ДЕТЕКТОР КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ Российский патент 1999 года по МПК G01T1/34 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для исследования степени и характера загрязнения космического пространства техногенными и микрометеороидными частицами.

Известно, что в настоящее время на околоземных орбитах находится значительное количество техногенных частиц, образовавшихся в результате эксплуатации космических средств (фрагментов КЛА, отделяемые элементы, микрочастицы, образованные в результате подрыва космических объектов и т.д.), которые совместно с микрометеороидами оказывают разрушительное действие на функционирование КЛА. Некоторые сведения о параметрах, количестве и плотности распределения указанных частиц были получены с помощью наземных станций слежения, не позволяющих, однако, получать сведения о мелких частицах (< 1^oC10 см), являющихся в основном главным источником загрязнения космического пространства (Дж.П. Лофтус-мл. и др. Загрязнение космического пространства. -Аэрокосмическая техника, N 1, 1989).

Известен КЛА серии "Пегас 1,2,3" (Clifton S., Naumann R. Pegasus satellite measurements of meteoroid penetration. Feb. 11 - Dec.31. 1965) - NASA, Techn. Mem. TMX - 1216, 1966), содержащий раскрываемую оболочку (поверхность) в качестве детектора как регистратора факта пробивания поверхности техногенными и микрометеороидными частицами (Леваневский В.И. Механика космического полета. - М., 1980, с. 158).

На указанных КЛА серии "Пегас" были установлены конденсаторные пленочные структуры (МДМ-структуры), регистрирующие лишь факт взаимодействия частиц с преградой (C.T.D Aiatovo et al. Astrophys. 1977, 11. p.239).

При этом характеристики частицы (скорость, масса, плотность) здесь не могут быть определены, что является существенным недостатком подобных детекторов.

Более совершенным по информационным возможностям является детектор ионизационного типа полусферической формы, измеряющий скорость и массу частицы при априори заданной плотности (Dietzel Н. Et al. The Heos 2 and Helios micrometeoroid experiments. I. Phvs. Sei. Instrum. 1973, 6, 3, p.207-217).

Площадь чувствительной поверхности такого детектора составляет □ 200-300 см², причем необходима защита его от влияния факторов космической среды (ионов, протонов, электронов и т.д.).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному детектору является выбранное в качестве прототипа устройство для определения параметров пылевых частиц - скорости и массы, плотности (Патент России N 2050008, от 10 декабря 1995 г. Детектор микрометеоритных и техногенных частиц. Семкин Н.Д. ).

В качестве такого устройства используется ионизационно-конденсаторный детектор сферической формы, являющийся совместно с обслуживающей аппаратурой автономным прибором (космическим аппаратом) и содержащий сферическую тонкопленочную мишень, приемник ионов в виде пленочной сферы, расположенной внутри внешней сферы (мишени), причем для наддува внешней и внутренней сфер используется резервуар с газом, а на поверхности внешней сферы расположены сварочные газонаполненные швы. Приемник ионов соединен с блоком измерения физических параметров частицы.

Недостатком ионизационно-конденсаторного детектора сферической конструкции является отсутствие возможности определения элементного состава частицы, невозможность регистрации мелких частиц (< 5-7 мкм), низкая точность определения вектора скорости, массы частицы, низкая надежность функционирования детектора.

Задачей изобретения является повышение информативности детектора, чувствительности по массе, точности определения вектора скорости, массы частицы, надежности функционирования детектора.

Поставленная задача достигается тем, что в детекторе космической пыли, содержащем приемник ионов из органической пленки с односторонней металлизацией и мишень из пленки металл-диэлектрик-металл в виде двух концентрических оболочек сферической формы, резервуар с газом, блок измерения физических параметров частицы, согласно изобретению выход усилителя приемника ионов соединен с блоком измерения элементного состава частицы, конденсаторные датчики соединены с коммутатором и блоком измерения физических параметров частицы, в центре внутренней сферы детектора установлены феррозондовые датчики, на поверхности трех газонаполненных сварочных швов, расположенных на внешней сфере под углом 90^o, относительно друг друга, нанесены металлические пленки, соединенные с блоком стабилизации, на части поверхности внешней сферы установлены пленочные элементы фотоэлектрических преобразователей и антенны радиотелеметрической системы, на внешней поверхности внутренней сферы выполнены два газонаполненных сварочных шва, установленные под углом 90^o относительно друг друга, внутренняя и внешняя сферы соединены между собой шестью пленочными кабелями, соединенными со сварочными швами внешней сферы и электромеханическим переключателем натекателя, соединенного с газовым резервуаром, на внутренней поверхности внешней сферы установлены термопарный и ионизационный датчики, соединенные с блоком измерения давления, коммутатор конденсаторных датчиков соединен с блоком контроля сферичности внешней сферы детектора, три сварочных шва внешней среды, выходы феррозондовых датчиков соединены с блоком стабилизации детектора, на внутренней поверхности внешней и внутренней сфер установлены нити накала, соединенные со схемой прожига пленок, блок измерения элементного состава частицы содержит умножитель, генератор функций стробов, интеграторы, усилители, причем входы умножителей соединены с выходом приемника ионов, другие их входы соединены с выходами генератора стробов, выходы умножителей соединены со входами интеграторов, выходы интеграторов соединены со входами усилителей.

