Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат



Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат
Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат
Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат

 


Владельцы патента RU 2457986:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" (RU)

Изобретение относится к космической технике. Датчик регистрации метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат, состоит из двух полусферических многослойных PVDF - аэрогельных детекторов, каждый из которых содержит тонкие гибкие обкладки из поляризованного материала с гибкими электродами, калиброванную аэрогельную прокладку, расположенную между обкладками, внешний теплоизоляционный аэрогельный экран-демпфер, внутреннюю аэрогельную подложку, соприкасающуюся одной своей поверхностью с тонкой гибкой обкладкой, а другой - с полусферической оболочкой датчика. Корпус датчика выполнен из нанокомпозиционного материала. В полусферических оболочках установлены закладные L-образные фланцы с гнездами для крепления в них плоских кронштейнов с зажимами. В нижней полусферической оболочке закреплён полый переходник, предназначенный для подвода проводов от электродов детектора к электронному блоку и установки датчика на космическом аппарате. Достигается возможность комплексной пространственной регистрации воздействия метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли на космический аппарат и измерения их параметров. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к космической технике.

Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат, относится к средствам для исследования космического пространства и решения научных и прикладных задач, а именно к устройствам для обнаружения временного и пространственного распределения твердых метеороидно-техногенных тел, межзвездной и межпланетной пыли, а также измерения их параметров.

Данные о микрометеороидах, межзвездной и межпланетной пыли являются одними из наиболее существенных источников информации о космических телах. Кроме того, поскольку метеороидные и техногенные тела, воздействующие на космический аппарат (КА), представляют большую опасность как для КА, так и для его систем, изучение их необходимо и для обеспечения безопасности КА.

Согласно официальному определению Международного Астрономического Союза (MAC) метеороид - это твердый объект, движущийся в межпланетном пространстве, размером значительно меньше астероида, но значительно больше атома. Железный метеороид, столкнувшийся с КА, кроме нанесения ему механических повреждений, может также оказаться причиной короткого замыкания в научных приборах и датчиках, установленных на этом КА.

В отличие от метеороида, метеорит - это твердое тело космического происхождения, упавшее на поверхность крупного небесного тела, например, на Землю. В зависимости от химического состава метеориты делятся на три группы: каменные (хондриты и ахондриты), железокаменные и железные (никелистое железо).

Что касается космической пыли, то, как гласит одна из гипотез, межзвездная и межпланетная пыль образуется вследствие конденсации молекул газа на зародышах - частицах углерода, SiO2 и др.

Известен датчик-регистратор космической пыли, использованный в пылеударном масс-анализаторе ПУМА [1, 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;

- улавливающую сетку;

- ускоряющую сетку;

- задерживающую сетку;

- высоковольтные источники питания мишени (+1020 В), рефлектора (+1100 В) и сеток (- 2000 В);

- усилитель сигналов с мишени и сеток, генераторы полетного теста;

- узел переключателя и контроля напряжения на рефлекторе.

Данный датчик - регистратор представляет собой сложное и дорогое электронное устройство, для стабильной работы которого необходимы источники высокого напряжения. Кроме того, в этом датчике для забора пылевых частиц и космического мусора используется вышеупомянутый 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. При этом особенно сильно искажают условия забора пылевые частицы, принадлежащие многочисленной мелкодисперсной фракции спектра частиц размером ds<5 мкм, интенсивность бомбардировки которыми на геостационарной орбите имеет порядок 20 см-2·с-1 [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.

Известен прибор «Дусма» - счетчик и масс-анализатор космических частиц. Этот прибор также успешно использовался в международной космической экспедиции «Вега-Галлей» на двух советских космических аппаратах «Вега-1» и «Вега-2» [4].

Штатное проведение экспедиции и завершение международного сотрудничества по изучению кометы Галлея означает, что бортовые комплексы этих КА, в том числе и все элементы приборов «Пума» и «Дусма», успешно испытаны в натурном космическом эксперименте.

