ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ МЕТЕОРОИДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к средствам для исследования космического пространства, а именно к устройствам для обнаружения временного и пространственного распределения метеороидно-техногенных тел, более конкретно - к датчику для регистрации метеороидных и техногенных частиц, воздействующих на космический аппарат и представляющих угрозу для функционировании его систем.
Известен датчик-регистратор космической пыли, использованный в пылеударном масс-анализаторе ПУМА (Р.З.Сагдеев, Е.Н.Евланов, Б.В.Зубков Б.В. др. Пылевая оболочка кометы Галлея по данным прибора ПУМА. Космические исследования, т.XXV, вып.6, 1987, с.840-848 [1]; Р.З.Сагдеев, Е.Н.Евланов, Б.В.Зубков Б.В. др. Анализ состава пылевых частиц кометы Галлея по результатам измерений прибора ПУМА в режиме нулевой моды. Там же, с.849-855 [2]). Этот датчик устанавливался на космических аппаратах «Вега-1» и «Вега-2» с целью определения элементного состава, размера и концентрации пылевых частиц в хвосте кометы Галлея.
Датчик прибора ПУМА включает в себя:
- узел входного патрубка, предназначенный для пролета пылевых частиц к мишени и защиты от светового излучения Солнца и кометы Галлея;
- мишень, материал которой - чистое серебро;
- анализатор с линзами, рефлектором и сеточным блоком;
- детектор ионов;
- узел фотоэлектронного умножителя;
- высоковольтные источники питания мишени (+1020 В), рефлектора (+1100 В), и сеток (- 2000 В);
- усилитель сигналов с мишени и сеток, а также генераторами полетного теста;
- узел переключателя и контроля напряжения на рефлекторе.
Как видно из сказанного, данный датчик представляет собой сложное и дорогое электронное устройство, для обеспечения работы которого необходимы источники высокого напряжения.
s
-2
-1
Кроме того, в этом датчике для забора пылевых частиц и космического мусора служит упомянутый цилиндрический патрубок с малым входным диаметром (около 25 мм). Пылевые частицы и космический мусор с большой скоростью влетают под разными углами во входной патрубок и осуществляют высокоскоростные столкновения преимущественно с внутренними стенками патрубка, а не с мишенью. Последствия таких столкновений - взрывы пылевых частиц, их испарение и загромождение входного сечения патрубка совокупностью микровзрывов. Причем особенно сильно искажают условия забора пылевые частицы, принадлежащие многочисленной мелкодисперсной фракции спектра частиц размером d<5 мкм, интенсивность бомбардировки которыми на геостационарной орбите имеет порядок 20 см ·с (Модель Космоса. 8 издание. Том II. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Л.С.Новикова. Москва, Университет. Книжный Дом, 2007, с.580 [3]). Столь интенсивная бомбардировка способна приводить (и на практике приводила) к преждевременным отказам в работе датчиков регистрации метеороидов вследствие эрозии покрытий чувствительных элементов датчиков.
Вместе с тем, как следует из сказанного выше, этот датчик не способен реагировать на частицы, поток которых не является нормально-встречным для входного отверстия упомянутого патрубка, т.е. возможности его по фиксации факта наличия частиц оказались крайне ограничены.
s
Кроме того, существенным недостатком этого датчика является то, что в нем не предусмотрена сепарация многочисленной мелкодисперной фракции пылевых частиц и техногенного мусора размером d<5 мкм, которые не представляют опасности для космических аппаратов, но быстро разрушают вследствие эрозии чувствительные элементы датчика.
Известны также датчики для регистрации космических частиц по заявкам на выдачу патентов Российской Федерации №№93034423 [4], 93034424 [5], 93034427 [6], 93034428 [7] (опубликованы 27.11.1996).
Датчик по заявке [4] содержит прокладку из поляризованного материала, расположенную между двумя электропроводящими обкладками, и дополнительную обкладку (из материала с плотностью, меньшей чем плотность материала контактирующей с ней прокладки из поляризованного материала), расположенную перед прокладкой из поляризованного материала за электропроводящей обкладкой со стороны воздействия регистрируемых частиц.
Датчик по заявке [5] содержит прокладку из поляризованного материала, расположенную между двумя электропроводящими обкладками, и дополнительную прокладку из пьезорезистивного материала (с плотностью, меньшей чем плотность материала прокладки из поляризованного материала), и расположенную перед нею за электропроводящей обкладкой со стороны воздействия регистрируемых частиц.
