СПУТНИКОВЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
SATELLITE ACCELEROMETER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к высокоточным измерительным преобразователям линейного низкочастотного ускорения компенсационного типа. Настоящее изобретение также относится к области космической техники и может быть использовано для измерения малых ускорений, воздействующих на космический аппарат в условиях орбитального полета с сохранением работоспособности прибора после действия перегрузок на участке выведения его на орбиту.
Уровень техники
Известен микромеханический акселерометр (RU 2515378 С1, МПК G01P 15/00), содержащий чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, внешнюю рамку с закрепленным на ней маятником при помощи упругих торсионов. Внешняя рамка имеет переменную ширину. В узкой ее части сформированы П-образные петли, обращенные наружу. Площадки крепления к стеклянным обкладкам на внешней рамке расположены строго на продольной и поперечных осях чувствительного элемента. В микромеханическом акселерометре используются круглые стеклянные обкладки. Это упрощает сборку и снижает трудоемкость изделия. Таким образом, достигается следующий технический результат: увеличение точности с одновременным снижением трудоемкости без изменения массогабаритных параметров.
В данном аналоге используется торсионный подвес инерционной массы. Также говорится то, что особое крепление инерционной массы: «позволяет значительно уменьшить напряженное состояние на упругих торсионах, так как значительная часть деформации концентрируется в узле связи “площадка крепления - П-образная петля - обратный конец П-образной петли”». Такой вид подвеса, безусловно, повышает точностные характеристики прибора, однако при воздействии любого рода перегрузок, как вдоль оси чувствительности акселерометра, так и внешних воздействий (в основном на верхнюю часть внешней рамки), создастся избыточная деформация, не предусмотренная разработчиком, торсионы значительно деформируются и могут оказаться в зоне пластической деформации, что приведет к нарушению юстировки прибора и, возможно, к разрыву торсионного подвеса, а значит, к неисправности прибора.
Известен высокоточный космический акселерометр (RU 2468374 С1, МПК G01P 15/105), содержащий инерционную массу, корпус и электрическую схему переключателя и фиксации времени, внутреннюю полую сферу, имеющую номинальный зазор с внешним сферическим корпусом прибора, подвес из четырех подпружиненных штырей, равномерно распределенных по ее поверхности, закрепленных на ней, связывающих ее с корпусом, свободно проходящих сквозь люфтовые отверстия в корпусе. С внешней стороны корпуса установлены электромагниты в количестве, кратном двум, по числу осей установок двигателей коррекции движения космического аппарата. Во внутренней сфере помещен магнитовосприимчивый шарик, инерционная масса которого достаточна для уверенного замыкания внешней электрической цепи, имеющей синхронизатор времени и предназначенной для синхронизации событий рабочего цикла: отключение электромагнита и размыкание электроконтакта в начале движения шарика; замыкание одного из электроконтактов при надавливании шарика в каком-либо месте на внутреннюю поверхность внутренней сферы в конце его движения. Изобретение позволяет повысить точность акселерометра.
-6
В данном аналоге используется электростатический подвес с инерционной массой в виде магнитовосприимчивого шара. Акселерометры данного типа являются высокоточными, но их основным недостатком является невозможность их тестирования в наземных условиях, так как электростатических сил таких приборов не хватает для компенсации ускорения силы тяжести Земли. Также к данным приборам чрезвычайно высокие требования по точности изготовления сферической инерционной массы (отклонение от сферичности не должно превышать 4⋅10 см), близкие требования предъявляются и к форме полости, в которой находится инерционная масса. Несоблюдение требований к геометрии конструктивных элементов датчика приведет к ошибкам в показаниях прибора.
Наиболее близким из известных технических решений является акселерометр (RU 2514150 С1, МПК G01P 15/00), содержащий корпус, первую пластину с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения, вторую пластину с электродами, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, груз на подвижной части первой пластины, усилитель. В соответствии с изобретением груз на подвижной части первой пластины расположен выше оси подвеса, сторона части второй пластины выше оси подвеса выполнена прямолинейной, расстояние прямолинейной стороны второй пластины от оси подвеса выполнено в соответствии с расчетным соотношением. Таким образом, достигается следующий технический результат: повышение точности измерения ускорения. Данное техническое решение взято за прототип.
