус бортового модуля, кюветы и корпуса аэрогельных ловушек выполнены из стойкого к УФ-излучению материала, позволяет существенно расширить возможности бортового модуля на предмет получаемой информации, обеспечить проведение комплексных исследований как на борту КА, так и в наземных лабораториях при максимальном использовании современной научной аппаратуры.
Использование многослойного покрытия, образующего датчик конденсаторного типа, в виде аэрогельной обкладки, двух электропроводящих обкладок, разделенных диэлектрической, например, вафельного типа прокладкой, и электроизоляционного теплозащитного экрана, расположенного с внешней стороны бортового модуля, повышает надежность датчика конденсаторного типа.
Использование в PVDF-аэрогельных детекторах-ловушках и аэрогельных ловушках аэрогеля как постоянной, так и переменной плотности увеличивает объем получаемой информации.
Установка бортового модуля на корпусе космического аппарата посредством силового телескопического кронштейна, соединенного с полым переходником, позволяет устанавливать бортовой модуль в наиболее оптимальном при проведении экспериментов положении относительно корпуса КА.
Снабжение бортового модуля автономным источником электропитания, выполненным в виде гибкой солнечной батареи, установленной на полом переходнике, повышает надежность бортового модуля и снижает нагрузку на систему энергообеспечения КА.
Сравнение параметров процессов внедрения в преграду частиц, получивших и не получивших дозу ионизирующего излучения, позволит получить ответ на значимый и интересный научно-технический вопрос: как влияет или не влияет ионизирующее излучение на процесс внедрения частиц в преграду.
Следует сказать, что выбранный блочно-модульный принцип компоновки заявляемого устройства и его конструкционная прочность, достигаемая за счет использования сетчато-цилиндрической оболочки, позволяют оперативно создавать более совершенные измерительные устройства и оперативно отвечать на возникающие новые научные проблемы, задачи и вопросы в космическом приборостроении. Бортовой модуль позволяет определять:
-6
1. Счетное число частиц, техногенных тел и пыли, столкнувшихся с поверхностью бортового модуля, с привязкой этих столкновений к бортовому времени с временными метками в 1 мкс=10c и параметрам орбиты космического аппарата.
2. Плотность потока частиц, техногенных тел, пыли, т.е. число частиц на единицу площади поверхности бортового модуля в единицу времени, например, час, сутки и т.д.
S
S
S
S1
S2
S1
S
S1
S1
S2
S
S2
S1
S
S1
S2
3. Количество движения (импульс) P=m·w частицы, техногенного тела, пылинки. Величина (оценка) данного параметра определяется в момент прохождения частицы сквозь первую и вторую (со стороны подлета) тонкие эластичные поляризованные пленки PVDF, при этом генерируются электрические импульсы, фиксируемые блоком электроники, с амплитудами A и A, пропорциональные количеству движения частицы, т.е. P=m·w ~ A и P=m·w ~ A, где m, w и w - масса и скорости частицы соответственно. Принцип действия этого измерения основан на прямом пьезоэффекте пленки PVDF.
S
cp
S1
S2
4. Среднюю скорость (w) ~ (w+w)/2 частицы, техногенного тела, пылинки. Средняя скорость определяется времяпролетным способом по прохождению одиночной частицей известной мерной базы L бортового модуля, т.е. преодоления первой и второй (со стороны подлета) тонких эластичных поляризованных пленок PVDF, при этом необходимо учитывать электрические импульсы, зафиксированные блоком электроники, и временные отметки с учетом мерной базы L. Данный способ был использован американцами в 2000 г. на военном спутнике «Argos» в детекторе космических частиц «Spadus» [2].
5. Массу частицы. Масса одиночной частицы определяется по формуле
S
S
S
S
cp
m=(m·w)/(w).
S
S
S
S
3
6. Объем частицы. Объем одиночной частицы определяется по формуле W=m/ρ, где ρ=2,2; 3,5; 4,3 и 7,6 г/см - плотности рыхлокаменных, каменных, железокаменных или железных метеороидов соответственно (известные справочные данные).
