Блок полезной нагрузки для исследования явления контаминации внутри приборов спутников стандарта CubeSat Российский патент 2023 года по МПК B64G1/66 G01B17/02 

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для проведения научных исследований внутри приборов спутников стандарта CubeSat. Устройство позволяет осуществлять исследование явления контаминации, проявляющегося в виде образований тонких пленок сублимированных веществ на поверхности компонентов приборов.

Наиболее чувствительными к контаминации являются поверхности оптических приборов. Пленки контаминантов толщиной всего лишь в несколько десятков нанометров существенно ухудшают пропускную способность оптики. Поэтому одной из важных задач при исследовании контаминации является измерение толщины пленки сублимированных веществ на поверхности компонентов оптических приборов за определенный промежуток времени.

Из уровня техники известны разные способы измерения толщины тонких пленок. Так, в RU 2727762 предлагается для измерения их толщины применять метод атомно-силовой микроскопии, регистрацию аналитических сигналов от элементов пленки и подложки, построение градуировочной зависимости ослабления сигнала от элемента-маркера, входящего только в состав подложки, от толщины нанесенной пленки. В RU 2672820 предлагается осуществлять измерение толщины тонких полимерных пленок путем анализа диэлектрических характеристик образцов и их зависимостей от толщины с использованием линейной зависимости температуры смены характера проводимости от толщины пленок ПДФ (температура, при которой меняется характер проводимости диэлектрика, уменьшается с ростом толщины полимерной пленки). В RU 2641639 предлагается измерять толщину тонких прозрачных пленок бесконтактным способом с помощью интерферометра.

Описанные выше способы измерения толщины пленок либо не являются универсальными, поскольку рассчитаны на измерение толщины определенных по свойствам пленок (полимерных, прозрачных, диэлектрических), либо требуют использования громоздкой аппаратуры (атомно-силовой микроскоп, интерферометр и т.п.), которую сложно разместить на спутниках стандарта CubeSat.

В RU 180725 для измерения толщины пленок предлагается применять высокотемпературный масс-чувствительный элемент для пьезорезонансных датчиков, который преобразует неэлектрические физические величины в электрические сигналы. Достоинствами такого датчика и его аналогов являются малые размеры, безинерционность и пассивный принцип действия (не требуется внешний источник электрической энергии). В основе работы масс-чувствительных элементов для пьезорезонансных чувствительных датчиков лежит обратный пьезоэлектрический эффект, который заключается в преобразовании электрического напряжения подводимого к электродам, расположенным на противоположных поверхностях пьезоэлектрической пластины, в механические деформации пластины. Принцип работы пьезорезонансного масс-чувствительного элемента основан на зависимости собственной резонансной частоты механических колебаний чувствительного элемента от величины, присоединяемой к его поверхности массы вещества, причем относительное изменение собственной резонансной частоты механических колебаний чувствительного элемента пропорционально относительному изменению массы чувствительного элемента. Изменение массы чувствительного элемента в течение процесса нанесения пленок материалов приводит к изменению его резонансной частоты, что обеспечивает возможность расчета толщины нанесенной пленки и скорости ее нанесения при известной плотности материала пленки. В RU 180725, не смотря на подробное описание принципа работы массы чувствительного элемента, не дается детальное описание прибора, в котором будет использоваться предлагаемый масс-чувствительный элемент. Пример реализации такого прибора рассмотрен в справочнике Майссела Л., Глэнга Р. «Технология тонких пленок. Том 1» (перевод с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко - М.: "Сов. Радио", 1977, 664 с.). Построен он на основе сравнения частоты сигнала получаемого от эталонного генератора, с частотой сигнала, получаемого от измерительного генератора, в цепь которого включен пьезорезонансный датчик, используемый в качестве масс-чувствительного элемента. Следует отметить, что прибор, предлагаемый в источнике, выполнен на основе устаревшей элементной базы.

