УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ МИКРОМЕТЕОРОИДОВ И ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛОСОК Российский патент 2024 года по МПК G01T1/34 

Устройство предназначено для использования в космической технике, в частности для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора.

Известно устройство «Детектор для измерения физических параметров микрометеоритов» (Детектор для измерения физических параметров микрометеоритов», А.С.632264, МПК H01J 47/00, опубликованное 15.05.92).

Детектор для измерения физических параметров микрометеоритов содержит подложку, состоящую из металлической пленки, диэлектрика и металлической пластины, и коллектора ионов. Между пластиной и пленкой приложено постоянное напряжение от источника питания, в цепь которого включен резистор, соединенный с измерительным устройством. Коллектор соединен с устройством, служащим для измерения амплитуды и длительности переднего фронта импульса тока.

Недостатком такого устройства является сложность оценки параметров микрочастиц, низкая информативность выходных данных и малая чувствительность подложки к удару в следствие большой собственной емкости.

Известно устройство «Устройство для исследования потоков микрометеороидов и частиц космического мусора» (Устройство для исследования потоков микрометеороидов и частиц космического мусора / Семкин Н.Д., Телегин А.М. // Патент на изобретение RU 2610342 С1, 09.02.2017. Заявка №2015147673 от 05.11.2015). Устройство включает в себя мишень, крепежный диск, лазер, ПЗС-матрицу, шаговый двигатель, двигатель диска, светодиод, фотодиод, блок управления, блок положения, линзу, разделительную и оптическую призмы. Мишень представляет собой четыре оптических диска, расположенных на крепежном диске, который соединен со светодиодом и шаговым двигателем. Шаговый двигатель соединен с блоком управления, который соединен с двигателем диска, фотодиодом и ПЗС-матрицей. Система считывания информации включает в себя ПЗС-матрицу и лазер, который оптически связан с блоком положения, разделительной призмой, ПЗС-матрицей, линзой и оптической призмой. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения размеров кратеров на мишени и возможности использования в качестве мишени оптически непрозрачных материалов.

Недостатком такого устройства является сложность изготовления и большие габариты устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является детектор для регистрации микрометеороидов (Space Dust Impacts Detector Development for the Evalution of Ejecta/Pauline Faure, Shingo Masuyama, Hiroshi Nakamotoa, Yasuhiro Akahoshi, Yukihito Kitazawa, Takao Koura. // Procedia Engineering 58 (2013). P. 594-600. Doi: 10.1016/j.proeng.2013.05.068).

Детектор представляет собой квадратную печатную плату (РСВ) с длиной стороны 90 мм и массой 30 г. На передней панели расположены 128 медных полосок, образующих зону регистрации. Ширина каждой полоски составляет 127 мкм, а расстояние между двумя линиями составляет 190 мкм. На задней стороне размещены электронные компоненты: четыре 32-канальных мультиплексора и микроконтроллер. Для регистрации удара космического мусора необходимо, чтобы полоски были полностью разрезаны. В прототипе на один вход металлических полосок подается постоянное напряжение, со второго входа металлических полосок контролируется напряжение с помощью микроконтроллера. При разрушение металлического полоска, вызванного образованием кратера от высокоскоростного соударения микрометеороидов и частиц космического мусора, сигнал на выходе разрушенного полоска пропадает.

Недостатком такого устройства является низкая точность оценки размеров микрочастиц (микрометеороидов и частиц космического мусора). Погрешность измерения оценочно равна расстоянию между полосками.

Задачей изобретения является повышение точности оценки размеров микрочастиц при сохранении небольших размеров устройства.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора на основе металлических полосок, содержащее микроконтроллер, аналоговый мультиплексор, диэлектрическое основание, металлические полоски, согласно изобретению выводы микроконтроллера соединены с управляемым генератором, аналоговым мультиплексором, интерфейсом обмена с бортовым компьютером, интерфейсом обмена с контрольно-поверочной аппаратурой, программируемой логической интегральной схемой, при этом выход управляемого генератора соединен с входом согласующего усилителя, выход которого соединен с индуктивностью, соединенной с аналоговым мультиплексором, и входом первого аналогово-цифрового преобразователя, при этом выходы аналогового мультиплексора соединены с входом тестового металлического полоска и входами исследуемых металлических полосок, при этом тестовый металлический полосок и исследуемые металлические полоски расположены параллельно друг другу на одном диэлектрическом основании, выходы же тестового металлического полоска и исследуемых металлических полосок соединены с входом усилителя, выход которого соединен с вторым аналогово-цифровым преобразователем, при этом программируемая логическая интегральная схема соединена с оперативным запоминающим устройством и тактовым генератором, этот тактовый генератор также соединен с первым аналогово-цифровым преобразователем и вторым аналогово-цифровым преобразователем.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на Фиг. 1 изображено устройство для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора на основе металлических полосок,

