Исследование влияния потенциала корпуса летательного аппарата на характеристики ионных датчиков ориентации

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ И А Г И Т о м XII 19 8 1

№ I

УДК 533.6.011.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОТЕНЦИАЛА КОРПУСА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ ДАТЧИКОВ ОРИЕНТАЦИИ

Г. В. Енютин, В. В. Скворцов, А. А. Успенский

Приведены результаты экспериментального моделирования в потоке ионизироваиного газа влияния электрического потенциала аппарата на угловые характеристики ионных датчиков ориентации при значениях параметров потока, близких к параметрам ионосферы. Изучены способы подавления этого влияния.

Ионные системы управления летательным аппаратом (ЛА) предназначены для ориентации аппарата по курсу и тангажу в условиях полета в верхней атмосфере. В основе их работы лежит свойство высокой направленности потока ионов ионосферной плазмы в системе координат, связанной с ЛА. Это свойство используется для измерения углов отклонения оси чувствительного элемента от вектора скорости ЛА и формирования сигнала, соответствующего знаку углового рассогласования. Такие системы имеют малое время срабатывания (доли секунды), обладают высокой чувствительностью и могут работать при изменении на несколько порядков концентрации заряженных частиц в окружающем пространстве.

Первые исследования характеристик ионных систем ориентации в ионосферной аэродинамической трубе описаны в работе [I]. Там же более подробно рассмотрен принцип их действия. Поэтому для дальнейшего отметим только, что чувствительный элемент ионного датчика представляет собой малогабаритную трубку, снабженную диафрагмой для формирования потока и четырьмя симметрично расположенными относительно оси трубки коллекторами. При изменении ориентации аппарата происходит перераспределение потоков ионов на коллекторы, которое фиксируется электронной аппаратурой в каналах курса и тангажа. Кроме диафрагмы и коллекторов, ионная трубка снабжена системой сеток, предназначенных для экранирования набегающего потока от электрических полей внутри трубки, отсечки электронной составляющей тока из окружающего ЛА пространства, преобразования сигнала из постоянного в переменный во времени, подавления вторичной электронной эмиссии с коллекторов.

Для преобразования постоянного ионного тока в переменный на соответствующую сетку подавались периодические прямоугольные импульсы потенциала положительной относительно корпуса прибора полярности величиней 30 В. Система автоматической регулировки усиления величины ионного тока на коллекторы (АРУ) обеспечивала подачу на другие две сетки и диафрагму положительного потенциала в диапазоне от нуля до 30 В для того, чтобы отсечь ионы, энергия которых меньше еиАРУ, где е— заряд электрона, ^дру — потенциал АРУ, и пропустить на коллекторы ток, имеющий постоянную амплитуду независимо

от условий на входе. Конструктивной особенностью прибора, которая как выяс' нилось в исследованиях, могла оказывать влияние на его характеристики, было несимметричное расположение входного отверстия приемной трубки датчика по отношению к корпусу прибора (рис. 1).

Зависимость сигнала на выходе ионного датчика от угла его поворота в плоскости тангажа 6 (см. рис. ) (угловая характеристика датчика) показана на рис. 2, а. Аналогичная характеристика имеет место и для угла поворота в плоскости курса ф (см. рис. 1). В натурных условиях участок ВС этой характеристики используется для ориентации ЛА, участки АВ и СО — для контроля наличия потока положительно заряженных ионов.

/

/

/

I 2

1—

.. 1

* !

і

1

1 3

* і

\ \ \ \

/—поток плазмы; 2—слой объемного заряда: 3—направление движения ионов в слое; 4—-лобовая поверхность датчика; 5—входное отверстие чувствительного элемента: I—/V —коллекторы

Рис. 1

В работе [1] изучалось влияние потенциала, который приобретает ЛА при своем движении в верхней атмосфере, на размер зон АВ и СЬ ионных датчиков ориентации. В этих исследованиях было установлено, что при значительных отрицательных потенциалах на ЛА по отношению к окружающему пространству происходит увеличение зон АВ и СО, обусловленное затягиванием положительно заряженных ионов в рабочий объем датчика. В частности, при изменении потенциала корпуса до — 10 В участки АВ и СО расширяются на 20°, а при дальнейшем уменьшении потенциала могут превысить 180°.

Целью настоящей работы явилось исследование влияния потенциала ЛА на угловые характеристики ионных датчиков ориентации на участке ВС, включая моделирование влияния потенциала, наводимого при электризации ЛА вследствие работы реактивного двигателя (рис. 2, б), а также исследование различных способов подавления этого влияния.

