Устройство для измерения параметров космических метеороидных и техногенных частиц и исследования их влияния на свойства материалов спутникостроения

Полезная модель относится к космической технике и может быть использована для исследования космического пространства, в частности для обнаружения твердых метеоритных и техногенных тел, двигающихся с заранее известным вектором скорости. А также для измерения их параметров и оценки влияния на наиболее уязвимые материалы спутникостроения.
Известно устройство, являющееся датчиком-регистратором космической пыли. Данный датчик предназначен для контролирования пылевой обстановки вокруг Меркурия и содержит четыре плоских пьезосенсора на основе оксида цинка, при ударе по которым возникает импульс напряжения. По параметрам данного импульса можно судить о скорости и импульсе ударяющей частицы. (Development of the Mercury dust monitor (MDM) onboard the BepiColombo mission [Text] / K. Nogamia [et al.] // Planetary and Space Science. - 2010. - №58. - P. 108-115).
Недостатками данного устройства являются:
- уничтожение частицы при соударении с датчиком, что исключает ее послеполетное исследование;
2
- малая суммарная площадь экспонируемой поверхности (640 мм), что не позволяет получить необходимый для статистической обработки массив информации или вообще исключит попадание частицы в детектор;
- измерение динамических характеристик частиц на основе только одного физического эффекта.
Другим известным аналогом является люминисцентно-конденсаторный преобразователь, установленный на космических аппаратах серии «Космос». Принцип действия датчика конденсаторного типа основан на коротком замыкании и разряде конденсатора, появлении короткоживущей плазмы, возникающей при импульсном столкновении высокоскоростной частицы с электропроводящими обкладками и регистрации возникшего электроразряда. Принцип действия люминофорного датчика основан на световой вспышке при высокоскоростном соударении твердых тел, параметры которой являются функциями параметров частицы. (Семкин Н.Д. Телегин A.M. Космическая пыль и ее взаимодействие с космическими аппаратами [Текст]/Н.Д Семкин, А.М Телегин// - Самара: Изд-во СГАУ, 2015. - 124 с).
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность неразрушающего сбора частицы для ее послеполетного исследования;
- подобная слоистая конструкция снижает диапазон улавливаемых частиц по скоростям и размерам.
Прототипом заявляемой полезной модели является плоскопанельный коллектор пыли для улавливания, сбора, регистрации и измерения параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли. Данный коллектор пыли выполнен в виде плоской панели с прямоугольными ячейками-ловушками, расположенными с двух сторон панели. Ячейки-ловушки коллектора заполнены аэрогелем (Карпенко С.«Stardust» отправился за космической пылью. Новости космонавтики, том 9, №3 (194), 16 января - 12 февраля 1999, с. 26-31). Коллектор пыли укреплен на петлях в отсеке возвращаемой капсулы, из которой он выводится, экспонируется и снова убирается в капсулу. Ячейки-ловушки на одной стороне коллектора предназначены для улавливания межзвездной пыли, ячейки-ловушки на другой стороне коллектора используются для улавливания кометной пыли и летучих веществ.
Данная плоскопанельная ловушка имеет ряд недостатков:
- невозможность измерения или оценки динамических параметров частицы;
- несъемность ячеек с аэрогелем для последующего исследования собранных образцов, что создает технологические трудности.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение оперативности получения и обработки данных о параметрах частиц и их влиянии на уязвимые материалы спутникостроения.