На фиг. 1 изображен общий вид детектора совместно с научной и обслуживающей аппаратурой; на фиг.2 - блок измерения элементного состава частицы; на фиг.3 - генератор функций стробов; на фиг.4 - зависимость импульсов тока от массы ионов; на фиг.5 - зависимость разрешающей способности детектора от массы элемента; на фиг. 6 - блок контроля сферичности детектора; на фиг.7 - схематическое изображение системы стабилизации детектора; на фиг.8 - внешний вид детектора частиц.

Детектор микрометеоритных и техногенных частиц содержит датчики ионизационного и конденсаторного типов. Конденсаторные датчики выполнены в виде секций, составляющих внешнюю сферу 1 (фиг.1). Приемник ионов 2 выполнен в виде органической пленки толщиной 20 мкм с односторонней металлизацией.

На внешней поверхности внешней и внутренней сфер расположены газонаполненные сварочные швы 3 и 4. Сварочные швы 4 внутренней сферы соединены шестью пленочными кабелями 5 со сварочными швами внешней сферы 3.

Внутренние объемы внешней и внутренней сфер, а также один из пленочных кабелей 5 соединены пленочными кабелями 6 с электромеханическим переключателем 7 натекателя 8, соединенного с газовым баллоном 9. Другой вход электромеханического переключателя 7 соединен с выходом устройства временного разделения напуска 10.

Металлическая обкладка внутренней сферы приемника ионов 2 соединена со входом зарядочувствительного усилителя 11, выходы усилителя приемника ионов 11 соединены с блоком измерения элементного состава частицы.

Выходы конденсаторов C₁. . . C_n (МДМ-структур), выполненных на внешней сфере, соединены с коммутатором 14, выход которого соединен со входом блока измерения физических параметров частиц 15. Выходы блока 15 соединены со входом блока определения начала процесса взаимодействия частицы с конденсаторами сквозного пробоя 16. Выходы блоков 15 и 16 соединены со входами блока запоминания и предварительной обработки информации 17, выходы которого соединены со входами телеметрического устройства 18, а его выход соединен со входом передатчика 19. Второй выход коммутатора 14 соединен с одним из входов блока контроля сферичности внешней сферы детектора 20, выход которого соединен со входом блока предварительной обработки информации 17. Сварочные швы (1, 2, 3 фиг.1) и феррозондовые датчики 21 соединены с блоком стабилизации детектора 22. Термопарный 23 и ионизационный 24 датчики соединены с блоком измерения давления 25. Нити накала 26 и 27 соединены со схемой прожига пленок 28. Блоки 8, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 25, 28 соединены с блоком управления системами и обработки информации 29 (бортовая ЭВМ).

Детектор частиц функционирует следующим образом. После вывода детектора с орбиты (300 км) на орбиту 800 км от земли производится раскрытие внешней и внутренней сферы путем подачи команды от ЭВМ (блок 29) на блоки 8 и 10 (натекатель и устройство временного разделения напуска). Газ из баллона 9 через электромеханический переключатель 7 и пленочные кабели 6 поступает в объемы внутренней и внешней сферы.

С помощью датчиков давления 25 обеспечивается необходимый рабочий диапазон давлений внутри детектора (10^-6 - 5 • 10^-5 мм рт.ст.). Диапазон давлений выбран исходя из условий обеспечения работы ионизационного датчика и сохранения формы, прочности внешней и внутренней сферы.

Для выпуска газа из детектора на поверхностях внешней и внутренней сферы располагаются нити накала 26 и 27, которые пережигают пленку с помощью схемы прожига 28 и образуют отверстия.