Исследования проводились в ионосферной аэродинамической трубе, причем поток плазмы генерировался газоразрядным ионным источником с объемной ионизацией [2—4]. В качестве рабочего газа использовался аргон. Концентрация заряженных частиц в потоке в районе расположения датчика составляла 104 см—3, скорость направленного движения ионов варьировалась в диапазоне 6 — 10 км/с (соответствующая энергия ионов была равна 7—14 эВ). Концентрация ионов контролировалась по ионному току на металлический диск, который был установлен рядом с датчиком и воспринимающая поверхность которого была ориентирована ортогонально к оси потока плазмы. Кроме того, по величине „плавающего потенциала" этого диска, который реализуется при равенстве электронного и ионного токов на диск, и известной температуре электронов в потоке оценивался потенциал плазмы. Давление в вакуумной камере при работе источника поддерживалось на уровне 1 • 10_3 Н/м2.

Ионный датчик устанавливался на двухстепенной платформе, которая обеспечивала его поворот по углам тангажа 0 и курса ф на+90°. Корпус датчика был изолирован от платформы и, как следствие этого, от вакуумной камеры

«)

*4

н К

Ч>~0: в=-5

<п

Рис. 2

В результате имелась возможность создавать между датчиком и плазмой регулируемую разность потенциалов, моделирующую аналогичную разность потенциалов между ЛА и ионосферой (в натурных условиях корпус датчика находится под тем же потенциалом, что и корпус ЛА). Исследование влияния данного потенциала на сигнал, вырабатываемый ионным датчиком ориентации, проводилось при значениях углов 0 и у, равных нулю, а также Й = + 5°, 6 = 0 и 4, = ±5°, 6 = 0. Потенциал корпуса датчика по отношению к вакуумной камере варьировался в диапазоне от 8 В (это значение было примерно равно потенциалу плазмы) до — 30 В. В большинстве опытов энергия направленного движения ионов была равна 7 эВ. Одновременная запись угловых характеристик датчика по каналам 9 и ф осуществлялась на ленте быстродействующего пятидорожечного самописца Н327-5.

Полученные зависимости сигнала и,ъ и £/(,, вырабатываемых ионным датчиком ориентации по каналам курса и тангажа, от потенциала его корпуса £/к представлены на рис. 3 (6 и у —углы между осью чувствительного элемента датчика и осью набегающего потока). Покажем, что основные особенности этих характеристик могут быть объяснены на основе представлений о взаимодействии ионов набегающего потока плазмы с электрическим полем слоя пространственного заряда около датчика и учета несимметрии поля по отношению к входному отверстию прибора.

Если выполняется условие е (и„л - ик) » кТе, где £/пл — потенциал плазмы, к — постоянная Больцмана, Те — температура электронов, и тело заряжено отрицательно, то толщина слоя пространственного заряда около него Е) может быть оценена по формуле _________

<>

где п — концентрация заряженных частиц.

В условиях, когда концентрация заряженных частиц в потоке составляет 10* см-3, величина И оказывается равной примерно 16 см для £/пл—ик = А В, 23 см для ипл—ик = 8 В, 32 см для 1ГПК — ик= 16 В. Из сопоставления этих величин с диаметром лобовой поверхности датчика (—11 см) следует, что слой пространственного заряда, а вместе с ним и электрическое поле в слое перед этой поверхностью отличаются от плоских. При качественном анализе данный слой перед лобовой поверхностью датчика можно рассматривать как шаровой сегмент (рис. 4), в котором поле вне зоны, прилегающей непосредственно к дат-

1, 2—граница области при различных значениях потенциала £/ ; 3, 4, 5—траектории ионов на входе в датчик; 01г 02—центры кривизны слоя

Рис. 4

чику, является радиальным. Пусть высота сегмента и диаметр его основания равны соответственно £> и 2$к + 2Д где /?к —радиус лобовой поверхности датчика. Тогда, как известно, радиус шара р, из которого образован сегмент, определяется соотношением

О

Як\2'

л

Данное соотношение показывает, что при О < /?к радиус кривизны слоя ,2 \

велик по сравнению с £?к и, следовательно, направление силовых ли-

20 /

ний поля близко к нормали к поверхности датчика. С увеличением разности

ипл—ик и ростом толщины слоя О радиус кривизны слоя сначала уменьшается,

Як /—

достигает минимума при £> = — -, равного р = (1 + у 2), а затем вновь воз-

Г ^

растает. При этом центр кривизны слоя с увеличением О монотонно приближается к лобовой поверхности датчика, так как расстояние р — й между ними связано с П соотношением

Як

2£>

В результате с увеличением разности потенциалов ипл—ик растет угол между силовыми линиями поля (а также траекториями ионов) в слое и осью чувствительного датчика (рис. 4), а несимметричное расположение входа в датчик по отношению к оси слоя приводит к неравномерному распределению тока между коллекторами. В частности, если центр входного отверстия смещен в область четвертого квадранта лобовой поверхности датчика (см. рис. 1), то больший поток ионов будет приходить на коллекторы I и IV (для ситуации, схематически изображенной на рис. 4, поток увеличивается в направлениях 1 — 0\ и 2 — 02). Это обусловливает появление сигналов положительной полярности в канале курса и отрицательной полярности в канале тангажа даже при 0 = ф = 0.