х
7. Коэффициент лобового сопротивления частицы С.
х
Для метеороидной экспериментальной баллистики важно знать коэффициент лобового сопротивления С частицы и/или техногенного осколка при их прохождении через пьезоактивные пленки PVDF и аэрогельную прокладку калиброванной мерной толщины и постоянной плотности (калиброванных прокладок может быть несколько). Этот коэффициент можно оценить по формуле:
х
S
S1
S2
АГ
S
S1
S2
С=4 m·(w-w)/(ρ·S·(w+w)·L),
АГ
S
S
где ρ - плотность аэрогельной прокладки (известная характеристика аэрогеля); S - площадь миделя частицы, выбирается из определенного ранее объема частицы W и из инженерных соображений;
L - ширина калиброванной мерной базы датчика или ловушки; известная конструктивная величина.
Следует отметить, что пьезоактивная поливинилиденфторидная пленка PVDF как регистратор частиц внеземного происхождения была с успехом и многократно использована в длительных космических экспериментах, например, на отечественных аппаратах «Вега-1» и «Вега-2» [4], американской АМС «Stardust» [2].
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - общий вид бортового модуля в разрезе;
Фиг.2 - общий вид бортового модуля в разрезе по А-А;
Фиг.3 - структурная схема бортовой системы регистрации и измерения космических факторов на КА и/или планетоходе-ровере.
Базовой силовой конструкцией блочно-разборного, полого бортового модуля являются тонкостенный сетчато-цилиндрический корпус 1 и два, верхних и нижних, силовых полусферических днища 2 и 3 соответственно (Фиг.1 и 2).
-9
С целью противодействия негативным факторам, например ультрафиолетовому излучению (УФ-излучению), воздействующим в Космосе на бортовой модуль и КА в целом, в качестве материала для сетчато-цилиндрического корпуса 1 и полусферических днищ 2, 3 предлагается использовать, например, базальтопластик или нанокомпозиционный материал, покрытый с внешней стороны тонким слоем, например гелькоута марки NORPOL XTG. Гелькоуты - это композиции на основе полиэфирных смол. И базальтопластик, и гелькоут марки NORPOL XTG весьма устойчивы против УФ-излучения. Напомним, что УФ-излучение - это не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучением в диапазоне длин волн λ=(400-10) нм=(400-10)·10 м.
Сетчато-цилиндрический корпус 1 и полусферические днища 2 и 3 изготавливаются с закладными кольцевыми L-образной формы металлическими фланцами 4, выполненными, например, из алюминиевого сплава.
С помощью фланцев 4 сетчато-цилиндрический корпус 1 жестко крепится с полусферическими днищами 2 и 3. Между собой фланцы 4 при сборке центрируются посредством технологических штифтов и крепятся с помощью, например, крепежных элементов (на Фиг.1 и 2 крепежные элементы и технологические штифты условно не показаны). Отметим, что герметичность внутренней полости бортового модуля при его штатной эксплуатации в Космосе не требуется.
В посадочном гнезде 5, выполненном в виде сквозного круглого отверстия на полюсе верхнего полусферического днища 2, установлен чувствительный элемент 6 датчика ионизирующего излучения.
В качестве чувствительных элементов, выполняющих роль первичных преобразователей для датчиков ионизирующего излучения, можно использовать, например, чувствительные элементы из монокристаллов CVD на легированных алмазных подложках, разработанных в ФГУ «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов», (г.Троицк, Моск. обл.). Аббревиатура CVD означает «Chemical Vapor Deposition» и переводится как «химическое осаждение из газовой фазы». В настоящее время данная технология - осаждение поликристаллических пленок алмаза (полиалмаз) из газовой фазы быстро развивается [5].
Чувствительный элемент 6 смонтирован в корпусе 7 и закреплен крышкой 8. Верхнее полусферическое днище 2, корпус 7 и крышка 8 с помощью, например, клея ВК-9 прочно склеиваются друг с другом. Заметим, что клей ВК-9 в настоящее время постоянно используется на КА.