Задача решается за счет того, что устройство для измерения параметров космических метеороидных и техногенных частиц и исследования их влияния на свойства материалов спутникостроения, включающее в себя прямоугольный корпус из полимерного материала с посадочными местами под мишени, экспонируемые метеороидными и техногенными частицами, механически закрепленными на корпусе, согласно полезной модели содержит два типа мишеней: активные мишени для регистрации ударных воздействий и оценки их динамических характеристик и пассивные мишени, причем активные мишени электрически соединены посредством проводников с блоком электроники внутри космического аппарата кюветами, заполненными тремя разными аэрогельно-сенсорными структурами, позволяющими регистрировать одновременно и независимо ударные воздействия, в состав которых входят детектор-ловушка в виде кюветы с пленочным PVDF-пьезодатчиком ударных воздействий и расположенный под ним слой аэрогеля; детектор-ловушка в виде кюветы с пленочным МДМ-конденсаторным (металл-диэлектрик-металл) датчиком ударных воздействий и расположенный под ним слой аэрогеля; детектор-ловушка в виде кюветы с люминофорным датчиком ударных воздействий и расположенный под ним слой аэрогеля.
s
Пассивные мишени представляют собой съемные кассеты, заполненные наиболее уязвимыми для космической пыли материалами и покрытиями спутникостроения, среди которых имеются кассета с радиационно-защитным терморегулирующим покрытием класса «солнечный отражатель» для исследования изменения коэффициента поглощения солнечного излучения A и степени черноты ε в процессе воздействия потока частиц; кассета с кварцевым оптическим стеклом для исследования снижения коэффициента спектрального пропускания стекла; кассета со слоистой структурой кремниевых солнечных батарей для исследования влияния ударов микрочастиц на область p-n перехода; кассета со слоями электровакуумной теплоизоляции космического аппарата стандартного количества и толщины для исследования процесса пробивания слоев частицами пыли и мусора.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - Общий вид устройства.
Фиг. 2 - Схема механического и электрического монтажа кюветы в корпусе.
Фиг. 3 - Внутренняя структура кюветы типа 1.
Фиг. 4 - Внутренняя структура кюветы типа 2.
Фиг. 5 - Внутренняя структура кюветы типа 3.
s
Основой конструкции устройства является корпус 1 из нанокомпозитного материала с механически закрепленными в нем ячейками-кюветами 2. В ячейках 2 чередуются слои аэрогеля и пьезоактивной поляризованной PVDF-пленки, где измерение динамических характеристик осуществляется за счет пьезоэффекта. Ячейка 3 включает пленочный МДМ-конденсаторный датчик и улавливающую ловушку - слой аэрогеля. Ячейка 4 включает в себя два слоя - слой аэрогеля и люминофора, также в них в качестве сенсорных элементов присутствуют фотоэлектронные умножители. Ячейка 5 содержит оптическое стекло с напылением из платины для послеполетного исследования деградации характеристик стекла под действием высокоскоростных ударных воздействий. Ячейка 6 содержит слоистую структуру подобную структуре кремниевых солнечных батарей для послеполетного исследования влияния ударов микрочастиц на область p-n перехода полупроводниковых фотопреобразователей. Ячейка 7 заполнена электровакуумной теплоизоляцией в виде типовой многослойной пленочной структуры металл-диэлектрик-металл толщиной 15-20 мкм и в количестве 15-20 таких слоев для оценки количества и глубины проникновения высокоскоростных частиц в эту структуру. Толщина и материалы слоев теплоизоляции зависят от рабочей температуры. При рабочей температуре до 423 К для экранов применяют полиэтилентерефталатную пленку с напылением алюминия, серебра или золота. При температуре до 723 К - алюминиевую фольгу с прокладками из стекловолокна. При температуре свыше 723 К используется фольга из меди, никеля или стали с кварцевым волокном в качестве прокладочного материала. Ячейка 8 включает в себя терморегулирующие покрытия (ТРП) типовой толщины для послеполетного измерения изменений их характеристик (коэффициента поглощения A и коэффициента черноты ε). Для применения предполагаются следующие ТРП: покрытие К-208Ср, белое силикатное покрытие ТР-со-12, пленочное покрытие ТР-со-ФСр.