Данный прибор «Дусма» был разработан для регистрации числа соударений частиц с чувствительным элементом (пленкой PVDF) прибора и определения массы этих частиц в пределах ΔmS=(1,510-13…910-11) г с последующим пересчетом в кривую распределения массы частиц в зависимости от их размера.

Конструкция прибора включала в себя два блока: «Дусма-Д» - детектор космических частиц и «Дусма-Э» - блок электроники. Блок «Дусма-Д» содержал рабочий элемент из объемно поляризованной поливинилиденфторидной пленки PVDF (толщина пленки δ=28 мкм), имеющей на обеих поверхностях проводящие электроды и заключенной в цилиндрический кососрезанный тубус, скрепленный с корпусом из алюминиевого сплава. Внутри этого корпуса находилась система акустической развязки от шумов аппарата, а также детектор антисовпадений. Блок «Дусма-Д» устанавливался на внешней поверхности космического аппарата, примерно нормально к направлению траекторий пылевых частиц кометы Галлея.

Работа прибора «Дусма» происходила следующим образом. При соударении кометной пылевой частицы, обладающей большой кинетической энергией, с тонкой пленкой, смонтированной в детекторе блока «Дусма-Д», тонкая пленка PVDF пробивалась частицей - снарядом и из пленки удалялся небольшой объем материала этой пленки. При этом изменялся заряд на электродах детектора и генерировался короткий импульс тока во внешнюю цепь. Сгенерированный импульс тока регистрировался и предварительно обрабатывался блоком электроники «Дусма-Э», передавался далее в бортовой комплекс управления (БКУ) космического аппарата и во время очередного сеанса с Землей информация, накопленная за определенное время прибором «Дусма», передавалась на Землю.

Наряду с определенными достоинствами прибор «Дусма» имеет и ряд недостатков. Рассмотрим эти недостатки более подробно.

1. Прибор «Дусма» изначально был спроектирован на измерение всего 2-х параметров космических частиц: числа их соударений с детектором «Дусма-Д» и массы этих соударяющихся частиц. Учитывая большую стоимость запуска каждого космического аппарата, такую научную отдачу прибора «Дусма» следует считать неоптимальной и очень дорогой.

2. Блок «Дусма-Д» принципиально не может регистрировать поток космических частиц, перемещающихся в пространстве по произвольным, непредсказуемым и заранее неизвестным траекториям. Конструкция блока «Дусма-Д» позволяет регистрировать только локальный поток космических частиц, ограниченный заборным сечением и стенками цилиндрического кососрезанного тубуса, плюс небольшой дополнительный поток космических частиц, вектор скорости которых образует с продольной осью вышеупомянутого тубуса небольшой, в несколько градусов, угол.

3. В случае удара космической частицы в стенку цилиндрического кососрезанного тубуса может произойти дробление этой частицы на рой осколков и осаждение как осколков этой частицы, так и осколков, вырванных частицей из кратера стенки тубуса, на чувствительный элемент - пленку PVDF детекторного блока прибора. Результат такого процесса - ошибочное срабатывание прибора и искажение научного результата, т.е. процесс регистрации частиц становится непрезентативным.

Наиболее близким аналогом к заявляемому датчику для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на КА, выбранным в качестве прототипа является датчик для регистрации метеороидных и техногенных космических частиц, воздействующих на КА, представляющий собой многослойную конструкцию [5].

Датчик - прототип содержит две электропроводящие обкладки с диэлектрической прокладкой между ними и электроизоляционный теплозащитный экран, расположенный перед электропроводящей обкладкой со стороны воздействия регистрируемых частиц. Перед экраном, со стороны воздействия регистрируемых частиц, с зазором установлен также эластичный экран-бампер, выполненный в виде многослойной пленки, натянутой на каркасе. Обе электропроводящие обкладки могут быть выполнены в виде металлического покрытия, нанесенного на разные стороны диэлектрической прокладки. Указанный датчик отличается относительно простой конструкцией и технологичностью по сравнению с известными конструкциями датчиков, а также способен реагировать в существенно большем диапазоне направлений встречи потоков космических частиц с КА, однако указанный диапазон является недостаточно широким. Кроме того, данные, снимаемые с чувствительного элемента датчика, обладают недостаточной информативностью.

