УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ ВОЗДУХА ИЗ МОДУЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
SPACE STATION MODULE LEAKS DETECTOR

Устройство относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, применительно к области космических исследований.
Известен ионизационный датчик (Аш Ж. Датчики измерительных систем. - М.: Мир. 1992. - 424 с), состоящий из источника электронов (нагревателя), участка ионизации и приемника ионов и предназначенный для измерения низких уровней давления газа.
-3
-7
-5
-6
Недостатком является узкий динамический диапазон регистрации давления, создаваемого выходящей из космического аппарата (КА) струей газа (или воздуха). Так при больших величинах отверстий, образованных при пробое частицей, или какой-либо образовавшейся щели струя воздуха в непосредственной близости от КА создает давление более 10 мм рт.ст., в то время, как диапазон ионизационного датчика составляет 10 мм рт.ст. Другим недостатком ионизационного датчика является низкая достоверность информации в условиях наличия в окрестности КА собственной внешней атмосферы, создающей суммарное давление компонент газа на уровне 10-10 мм рт.ст., что усложняет процедуру выделения полезного сигнала из шумов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа (Заявка на изобретение №2003101475 ′′УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА УТЕЧКИ ВОЗДУХА ИЗ МОДУЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ′′ / Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Пияков И.В., Занин А.Н., Кириллов А.А., МПК G01M 3/00, опубл. 10.07.2004 г.).
Данный прототип представляет собой устройство обнаружения места утечки воздуха из космической станции, содержащее соосно и последовательно друг за другом расположенные ионный источник с электронной пушкой, ускоряющую сетку, первую заземленную сетку, отклоняющие пластины поперечного электрического поля, вторую заземленную сетку и приемник ионов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит цилиндрический корпус с тремя приемными камерами, две из которых расположены с разных сторон перпендикулярно оси корпуса и образуют сквозное отверстие в корпусе на участке между ускоряющей сеткой и первой заземленной сеткой и герметично закрываются двумя герметичными заслонками, а третья приемная камера находится на внешней стороне корпуса, дополнительную заземленную сетку, расположенную за отклоняющими пластинами перед второй заземленной сеткой соосно с другими сетками, микрофонный датчик, установленный в третьей приемной камере, и термопарный датчик - в первой приемной камере.
Недостатком прототипа является отсутствие точной фиксации места утечки на корпусе космического аппарата и возможности передачи информации космонавтам.
Задачей изобретения является разработать устройство, позволяющее фиксировать место утечки на корпусе космического аппарата и имеющее возможность передачи информации космонавтам космического аппарата по беспроводному каналу связи.
Поставленная задача достигается за счет того, что устройство обнаружения утечки воздуха из модуля космической станции содержит последовательно соосно расположенные ионный источник с электронной пушкой, ускоряющую сетку, первую заземленную сетку, отклоняющие пластины поперечного электрического поля, вторую заземленную сетку и приемник ионов, одну заземленную сетку, расположенную соосно другим сеткам между отклоняющими пластинами и второй заземленной сеткой, цилиндрический корпус с тремя приемными камерами, две из которых расположены на оси, перпендикулярной оси корпуса и образуют сквозное отверстие в корпусе, а третья приемная камера находится на внешней стороне корпуса, две герметичные заслонки, закрывающие первую и вторую приемные камеры, микрофонный датчик, расположенный в третьей приемной камере, и термопарный датчик, расположенный в первой приемной камере; приемная камера с микрофонным датчиком не имеет отверстия в корпус, согласно изобретению, в него введены усилитель, плата управления, приемник GPS сигнала, фидерное устройство, антенна для GPS, основная антенна, постоянно запоминающее устройство, усилитель подсоединен входом к приемнику ионов, а выходом к плате управления, подсоединенной к приемнику GPS сигнала, который подсоединен к антенне для GPS, и фидерному устройству, которое подсоединено к основной антенне, и постоянно запоминающее устройство.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на чертеже представлена схема устройства обнаружения утечки воздуха из модуля космической станции.
Устройство обнаружения утечки воздуха из модуля космической станции содержит ионный источник с электронной пушкой 1 (фиг.1), ускоряющую сетку 2, заземленные сетки 3, 4 и 5, отклоняющие пластины поперечного электрического поля 6, приемник ионов 7, корпус 8 с тремя приемными камерами 9, 10 и 11, две герметичные заслонки 12 и 13, микрофонный датчик 14 и термопарный датчик 15, усилитель 16, плату управления 17, приемник GPS сигнала 18, фидерное устройство 19, антенну для GPS 20, основную антенн 21, ПЗУ (постоянно запоминающее устройство) 22.