Ближайшим аналогом изобретения является универсальный блок полезной нагрузки для наноспутников формата CubeSat из RU 2764047, состоящий из модуля датчиков и образцов, установленного снаружи корпуса наноспутника на панеле крепления, и связанного с ним аналитического модуля, установленного внутри корпуса наноспутника по стандарту PC/104, включающий микроконтроллер, связанный прямой и обратной связями с бортовым компьютером (БК), мультиплексором и входным усилителем, постоянным запоминающим устройством, а также часами реального времени и источником опорного напряжения, выходы которых связаны со входами микроконтроллера, сам микроконтроллер дополнительно связан прямой и обратной связями со вспомогательным микроконтроллером, который, в свою очередь, связан прямой и обратной связями с дополнительным постоянным запоминающим устройством, а бортовой компьютер дополнительно связан прямой и обратной связями с приемно-передающим устройством и модулем питания, причем выход последнего связан со входом источника опорного напряжения. Универсальный блок полезной нагрузки предназначен для исследования разработчиками полупроводниковых приборов влияния факторов космического пространства на электрические свойства приборов микро- и нано- электроники на околоземных орбитах без возврата их на Землю.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании блока полезной нагрузки для спутников стандарта CubeSat, позволяющего осуществлять исследование явления контаминации путем определения толщины пленки сублимированных веществ (контаминантов) на поверхностях внутри приборов, в течение заданного интервала времени. Устройство должно отвечать требованиям компактности и эффективности проводимых измерений, выполнено на основе современной приборной базы.

Необходимость решения такой технической проблемы продиктована тем, что у используемых на борту спутников приборов, особенно оптических, из-за контаминации происходит необратимое ухудшение их свойств. Так, о серьезности данной проблемы говорится в статье «Особенности разработки и использования аппаратуры для проведения космических экспериментов в ВУФ диапазоне спектра» / Кузин, С.А. // Труды школы молодых ученых «Современная рентгеновская оптика - 2022» (Нижний Новгород, 19-22 сентября 2022 г.), С.38.

В предлагаемом нами изобретении исследование воздействия явления контаминации на компоненты приборов спутников осуществляется непосредственно в космосе, т.е. является натурным.

Устройство состоит из двух модулей, выполненных на отдельных платах. Больший по размеру, аналитический модуль, содержит систему управления, анализа и взаимодействия с пьезорезонансным датчиком. Меньший по размеру модуль содержит пьезорезонансный датчик, который подключается к первому модулю коаксиальным кабелем.

Отличие от ближайшего аналога заключается:

1. В состав аналитического модуля включены два генератора: измерительный - к нему подключается открытый кварцевый резонатор, выступающий в роли пьезорезонансного датчика, и эталонный - к нему подключается изолированный кварцевый резонатор.

2. Пьезорезонансный датчик размещается внутри корпуса прибора исследуемого на контаминацию.

3. Для первичной обработки сигналов от генераторов используется смеситель.

Сущность изобретения заключается в том, что блок полезной нагрузки для исследования явления контаминации внутри приборов спутников стандарта CubeSat включает в себя модуль пьезорезонансного датчика, размещаемый в корпусе прибора, исследуемого на контаминацию. Пьезорезонансный датчик, представляющий из себя открытый кварцевый резонатор, подключается экранированным кабелем к измерительному генератору, входящему в состав аналитического модуля, выполненного по размерам (ширина и длина) принятым в спецификации PC/104 для спутников стандарта CubeSat. В аналитический модуль помимо измерительного генератора входит эталонный генератор, подключенным к кварцевому резонатору, изолированному от внешних воздействий собственным корпусом. Сигналы от измерительного генератора и от эталонного генератора поступают на смеситель, а затем на обработку в микроконтроллер, также входящие с состав аналитического модуля полезной нагрузки. Микроконтроллер соединен и взаимодействует с постоянным запоминающим устройством, часами реального времени и источником опорного напряжения. Для связи с бортовым компьютером используется интерфейс связи.

В данной полезной нагрузке применяются: кварцевые резонаторы (пьезорезонансный датчик и резонатор в составе эталонного генератора) с рабочей частотой 6 МГц; смеситель сигналов; 32-разрядный микроконтроллер серии STM32 для обработки данных; постоянное запоминающее устройство для хранения полученных данных объемом 512 Кбит (64К x 8); часы реального времени для маркирования и синхронизации измерений; источник опорного напряжения для обеспечения точности измерений; интерфейс связи, поддерживающий протоколы UART, SPI, I2C.

Устройство представлено на следующих чертежах:

фиг. 1 - Структурная схема блока полезной нагрузки для исследования явления контаминации;

фиг. 2 - Вид лабораторного прототипа: аналитический модуль (больший по размеру) и модуль пьезорезонансного датчика (меньший по размеру) блока полезной нагрузки для исследования явления контаминации.

Структурная схема (см. фиг. 1) определяет основные функциональные части устройства, их назначение и взаимосвязи. Принятые сокращения на структурной схеме: П - пьезорезонансного датчика модуль, ему присвоен номер 1; ПН - полезной нагрузки основная часть - аналитический модуль, ему присвоен номер 2; КА - космический аппарат стандарта CubeSat, ему присвоен номер 3.

На виде лабораторного прототипа (см. фиг. 2) аналитический модуль (больший по размеру) помечен цифрой 2, в соответствии со структурной схемой, а модуль пьезорезонансного датчика (меньший по размеру) - цифрой 1. Тестирование лабораторного прототипа осуществляется в высоковакуумной камере.

Устройство работает следующим образом.

Модуль с пьезорезонансным датчиком, представляющим из себя открытый кварцевый резонатор, размещается в корпусе прибора, исследуемого на контаминацию. Экранированным кабелем пьезорезонансный датчик подключается к измерительному генератору в составе аналитического модуля. Изменение массы пьезорезонансного датчика в результате осаждения на него контаминантов с течением времени, приводит к изменению его резонансной частоты, в результате чего изменяется частота сигнала измерительного генератора. Сигнал от него и эталонного генератора через смеситель поступают в микроконтроллер, запрограммированный с учетом значений плотности материалов корпуса и внутренних деталей исследуемого на контаминацию прибора. Далее микроконтроллер рассчитывает толщину слоя контаминантов, полученные значения маркируются данными часов реального времени, и сохраняются в постоянное запоминающее устройство до запроса от бортового компьютера с целью передачи их на Землю.

Технический результат использования изобретения заключается в том, что позволяет на платформе наноспутников формата CubeSat осуществлять натурные исследование явления контаминации внутри приборов чувствительных к образованию пленок сублимированных веществ с течением времени.

Список использованных источников:

1. Патент № 2727762.

2. Патент № 2672820.

3. Патент № 2641639.

4. Патент № 180725.

5. Майссел Л., Глэнг Р. Технология тонких пленок. Справочник. Том 1 / Перевод с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко - М.: "Сов. Радио", 1977, 664 с.

6. Патент № 2764047.

7. Кузин, С.А. Особенности разработки и использования аппаратуры для проведения космических экспериментов в ВУФ диапазоне спектра / Труды школы молодых ученых «Современная рентгеновская оптика - 2022» (Нижний Новгород, 19-22 сентября 2022 г.), С.38.

Изобретение относится к ракетно-космической области, в частности к исследовательским приборам спутников. Блок полезной нагрузки для исследования явления контаминации внутри приборов спутников стандарта CubeSat содержит аналитический модуль, микроконтроллер, бортовой компьютер, запоминающее устройство, часы реального времени, источник опорного напряжения. Для определения толщины плёнки контаминантов используется пьезорезонансный датчик на основе открытого кварцевого резонатора, помещаемого в корпус исследуемого прибора. Датчик соединён коаксиальным кабелем с измерительным генератором, сигнал от которого сравнивается с сигналом от эталонного генератора, с использованием смесителя и микроконтроллера. Достигается возможность осуществлять натурные исследования явления контаминации внутри приборов, чувствительных к образованию пленок сублимированных веществ с течением времени. 2 ил.

Блок полезной нагрузки для исследования явления контаминации внутри приборов спутников стандарта CubeSat, состоящий из модуля датчика и связанного с ним аналитического модуля, установленного внутри корпуса наноспутника, соответствующего габаритным размерам спецификации PC/104, включающий микроконтроллер, связанный с бортовым компьютером посредством интерфейса связи, связанный с постоянным запоминающим устройством, часами реального времени и источником опорного напряжения, отличающийся тем, что в качестве датчика используется пьезорезонансный датчик на основе открытого кварцевого резонатора, помещаемого в корпус исследуемого на контаминацию прибора и соединённого коаксиальным кабелем с измерительным генератором, сигнал от которого сравнивается с сигналом от эталонного генератора, с использованием смесителя и микроконтроллера с целью определения толщины плёнки контаминантов.