Работа датчика - прототипа осуществляется следующим образом: при ударе частицы в датчик - прототип возникает электрический импульс, регистрируемый блоком электроники.

Техническими задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, является увеличение диапазона регистрируемых направлений встречи потоков космических частиц с КА, расширение номенклатуры и повышение информативности регистрируемых параметров.

Указанные задачи обеспечиваются тем, что в предлагаемом датчике для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат, содержащем многослойной детектор, новым является то, что детектор является составным и выполнен в форме сферы, корпус которой состоит из двух соединенных друг с другом с возможностью разъединения полусферических оболочек, на каждую из которых с наружной стороны нанесено многослойное покрытие из чередующихся слоев поляризованного материала из пьезоактивной пленки и аэрогеля, включающее наружный слой покрытия, выполненный из аэрогеля и являющийся теплоизоляционным аэрогельным экраном-демпфером, два слоя гибких обкладок из поляризованного материала, снабженных гибкими электродами, разделенные калиброванной аэрогельной прокладкой, выполняющей роль мерной пролетной базы L, и внутреннюю аэрогельную подложку, соприкасающуюся одной своей поверхностью с гибкой обкладкой из поляризованного материала, а другой - с полусферической оболочкой детектора.

Кроме того, корпус датчика выполнен из нанокомпозиционного материала, а в полусферических оболочках установлены закладные кольцевые L-образной формы фланцы с гнездами для крепления в них плоских кронштейнов с зажимами, при этом в шаровом сегменте нижней полусферической оболочки закреплен закладной полый переходник, предназначенный для подвода проводов от электродов датчика к электронному блоку и установки датчика на космическом аппарате.

Кроме того, обкладки выполнены из пленки PVDF.

Выполнение детектора в форме сферы, корпус которой состоит из двух соединенных друг с другом с возможностью разъединения полусферических оболочек, позволяет существенно увеличить диапазон регистрируемых направлений встречи потоков космических частиц с КА, а также обеспечить технологичность процесса сборки датчика.

Выполнение детектора в виде нанесенного с наружной стороны на каждую полусферическую оболочку многослойного покрытия из чередующихся слоев поляризованного материала из пьезоактивной пленки и аэрогеля, включающего наружный слой покрытия, выполненный из аэрогеля и являющийся теплоизоляционным аэрогельным экраном-демпфером, два слоя гибких обкладок из поляризованного материала, снабженных гибкими электродами, разделенные калиброванной аэрогельной прокладкой, выполняющей роль мерной пролетной базы L, и внутреннюю аэрогельную подложку, соприкасающуюся одной своей поверхностью с гибкой обкладкой из поляризованного материала, а другой - с полусферической оболочкой детектора, позволяет расширить номенклатуру и повысить информативность регистрируемых параметров и обеспечить их оценку на основе комплексных показателей.

Выполнение корпуса датчика из нанокомпозиционного материала и установка в полусферических оболочках закладных кольцевых L-образной формы фланцев с гнездами, для крепления в них плоских кронштейнов с зажимами, а также закрепление в шаровом сегменте нижней полусферической оболочки закладного полого переходника, предназначенного для подвода проводов от электродов датчика к электронному блоку и установки датчика на космическом аппарате, упрощает сборку датчика и повышает его надежность.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 - внешний общий вид датчика.

Фиг.2 - общий вид датчика в разрезе.

Фиг.3 - структурная схема бортовой системы регистрации воздействия метеороидно-техногенных тел на КА.