на Фиг. 2 изображена модель металлического полоска, неразрушенного высокоскоростным соударением,

на Фиг. 3 изображена модель металлического полоска с кратером, образовавшимся в следствии высокоскоростного соударения микрочастицы (микрометеороида или частицы космического мусора) с металлическим полоском,

на Фиг. 4 изображена радиотехническая модель металлического полоска, неразрушенного высокоскоростным соударением,

на Фиг. 5 изображена радиотехническая модель металлического полоска, разрушенного высокоскоростным соударением,

на Фиг. 6 показаны результаты моделирования нормированных коэффициентов передачи радиотехнических моделей, представленных на Фиг. 4 и Фиг. 5,

на Фиг. 7 показано взаимное расположение металлических полосок на диэлектрической подложке.

Устройство для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора на основе металлических полосок содержит микроконтроллер 1, управляемый генератор 2, согласующий усилитель 3, индуктивность 4, аналоговый мультиплексор 5, тестовый металлический полосок 6, исследуемые металлические полоски 7, первый аналогово-цифровой преобразователь 8, усилитель 9, второй аналогово-цифровой преобразователь 10, тактовый генератор 11, программируемую логическую интегральную схему 12, оперативно-запоминающее устройство 13, интерфейс обмена с бортовым компьютером 14, интерфейс обмена с контрольно-поверочной аппаратурой 15, диэлектрическую подложку 16 (Фиг. 1).

Выводы микроконтроллера 1 соединены с управляемым генератором 2, аналоговым мультиплексором 5, интерфейсом обмена с бортовым компьютером 14, интерфейсом обмена с контрольно-поверочной аппаратурой 15, с программируемой логической интегральной схемой 12. Выход управляемого генератора 2 соединен с входом согласующего усилителя 3, выход которого соединен с индуктивностью 4, которая также соединена с аналоговым мультиплексором 5. Выход согласующего усилителя 3 также соединен с входом первого аналогово-цифрового преобразователя 8. Выходы аналогового мультиплексора 5 соединены с входом тестового металлического полоска 6 и входами исследуемых металлических полосок 7, которые размещены параллельно на диэлектрической подложке 16 (взаимное расположение металлических полосок 6 и 7 показано на Фиг. 7). Выходы тестового металлического полоска 6 и исследуемых металлических полосок 7 соединены с входом усилителя 9, выход которого соединен со вторым аналогово-цифровым преобразователем 10. Программируемая логическая интегральная схема 12 соединена также с оперативным запоминающим устройством 13 и тактовым генератором 11, который также соединен с первым аналогово-цифровым преобразователем 8 и вторым аналогово-цифровым преобразователем 10.

Принцип работы устройства основан на измерении амплитудно-частотной (АЧХ) и фазово-частотной характеристик (ФЧХ) коэффициентов передачи тестового металлического полоска 6 и исследуемых металлических полосок 7.

Тестовый металлический полосок 6 и исследуемые металлические полоски 7 в исходном состоянии, до начала работы, имеют вид, показанный на Фиг. 2. Радиотехническая модель металлического полоска, показанного на Фиг. 2 с подключенной индуктивностью 4, представлена на Фиг. 4. На Фиг. 4 L - это индуктивность 4, Lp - паразитная индуктивность, Rp - паразитное сопротивление, Ср - паразитная емкость металлического полоска. При ударе высокоскоростной микрочастицы (микрометеороида или частицы космического мусора) в металлический полосок происходит образование кратера, приводящего к разрыву металлического полоска. Размеры образовавшегося кратера можно оценить согласно моделям, представленным в работе [1]. Например модель Kineke [1]:

где K₁ - коэффициент, зависящий от материала металлической полоски и микрометеороида либо космического мусора, D - диаметр кратера в [см], d - диаметр микрочастицы [см], ρ_p - плотность ударяющей микрочастицы в [г/см³], V - скорость микрочастицы [км/с].

Тестовый металлический полосок 6 сверху должен быть закрыт металлическим экраном, поэтому не подвергается воздействию потока микрометеороидов и частиц космического мусора. Тестовый металлический полосок 6 является эталоном относительно которого производятся остальные измерения. Подвергаются воздействию микрометеороидов и частиц космического мусора только исследуемые металлические полоски 7. Модель исследуемого металлического полоска 7 после удара микрочастицы с образовавшемся кратером показана на Фиг. 3. Радиотехническая модель металлического полоска с кратером и с подключенной через аналоговый мультиплексор 5 индуктивностью 4 показана на Фиг. 5. На Фиг. 5 L - это индуктивность 4, Lp1 - паразитная индуктивность металлического полоска до кратера, Rp1 - паразитное сопротивление металлического полоска до кратера, Cp1 - паразитная емкость металлического полоска до кратера, Lp2 - паразитная индуктивность металлического полоска после кратера, Rp2 - паразитное сопротивление металлического полоска после кратера, Ср2 - паразитная емкость металлического полоска после кратера, Ccr - емкость, образовавшаяся в результате разрыва металлического полоска. Емкость Ccr можно рассчитать с использованием выражений для емкости компланарного конденсатора [2]:

где s - ширина разрыва металлического полоска, равная диаметру кратера от высокоскоростного соударения, ε_r - диэлектрическая проницаемость, h - высота диэлектрической подложки, с - скорость света, w - ширина металлического полоска.

Тактовый генератор 11 генерирует прямоугольные периодические импульсы, которые необходимы для работы первого аналогово-цифрового преобразователя 8, второго аналогово-цифрового преобразователя 10 и программируемой логической интегральной схемы 12.

Микроконтроллер 1 подает код на управляемого генератора 2, на выходе которого формируется гармонический сигнал заданной частоты. Дальше гармонический сигнал через согласующий усилитель 3 подается на индуктивность 4 и первый аналогово-цифровой преобразователь 8, на котором производится перевод сигнала из аналоговой в цифровую форму (код). Математически сигнал на входе индуктивности 4 можно описать выражением:

где i - индекс, A_i - амплитуда сигнала; ω_i - частота; t - время; ϕ_i - начальная фаза гармонического колебания.

Аналоговый мультиплексор 5, управляемый микроконтроллером 1, поочередно соединяет входа тестовой металлической полоски 6 и исследуемых металлических полосок 7 к выходу индуктивности 4. На Фиг. 1 и Фиг. 7 количество исследуемых металлических полосок 7 равно трем штукам, но их количество может быть увеличено при необходимости.

Сигнал с тестовой металлической полоски 6 и исследуемых металлических полосок 7 поступает на вход усилителя 9, где сигнал усиливается и далее переводится из аналоговой в цифровую форму (код) с помощью второго аналогово-цифрового преобразователя 10. Программируемая логическая интегральная схема 12 производит вычисления коэффициента передачи на заданной частоте, путем сравнения сигналов с первого аналогово-цифрового преобразователя 8 и второго аналогово-цифрового преобразователя 10. Полученная информация передается в микроконтроллер 1, который сохраняет полученные данные и передает при необходимости через интерфейс обмена с бортовым компьютером 14 и интерфейс обмена с контрольно-поверочной аппаратурой 15. Оперативное запоминающее устройство 13 необходимо для предварительного хранения информации, которую обрабатывает программируемая логическая интегральная схема 12. После проведения измерения на одной частоте микроконтроллер подает код о повышении частоты, на которой производится анализ металлических полосок, управляемому генератору 2 с шагом Δω_i (шаг изменения частоты). Далее происходит процедура измерения коэффициента передачи на новой частоте. Операция повторяется до тех пор пока не пройдут измерения в диапазоне от низкой частоты ω₀ до высокой частоты ω_N с шагом Δω_i. Низкая частота ω₀, высокая частота ω_N и Δω_i, задаются изначально пользователем устройства.

Интерфейс обмена с бортовым компьютером 14 обеспечивает гальваническую развязку и аппаратную реализацию интерфейса обмена между бортовым компьютером космического аппарата, на котором предполагается установка устройства для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора на основе металлических полосок, и микроконтроллером 1.

Интерфейс обмена с контрольно-поверочной аппаратурой 15 обеспечивает гальваническую развязку между микроконтроллером 1 и контрольно-поверочной аппаратурой при проведении наземных испытаний.

На Фиг. 6. представлены результаты моделирования нормированных коэффициентов передачи радиотехнических моделей, представленных на Фиг. 4 (сигнал А1 на Фиг. 6) и Фиг. 5 (сигнал А2 на Фиг. 6). Нормирование коэффициента передачи происходит относительно его максимального значения Kmax. Нормированные коэффициенты передачи (А1 и А2), показанные на Фиг. 6, имеют ярко выраженные резонансы, что объясняется введением индуктивности 4.

Для коэффициента передачи А1 резонансную частоту можно оценить с использованием радиотехнической модели, показанной на Фиг. 4:

Для коэффициента передачи А2 резонансную частоту можно оценить с использованием радиотехнической модели, показанной на Фиг. 5:

Согласно Фиг. 6 резонансная частота металлического полоска с кратером (Фиг. 3) сместилась в область высоких частот относительно резонансной частоты для целого металлического полоска (Фиг. 2). По отклонению резонансной частоты относительно базовой резонансной частоты можно судить о размерах микрочастицы, так как чем больше размеры микрочастицы, тем больше размер кратера и меньше емкость Ccr. Моделирование проводилось для металлического полоска из меди длиной 100 мм, шириной 0,1 мм. Толщина диэлектрической подложки равнялась 2 мм, диэлектрическая проницаемость равна 4,7, другая сторона диэлектрической подложки металлизирована. Для расчета паразитной индуктивности, емкости и сопротивления металлического полоска использовались формулы для расчета погонной емкости, индуктивности, сопротивления микрополосковой линии передач (Rp1, Cp1, Lp2, Rp2, Cp2, Rp, Cp, Lp) [2]. Величина индуктивности 4 была принята равной 150 мкГн.

Для оценки образования кратера на металлическом полоске можно ввести величину М, которая оценивается на основание измерение резонансной частоты тестового металлического полоска и исследуемого металлического полоска:

M=ƒ₂/ƒ₁.

Очевидно, что величина М будет зависеть от наличия и размеров кратера. При отсутствии кратера М=1. Поэтому можно оценить размеры кратера путем оценки величины М.

Смещение резонансной частоты рассматривается относительно тестового металлического полоска 6. Это делается с целью компенсации негативных факторов окружающего пространства. Например, расширения элементов конструкции устройства за счет температуры, изменения коэффициента усиления усилителя.

Преимуществом данного устройства по сравнению с другими аналогичными устройствами является то, что оно позволяет производить оценку размеров ударяющейся микрочастицы (микрометеороидов и частиц космического мусора) с повышенной точностью при этом конструкция устройства небольшая по размерам. Минимальный диаметр частицы, который можно измерить, определяется равенством диаметра кратера, образовавшегося от удара микрочастицы, ширине металлического полоска. Погрешность измерения также зависит от точности измерения изменения резонансной частоты, которая связана с размерами емкости, образовавшейся вследствие разрыва металлического полоска.

ЛИТЕРАТУРА

1. Berthoud, L., Mandeville, J.-C. Empirical impact equations and marginal perforation, in: Proc. First Europ. Conf. Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993, ESA SD-01, pp. 459-464, 1993.

2. Paul, Clayton R. Analysis of multiconductor transmission lines / by Clayton R. Paul. - 2nd ed., Wiley-IEEE Press, 2008. P. 780.

Изобретение относится к области космической техники. Устройство для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора на основе металлических полосок содержит микроконтроллер, управляемый генератор, согласующий усилитель, индуктивность, аналоговый мультиплексор, тестовый металлический полосок, исследуемые металлические полоски, первый аналогово-цифровой преобразователь, усилитель, второй аналогово-цифровой преобразователь, тактовый генератор, программируемую логическую интегральную схему, оперативно-запоминающее устройство, интерфейс обмена с бортовым компьютером, интерфейс обмена с контрольно-поверочной аппаратурой, диэлектрическую подложку. Технический результат – повышение точности оценки размеров микрочастиц при сохранении небольших размеров устройства. 7 ил.

Устройство для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора на основе металлических полосок, содержащее микроконтроллер, аналоговый мультиплексор, диэлектрическое основание, металлические полоски, отличающееся тем, что выводы микроконтроллера соединены с управляемым генератором, аналоговым мультиплексором, интерфейсом обмена с бортовым компьютером, интерфейсом обмена с контрольно-поверочной аппаратурой, программируемой логической интегральной схемой, при этом выход управляемого генератора соединен с входом согласующего усилителя, выход которого соединен с индуктивностью, соединенной с аналоговым мультиплексором, и входом первого аналогово-цифрового преобразователя, при этом выходы аналогового мультиплексора соединены с входом тестового металлического полоска и входами исследуемых металлических полосок, при этом тестовый металлический полосок и исследуемые металлические полоски расположены параллельно друг другу на одном диэлектрическом основании, выходы же тестового металлического полоска и исследуемых металлических полосок соединены с входом усилителя, выход которого соединен со вторым аналогово-цифровым преобразователем, при этом программируемая логическая интегральная схема соединена с оперативным запоминающим устройством и тактовым генератором, этот тактовый генератор также соединен с первым аналогово-цифровым преобразователем и вторым аналогово-цифровым преобразователем.