Из кювет 2, 3 и 4 выведены проводники 10, объединенные в жгут 11 ведущий через отверстие в задней крышке 9 к блоку электроники внутри космического аппарата. Каждая кювета соединена винтами 12 с корпусом 1 детектора, в котором предусмотрены специальные глухие отверстия для крепления. В каждую кювету вмонтирован разъем типа «вилка» 13, к которому подсоединены проводники от сенсорных элементов в кювете, а в корпусе в каждом посадочном месте для кюветы предусмотрен ответный разъем типа «розетка» 14 выводящий проводники 10 из кюветы. Если кювета с PVDF-аэрогельной структурой, то проводников два, если датчик конденсаторного типа, то четыре. Из кюветы с люминофорно-аэрогельной структурой проводники ведут от каждого фотоэлектронного умножителя.
Сенсорно-аэрогельная структура кюветы (тип 1) 2 последовательно включает в себя наружный термо- и электроизоляционный аэрогельный экран-демпфер 16 толщиной 10 мм, внешнюю пленку PVDF толщиной несколько десятков микрометров 17, мерную базу 18 в виде калиброванной аэрогельной прокладки толщиной несколько единиц миллиметров, вторую внутреннюю аэрогельную пленку PVDF толщиной также несколько десятков микрометров, внутренний аэрогельный слой 21, который является ловушкой для попавших в детектор частиц. Все слои склеены межу собой по периметру каждой кюветы. Проводники 22 проведенные внутри кюветы соединяют каждый из сенсорных PVDF-слоев с электрическим разъемом 13 типа «вилка» закрепленным в дне кюветы.
Сенсорно-аэрогельная структура кюветы (тип 2) 3 последовательно включает в себя сетки 15 для измерения заряда и оценки скорости частицы, наружный термо- и электроизоляционный аэрогельный экран демпфер 16, две электропроводящие обкладки 19 напыленные на диэлектрический слой 20, а также внутренний аэрогельный слой 21 толщиной 10-50 мм. Аэрогельные слои скреплены с металлическими обкладками 19 и дном кюветы. Сигнальные проводники 23 и 24 проведенные от сеток 15 и металлических обкладок 19 внутри кюветы соединены с электрическим разъемом 13 типа «вилка», закрепленным на дне кюветы.
Сенсорно-аэрогельная структура кюветы (тип 3) 4 включает в себя слой люминофора 27, стойкого к УФ-излучению, нанесенного на внутренний аэрогельный слой 21, служащий ловушкой для частиц. Фотоэлектронные умножители 28, смонтированные в верхней части кюветы и направленные на слой люминофора под жестко заданным углом, регистрируют световые вспышки, возникающие при соударениях частиц с люминофором. В качестве люминофора могут использоваться сцинтилляторы CsI(Tl) или ZnS(Ag).
Устройство работает следующим образом. Перемещаясь по орбите, космический аппарат с установленным внутри него устройством для измерения параметров метеороидных и техногенных частиц в определенный известный момент времени попадает в облако космического мусора или пыли, двигающегося навстречу космическому аппарату. В этот момент времени по сигналу с Земли устройство выдвигается из корпуса космического аппарата и начинает экспонироваться потоком пылевых или техногенных частиц. Воздействие высокоскоростных пылевых или техногенных частиц на PVDF-аэрогельный детектор в кювете 2 происходит следующим образом. Частица ударяется и проходит сквозь внешний аэрогельный экран-демпфер 16. Аэрогельные волокна плавятся под воздействием высоких температур возникших в результате удара и обволакивают частицу. Преодолев внешний аэрогельный слой, частица ударяется в первую со стороны подлета пленку PVDF 17, которая генерирует первый электрический импульс. Параметры этого импульса являются функциями скорости, движения и массы частицы, которые фиксируются в соответствующем канале блока электроники. Далее частица пробивает аэрогельный слой 18, играющий роль мерной базы и соударяется со второй пленкой PVDF 17, которая также генерирует электрический импульс при столкновении. После чего частица попадает во внутренний аэрогельный слой 21, в котором сохраняется до прибытия космического аппарата на Землю.