Прототип показывает хорошие результаты, прибор измеряет ускорения в своем рабочем диапазоне, имеет малую погрешность и практически нечувствителен к внешним воздействиям. Однако данный акселерометр относится к MEMS-технологиям, подразумевающим достаточно жесткую упругость подвеса (торсионов), и его точностные характеристики и рабочий диапазон зависят от параметров пластин. В связи с недостаточным уровнем чувствительности, необходимым для спутниковых акселерометров, предназначенных для работы на пассивных участках полета, данный прибор не может быть использован для измерения предельно малых ускорений спутника на орбите.
Раскрытие изобретения
Применение в акселерометрах торсионного подвеса маятника с инерционной массой позволяет в наземных условиях строго определить направление оси чувствительности прибора и, соответственно, четко ориентировать ее относительно связанной системы координат спутника. Кроме того, имеется возможность, в отличие, например, от акселерометров с электростатическим подвесом, работоспособных только в условиях невесомости и требующих калибровки в космосе, определять на Земле практически полный перечень технических характеристик акселерометра и после выведения спутника на заданную орбиту сразу получать информацию в реальном времени.
При конструировании высокоточных спутниковых акселерометров с использованием торсионного подвеса возникает необходимость применения торсионов с минимальным упругим моментом на скручивание и максимально возможной инерционной массой маятника.
Воздействие на прибор разного рода перегрузок (при транспортировке, выведении спутника на орбиту и др.) приводит к тому, что тонкие торсионы подвески маятника испытывают значительные деформации. В случае если относительное удлинение торсиона при перегрузках остается в зоне упругих деформаций, технические характеристики акселерометра сохраняются после действия перегрузок. Если относительное удлинение торсиона переходит в зону пластических деформаций, то торсионы вытягиваются, при этом изменяется смещение нуля и ряд технических характеристик прибора (вплоть до разрыва торсиона).
Техническим результатом данного изобретения является существенное повышение порога чувствительности спутникового акселерометра, которое достигается уменьшением до технически реализуемых малых значений упругой (механической) связи пробного тела с корпусом прибора за счет применения нитей торсионного подвеса минимального сечения. Кроме того, обеспечивается сохранение работоспособности акселерометра и недопущение пластических деформаций нитей торсионного подвеса после действия больших перегрузок за счет введения в конструкцию прибора ограничителей движения маятника.
При этом преодолеваются многие трудности, связанные с улучшением технических характеристик приборов данного типа: уменьшение смещения нуля, температурная зависимость масштабного коэффициента, влияние гистерезисных и термоупругих явлений на результат измерений.
Данное изобретение - спутниковый акселерометр обеспечивает возможность с высокой точностью измерять предельно малые ускорения, воздействующие на спутник на орбите с сохранением работоспособности прибора после воздействия перегрузок, действующих на участке выведения.
Конструкция маятникового акселерометра компенсационного типа приведена на фиг. 1. Маятник (3) с инерционной массой (10) связан с корпусом прибора (8) с помощью торсионного подвеса (2). Подвес представляет собой торсионы с малым упругим моментом на скручивание. Перемещение маятника регистрируются с помощью репера (5), жестко связанного с маятником (3) и датчика перемещений (6, 7). В приборе используется компенсационная магнитоэлектрическая система обратной связи (4).
Введение двух ограничителей позволяет обеспечить защиту упругого торсионного подвеса от перегрузок при выведении спутника на орбиту за счет того, что при всех возможных перемещениях маятника (3) торсионы (2) остаются в зоне упругих деформаций. Первый ограничитель (9) расположен в центре инерционной массы маятника и второй (1) - вдоль оси вращения маятника.
1
На фиг. 1а представлен принцип организации конструкции акселерометра маятникового типа с ограничителями движения мятника по всем степеням свободы с заданными зазорами (d, d2, d3), обеспечивающими возможность применения торсионного подвеса с минимальным упругим моментом на скручивание и эксплуатацию акселерометра после воздействия перегрузок.