Отметим, что в заявляемом устройстве через центр сквозного круглого отверстия 5 на полюсе верхнего полусферического днища 2 проходит перпендикулярно этому отверстию продольная ось Х КА. Помимо полюсного чувствительного элемента 6 датчика ионизирующего излучения на верхнем полусферическом днище 2 вблизи закладного кольцевого фланца 4 смонтированы еще четыре чувствительных элемента 6 датчиков ионизирующего излучения. Эти чувствительные элементы 6 разнесены друг от друга на 90°, при этом два из них установлены противоположно друг другу и под углом α=(10-15)° к оси Y (Фиг.1), а два других закреплены также противоположно друг другу и под углом α≈(10-15)° к оси Z, где X, Y, Z - прямоугольная система координат КА.
Для каждого чувствительного элемента 6 датчиков ионизирующего излучения в бортовом модуле предусмотрено не менее 2-х пар дублирующих друг друга эластичных токопроводящих электродов 9. На Фиг.1 и 2 все остальные эластичные токопроводящие электроды также обозначены поз.9. Дублирование электродов введено с целью повышения надежности и долговечности работы чувствительных элементов 6, ибо обрыв любого из электродов 9 при штатной эксплуатации КА возможен и такие случаи в практической космонавтике известны. Во внутреннюю полость бортового модуля вывод электрода 9, скрепленного с внешней стороной чувствительного элемента 6 датчика ионизирующего излучения, осуществляется через паз 10, изготовленный во внутренней стенке корпуса 7. Отметим, что совокупности эластичных токопроводящих электродов 9 на Фиг.1, 2 обозначены одной линией.
На верхнем полусферическом днище 2 помимо чувствительных элементов 6 датчиков ионизирующего излучения смонтирован и многослойный, например, пятислойный PVDF-аэрогельный полусферический со сквозными отверстиями детектор 11. Все компоненты PVDF-аэрогельного полусферического детектора 11 прочно скреплены между собой при помощи, например, акрилового клеящего состава. Склеивание компонентов PVDF-аэрогельного полусферического детектора 11 друг с другом производится вблизи периметра полусферического днища 2 и закладного кольцевого L-образного фланца 4.
1
2
3
4
Архитектура PVDF-аэрогельного полусферического детектора 11 включает в себя следующие компоненты: прилегающую к полусферическому днищу 2 внутреннюю аэрогельную обкладку 12 толщиной, например, δ≈1 мм с переменной (возрастающей) по толщине плотностью аэрогеля; тонкую эластичную поляризованную обкладку - пленку PVDF 13, толщиной, например, δ≈30 мкм; играющую роль мерной базы аэрогельную прокладку 14 постоянной плотности и толщиной, например, L≈1,5-2 мм; еще одну тонкую, эластичную поляризованную обкладку - пленку PVDF 15 толщиной, например, δ≈30 мкм; внешний, теплозащитный аэрогельный экран 16 постоянной плотности и толщиной, например, δ≈1 мм.
Снаружи, в районе закладного кольцевого L-образного фланца 4, PVDF-аэрогельный полусферический преобразователь 11 скреплен акриловым клеящим составом и стопорным периферийным кольцом 17, изготовленным, например, из металла или нанокомпозиционного материала. При изготовлении стопорного периферийного кольца 17 из металла или из нанокомпозиционного материала его следует защитить от УФ-излучения гелькоутом, например, марки NORPOL XTG.