Базовой конструкцией сферического, полого, блочно - разборного датчика 1 (см. фиг.1) являются две, верхняя и нижняя, силовые полусферические оболочки 2 и 3 соответственно. Эти оболочки 2 и 3 изготовлены из нанокомпозиционного материала с закладными кольцевыми L-образной формы металлическими фланцами 4 и 5, например, из алюминиевого сплава. Между фланцами 4 и 5 предусмотрена прокладка 6. С помощью этих фланцев, являющихся основаниями полусферических оболочек 2 и 3, эти оболочки жестко крепятся между собой. В шаровом сегменте нижней полусферической оболочки 3, в районе ее полюса, дополнительно замотан закладной металлический полый переходник 7. С помощью переходника 7 датчик крепится на силовом полом кронштейне 8, последний, в свою очередь, шарнирно связан с космическим аппаратом.

На этом же переходнике 7 смонтирована и гибкая солнечная батарея 9, вырабатываемая энергия которой поступает как дополнение в бортовой источник мощности космического аппарата.

Отметим, что в заявляемом датчике герметичность его внутреннего объема по отношению к внешней среде - Космосу не требуется.

Сначала рассмотрим верхнюю оболочку 2 и смонтированный на ней многослойный, например, пятислойный PVDF-аэрогельный полусферический детектор 10 (см. фиг.2). Все полусферические слои детектора 10 прочно скреплены между собой при помощи, например, акрилового клеящего состава. Склеивание слоев друг с другом производится по периметру полусферической оболочки 2 вблизи закладного кольцевого фланца 4. Полусферическая архитектура детектора 10 последовательно включает в себя: прилегающую к оболочке 2 внутреннюю аэрогельную обкладку 11 толщиной, например, δ1≈10 мм с переменной, возрастающей по толщине плотностью аэрогеля, тонкую эластичную поляризованную обкладку - пленку PVDF 12 толщиной, например, δ2≈30 мкм; калиброванную, играющую роль мерной базы, аэрогельную прокладку 13 постоянной плотности и толщиной, например, L≈1 мм; еще одну тонкую эластичную поляризованную обкладку - пленку PVDF 14 толщиной, например, δ3≈30 мкм; внешний теплоизоляционный аэрогельный экран - демпфер 15 постоянной плотности и толщиной, например, δ4≈1 мм.

Снаружи, в районе закладного кольцевого фланца 4, верхний полусферический PVDF-аэрогельный детектор 10 скреплен акриловом клеящим составом и стопорным периферийным кольцом 16, изготовленным, например, из металла или нанокомпозиционного материала.

Можно отметить, что пористо-волокнистый материал аэрогель и пленка PVDF успешно и многократно были использованы в научных приборах на космической станции «МИР», космических аппаратах «Spacelab-II», «Eureca», «Stardust» и т.д. Аэрогель, наряду с другими своими уникальными свойствами, обладает свойством улавливать высокоскоростные космические и техногенные частицы без их разрушения [6].

Необходимо также сказать, что производство аэрогеля и пленки PVDF в настоящее время освоено в Российской Федерации и они являются отечественными материалами.

Нижняя полусферическая оболочка 3 (см. фиг.2) с закладными круглым фланцем 5 и полым переходником 7 также содержит смонтированный на ней многослойный, например, пятислойный PVDF-аэрогельный полусферический детектор 17, у которого отсутствует шаровой сегмент в районе полюса полусферической оболочки 3.

Отверстие, образованное при удалении шарового сегмента в детекторе, предназначено для прохода в нем полого переходника 7. Все полусферические слои этого детектора, как и у вышеупомянутого детектора 10, также прочно скреплены между собой при помощи акрилового клеящего состава. Склеивание слоев друг с другом производится по периметру основания полусферического днища вблизи закладного круглого фланца 5.