Для современных материалов (согласно ГОСТ 9444-74) наиболее приемлемыми техническими характеристиками обладают торсионы из платиносеребряного сплава ПлСр20. По механической прочности растяжки на платиновой основе превосходят бронзовые растяжки не менее чем на 20%, а по малости упругого и остаточного последействия - в два раза [1]. В связи с повышенными требованиями к надежности спутниковых акселерометров рассматривается вариант трехкратного запаса прочности торсионов на разрыв.
Предел прочности растяжек из платиносеребряного сплава на разрыв соответствует примерно 1,5% их относительного удлинения. При натяжении торсиона в процессе изготовлении акселерометров их относительное удлинение составляет величину менее 0,2% от начальной длины. Для обеспечения трехкратного запаса прочности торсионов на разрыв необходимо, чтобы ограничители движения маятника, установленные в конструкции чувствительной системы, обеспечивали условия, в которых дополнительное относительное удлинение торсиона в процессе эксплуатации не превышало величину 0,3% от начальной длины торсионов.
При линейном ускорении, действующем перпендикулярно оси подвеса (фиг. 2), происходит удлинение торсиона, которое должно лежать в пределах упругих деформаций. Для обеспечения этого условия используется ограничитель 9 (фиг. 1). Выражение для удлинения торсиона Δl может быть получено из геометрического соотношения следующим образом:
1
где l - длина торсиона, Δl - удлинение торсиона, а α - угол между торсионом и осью вращения маятника до начала действия возмущающего ускорения при смещении инерционной массы на величину зазора.
1
1
Если обозначить величину зазора ограничителя через d, то при условии малости угла отклонения α:
1
Разлагая функцию cosα ряд Тейлора и ограничиваясь первыми двумя членами разложения, имеем:
Подставим (3) в (1), тогда:
1
Пренебрегая в (4), ввиду малости утла α, членом  получаем выражение для удлинения торсиона Δl:
Для обеспечения трехкратного запаса прочности торсиона на разрыв необходимо выполнить следующее условие:
1
В этом случае выражение для зазора d (фиг. 2) ограничителя 9 (фиг. 1) имеет вид:
При линейном ускорении, действующем вдоль оси подвеса (фиг. 3), также происходит удлинение торсиона, которое должно лежать в пределах упругих деформаций. Для обеспечения этого условия используется также ограничитель 9 (фиг. 1).
Удлинение торсиона Δl в этом случае рассчитывается из следующего соотношения:
где:
а
- половина расстояния между точками крепления торсиона к маятнику;
2
α - угол поворота маятника, в первом приближении, равный
2
d - величина зазора ограничителя;
L - расстояние между осью подвеса маятника и его центром тяжести.
1
2
При условии малости углов α и α имеем:
1
2
С учетом членов первого порядка малости в разложении в ряд Тейлора cosα и cosα, а также с учетом (8) и (9), из (7) следует:
2
При  из (11) получаем выражение для величины зазора ограничителя d:
При действии угловых ускорений возникает момент силы, пропорциональный длине маятника и действующий вдоль оси подвеса маятника, который может вызвать деформацию или разрыв торсиона. Для сохранения работоспособности прибора в данном случае применяется ограничитель 1 (фиг. 1).
3
Для обеспечения трехкратного запаса по прочности на разрыв торсиона зазор d (фиг. 4) ограничителя 1 (фиг. 1) не должен превосходить величину
-3
3⋅10⋅l.
Таким образом:
Конструктивное решение данного акселерометра позволяет сохранить работоспособность торсиона подвески маятника как несущего (силового) элемента при больших перегрузках (т.е. обеспечить недопущение пластических деформаций торсионного подвеса в условиях действия перегрузок при выведении спутника на орбиту). При этом торсион выполняет свои функции оси вращения маятника в рабочем диапазоне прибора в зоне действия измеряемых ускорений.
Ограничители задают диапазон допустимых перемещений маятника, приводящих к относительному удлинению торсиона, не более чем на  что соответствует трехкратному запасу прочности по недопущению пластических деформаций нитей торсиона.
Кроме того, конструкция данного спутникового акселерометра позволяет проводить полноценное определение технических характеристик в наземных условиях.
-5
-6
Существующие маятниковые акселерометры компенсационного типа с упругим подвесом имеют порог чувствительности порядка 10-10 g в диапазоне измеряемых ускорений ±(1-10) g [2, 3].