Измерение энергии частиц (блок 15), не пробивающих внешнюю сферу 1 (не вызывающих ее сквозного пробоя), производится следующим образом. При соударении частиц с размером, существенно меньшим толщины пленки внешней сферы 1 (например, диаметр частицы < 5-6 мкм и скорость 5-25 км/с при толщине пленки 20 мкм), последняя не пробивается, однако ударные волны, инициированные высокоскоростным соударением изменяют электропроводность ударно-сжатой МДМ-структуры на несколько порядков и более. Конденсатор разряжается через ударно-сжатый канал в течение времени взаимодействия и распространения ударных волн по объему диэлектрика. В результате на выходе блока образуется импульс напряжения, амплитуда которого является функцией массы и скорости частицы, а также конструктивных параметров МДМ-структуры. Чувствительность пленочных ударно-сжатых МДМ-структур по массе частицы составляет 10^-11 - 5 • 10^-11 г в диапазоне скоростей 5-30 км/с, тогда как в прототипе регистрируются частицы, пробивающие МДМ-структуру и вызывающие ее закорачивание (m □ 10^-9 г), при этом информация с пробитого конденсатора о параметрах частицы не содержится, а фиксируется лишь пробой, использующийся в качестве начала процесса в ионизационном датчике. Таким образом, чувствительность детектора по массе частицы выше чувствительности прототипа на порядок и к тому же регистрируется не факт пробоя, а осуществляется измерение энергии частицы более мелких размеров (Семкин Н.Д. Исследование характеристик конденсаторного датчика для регистрации твердых частиц с помощью импульсного лазера. - Изв. Вузов СССР. Сер. Приборостроение, 1986, т. XXIX - N 8, с. 60-64).

В отличие от прототипа в данное устройство введен блок измерения элементного состава частиц 13.

При пробое МДМ-структуры частицей образуется плазма, ионы которой ускоряются напряжением 400-500 В в промежутке мишень (внешняя сфера) - приемник ионов (внутренняя сфера). В процессе разлета плазмы происходит разделение ионов по массам. Время пролета ионов с мишени 1 к приемнику 2 рассчитывается в соответствии с полученными выражениями (см. Balakin V.L., Semkin N.D. at al. Perspectives of inflatable film structures usage for space debris and micrometeoroids unvestigation. Proceedings of fourth Ukraine- Russia-China symposium of space science and technology. V.II Sept. 12-17, 1996).

Блок-схема измерения элементного состава частиц (блок 13) приведена на фиг. 2. Схема измерения спектра ионных импульсов реализует помехозащищенный алгоритм вида (Бочкарев В. А., Семкин Н.Д., Юсупов Г. Я. Устройства для определения химического состава пылевых частиц. - Метрология, 1988, N 1, с. 50-58)

где x(t) - сигнал (ионный импульс на выходе вторично-электронного умножителя)
n(t) - нормальный белый шум со спектральной плотностью N₀/2;
полезный сигнал, несущий информацию о векторе параметров

где a_k - неизвестная амплитуда k-го импульса;
N - число импульсов в спектре ионов;
t_k - момент появления k-го импульса;
τ_и - длительность сигнала S(t) на нулевом уровне.

В соответствии с оценкой являющейся несмещенной, устройство оптимального измерителя вектора содержит умножители 30 (фиг.2), интеграторы 31, усилители 32 с K_ус= 8τ_и/π², генератор функций стробов 33 s(t-t_k), k = 1, 2...N. Практически для упрощения реализации функции s(t-t_k) аппроксимируются прямоугольными импульсами длительностью τ_и+Δ, где Δ - запас, учитывающий нестабильность момента t_k. Упрощенный алгоритм имеет вид

где

A - константа, определяемая из условия несмещенности оценки
На фиг. 3 показана блок-схема генератора функций стробов. Схема формирования стробов (фиг. 3) содержит генератор 34, счетчик 35, дешифратор 36, сумматор 37, формирователь 38. Схема на одном счетчике считает импульсы на всем периоде измерений. Дешифратор на 70 элементов (а.е.м.) в нужные моменты времени t₁...t₇₀ выделяет импульсы. Все 70 элементов суммируются и поступают на формирователь. Усиленные с приемника ионов 2 импульсы подаются в блок 13 (схема измерения элементного состава частиц, реализация которой изображена на рис 2.).

В блоке 12 (фиг. 1) пачка импульсов интегрируется и производится измерение физических параметров частицы в соответствии с алгоритмом, описанным в прототипе. Зависимость токовых импульсов с выхода блока 13 (фиг. 1) как функции времени для различных масс элементов и разрешающая способность детектора (в режиме масс- спектрометра) соответственно изображены на фиг.4 и 3.

Таким образом, в отличие от прототипа в данном устройстве измеряется элементный состав частицы, что повышает информативность устройства.

Процесс определения физических характеристик и элементного состава частиц включает измерение суммарного ионного импульса, положения его на временной оси, времени прихода ионных импульсов тока (спектра, при измерении элементного состава) и их амплитудных значений. В измеряемые алгоритмы наряду с параметрами частицы входят конструктивные параметры детектора - расстояние от мишени до приемника, геометрия приемника, конфигурация детектора.

В процессе функционирования детектора в космических условиях под воздействием набегающих потоков, разности давления внутри и вне детектора внешняя сфера может деформироваться, т.е. нарушается ее сферичность, что влияет на точность измерения времени прихода в приемник ионных импульсов.

Предложенная система контроля сферичности внешней сферы (блок 20, фиг. 1) совместно с блоками измерения давления и блоками 7-10, 29 в значительной степени устраняют недостаток прототипа. На фиг.6 изображена схема, поясняющая работу блока коммутации 14 и блока контроля сферичности внешней сферы детектора 20. Блок-схема (фиг.6) содержит 4 коммутатора 39, мостовые схемы 40, коммутатор 41, блок измерения физических параметров 42, устройство определения сквозного пробоя 43.

Схема (фиг.6) работает после каждого взаимодействия частицы с детектором (при условии, что частица пробивает МДМ-структуры внешней сферы).

Блок 14 непрерывно коммутирует с помощью коммутатора 41 (фиг.6) последовательно все конденсаторы, расположенные на внешней сфере. Частота коммутации выбирается такой, чтобы время опроса всех конденсаторов было намного меньше, чем время заряда восстанавливаемого после удара конденсатора. В этом случае, во-первых, фиксируется (или измеряется в случае ударно-сжатого конденсатора) ударное воздействие, во-вторых, амплитуда регистрируемого на этапе заряда конденсатора напряжения незначительно отличается от максимальной амплитуды, соответствующей моменту окончания разряда конденсатора в процессе взаимодействия через "закорачивающую перемычку". Коммутатор 41 (фиг.6) соединен с блоком измерения физических параметров частицы 42 в случае ударно-сжатого конденсатора и при сквозном пробое информация поступает в устройство определения сквозного пробоя 43.

После окончания процесса измерения параметров частицы каждый из четырех коммутаторов 39 (фиг. 6) соединяет все конденсаторы, общая площадь которых составляет 1/4 площади внешней сферы, таким образом вся площадь внешней сферы разбивается на четыре сектора. Емкость каждого сектора относительно внутренней сферы составляет 1/4 емкости внешней сферы. Каждые две пары диаметрально противолежащих секторов включаются в соответствующие мостовые схемы 40.

Выходы мостов подключены к устройству определения разности их напряжений, величина которой пропорциональна изменению емкости двух противоположных секторов, т.е. величина изменения сферичности
.

Разность напряжения с выхода двух мостовых схем стремится к нулю при минимальном отклонении детектора от сферической формы, т.е. радиус R внешней сферы равен заданному значению. Изменения R учитываются при обработке информации.

При измерении вектора скорости частицы и сохранении его точности, определяемой геометрией конденсатора (его площадью) и диаметром внешней сферы, необходимо дополнительное условие - стабилизация детектора в пространстве. Без учета этого точность определения вектора скорости частицы находится в пределах ± 4.5^o - величина телесного угла, при h_k = 1 м и D = 10 м, где h_k - размер конденсатора, D - диаметр внешней сферы.

С целью сохранения точности измерения вектора скорости частицы, а точнее устранения погрешности от влияния космической среды, в устройство введен блок стабилизации детектора в пространстве. Осуществление стабилизации детектора по силовым линиям магнитного поля Земли в данном случае основано на использовании трех сварочных швов, расположенных под углом 90^o относительно друг друга на поверхности внешней сферы, на которых нанесены металлические покрытия, соединенные с блоком обработки 46 (фиг.7). Для измерения угловых скоростей по трем координатам в центре внутренней сферы установлены феррозондовые датчики 21, соединенные с вычислителем 47 (блока стабилизации детектора (рис. 1)). На один из сварочных швов (на его металлическое покрытие) подается ток величиной 100-200 мА, а на два других подаются импульсы тока, заданные по времени и амплитуде. В установившемся режиме ось детектора, совпадающая с магнитными силовыми линиями, будет совершать колебания в пределах расчетных значений ± 8^o. Дальнейшее уменьшение угловых перемещений требует увеличения энергии потребления. Информация с блока стабилизации 22 детектора поступает в блок 29 после каждого ударного взаимодействия частицы с детектором. Таким образом, точность определения вектора скорости частицы определяется в большей степени точностью стабилизации детектора в пространстве, тогда как в прототипе производится лишь оценка вектора скорости частицы. На фиг. 8 изображен общий вид детектора, где 48 - двигатель, 49 - антенные телеметрические системы, 50 - пленочная солнечная батарея, С₁ - С_m - С_n МДМ-структура.

С помощью предлагаемого устройства становятся возможным регистрация и измерения параметров частиц размерами менее 2-4 мкм в диапазоне 10-40 км/с, частиц более 8-10 мкм в диапазоне 0.5-40 км/с и измерение элементного состава при скоростях свыше 5-10 км/с.

В настоящее время изготовлен макет детектора диаметром 45 см для проведения ударных экспериментов.

Использование: в космической технике для исследования степени и характера загрязнения космического пространства техногенными и микрометеороидными частицами. Сущность изобретения: в детекторе космической пыли, содержащем приемник ионов и мишень в виде двух концентрических оболочек из пленки металл - диэлектрик - металл сферической формы, резервуар с газом, блок измерения физических параметров частицы, дополнительно введены блок измерения элементного состава частицы, коммутаторы конденсаторных датчиков, феррозондовые датчики, блок стабилизации детектора, пленочные элементы фотоэлектрических преобразователей, термопарный и ионизационный датчики давления, нити накала, схема прожига пленок, выход усилителя приемника ионов соединен с блоком измерения элементного состава частицы, конденсаторные датчики соединены с коммутатором и блоком измерения физических параметров частицы, в центре внутренней сферы детектора установлены феррозондовые датчики, на поверхности трех газонаполненных сварочных швов нанесены металлические пленки, соединенные с блоком стабилизации детектора, на части поверхности внешней сферы установлены пленочные элементы фотоэлектрических преобразователей и антенны радиотелеметрической системы, на внешней поверхности внутренней сферы выполнены два газонаполненных сварочных шва, на внутренней поверхности внешней сферы установлены термопарный и ионизационный датчики, соединенные с блоком измерения давления, коммутатор конденсаторных датчиков соединен с блоком контроля сферичности внешней сферы, выходы феррозондовых датчиков соединены с блоком стабилизации детектора, на внутренней поверхности внешней и внутренней сфер установлены нити накала, соединенные со схемой прожига пленок. Техническим результатом является повышение информативности детектора, чувствительности по массе, точности определения вектора скорости, массы частицы, надежности функционирования детектора. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Детектор космической пыли, содержащий приемник ионов из органической пленки с односторонней металлизацией и мишень из пленки металл-диэлектрик-металл, выполненных в виде двух концентрических оболочек сферической формы, резервуар с газом, блок измерения физических параметров частицы, усилитель приемника ионов, отличающийся тем, что введены блок измерения элементного состава частицы, коммутаторы конденсаторных датчиков, феррозондовые датчики, три газонаполненных сварочных шва внешней оболочки, блок стабилизации детектора, пленочные элементы фотоэлектрических преобразователей, антенны радиотелеметрической системы, два газонаполненных сварочных шва внутренней сферы, шесть пленочных кабелей, электромеханический переключатель натекателя, термопарный и ионизационный датчики давления, нити накала, схема прожига пленок, выход усилителя приемника ионов соединен с блоком измерения элементного состава частицы, конденсаторные датчики соединены с коммутатором и блоком измерения физических параметров частицы, в центре внутренней сферы детектора установлены феррозондовые датчики, на поверхности трех газонаполненных сварочных швов, расположенных на внешней сфере под углом 90^o друг к другу,
нанесены металлические пленки, соединенные с блоком стабилизации детектора, на части поверхности внешней сферы установлены пленочные элементы фотоэлектрических преобразователей и антенны радиотелеметрической системы, на внешней поверхности внутренней сферы выполнены два газонаполненных сварочных шва, установленные под углом 90^o друг к другу, внутренняя и внешняя сферы соединены между собой шестью пленочными кабелями, соединенными со сварочными швами внешней сферы и электромеханическим переключателем натекателя, соединенного с газовым резервуаром, на внутренней поверхности внешней сферы установлены термопарный и ионизационный датчики, соединенные с блоком измерения давления, коммутатор конденсаторных датчиков соединен с блоком контроля сферичности внешней сферы, выходы феррозондовых датчиков - с блоком стабилизации детектора, на внутренней поверхности внешней и внутренней сфер установлены нити накала, соединенные со схемой прожига пленок. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что блок измерения элементного состава содержит умножители, генератор функций стробов, интеграторы, усилители, причем входы умножителей соединены с выходом приемника ионов, другие их входы соединены с выходами генератора стробов, выходы умножителей - с входами интеграторов, выходы интеграторов - с входами усилителей.