Полусферическая архитектура сборки нижнего PVDF-аэрогельного полусферического детектора 17 с удаленным шаровым сегментом аналогична сборке верхнего полусферического детектора 10 и включает в себя: прилегающие к оболочке 3 внутреннюю аэрогельную обкладку 18 толщиной, например, δ1≈10 мм с переменной, возрастающей по толщине обкладки плотностью аэрогеля; тонкую эластичную поляризованную обкладку - пленку PVDF 19 толщиной, например, δ2≈30 мкм; калиброванную, играющую роль мерной базы, аэрогельную прокладку 20 постоянной плотности и толщиной, например, L≈1 мм; еще одну тонкую эластичную поляризованную обкладку - пленку PVDF 21 толщиной, например, δ3≈30 мкм, внешний теплоизоляционный аэрогельный экран-демпфер 22 постоянной плотности и толщиной, например, δ4≈1 мм.

Снаружи, в районе закладного круглого фланца 5, нижний полусферический детектор 17 также скреплен стопорным периферийным кольцом 23 и акриловым клеящим составом.

Важным для заявляемой конструкции датчика является вопрос надежного соединения детекторов, в которых использованы обкладки из пьезоактивной пленки PVDF, с блоком электроники (БК) и бортовым комплексом управления (БКУ).

В предлагаемом датчике соединение всех четырех пьезоактивных обкладок - пленок PVDF 12, 14, 19, 21, имеющих полусферическую форму и смонтированных в детекторах 10 и 17 на верхней и нижней полусферических оболочках 2, 3, с токопроводящими электродами 24, 25 осуществляется, например, следующим образом. Вблизи периметра полусферической обкладки - пленки PVDF на дуге меньшей 180° на каждой стороне пленки PVDF методом, например, напыления наносится контактная токопроводящая шина-полоска, например, из серебра шириной Н≈10 мм (на фиг.2 не показана). К каждой из этих изолированных друг от друга контактных токопроводящих шин с помощью, например, электропроводящего клея или методом термокомпрессионной, ультразвуковой или термозвуковой сварки крепятся несколько, например, 2-3 гибких эластичных плоских токопроводящих электрода 24, 25, разнесенных друг от друга на один и тот же угол. Использование нескольких токопроводящих электродов, подсоединенных к каждой из токопроводящих шин пьезоактивной пленки, повышает надежность датчика 1, ибо обрыв в случае использования только одного соединительного токопроводящего электрода в летных космических условиях возможен. Все противоположные концы гибких эластичных плоских токопроводящих электродов, принадлежащих каждой из шин, соединены друг с другом и закреплены в соответствующих зажимах 26, 27, например, типа «вилка».

Внутри полусферических верхней и нижней оболочек 2, 3, в их основаниях - круглых металлических фланцах 4 и 5 жестко заделаны кронштейны 28, 29, на которых, в свою очередь, также жестко закреплены зажимы 30, 31 типа «розетка» в количестве, например, 4 штук. От каждого из этих зажимов отходят двужильные плоские кабели 32, с помощью этих кабелей осуществляется связь датчика с БЭ и БКУ космического аппарата. При окончательной сборке датчика зажимы «розетка» и «вилка» соединяются друг с другом.

На фиг.1 показаны также метеороид 33 и техногенная частица 34, подлетающие к датчику 1 (изображены направления их векторов скорости и количеств движения).

На фиг.3, где изображена структурная схема бортовой системы регистрации воздействия метеороидно-техногенных тел, межзвездной и межпланетной пыли на космический аппарат, в составе которой задействован предлагаемый датчик или группа таких датчиков, использованы следующие обозначения: 35 - датчик; 36 - устройство сопряжения с датчиком 35; 37 - устройство сопряжения с командной линией космического аппарата; 38 - блок обработки информации; 39 - оперативное запоминающее устройство; 40 - устройство сопряжения с линией телеметрической связи. Узлы 36-40 в совокупности образуют блок электроники (БЭ) 41.

Следует сказать, что до установки на космический аппарат датчик должен пройти экспериментальную отработку на Земле, в том числе его необходимо испытать на баллистическом стенде на предмет воздействия высокоскоростных имитаторов метеороидных частиц, используя методы конечной баллистики. По результатам экспериментов обязательно должны быть получены тарировочные графики. Желательно, чтобы на космическом аппарате для пространственной регистрации метеороидных и иных частиц были установлены два датчика, размещенные соответственно в носовой и кормовой частях аппарата.