При увеличении разности потенциалов между плазмой и корпусом датчика растут углы, образуемые траекториями ионов с осью датчика, а вместе с ними и сигналы {Л и и§ соответствующей полярности. При потенциале ик — — 16 В энергия ионов на входе в датчик достигает величины е([11+ипл— £УС) = 31 эВ-Так как максимальный отсекающий ионы потенциал системы АРУ составляет 30 В, то он оказывается недостаточным для ослабления потока ионов на коллекторы. В результате этого происходит резкое увеличение сигналов и и,ь при ик < — 16 В.

Экспериментальные зависимости сигнала, формируемого ионным датчиком ориентации по каналам курса и тангажа, от потенциала (Ук, полученные при углах между осями датчика и потока плазмы, отличных от нуля (см. рис. 3), подтверждают сформулированное выше представление о характере взаимодействия ионов потока с электрическим полем в слое объемного заряда перед датчиком и его влиянии на угловые характеристики.

Рассмотрим в качестве примера характеристики ,ь (£/к) при 0=0 (рис. 3,(7). В этом случае зависимость сигнала в канале курса от потенциала корпуса ик практически не отличается от аналогичной характеристики, полученной при 0 = 4* = 0. Далее, если 0<О, то в канале тангажа при всех значениях ик формируется отрицательный по знаку сигнал. При ик = ипл этот сигнал соответствует углу между вектором скорости ионов в невозмушенном потоке и осью датчика. С увеличением разности потенциалов £/Пл—Ук модуль сигнала плавно растет до тех пор, пока потенциал корпуса не достигнет значения — 16 В, после чего, как и при 0 = 0, происходит резкое возрастание модуля сигнала. Если 0>О, то в канале тангажа при ик =; 0ПЛ формируется положительный по знаку сигнал, соответствующий углу наклона оси датчика по отношению к потоку.

Однако с увеличением разности потенциалов ипл~ик сигнал ведет себя качественно иначе, чем в случае 0<О: величина этого сигнала постепенно уменьшается, и затем он изменяет знак на противоположный. Такой характер зависимости сигналов в канале тангажа при 0 = — 5° и +5° от потенциала корпуса датчика может быть объяснен, если сопоставить величину 0 с углом между силовыми линиями электрического поля в слое и его осью для тех линий, которые входят в отверстие датчика. Для оценок в качестве величины этого угла можно принять угол х, образованный осью симметрии слоя и направлением из

центра кривизны на ту точку входного отверстия датчика, линия поля пересекает плоскость данного отверстия:

7- = агс'8Т~=Ъ’

в которой силовая

где А — смещение соответствующей точки относительно оси симметрии.

Например, для центра отверстия этот угол составлял приблизительно 10,5°—)3° при изменении £/пл — от 0,25 до 16 В, т. е. для большинства

траекторий ионов он был больше, чем |6| или у|. Это обстоятельство приводит к тому, что ионные траектории, имеющие перед входом в слой угол 0<О (например, векторы 4 на рис. 4), вблизи входа в датчик будут образовывать уже больший угол с его осью, чем 6', из-за действия ускоряющего электрического поля в слое. Наоборот, для случая, когда 0>О (векторы 5 на рис. 4), действие ускоряющего электрического поля приводит к уменьшению угла входа ионов в датчик, а при достаточно высоком отрицательном потенциале корпуса — и к изменению знака этого угла.

В рамках изложенных представлений о форме слоя объемного заряда перед датчиком и взаимодействии ионов с электрическим полем этого слоя могут быть объяснены и характеристики при --/О (рис. 3, в).

В данной работе были изучены два способа, позволяющие уменьшить влияние потенциала корпуса ЛА на угловые характеристики ионного датчика ориентации. В одном из них перед лобовой поверхностью датчика был установлен металлический диск диаметром 600 мм, имеющий тот же потенциал, что и корпус датчика, и делающий более симметричным поле около него. Диаметр отверстия в центре диска был равен входному отверстию чувствительного элемента датчика. В другом перед входом в датчик была установлена дополнительная сетка, которая экранировала окружающее пространство от поля датчика. Сетка имела размер ячейки 100 X 100 мкм и диаметр прутка 10 мкм. Ее расстояние от лобовой поверхности датчика составляло 0,5 мм. Оба эти способа, в особенности второй, при плавающем потенциале на сетке, позволили уменьшить влияние потенциала корпуса датчика на угловые характеристики прибора.