Датчик по заявке [6] содержит прокладку из поляризованного материала, расположенную между двумя электропроводящими обкладками, причем та из электропроводящих обкладок, которая расположена со стороны воздействия регистрируемых частиц, выполнена из материала с меньшей плотностью, чем плотность прокладки из поляризованного материала.
Датчик по заявке [7] содержит прокладку из поляризованного материала, расположенную между двумя электропроводящими обкладками, и дополнительную обкладку, расположенную перед электропроводящей обкладкой со стороны воздействия регистрируемых частиц и выполненную из неэлектропроводного теплозащитного материала с меньшей плотностью, чем указанная электропроводящая обкладка или прокладка из поляризованного материала.
При использовании описанных датчиков частицы, проникающие в поляризованную прокладку, согласно тексту описания заявок [4-7], создают кратер типа цилиндрического отверстия. Возникающая в нем деполяризация приводит к генерации заряда, который фиксируется в виде импульса во внешней цепи, в которую включен датчик, причем амплитуда импульса зависит от массы и скорости частицы.
С учетом конструктивной простоты этих датчиков и восприимчивости их к частицам, имеющим различные направления движения, они свободны от ряда отмеченных недостатков датчика прибора ПУМА, известного из работ [1, 2].
Вместе с тем технические решения по заявкам [4-7] направлены на повышение чувствительности при регистрации частиц мелкодисперсной фракции. Возможность регистрировать частицы малого размера является общей особенностью этой группы датчиков. Для достижения такого результата осуществляют выбор плотности материала и толщины либо дополнительной обкладки в заявках [4] и [7], либо дополнительной прокладки в заявке [5], либо обкладки в заявке [6]. Поэтому датчики по этим техническим решениям, как и датчик, известный из работ [1] и [2], не могут обеспечить сепарацию мелкодисперной фракции пылевых частиц и техногенного мусора и подвержены ускоренному выходу из строя вследствие эрозии обкладок под действием многочисленной мелкодисперсной фракции пылевых частиц.
Датчику для регистрации метеороидных и техногенных космических частиц по предлагаемой полезной модели наиболее близок датчик, известный из заявки [7].
Предлагаемая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в устранении воздействия на чувствительный элемент датчика мелкодисперсной фракции метеороидов и техногенного мусора, предотвращении его быстрого разрушения этой мелкодисперсной фракцией, и, как следствие, - в обеспечении существенного повышения надежности и срока функционирования датчика. Ниже при раскрытии сущности полезной модели и рассмотрении ее конкретного выполнения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый датчик для регистрации метеороидных и техногенных космических частиц, как и наиболее близкий к нему известный, представляет собой многослойную конструкцию и содержит две электропроводящие обкладки с диэлектрической прокладкой между ними и электроизоляционный теплозащитный экран, расположенный перед электропроводящей обкладкой со стороны воздействия регистрируемых частиц.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый датчик, в отличие от наиболее близкого к нему известного, дополнительно содержит эластичный экран-бампер, расположенный перед электроизоляционным теплозащитным экраном со стороны воздействия регистрируемых частиц.
Благодаря наличию эластичного экрана-бампера предлагаемое устройство фиксирует воздействие крупных метеороидов и частиц техногенного мусора, поскольку они способны проникнуть через этот экран и расположенный после него по направлению движения частиц электроизоляционный теплозащитный экран. Что же касается частиц мелкодисперсной фракции, то они задерживаются экраном-бампером, а случайно прошедшие через него единичные частицы задерживаются электроизоляционным теплозащитным экраном.
Таким образом, описанные особенности выполнения предлагаемого устройства в совокупности обеспечивают достижение указанного выше технического результата.
Экран-бампер предлагаемого устройства, может быть выполнен, например, в виде многослойной пленки, натянутой и укрепленной на каркасе, который, в свою очередь, установлен с зазором относительно электроизоляционного теплозащитного экрана. Наличие зазора уменьшает вероятность воздействия отдельных мелкодисперсных частиц, случайно проникших через экран-бампер, на электроизоляционный теплозащитный экран и гарантирует отсутствие опасного механического контакта между экраном, закрепленным на каркасе, и электроизоляционным теплозащитным экраном при любых внешних воздействиях, например, вибрациях при работе двигателя на орбите. Целесообразно соотношение величины зазора L и ширины Н экрана-бампера L/H=0,01÷0,03. Использование многослойной пленки повышает эффективность экрана-бампера.
В частном случае выполнения предлагаемого датчика обе электропроводящие обкладки могут быть выполнены в виде металлического покрытия, нанесенного на разные стороны диэлектрической прокладки.
Предлагаемый датчик может содержать силовую электроизоляционную панель для установки датчика на элементе конструкции космического аппарата. В этом случае датчик выполнен так, что к этой панели обращена его электропроводящая обкладка, противоположная той обкладке, перед которой установлены электроизоляционный теплозащитный экран и экран-бампер, при этом обращенная к указанной панели электропроводящая обкладка может быть выполнена в виде слоя металлического покрытия, нанесенного на упомянутую панель.
Однако и в этом случае возможно также выполнение обеих электропроводящих обкладок в виде металлического покрытия, нанесенного на разные стороны диэлектрической прокладки.
Наличие описанных возможностей выполнения устройства обеспечивает свободу выбора для разработчика устройства с учетом как технологических возможностей, так и оптимизации конструкторских решений.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - схематическое изображение датчика;
- на фиг.2 - структурная схема бортовой системы регистрации воз действия метеороидно-техногенных тел на космический аппарат, в составе которой используется предлагаемый датчик.
Основными элементами предлагаемого датчика являются (см. фиг.1) электропроводящие обкладки 1 и 2, расположенная между ними диэлектрическая прокладка 3, электроизоляционный теплозащитный экран 4, расположенный перед электропроводящей обкладкой 1 со стороны воздействия регистрируемых частиц, и расположенный перед этим экраном эластичный экран-бампер 5.
Диэлектрическая прокладка 3 представляет собой электроизолирующую пленку, изготовленную, например, из лавсана. Электропроводящие обкладки 1 и 2 являются соответственно фронтальной и тыльной обкладками датчика.
Для установки датчика на космический аппарат используется силовая электроизоляционная панель 6, выполненная, например, из тонкого листового стеклопластика толщиной от 0,3 до 1,0 мм. На космическом аппарате нескольких датчиков посредством силовых панелей крепятся в заданных зонах ложемента.
Электропроводящие обкладки 1 и 2 выполнены из металла, например, из меди или алюминия, и могут быть получены с помощью различных технологий, в частности, методом напыления в вакууме. При этом фронтальная обкладка 1 наносится на диэлектрическую прокладку 3, а тыльная обкладка 2 может быть нанесена либо на диэлектрическую прокладку 3, либо на силовую электроизоляционную панель 6. После нанесения на диэлектрическую прокладку 3 фронтальной электропроводящей обкладки 1 на эту обкладку наносится электроизоляционное теплозащитное покрытие, образующее экран 4. Это тонкое покрытие (например, пленка лака КО-08) толщиной от 10 до 30 мкм наносится на внешнюю поверхность фронтальной электропроводящей обкладки 1, т.е. со стороны воздействия регистрируемых метеороидных и техногенных космических частиц.
Эластичный экран-бампер 5 закреплен на каркасе 7, который отстоит от электроизоляционного теплозащитного экрана 4 со стороны воздействия регистрируемых частиц с зазором, отношение величины которого к ширине экрана-бампера L/H≈0,02 (фиг.1).
Конструктивно экран-бампер 5 представляет собой набор легких эластичных чередующихся полиимидных металлизированных пленок и стекловолокнистого нетканого холста. Экран-бампер также может представлять собой набор тонких фторопластовых пленок. Свойства многослойности и эластичности материала экрана-бампера обеспечивают постоянное нахождение этого экрана в рабочем состоянии как при столкновениях, так и по окончании каждого столкновения с метеороидом или техногенным телом.
Каркас 7 с экраном-бампером 5 жестко крепится, например, на силовой электроизоляционной панели 6 с помощью крепежных элементов типа шпилек. При этом крепление осуществляется так, чтобы обеспечить параллельность рабочей поверхности экрана-бампера 5 поверхности электроизоляционного теплозащитного экрана 4. К обкладкам 1 и 2 подсоединены токоподводящие провода 8.
На фиг.1 показаны также метеороид 9 и техногенная частица 10, подлетающие к экрану-бамперу 5, (изображены направления векторов скорости их движения).