-5
-9
-11
Спутниковый акселерометр в орбитальном полете должен измерять малые ускорения, обусловленные действием на космический аппарат различных факторов (например, торможение за счет сопротивления верхних слоев атмосферы, ускорения, возникающие при работе двигателей системы ориентации, и т.д.) в диапазоне ±10 g [4]. Для обеспечения высокой относительной точности измерения малых ускорений (отношение погрешности измерений к величине измеряемого ускорения) порог чувствительности спутникового акселерометра должен составлять величину порядка 10-10 g.
Для достижения порога чувствительности такого порядка необходима минимизация упругой связи инерционной массы маятника с корпусом акселерометра за счет использования торсионов меньшего сечения по сравнению с растяжками торсионов существующих приборов. Так как ограничители в предлагаемой конструкции обеспечивают возможность деформирования торсионов только в упругой области, то можно использовать торсионы упругой подвески маятника минимально достижимого сечения и, соответственно, с минимальным упругим моментом на скручивание.
Применение торсионов с минимальным сечением кроме существенного повышения чувствительности спутникового акселерометра приводит к снижению величины смещения нуля прибора, влияния термоупругих и гистерезисных явлений на результат измерений, температурной зависимости масштабного коэффициента.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого спутникового акселерометра. Введены следующие обозначения:
1 - ограничители действия угловых перемещений маятника;
2 - торсионы;
3 - маятник;
4 - компенсационная система магнитоэлектрической обратной связи;
5 - репер;
6, 7 - датчик перемещений;
8 - корпус;
9 - ограничитель поступательных и вращательных перемещений маятника;
10 - инерционная масса.
1
На фиг. 1а представлен принцип организации конструкции акселерометра маятникового типа с ограничителями движения мятника по всем степеням свободы с заданными зазорами (d, d2, d3).
На фиг. 2 показано воздействие на торсионы акселерометра поступательного перемещения маятника перпендикулярно оси подвеса.
На фиг. 3 показано воздействие на торсионы акселерометра поступательного перемещения маятника параллельно оси подвеса.
На фиг. 4 показано воздействие на торсионы вращательных перемещений.
-9
На фиг. 5 показан результат эксперимента по регистрации ускорений на уровне 10 g в наземных условиях.
Осуществление изобретения
Для подтверждения возможности осуществления данного изобретения были проведены испытания макетных образцов спутникового акселерометра заявленного типа в наземных условиях. В этих испытаниях определялись шумовые характеристики прибора с применением антисейсмической платформы, минимизирующей влияние внешних микросейсмических и техногенных возмущающих ускорений.
Антисейсмическая платформа представляет собой стальную плиту массой 40 килограммов, которая подвешена на четырех струнах длиной 3 метра, изготовленных из инвара и закрепленных в одной точке. Добротность системы подвеса платформы - 0,7; собственный период подвеса платформы - 2 сек.
-5
Два макетных образца одноосных акселерометров устанавливались на регулируемых платформах в противофазе, при этом их оси чувствительности были параллельны с погрешностью не более одного градуса дуги. Масштабные коэффициенты приборов составляли величину 2⋅10 g/B.
Суммарный сигнал двух акселерометров является объективной характеристикой верхнего предела шумов (фиг. 5). Регистрация сигналов осуществлялась с использованием аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера.
-9
Из фиг. 5 видно, что погрешность суммарного сигнала двух макетных образцов акселерометров находилась в пределах ±2⋅10 g. Эта погрешность в основном определяется погрешностями применяемого аналого-цифрового преобразователя и характеризует верхнюю величину порога чувствительности прибора.
-9
Таким образом, данное экспериментальное исследование подтвердило возможность достижения для заявленного типа спутникового акселерометра порога чувствительности порядка 10 g и менее.
Источники информации
1. Минц М.Б. Гальванометрические приборы. Л.: Энергоиздат, 1982. С. 10.
2. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2009. С. 50.
3. Распопов В.Я. Микросистемная авионика. Тула: "Гриф и К", 2010. С. 119.
4. Гришин С.Д. Космическая технология и производство. М.: Знание, 1978.