Средняя скорость определяется при преодолении частицей мерной базы L детектора и преодолении первой и второй тонких эластичных поляризованных обкладок - пленок PVDF. При этом необходимо обеспечивать идентификацию одной и той же частицы при прохождении через две разных пленки PVDF. Это определяется, например, примерным равенством электрических импульсов AS1 и AS2, зафиксированных блоком электроники. Ударный импульс P=mν частицы, определяется в момент прохождения ее сквозь первую и вторую тонкие пленки PVDF 18. При этом генерируются электрические импульсы, фиксируемые блоком электроники, с амплитудами AS1 и AS2 и длительностью переднего фронта импульсов, пропорциональными количеству движения частицы. Эти процессы описываются нижеприведенными формулами.
Уравнение пьезоэффекта:
где D - электрическая индукция, I - ток пьезодатчика, S - площадь пьезодатчика.
Электрическая индукция:
где Е - напряженность электрического поля, е - пьезоэлектрический модуль, Р - давление.
Учитывая, что  после интегрирования (1) по толщине h пьезоэлектрика получим:
Закон распространения ударной волны примет вид:
0
0
0
3
где Р - начальное давление на фронте ударной волны. Так как сигнальная часть зависит только от одного параметра Р(Р), то метод, основанный на пьезоэффекте, является неполным и нуждается в совмещении с другими, что и реализовано в заявляемой полезной модели.
Воздействие потока 30 частиц на структуру кюветы 3 происходит следующим образом: при пролете частицы пыли или техногенного мусора сквозь сетки 15 посредством электростатической индукции измеряется заряд частиц, что позволяет получить исходный набор данных для независимого определения скорости и массы регистрируемой частицы. Далее частица ударяется и проходит сквозь внешний аэрогельный экран-демпфер 16, после чего пробивает МДМ-структуру, состоящую из диэлектрической прокладки 20 и напыленных на нее металлических токопроводящих слоев 19. После чего частица попадает во внутренний аэрогельный слой 21, в котором сохраняется до прибытия космического аппарата на Землю.
Принцип действия датчика конденсаторного типа в кювете типа 2 основан на коротком замыкании и разряде конденсатора, появлении короткоживущей плазмы, возникающей при импульсном столкновении высокоскоростной частицы или тела с электропроводящими обкладками и регистрации возникшего электроразряда. Данная сенсорная структура представляет собой полимерную пленку толщиной 2-20 мкм с электропроводящими напыленными из металла обкладками. Конденсатор разрушается в месте удара и по истечении времени взаимодействия восстанавливается с помощью источника постоянного тока. Площадь разрушенной верхней обкладки от одной частицы на 7-9 порядков меньше всей ее площади. Конденсатор может функционировать в режимах пробоя-восстановления, изменения электропроводности ударносжатого диэлектрика и запоминания ударного воздействия. Такой детектор вырабатывает сигналы на нагрузочном сопротивлении, как при сквозном пробое диэлектрика, так и при отсутствии пробоя.
В общем случае зависимость амплитуды А сигнала МДМ-детектора от массы m и скорости ν регистрируемой частицы описывается соотношением:
α
β
А=Cmν
где С, α и β - константы, зависящие от свойств материала мишени и частицы и скорости удара.
Диапазоны значений параметров α и β при экспериментальных воздействиях на тонкопленочные конденсаторы частицами Al, Fe, W с размерами 1-5 мкм и летящими со скоростями 0,1-10 км/сек:
В отсутствии сквозного пробоя:
α: 0,28±0,1 ÷ 0,65±0,1; β: 1,56±0,1 ÷ 1,8±0,1.
При сквозном пробое:
α: 0,25±0,1 ÷ 0,65±0,1; β: 0,92±0,1 ÷ 1,31±0,1.
Принцип регистрации и замера параметров частицы в кювете детекторе 4 заключается в преобразовании кинетической энергии во внутреннюю энергию вещества люминофора и регистрации световой вспышки фотоэлектронными умножителями 28 во время удара частицы о слой люминофора 27 с последующим неразрушающим внедрением частицы в слой аэрогеля 21.