Работа предлагаемого датчика в космическом пространстве осуществляется следующим образом, при этом его многослойные полусферические детекторы 10, 17 функционируют, дополняя друг друга, параллельно, одновременно и независимо.

Пусть космический аппарат находится на заданной орбите, датчик, согласно полученной команде от БКУ, выведен из своего отсека, включено бортовое время аппарата с временными метками в 1 мкс ≈10-6 с, началась штатная эксплуатация и пространственная экспозиция датчика в открытом Космосе. Заметим, что минимальное значение параметра, которое можно передать по телеметрии на Землю с современных космических аппаратов, равно Аmin=1/(216-1). К слову сказать, в ООО «Лаборатория автоматизированных систем (АС)», г.Москва, созданы устройства сбора данных с частотой опроса до 100 МГц и более.

Следует отметить, что предлагаемую конструкцию датчика возможно многократно выводить и вновь возвращать в герметичный отсек капсулы космического аппарата, а по окончании полета, если это предусмотрено программой, вместе с капсулой на парашюте опустить на Землю.

Перемещаясь по своей орбите, космический аппарат в какой-то момент времени попадает в зону воздействия метеороидного дождя, техногенных тел и/или межзвездной и межпланетной пыли. Начинаются высокоскоростные столкновения метеороидных, техногенных, пылевых частиц 33, 34 с корпусом космического аппарата и с полусферическими детекторами 10, 17 датчика 1.

Воздействие высокоскоростных частиц - метеороидов, техногенных тел, пыли 33, 34, например, на полусферический детектор 17 датчика 1 может проходить по следующему сценарию. Высокоскоростные частицы 33, 34 размером, например, dS≈10 мкм в процессе соударения с внешним теплоизоляционным аэрогельным экраном 22, согласно экспериментам американских исследователей [6], нагреваются до температуры более чем TS≈600 К за время τ≈10-6 с=1 мкс. За это же время аэрогель нагревается до температуры порядка 10000 К, нити аэрогеля плавятся и обволакивают частицу стеклянной оболочкой. Преодолев внешний теплоизоляционный аэрогельный экран 22, частица соударяется с первой (со стороны подлета) гибкой эластичной пьезоактивной обкладкой-пленкой PVDF 21, которая при этом столкновении и ее пробое генерирует первый электрический сигнал в виде импульса, амплитуда и время возникновения которого фиксируется в соответствующем канале блока электроники 41 (фиг.3). Далее частица проходит калиброванную аэрогельную прокладку 20 толщиной L, играющую роль мерной базы, соударяется и пробивает вторую (со стороны подлета) гибкую эластичную пьезоактивную обкладку - пленку PVDF 19, которая при этом столкновении и пробое генерирует второй электрический сигнал в виде импульса, амплитуда и время возникновения которого также фиксируется в соответствующем канале блока электроники 41, и, наконец, затормаживается и останавливается во внутренней аэрогельной обкладке 18. На Земле такие уловленные частицы - бесценный материал для исследования.

Согласно вышеизложенному с помощью заявляемого датчика экспериментально и экспериментально-расчетным методом возможно определять и/или оценивать следующие параметры метеороидных частиц, техногенных тел и космической пыли:

1. Счетное число частиц, тел и пыли, столкнувшихся со сферической поверхностью датчика, с привязкой этих столкновений к параметрам орбиты космического аппарата и его бортовому времени с временными метками в 1 мкс =10-6 с.

2. Плотность потока частиц, тел и пыли на единицу поверхности сферы в единицу времени.

3. Среднюю скорость (ws)cp~(wS1+wS2)/2 частицы, тела, пылинки.