В качестве примера на рис. 5 показаны зависимости сигнала ф (1/к), полученные в тех же условиях, что и характеристики на рис. 3, но при уста-

V

4 -

1 • • » л 1 .

10

10

иьв

-10

-20 и„,.

-ю

-20 и^Б

новке перед датчиком сетки, находящейся под плавающим потенциалом. Из данных рис. 5 видно, что в рассматриваемом случае при углах установки датчика 0 = ^ = 0 влияние потенциала ик на сигнал отсутствует практически до ик = — 14 В. Лишь на краю диапазона линейности угловой характеристики (0 = ± 5°) влияние дополнительной сетки проявляется менее отчетливо. При потенциалах ик<- (12-н 14) В на ход угловых характеристик вновь начинает влиять режим работы системы АРУ.

В проведенных опытах было осуществлено также моделирование влияния потенциала, наводимого на ЛА при работе реактивного двигателя, на угловые характеристики ионного датчика. Такой потенциал может возникать, например, из-за частичной ионизации рабочего вещества и уноса вместе со струей, истекающей из сопла двигателя, зарядов преимущественно одного знака. Хотя при типичных условиях работы двигателей степень ионизации невелика, однако из-за малой емкости ЛА он, как показывают оценки, может приобрести потенциал, величина которого достаточна для того, чтобы оказать влияние на угловые характеристики датчика, если затруднены условия компенсации заряда на ЛА. Поскольку продолжительность работы двигателей обычно невелика, зависимость потенциала ЛА от времени характеризуется быстрым его нарастанием до некоторой величины при включении двигателей и затем более медленным убыванием после выключения. Характерное время уменьшения потенциала определяется условиями компенсации заряда на ЛА вследствие прихода частиц соответствующего знака из окружающей ионосферы.

Поэтому влияние потенциала, наводимого при электризации ЛА вследствие работы двигателей, на угловые характеристики ионных датчиков ориентации можно смоделировать путем подачи на корпус датчика потенциала от конденсатора, включенного в цепь, постоянная времени которой подбирается близкой к характерному времени компенсации заряда на ЛА и может варьироваться в ходе эксперимента. На рис. 2,6 показана реакция датчика на изменяющийся во времени Ь потенциал его корпуса для случая, когда дополнительные диск и сетка отсутствовали. На этом рисунке 11к о — значение потенциала 11к в момент, предшествующий его подаче на датчик; символом „н“ отмечен момент подключения датчика к схеме, которая вырабатывает моделирующий потенциал, а символом „к“—момент отключения от нее. Как до, так и после моментов корпус датчика подсоединялся к источнику Э. Д. С., который обеспечивал на корпусе потенциал, близкий к потенциалу плазмы. Постоянная времени цепи в данном эксперименте была равна 2 с.

Из сопоставления рис. 2, б и 3 видно, что полярность всплесков сигнала согласуется с полярностью сигналов, полученных при подаче на корпус датчика стационарного потенциала. В частности, при 0 = ф = О всплески сигнала по каналу тангажа всегда отрицательны (по каналу курса—положительны); при повороте датчика по углу 0 на -(-5° и достаточно высоких отрицательных потенциалах на корпусе сигнал меняет знак (при 0О = — 5° полярность сигнала сохраняется) и т. д. Эти результаты подтвердили вывод о влиянии несимметрии слоя объемного заряда по отношению к входному отверстию датчика на формируемый им сигнал. В проведенных исследованиях было также показано, что установка около датчика симметризующего диска или экранирующей сетки под плавающим потенциалом позволяют почти полностью исключить влияние потенциала корпуса на характеристики датчика и при импульсном изменении этого потен циала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Архипов С. И., Н о с а ч е в Л. В., Р ы к и н О. Р., Скворцов В. В. Исследование характеристик ионных датчиков ориентации летательного аппарата в потоке ионизированного газа. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 8, № 5, 1977.

2. Б а л а е в Н. В., Г р о д з о в с к и й Г. Л., Данилов Ю. И., Никитин В. Е. и др. Научные результаты полетов автоматических ионосферных лабораторий „Янтарь*. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 2,

№ 2, 1971.

3. Скворцов В. В., Носач ев Л. В. Исследование структуры следа за сферическими моделями в потоке разреженной плазмы. „Космические исследования", т. 6, вып. 2, 1968.

4. Никитин В. Е., Носачев Л. В., Скворцов В. В. Исследование характеристик камеры ионизации и свойств потока газоразрядного ионного источника. ПМТФ, 1977.

Рукопись поступила 21/V 1979 г.