На фиг.2, где изображена структурная схема бортовой системы регистрации воздействия метеороидно-техногенных тел на космический аппарат, в составе которой используются предлагаемый датчик или группа таких датчиков, использованы следующие обозначения: 11- датчики предлагаемой конструкции, 12 - устройство сопряжения с датчиками 11; 13 - устройство сопряжения с командной линией космического аппарата; 14 - блок обработки информации; 15 - оперативное запоминающее устройство; 16 - устройство сопряжения с линией телеметрической связи. Узлы 12-16 в совокупности образуют блок 17 электроники 17.
Предлагаемый датчик работает и используется в составе указанной системы следующим образом.
p
В заданное время по команде комплекса управления космическим аппаратом, на электропроводящие обкладки 1, 2 каждого из датчиков 11 по кабельной сети через блок 17 электроники подается рабочее напряжение. Датчик приобретает постоянную электрическую разность потенциалов U, т.е. включается в работу одновременно с блоком 17 электроники.
Космический аппарат, перемещаясь по своей орбите, в какой-то момент времени попадает в зону существования метеороидных частиц и/или техногенных тел. Воздействия этих высокоскоростных тел на датчики 11 происходят со следующими особенностями. Частицы, принадлежащие мелкодисперсной фракции, проникают в экран-бампер датчика 11 на несколько калибров (под калибром здесь понимается мидель метеороидной частицы или техногенного тела) и разрушаются при взрыве. Если отдельные осколки метеороидной частицы и/или техногенного тела мелкодисперной фракции все-таки преодолеют экран-бампер 5, то они будут блокированы электроизоляционным теплозащитным экраном 4. Этот экран обеспечивает также защиту датчика от воздействия статического электричества, часто возникающего на космических аппаратах.
Иначе протекает процесс столкновения с датчиком 11 высокоскоростных метеороидов и техногенных тел, принадлежащих крупнодисперной фракции. Метеороиды и тела этой фракции, обладающие большей кинетической энергией, в процессе столкновения пробивают легкий эластичный экран-бампер 5, электроизоляционное теплозащитное покрытие (экран 4) датчика и внедряются со взрывом, образующим плазму, в электропроводящую металлическую фронтальную обкладку 1, диэлектрическую прокладку 3, отделяющую эту обкладку, и тыльную обкладку 2. Обкладки 1 и 2 оказываются мгновенно замкнутыми короткоживущим плазменным образованием. Этот импульс электрического разряда короткого замыкания поступает в электронный блок 17, обрабатывается его узлами 12-16 с регистрацией номера сработавшего датчика, даты, времени измерения и хранится в запоминающем устройстве 15 электронного блока 17 до очередного сеанса связи с центром управления. После сеанса связи память в запоминающем устройстве 15 обнуляется, и блок 17 готов к новому циклу измерений.
Предлагаемый датчик, кроме использования по своему прямому назначению - для регистрации воздействия метеороидно-техногенных тел на космический аппарат, может быть использовано также в научно-исследовательских центрах и лабораториях, учебных институтах, где проводятся работы по внешней баллистике, и при регистрации метеорных частиц на высокогорных и высокоширотных станциях (например, в Антарктиде и Арктике).
Источники информации
1. Р.З.Сагдеев Р.З., Е.Н.Евланов Е.Н., Б.В. Зубков Б.В. и др. Пылевая оболочка кометы Галлея по данным прибора ПУМА. Космические исследования, т.XXV, вып.6. 1987, с. 840-848.
2. Р.З.Сагдеев Р.З., Е.Н.Евланов Е.Н., Б.В. Зубков Б.В. и др. Анализ состава пылевых частиц кометы Галлея по результатам измерений прибора ПУМА в режиме нулевой моды. Космические исследования, там же, с. 849- 855.
3. Модель Космоса. 8 издание. Том II. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Л.С.Новикова. Москва, Университет. Книжный Дом. 2007, с. 1143.
4. Заявка на выдачу патента Российской Федерации №93034423. Опубл. 27.11.1996.
5. Заявка на выдачу патента Российской Федерации №93034424. Опубл. 27.11.1996.
6. Заявка на выдачу патента Российской Федерации №93034427. Опубл. 27.11.1996.
7. Заявка на выдачу патента Российской Федерации №93034428. Опубл. 27.11.1996.