Ионный источник с электронной пушкой 1, ускоряющая сетка 2, заземленные сетки 3, 4 и 5, отклоняющие пластины поперечного электрического поля 6 и приемник ионов 7 расположены соосно относительно друг друга и оси симметрии цилиндрического корпуса 8. Приемные камеры 9 и 10 расположены на оси, перпендикулярной оси корпуса 8 и образуют в нем сквозное отверстие на участке между ускоряющей сеткой 2 и заземленной сеткой 3. Приемная камера 11 расположена на внешней стенке корпуса 8 рядом с приемной камерой 9 и не имеет отверстия в корпус 8. Микрофонный датчик 14 установлен в приемной камере 11, а термопарный датчик 15 - в приемной камере 9. Вход усилителя 16 соединен с приемником ионов 7, а выход соединен с платой управления 17, соединенной с приемник GPS сигнала 18, фидерным устройством 19 и ПЗУ 22. GPS приемник соединен с антенной для GPS 20. Фидерное устройство 19 соединяется с основной антенной 21.
Устройство работает следующим образом.
Ионный источник с электронной пушкой 1 создает поток электронов nV в пространстве между сетками 2 и 3 с частотой 200 Гц. При этом происходит ионизация газа, и образующиеся ионы в начальный момент разлетаются со скоростями Vq в разные стороны. В момент to на ускоряющую сетку 2 подается изменяемый во времени выталкивающий импульс положительной полярности. В этот же момент подается положительный отклоняющие пластины поперечного электрического поля 6, в течение времени to для отклонения ионов в начальный момент. В остальное время ионы регистрируемой компоненты газа из промежутка между сетками 2 и 3 проходят в приемник ионов 7, в котором будет зарегистрирована расчетная масса (например, азот), которая содержится в потоке истекающего из отверстия воздуха. Закон изменения электрического поля выталкивающего импульса рассчитывается таким образом, что устройством может быть выделена только одна масса, а остальные массы подавляются и не попадают в приемник ионов 7, то есть происходит сепарация масс. Таким образом, повышается достоверность регистрации утечки воздуха из отверстия обшивки КА в условиях существования в окрестности КА газовой компоненты собственной атмосферы (СВА КА).
Поток газа проходит приемную камеру 9 (или 10), зону ионизации (между сетками 2 и 3) и воздействует своим давлением на микрофонный датчик 14 и термопарный датчик 15, вызывая появление в микрофонном датчике 14 возникновения синусоидальных колебаний. Одновременно термопарой 15 регистрируется напряжение, пропорциональное давлению потока (в мм рт.ст.). В результате при значительной величине утечки (диаметр отверстия более 1-2 мм) и на небольших расстояниях от места утечки воздуха регистрация производится с помощью микрофонного 14 и термопарного 15 датчиков, а с увеличением расстояний от места утечки газа регистрация осуществляется с помощью ионизационного датчика, включающего ионный источник с электронной пушкой 1, ускоряющую сетку 2 и заземленные сетки 3, 4 и 5, отклоняющие пластины поперечного электрического поля 6 и приемник ионов 7. Переключение термопарного, ионизационного и микрофонного датчиков осуществляется автоматически при обработке информации со всех датчиков. Заземленная сетка 4 введена для ограничения влияния отклоняющих пластин поперечного электрического поля 6 на бесполевой участок (до заземленной сетки 5).
Как известно, начальный энергетический разброс ионов газа подчиняется распределению Максвелла:
где m - масса ионов, k - постоянная Больцмана, u - скорость ионов, T - абсолютная температура газового потока.
16
14
Сигнал в приемнике ионов 7 пропорционален числу ионов выделяемой массы. Таким образом, измерив величины сигналов от ионов кислорода U и азота U, можно достоверно сказать о наличии воздуха в исследуемом газе при выполнении соотношения:
Уравнение (2) справедливо, так как в воздухе на 78% азота приходится 21% кислорода.
Для устранения влияния шумов скафандра и СВА КА производится настройка ионизационного датчика. Заслонка 12 закрывается, а заслонка 13 открывается. Замеряются уровни содержания кислорода и азота в шумах и СВА КА. Затем заслонка 13 закрывается, а заслонка 12 открывается. Замеряется полный уровень азота и кислорода от места утечки, скафандра и СВА КА. Для определения уровня шума скафандра в него дополнительно вводится заранее известное количество безопасного эталонного газа, например гелия. По величине сигнала от него можно судить о величине влияния шумов. Вычитая из полного спектра спектр шумов, получим спектр полезного сигнала, то есть спектр от места утечки воздуха.
Сигнал с приемника ионов 7 усиливается и поступает на плату управления17, которая собирает и шифрует информацию об месте утечки путем получения точных координат и точного времени от приемника GPS сигнала 18, подключенного к антенне для GPS 20. С помощью фидерного устройства 19 и основной антенны 21 происходит управление платой управления 17 пилотом космического корабля. В ПЗУ 22 происходит сохранение информации об месте и характере утечки воздуха из космического аппарата.
Таким образом, достигается точная фиксация места утечки на корпусе космического аппарата и возможность передачи информации космонавтам.