Крепление гибких эластичных токопроводящих электродов к поляризованным обкладкам-пленкам 13 и 15 PVDF-аэрогельного полусферического преобразователя 11 осуществляется следующим образом. Вблизи периметра полусферических обкладок-пленок PVDF 13 и 15 с двух сторон каждой обкладки методом, например, напыления нанесены контактные токопроводящие шины - полоски, например, из серебра шириной Н≈10 мм (на Фиг.1 не показано). К каждой из этих шин-полосок при помощи, например, электропроводящего клея или методом термокомпрессионной, ультразвуковой или термозвуковой сварки крепятся несколько, но не менее двух, гибких, эластичных токопроводящих электродов 9. Противоположные концы электродов 9 выведены в кабельные стволы 18.
s
Следует отметить, что пористо-волокнистый материал аэрогель успешно и многократно был использован в научных приборах и как теплоизоляция в Космосе на космической станции «Мир», «Spacelab-II», «Eureca», «Stardust». Аэрогель, наряду с такими уникальными свойствами, как очень малая плотность и очень низкая теплопроводность, обладает свойством улавливать без разрушения высокоскоростные (w≈6 км/с и более) космические и мелкодисперсные техногенные частицы, а также межпланетную и межзвездную пыль [2].
Следует сказать, что производство аэрогеля и пленки PVDF в настоящее время освоено в Российской Федерации и они являются доступными материалами для отечественных исследователей [3].
Многослойные PVDF-аэрогельные детекторы-ловушки частиц 19, а также квадратные 20 и сотовые 21 съемные прозрачные аэрогельные ловушки частиц смонтированы в съемных прозрачных, например, кварцевых кюветах 22 и закреплены в соответствующих ячейках сетчато-цилиндрического корпуса 1 бортового модуля (Фиг.1, 2). Каждая съемная прозрачная кварцевая кювета 22 выполнена в виде открытой емкости. Все квадратные 20 и сотовые 21 прозрачные аэрогельные ловушки частиц заполнены аэрогелем, причем незаполненный аэрогельными ловушками 20 и 21 объем по периферии каждой кюветы 22 также заполнен аэрогелем. В аэрогельных ловушках 20 и 21 можно использовать аэрогель как постоянной, так и переменной плотности.
Все кюветы как с многослойными PVDF-аэрогельными детекторами-ловушками частиц 19, так и с квадратными 20 либо сотовыми 21 аэрогельными ловушками подвергаются в Космосе воздействию негативных факторов, в первую очередь упомянутому выше УФ-излучению. По этой причине в качестве материала для прозрачных кювет 22, квадратных 20 и сотовых 21 аэрогельных ловушек предлагается использовать, например, устойчивое к УФ-излучению упомянутое выше кварцевое стекло, светопрозрачный бесцветный стеклопластик.
Необходимо отметить, что используемая в кюветах 22 заимствованная в природе у пчел сборка - сотовая совокупность аэрогельных ловушек 21 обеспечивает наибольшую прочность, эстетичность и экономичность (по фронтальной площади кюветы) этих ловушек в кювете 22, поскольку каждая аэрогельная ловушка 21, поперечное сечение которой имеет форму шестигранника, находится в контакте с 6 другими аналогичными ловушками. В качестве примера на Фиг.1 показан и другой тип сборки - совокупность аэрогельных ловушек 20, поперечное сечение которых имеет форму квадрата. В этом случае каждая аэрогельная ловушка находится в контакте только с 4 аналогичными ловушками. Отметим, что поперечные сечения ловушек 20 и 21 могут быть выполнены, например, и в форме прямоугольника, равностороннего ромба.
s
Многослойные PVDF-аэрогельные детекторы-ловушки частиц 19 размещены диаметрально противоположно в соответствующих ячейках сетчато-цилиндрического корпуса 1 бортового модуля и предназначены для улавливания и регистрации параметров космических частиц и техногенных тел «больших» размеров, например, d≥0,5 мм (Фиг.1, 2).