Средняя скорость определяется времяпролетным способом при прохождении частицей мерной базы L детектора и преодолении первой и второй (со стороны подлета) тонких эластичных поляризованных обкладок - пленок PVDF, при этом необходимо учитывать амплитуды AS1 и AS2 электрических импульсов, зафиксированных блоком электроники, и временные отметки на мерной базе L. Данный способ был использован американцами в 2000 г. на военном спутнике «Argos» в детекторе космических частиц «Spadus».

4. Количество движения (импульс) PS=mS·wS частицы, тела, пылинки. Величина данного параметра определяется (как оценка) в момент прохождения частицы сквозь первую и вторую (со стороны подлета) тонкие эластичные поляризованные обкладки - пленки PVDF, при этом генерируются электрические импульсы, фиксируемые блоком электроники, с амплитудами AS1 и AS2, пропорциональными количеству движения частицы, т.е. AS1~PS1=mS·wS1 и AS2~PS2=mS·wS2, где mS, wS1 и wS2 _ масса и скорости частицы соответственно. Принцип действия этого измерения основан на прямом пьезоэффекте.

5. Массу частицы. Масса одиночной частицы (оценка) определяется по формуле mS=(mS·wS)/(wS)cp.

6. Объем частицы. Объем одиночной частицы (оценка) определяется по формуле WS=mSS, где ρS=2,2; 3,5; 4,3 и 7,6 г/см3 - плотности рыхло-каменных, каменных, железокаменных или железных метеороидов соответственно.

7. Коэффициент лобового сопротивления частицы Сх.

Для метеороидной экспериментальной баллистики важно знать коэффициент лобового сопротивления Сх частицы, тела или пылинки при прохождении сквозь аэрогельную прокладку калиброванной толщины и постоянной плотности и пленки PVDF. Этот коэффициент можно оценить по формуле:

Сх=4 mS·(wS1-wS2)/(ρАГ·SS·(wS1+wS2)·L),

где ρАГ=1,3 кг/м3 - плотность аэрогельной прокладки;

SS - площадь миделя частицы, выбирается из определенного объема частицы WS и исходя из инженерных соображений;

L - ширина мерной базы датчика модуля, известная конструктивная величина.

В заключение еще раз отметим, что предлагаемая конструкция датчика направлена на достижение технического результата, заключающегося в комплексной пространственной регистрации воздействия метеороидно-техногенных тел, межзвездной и межпланетной пыли на космический аппарат и измерения их параметров.

Библиографический список

1. Р.З.Сагдеев, Е.Н.Евланов, Б.В.Зубков и др. Пылевая оболочка кометы Галлея по данным прибора ПУМА. Космические исследования, т.XXV, вып.6, 1987, стр.840-848.

2. Р.З.Сагдеев, Е.Н.Евланов, Б.В.Зубков и др. Анализ состава пылевых частиц кометы Галлея по результатам измерений прибора ПУМА в режиме нулевой моды. Там же, стр.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.580.

4. Описание и научные задачи международного проекта Венера-Галлей (1984-1986) / Отв. за подг. изд-я В.М.Балебанов, Г.А.Скуридин, Э.В.Воронцова // Международный научно-технический комитет по проекту Венера-Галлей, 1984, с.260.

5. Тулин Д.В., Клишин А.Ф., Иванов Н.Н., Ященко Б.Ю. Датчик для регистрации метеороидных и техногенных частиц, воздействующих на космический аппарат // Патент на полезную модель №95314, B64G1/68, 2010, бюл. №18.

6. Карпенко С.«Stardust» отправился за космической пылью. Новости космонавтики, том 9, №3 (194), 16 января - 12 февраля 1999, с.26-31.

1. Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат, содержащий многослойной детектор, отличающийся тем, что детектор выполнен в форме сферы, корпус которой состоит из двух соединенных друг с другом с возможностью разъединения полусферических оболочек, на каждую из которых с наружной стороны нанесено многослойное покрытие из чередующихся слоев поляризованного материала из пьезоактивной пленки и аэрогеля, включающее наружный слой покрытия, выполненный из аэрогеля и являющийся теплоизоляционным аэрогельным экраном-демпфером, два слоя гибких обкладок из поляризованного материала, снабженных гибкими электродами, разделенными калиброванной аэрогельной прокладкой, выполняющей роль мерной пролетной базы L, и внутреннюю аэрогельную подложку, соприкасающуюся одной своей поверхностью с гибкой обкладкой из поляризованного материала, а другой - с полусферической оболочкой детектора.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что его корпус выполнен из нанокомпозиционного материала, а в полусферических оболочках установлены закладные кольцевые L-образной формы фланцы с гнездами для крепления в них плоских кронштейнов с зажимами, при этом в шаровом сегменте нижней полусферической оболочки закреплен закладной полый переходник, предназначенный для подвода проводов от электродов детектора к электронному блоку и установки датчика на космическом аппарате.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что обкладки выполнены из пленки PVDF.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ракетно-космической технике и предназначено для фиксации факта ударного воздействия на космический аппарат высокоскоростных частиц, например космического мусора.

Изобретение относится к области космической техники и, в частности, к средствам и методам обеспечения безопасности полетов КА. .

Изобретение относится к средствам для исследования космического пространства, планет Солнечной системы и касается устройств для обнаружения временного и пространственного распределения твердых метеороидно-техногенных тел, межзвездной и межпланетной пыли, измерения их параметров, а также регистрации ионизирующего излучения. Бортовой измерительный модуль содержит силовой корпус, выполненный в виде сетчато-цилиндрической оболочки, соединенной торцами с полусферическими оболочками. В корпусе верхней полусферической оболочки, с наружной стороны которой нанесено многослойное покрытие из чередующихся слоев поляризованного материала из пьезоактивной пленки и аэрогеля, выполнены сквозные отверстия, в которых закреплены чувствительные элементы датчиков ионизирующего излучения. С наружной стороны корпуса нижней полусферической оболочки нанесено многослойное покрытие, образующее датчик конденсаторного типа. В месте пересечения продольной оси бортового модуля с корпусом нижней полусферической оболочки выполнено сквозное отверстие для подсоединения полого переходника, обеспечивающего установку бортового модуля на корпусе космического аппарата и защиту электрической связи. Бортовой модуль снабжен аэрогельными ловушками, размещенными в съемных открытых кюветах. Кюветы установлены во всех ячейках сетчато-цилиндрической оболочки в несколько параллельных рядов, причем не менее чем в четырех, разнесенных друг от друга на 90°. В кюветах смонтированы многослойные PVDF-аэрогельные детекторы-ловушки частиц, а в остальных кюветах, симметрично установленных относительно продольной оси бортового модуля, размещена сотовая и прямоугольная совокупность аэрогельных ловушек. Корпуса сетчато-цилиндрической и полусферических оболочек, кювет и аэрогельных ловушек выполнены из материала, стойкого к УФ-излучению. Достигается повышение информативности при измерении параметров частиц внеземного происхождения, мелкодисперсного космического мусора, ионизирующего излучения, доставка частиц и мусора на Землю. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к методам и средствам защиты космических объектов от высокоскоростных метеоритных или техногенных частиц. Способ осуществляют устройством в виде набора акустических датчиков (АКД), подключенных к измерительно-расчетному блоку, и высокочастотных антенн. Последние размещены вблизи поверхности гермоотсека, а АКД - в его объеме. При пробое корпуса объекта фиксируют моменты прихода к АКД звуковой волны, а по электромагнитным сигналам антенн - момент пробоя гермоотсека. Координаты места пробоя находят, исходя из системы уравнений, выражающих расстояния места пробоя от АКД, определяемые по указанным моментам времени. Из множества АКД выбирают четвёрки с миним. временами прихода звуковой волны. Технический результат группы изобретений направлен на уменьшение погрешности определения координат места пробоя при ограничении количества АКД. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх