ДАТЧИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ Российский патент 2023 года по МПК B64G1/68 

Изобретение относится к космической технике. Датчик для исследования параметров космических частиц может быть использован для решения научных и прикладных задач. С его помощью можно получить информацию о пространственной плотности микрометеороидов, техногенных частиц и частиц космической пыли, их распределении по скорости и направлению движения, размерам и массе. Практическая значимость датчика для решения конкретных задач может быть осуществлена при: исследовании загрязнения околоземного космического пространства; сборе информации для внесения корректировки в Национальный стандарт «Космическая среда …» [1]; разработке защиты космических аппаратов (КА) от опасного воздействия частиц; обеспечении безопасности при сопровождении КА на орбите.

Известен датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на КА [2]. Датчик 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 нанокомпозитного материала. В полусферических оболочках установлены закладные L-образные фланцы с гнездами для крепления в них плоских кронштейнов с зажимами. В нижней полусферической оболочке закреплен полый переходник, предназначенный для подвода проводов от электродов детектора к электронному блоку и установки датчика на КА.

Работа датчика осуществляется следующим образом: При подлете частица преодолевает внешний теплоизоляционный аэрогельный экран и соударяется с первой пьезоактивной обкладкой - пленкой PVDF, которая генерирует первый электрический сигнал в виде импульса, амплитуда и время которого фиксируется в соответствующем канале блока электроники. Далее частица проходит калиброванную аэрогельную прокладку, играющую роль мерной базы, пробивает вторую пьезоактивную обкладку - пленку PVDF, которая генерирует второй электрический сигнал в виде импульса, амплитуда и время которого также фиксируется в соответствующем канале блока электроники. Зная мерную базу и время на ее преодоление легко определить среднюю скорость регистрируемой частицы. Информация, полученная при расшифровке электрических импульсов, помогает оценить массу частицы, ее объем и коэффициент лобового сопротивления.

Недостатки датчика

1. Датчик не способен определять вектор скорости регистрируемых частиц.

2. В качестве мерной базы принята толщина калиброванной аэрогельной прокладки, и ее значение считается постоянной величиной. В реальности же абсолютное большинство регистрируемых частиц пересекают калиброванную аэрогельную прокладку не по нормали к поверхности, поэтому мерная база далеко не всегда совпадает с фактическими пробегами частиц.

3. В результате определяемое значение средней скорости частицы может существенно (а иногда в разы) отличаться от истинного значения. Аналогичная ситуация представляется при определении других параметров частицы с участием в расчетных зависимостях значения средней скорости.

4. Толщина аэрогельной прокладки относительно невелика, время прохождения ее частицей тоже мало, поэтому на такой мерной базе затруднительно получить достоверное значение скорости регистрируемых частиц.

Наиболее близким аналогом к заявляемому датчику для исследования параметров космических частиц, выбранным в качестве прототипа является датчик для исследования потоков метеороидных и техногенных частиц в космическом пространстве [3].

Датчик-прототип выполнен в форме куба, все грани которого являются составными детекторами, состоящими из внешних и внутренних чувствительных элементов (ЧЭ). Внешние ЧЭ изготовлены из тонкой пленки, на которую нанесено множество ячеек с токопроводящими дорожками, а внутренние ЧЭ - из объемно поляризованной пленки PVDF, дающие высокую информативность регистрируемых параметров и обеспечивающие их комплексную оценку. Мерная пролетная база определяется индивидуально для каждой частицы расстоянием между среагировавшими ячейками на разных гранях датчика, что позволяет с высокой точностью определить направление движения регистрируемой частицы (вектор скорости) и ее среднюю скорость.

Работа датчика-прототипа осуществляется следующим образом. При попадании КА в поток метеороидных и/или техногенных частиц происходит их высокоскоростное соударение с детекторами датчика. Частица последовательно пробивает внешний и внутренний ЧЭ одной грани датчика, затем - внутренний и внешний ЧЭ другой грани. При этом аппаратура регистрирует четыре сигнала, привязанных к системе бортового времени КА. По сигналам с внешних ЧЭ блок обработки сигнала с помощью контроллера выявляет координаты сработавших ячеек, определяет вектор скорости и пролетное расстояние частицы L, а имея информацию по разнице во времени зарегистрированных сигналов _Δt, рассчитывает среднюю скорость частицы (w_s)_cp=L/_Δt.

Сигналы с внутренних ЧЭ поступают в виде импульсов I_s, пропорциональных количеству движения частицы P_s, т.е. I_s~P_s. Тогда (I_s)_cp~(P_s)_cp=m_s*(w_s)_cp. Таким образом блок обработки сигнала определяет массу частицы m_s=(P_s)_cp/(w_s)_cp.

С помощью датчика-прототипа экспериментально и экспериментально-расчетным методом возможно определять и/или оценивать следующие параметры метеороидных и техногенных частиц:

1. Счетное число частиц, столкнувшихся с датчиком, с привязкой к параметрам орбиты космического аппарата и его бортовому времени.

2. Плотность потока частиц.

3. Направление движения регистрируемых в потоке частиц (вектор скорости).

4. Среднюю скорость частицы (w_s)_cp=L/_Δt.

5. Количество движения (импульс) частицы P_s.

6. Массу частицы m_s=(P_s)_ср/(w_s)_cp.

7. Объем частицы V_s=m_s/ρ, где ρ - средняя плотность частицы, о ней можно судить по [1], где для небольших (до 5 мм) каталогизированных космических объектов приводится значение ρ=2,5…2,7 г/см³.

8. Площадь миделя частицы - оценивается исходя из определенного объема частицы V_s и инженерных соображений. Кроме того оценить размер частицы можно по тому факту, что зарегистрировали ее оба ЧЭ детектора или только внутренний. При этом следует учесть, что внешний ЧЭ способен регистрировать частицы размером от 0,05…0,15 мм и выше.

Недостатки датчика:

1. Относительно невысокая чувствительность, обусловленная характеристиками внешнего ЧЭ. Наибольшее влияние при этом оказывают толщина и материал ЧЭ, затрудняющие прохождение частиц, обладающих низкой кинетической энергией. Кроме того, внешний ЧЭ не способен регистрировать частицы размером менее 0,05…0,15 мм при существующей технологии нанесения токопроводящих дорожек.

2. Прекращение функционирования ячейки внешнего ЧЭ при нарушении регистрируемой частицей целостности ее токопроводящей дорожки (т.е. ячейки являются одноразовыми).

Техническими задачами, решаемыми предполагаемым изобретением, являются:

- повышение чувствительности датчика (расширение исследуемого диапазона по размерам и энергетике регистрируемых частиц);

- повышение надежности датчика.

Решение технических задач достигается тем, что в предлагаемом датчике для исследования параметров космических частиц выполненным в форме полого куба, все грани которого являются составными детекторами, состоящими из внешних и внутренних чувствительных элементов, новым является то, что каждый чувствительный элемент содержит набор смежных параллельно размещенных в одной плоскости полос объемно поляризованной пленки PVDF, при этом полосы внешнего и внутреннего чувствительных элементов составного детектора ориентированы взаимно перпендикулярно.

Применение более чувствительного, чем у прототипа, материала для изготовления внешнего ЧЭ позволило решить первую из поставленных технических задач. Решение второй технической задачи обеспечивается тем, что после прохождения регистрируемой частицей полос объемно поляризованной пленки PVDF, они не перестают функционировать.

Сущность изобретения поясняется рисунком (фиг.). Корпус 1 датчика выполнен в виде каркаса, на одной из сторон которого установлено крепление для связи с КА с проходящими по ней гибкими информационными шлейфами (на рисунке не показаны). На каждую из сторон каркаса установлены унифицированные рамки с составным детектором 2. Внутренний 3 и внешний 4 чувствительные элементы детектора с помощью разъемов соединены с гибкими информационными шлейфами, передающими информацию к блоку электроники (на рисунке не показаны). Внешняя сторона детектора покрыта слоем пористо-волокнистого материала - аэрогеля 5 (толщиной, например, 1 мм), являющегося теплоизоляционным аэрогельным экраном-демпфером. Между ЧЭ имеется тонкий слой изолятора 6. Выполнение датчика в форме куба, все грани которого являются детекторами, позволяет исследовать широкий диапазон регистрируемых направлений встречи потоков космических частиц 7. Предложенная компоновка в виде каркаса с установленными на нем рамками детекторов обеспечивает технологичность процесса сборки датчика и его отладки в лабораторных условиях.

Внешний и внутренний ЧЭ детектора идентичны, выполнены из набора смежных параллельно размещенных в одной плоскости полос тонкой (толщиной, например, 30 мкм) и эластичной объемно поляризованной пленки PVDF, снабженных гибкими электродами. Так как полосы в этих ЧЭ расположены взаимно перпендикулярно, то места пересечения полос внешнего и внутреннего ЧЭ представляют собой своеобразные клетки - ячейки. В зависимости от того, на какой из полос внешнего и, соответственно, внутреннего ЧЭ появились электрические сигналы, определяют координаты пролета регистрируемой частицы. Точность определения координат, в большей степени, зависит от ширины используемых полос. Производство пористо-волокнистого материала - аэрогеля и поляризованной пленки PVDF в настоящее время освоено в Российской Федерации, эти перспективные материалы неоднократно применялись при проведении исследований на орбитальной станции МИР и других космических аппаратах.

Работа предлагаемого датчика осуществляется следующим образом. При попадании КА в поток метеороидных и/или техногенных и/или пылевых частиц происходит их высокоскоростное соударение с детекторами 2 датчика. Частица 7 последовательно пробивает внешний 4 и внутренний 3 ЧЭ одной грани датчика, затем - внутренний и внешний ЧЭ другой грани. При этом аппаратура регистрирует четыре сигнала, привязанных к системе бортового времени КА. По первым двум сигналам определяют, какой из детекторов отработал и координаты входа частицы. Следующие два сигнала дают координаты выхода частицы и, соответственно, отработавший детектор (грань) датчика. По координатам сработавших ячеек, с помощью блока электроники (на рисунке не показан), определяют вектор скорости и пролетное расстояние частицы L, а имея информацию по разнице во времени зарегистрированных сигналов _Δt, рассчитывают среднюю скорость частицы (w_s)_cp=L/_Δt.

Сигналы с ЧЭ поступают в виде импульсов I_s, пропорциональных количеству движения частицы P_s, т.е. I_s~P_s. Тогда (I_s)_cp~(P_s)_cp=m_s*(w_s)_cp. Таким образом определяют (оценивают) массу частицы m_s=(P_s)_cp/(w_s)_cp. Полученная информация поступает в устройство формирования группового телеметрического сигнала и передается на Землю.

Номенклатура определяемых и оцениваемых с помощью предлагаемого датчика параметров космических частиц аналогична датчику-прототипу, однако существенно расширен исследуемый диапазон в плане возможности регистрации мелкодисперсных частиц, а также частиц, обладающих низкой кинетической энергией.

Повышение надежности датчика обусловлено применением в качестве ЧЭ полос объемно поляризованной пленки PVDF, которые, в отличие от одноразовых ячеек с токопроводящими дорожками датчика-прототипа, сохраняют способность к повторной регистрации космических частиц.

Необходимо указать, что датчик должен пройти предварительную экспериментальную отработку на баллистическом стенде на предмет воздействия высокоскоростных частиц с построением градуировочных зависимостей. Для охвата полного диапазона пространственной регистрации частиц, целесообразно размещение двух датчиков с разных сторон КА. В заявляемом датчике герметичность его внутреннего объема по отношению к внешней среде - космосу не требуется. Напротив, пролет мерной базы частицей в естественных для нее условиях способствует повышению точности измерений.

Библиографический список

1. Национальный стандарт Российской Федерации. Космическая среда (естественная и искусственная). ГОСТ Р 25645.167-2005 // М. Стандартинформ, 2005, с. 41.

2. Пат. 2457986 РФ, МПК B64G 1/68. Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат / Н.Н. Иванов, А.Н. Иванов. - №2011114041/11; заявлено 12.04.2011; опубл. 10.08.2012, Бюл. №22.

3. Пат. 2618962 РФ, МПК G01R 19/00. Датчик для исследования потоков метеороидных и техногенных частиц в космическом пространстве / П.С. Гончаров [и др.]. - №2016108570; заявлено 09.03.2016; опубл. 11.05.2017, Бюл. №14.

Изобретение относится к космической технике. Датчик для исследования параметров космических частиц содержит корпус, выполненный в форме полого куба, все грани которого являются составными детекторами, состоящими из внешних и внутренних чувствительных элементов. Каждый чувствительный элемент содержит набор смежных, параллельно размещенных в одной плоскости полос объемно поляризованной пленки PVDF. При этом полосы внешнего и внутреннего чувствительных элементов составного детектора ориентированы взаимно перпендикулярно. Корпус датчика выполнен в виде каркаса, на одной из сторон которого установлено крепление для связи с космическим аппаратом с проходящими по ней гибкими информационными шлейфами. Чувствительные элементы детекторов с помощью разъемов соединены с упомянутыми гибкими информационными шлейфами, выполненными с возможностью передачи информации к блоку электроники КА. Повышается чувствительность датчика при использовании. 1 ил.

Датчик для исследования параметров космических частиц, содержащий корпус, выполненный в форме полого куба, все грани которого являются составными детекторами, состоящими из внешних и внутренних чувствительных элементов, отличающийся тем, что каждый чувствительный элемент содержит набор смежных, параллельно размещенных в одной плоскости полос объемно поляризованной пленки PVDF, при этом полосы внешнего и внутреннего чувствительных элементов составного детектора ориентированы взаимно перпендикулярно, при этом корпус датчика выполнен в виде каркаса, на одной из сторон которого установлено крепление для связи с космическим аппаратом с проходящими по ней гибкими информационными шлейфами, а внешние и внутренние чувствительные элементы детекторов с помощью разъемов соединены с упомянутыми гибкими информационными шлейфами, выполненными с возможностью передачи информации к блоку электроники КА.