1
3
1
Архитектура каждого PVDF-аэрогельного детектора-ловушки частиц 19 (см. Фиг.2) аналогична архитектуре PVDF-аэрогельного полусферического детектора 11 и включает в себя следующие элементы: прилегающую к днищу кюветы 22 внутреннюю аэрогельную подушку-демпфер 23 с переменной (возрастающей) по толщине подушки плотностью аэрогеля и толщиной не менее δ≈1 см; тонкие эластичные поляризованные обкладки 24 - пленки PVDF толщиной, например, δ≈30 мкм, выполняющие роль «реперных плоскостей» во времяпролетном способе; калиброванные, выполняющие роль мерной пролетной базы во времяпролетном способе, аэрогельные прокладки 25 постоянной плотности и толщиной, например, L≈l,5-2 мм; внешний теплоизоляционный аэрогельный экран 26 постоянной плотности и толщиной, например, δ≈1 мм. Все тонкие эластичные поляризованные обкладки 24 - пленки PVDF с помощью гибких эластичных токопроводящих электродов 9 выведены в канальные стволы 18 бортового модуля. Отметим, что число мерных баз L как в аэрогельном полусферическом детекторе 11, так и в PVDF-аэрогельных детекторах-ловушках частиц 19 может быть несколько (см. мерные базы L, L на Фиг.2).
Основное назначение совокупности прозрачных квадратных 20 и сотовых 21 аэрогельных ловушек, смонтированных в кюветах 22 бортового модуля, - улавливать микрометеороиды и мелкодисперсные техногенные тела, межпланетную и межзвездную пыль, быстрый демонтаж ловушек 20 и 21 из кювет 22, последующее обнаружение и исследование пыли, микрометеороидов и техногенных тел специалистами на Земле в случае, когда научная программа включает в себя приземление на парашюте капсулы с возвращаемой из космического полета аппаратурой.
Отметим, что величина эффекта, вызываемого соударением микрочастицы с поверхностью любого тела, зависит от двух параметров частицы - ее массы и скорости. Поэтому при создании и использовании датчиков и приборов следует стремиться к тому, чтобы их работа основывалась на двух-трех различных физических явлениях. В таких случаях из экспериментальных данных возможно независимое и правильное определение массы и скорости частиц.
По этой причине в дополнение к чувствительным элементам 6 датчиков ионизирующего излучения, PVDF-аэрогельному полусферическому детектору 11, PVDF-аэрогельным детекторам-ловушкам частиц 19, аэрогельным ловушкам 20 и 21 заявляемый бортовой модуль содержит датчик конденсаторного типа 27 для регистрации столкновений с метеороидно-техногенными телами, межпланетной и межзвездной пылью.
Полусферический, без шарового сегмента датчик конденсаторного типа 27 смонтирован на нижнем полусферическом днище 3, в этом же днище 3 укреплен закладной полый переходник 28 для крепления бортового модуля к силовому кронштейну КА (кронштейн на Фиг.1, 2 не показан) и вывода всех эластичных токопроводящих электродов 9 бортового модуля. Архитектура датчика конденсаторного типа 27 выполнена по многослойной схеме и включает в себя аэрогельную обкладку 29, две электропроводящие обкладки 30, диэлектрическую, например, вафельного типа прокладку 31 между ними, электроизоляционный теплозащитный экран 32, расположенный перед электропроводящей обкладкой 30 со стороны воздействия соударяющихся частиц. Использование диэлектрической вафельного типа прокладки 31 исключает короткое замыкание электропроводящих обкладок 30 датчика конденсаторного типа 27 застрявшим между ними железным или железокаменным микрометеороидом, либо техногенным металлическим мусором земного происхождения.
Снаружи, в районе закладного кольцевого L-образного фланца 4, датчик конденсаторного типа 27 скреплен акриловым клеящим составом со стопорным периферийным кольцом 17, изготовленным из металла или нанокомпозиционного материала. При монтаже стопорного периферийного кольца 17 из металла или нанокомпозиционного материала наружную поверхность кольца 17 следует защитить, например, гелькоутом марки NORPOL XTG.
На закладном полом переходнике 28 бортового модуля смонтирована гибкая солнечная батарея 33, поставляющая электрическую энергию датчику конденсаторного типа 27 и чувствительным элементам 6 датчиков ионизирующего излучения.
Необходимо отметить, что бортовой модуль должен проходить экспериментальную отработку на Земле: каждая сборка в отдельности, макет, серийный образец. В программу испытаний должны быть включены и испытания на баллистическом стенде на предмет воздействия высокоскоростных имитаторов метеороидных частиц на бортовой модуль серийного исполнения. По результатам экспериментов должны быть получены тарировочные графики.
На КА для достоверной пространственной регистрации метеороидных и иных частиц, ионизирующего излучения целесообразно установить два бортовых модуля.
На Фиг.1 показаны также техногенная частица 34 и микрометеороид 35, подлетающие к датчику конденсаторного типа 27 и многослойному PVDF-аэрогельному полусферическому детектору 11 соответственно.
На Фиг.3, где изображена структурная схема бортовой системы регистрации и измерения космических факторов на КА и/или планетоход-ровер, использованы следующие обозначения: 36 - PVDF-аэрогельный полусферический детектор, PVDF-аэрогельные детекторы-ловушки частиц, датчик конденсаторного типа и аэрогельные ловушки; 37 - устройство сопряжения с детекторами, датчиком конденсаторного типа и предварительный усилитель сигналов; 38 - модуль центрального процессора; 39 - блок питания; 40 - выходное согласующее устройство (выходной интерфейс) с линией телеметрической связи; 41 - шина данных; 42 - флеш-накопитель; 43 - блок электроники (далее БЭ). Шина данных 41 и флеш-накопитель 42 используются в случае возвращения бортового модуля на Землю.
Работа бортового модуля во время полета КА на траекторной орбите может осуществляться по следующему сценарию, при этом полагаем, что все блоки бортового модуля функционируют одновременно, параллельно, дополняя и дублируя друг друга.
-6
16
min
Пусть бортовой модуль по командам от бортового комплекса управления (БКУ) выведен из своего отсека и началась его штатная эксплуатация в открытом Космосе. На КА включается бортовое время с временными метками в 1 мкс=10 с, а по кабелям подается питание на PVDF-аэрогельные детекторы 11 и 19, чувствительные элементы 6 датчиков ионизирующего излучения и датчик конденсаторного типа 27. Заметим, что минимальное количество параметров, которое можно передать в настоящее время по телеметрическому каналу на Землю с современных КА, равно A≈1/(2-1). К слову сказать, в ООО «Лаборатория автоматизированных систем (АС)», г.Москва созданы устройства сбора данных с частотой опроса до 100 МГц и более.
Отметим, что данная конструкция бортового модуля, используя закладной полый переходник 28, позволяет многократно выводить и вновь возвращать бортовой модуль в снабженный крышкой приборный отсек капсулы КА (отсек на Фиг.1 и 2 не показан), а по окончании полета, если это предусмотрено программой, возвратить бортовой модуль вместе с капсулой на парашюте на Землю.
В орбитальном полете КА в какие-то моменты времени попадает в зоны с метеороидным «дождем», техногенными телами, межпланетной и межзвездной пылью, ионизирующим излучением, которые начинают воздействовать на КА и бортовой модуль.
Чувствительные элементы 6 датчиков ионизирующего излучения начинают регистрировать воздействующее излучение и выдавать сигналы, пропорциональные этому излучению, в виде электрического тока на БЭ 43 (Фиг.3) бортового модуля. В зависимости от заложенного алгоритма этот БЭ 43 может записывать в свою память как проинтегрированный (суммарный) сигнал от всех чувствительных элементов 6 датчиков ионизирующего излучения, так и раздельные сигналы, поступающие от чувствительных элементов 6 этих датчиков, расположенных по осям X, Y, Z КА. При очередном сеансе связи с Землей накопленная за определенный период времени информация по ионизирующему излучению принимается по телеметрическому каналу операторами Центра управления полетом на Земле и далее поступает к профильным специалистам.
S
S
АГ
-6
Работа PVDF-аэрогельного полусферического детектора 11, смонтированного на верхнем полусферическом днище 2 бортового модуля, происходит следующим образом. Высокоскоростная частица 35 размером, например, d≈10 мкм в процессе соударения и торможения с теплоизоляционным аэрогельным экраном 16, согласно экспериментам американских исследователей [2], нагревается до температуры более чем T≈600 К за время τ≈10 с=1 мкс. За это же время аэрогель нагревается до температуры порядка Т≈10000 К, его нити плавятся и обволакивают тормозящуюся частицу 35 стеклянной оболочкой. Преодолев внешний теплоизоляционный аэрогельный экран 16, частица соударяется со стороны подлета с первой гибкой эластичной пьезоактивной обкладкой 15 - пленкой PVDF, которая при столкновении генерирует первый электрический сигнал в виде импульса, амплитуда, время возникновения и длительность которого фиксируется в соответствующем канале БЭ 43 (Фиг.3). Далее частица проходит калиброванную аэрогельную прокладку 14 толщиной L, играющую роль мерной базы, соударяется и пробивает вторую гибкую эластичную пьезоактивную обкладку 13 - пленку PVDF, которая при этом столкновении и пробое генерирует второй, отличный от первого, сигнал в виде импульса, амплитуда, время возникновения и длительность которого также фиксируются в соответствующем канале БЭ 43, после чего продолжает тормозиться и останавливается во внутренней аэрогельной обкладке 12 у днища 2.
По полученной и переданной в дальнейшем на Землю информации могут быть определены кинетические параметры данной частицы.
Принцип действия прозрачных квадратных 20 и сотовых 21 аэрогельных ловушек прост и надежен - эти ловушки во время высокоскоростного импульсного столкновения улавливают и тормозят в толще аэрогеля без разрушения микрометеороиды, техногенные частицы, межпланетную и межзвездную пыль. При доставке бортового модуля на Землю в аэрогельных ловушках после их извлечения из кювет 22 легко обнаружить треки уловленных в аэрогель частиц и сами частицы.
S
Принцип действия смонтированных в бортовом модуле многослойных PVDF-аэрогельных детекторов-ловушек 19 для «крупных» частиц размером, например, d≈0,5 мм и более, смонтированных в прозрачных кюветах 22, также надежен и прост. Эти ловушки, как квадратные 20 и сотовые 21 аэрогельные ловушки, во время высокоскоростного импульсного нагружения улавливают и тормозят в толще аэрогеля «крупные» частицы без их разрушения, причем при прохождении «крупных» частиц через гибкие эластичные пьезоактивные обкладки 24 - пленки PVDF (Фиг.2) генерируются электрические сигналы в виде последовательных импульсов, амплитуда, длительность и время возникновения которых фиксируются в соответствующем канале БЭ 43.
Принцип действия датчика конденсаторного типа 27, смонтированного на нижнем полусферическом днище 3, основан на коротком замыкании и разряде конденсатора, появлении короткоживущей плазмы, возникающей при импульсном столкновении высокоскоростной частицы или тела с электропроводящими обкладками 29, и регистрации возникшего электроразряда в соответствующем канале БЭ 43.
Библиографический список
1. Патент на полезную модель №95314, B64G 1/68. 2010. Бюл. №18.
2. Карпенко С. «Stardust» отправился за космической пылью // Новости космонавтики. 16 января - 12 февраля 1999. Т.9, №3 (194). С.26-31.
2. Иванов Н.Н., Иванов А.Н. Теплоизоляционный аэрогель и пьезоактивная пленка PVDF-современные, перспективные материалы для космической техники и космического приборостроения // Вестник ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина», 2011. №2. С.46-52.
4. Описание и научные задачи международного проекта Венера-Галлей (1984-1986) / Отв. за подготовку издания Балебанов В.М., Скуридин Г.А., Воронцова Э.В. // Международный научно-технический комитет по проекту Венера-Галлей. 1984. С.260.
5. Ральченко В., Конов В. CVD-алмазы. Применение в электронике // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 2007. №4. С.58-63.