Автономная система мониторинга теплового состояния научной аппаратуры на космическом аппарате

Абрашкин Валерий Иванович; Курганская Любовь Викторовна; Щербак Андрей Владимирович

ФИЗИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 681.5.08

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ

1 ФГУП ГНП РКЦ "ЦСКБ-Прогресс", г. Самара 2 Институт проблем управления сложными системами РАН, г. Самара 3 Самарский государственный университет

Поступила в редакцию 17.10.2012

Рассматривается универсальная автономная система мониторинга теплового состояния научной и экспериментальной аппаратур, устанавливаемой на внешней поверхности космического аппарата "Фотон-М". Система предназначена для регистрации и обработки данных о температуре в локальных зонах конструкции контейнеров научной аппаратуры при проведении экспериментов в условиях открытого космического пространства. Описаны технический облик системы и ее состав, предложено оригинальное схемотехническое решение для преобразователя "температура-напряжение" Ключевые слова: измерительная система, регистрация температуры, аппаратура для космических экспериментов.

ВВЕДЕНИЕ

Автономные информационно-измерительные системы широко применяются в научных исследованиях, в управления производственными процессами и в других областях практической деятельности. Такие системы на борту научных космических аппаратов (КА) позволяют получать и обрабатывать большие массивы данных о протекании физических процессов в космическом пространстве, о результатах проведения научных и техно-логических экспериментов на КА, а также о функционировании его бортовых служебных систем. При этом дополнительная, послеполетная обработка получаемой измерительной информации не только многократно повышает ее достоверность, но и может приводить к получению новой информации [1]. Тем не менее, часто возникает необходимость в опе-ративном контроле текущего состояния научной аппаратуры КА для обеспечения качественного проведения эксперимента или даже необходимость в управлении этим состоянием по результатам текущих измерений параметров аппаратуры и (или) изучаемых в эксперименте процессов, свойств объектов и т.п. Последнее предъявляет весьма

Абрашкин Валерий Иванович, кандидат технических наук, начальник отдела. E-mail: csdb@samtel.ru Курганская Любовь Викторовна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник. E-mail: limbo83@mail.ru

Щербак Андрей Владимирович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник. E-mail: anshch@yandex.ru.

высокие требования как к эксплуатационным, так и к метрологическим характеристикам информационно-измерительных систем для современных научных КА. Особое значение это имеет при проведении экспериментов на КА в условиях открытого космического пространства. Во многих случаях проведение космических экспериментов на борту КА и, в особенности, при проведении биологических экспериментов и интерпретации их результатов, как правило, требуется знание теплового состояния конструкции научной аппаратуры и размещаемых в ней объектов исследования. Это обусловливает необходимость в регистрации температуры отдельных элементов конструкции научной аппаратуры в местах размещения объектов иссле-дования. С этой целью для КА "Бион-М" и "Фотон-М" в настоящее время разрабатывается универсальный автономный многоканальный регистратор температур (МРТ), предназ-наченный для измерения в течение орбитального полета текущих значений температуры в определенных постановщиками экспериментов локальных зонах контейнеров научной аппаратуры (КНА), размещаемых на внешней поверхности спускаемого аппарата (СА) (рис. 1).

1. ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЛИК СИСТЕМЫ

Технический облик МРТ в первую очередь определяется его составом. В состав МРТ входят совокупность датчиков температуры (типа HRTS-5760-B), которые непосредственно устанавливаются в заданных локальных зонах КНА (на рис. 2, № 1, 2 и 4), в которых требуется прове-

Физика и электроника

Рис. 1. Вид КА "Фотон-М" со стороны СА и размещение на нем КНА

дение измерений температуры, и блок регистрации данных (БРД), который размещается в герметичном объеме КА, а именно, в его СА [2]. Связь между ними осуществляется с помощью кабеля через герморазъемы, установленные на СА. Указанная измерительная система должна отвечать всем требованиям, которые предъявляются к научной аппаратуре, устанавливаемой на борту КА [1]. К ним относятся требования по живучести и стойкости к внешним воздействиям, обусловленным основными факторами космического пространства, а также ударными, вибрационными, акустическими нагрузками и радиационным воздействием на всех этапах эксплуатации МРТ. В процессе формирования технического облика и эскизного проектирования системы были определены ее следующие основные параметры и характеристики: а) общее время функционирования не менее 65 суток; б) масса - не более 150...200 г (без герморазъемов и кабелей связи); в) диапазон измеряемых температур в пределах ± 150 оС;

г) точность измерения во всем диапазоне - до 1,0 оС;

д) количество измерительных каналов - до 32-х. В свою очередь, в состав БРД должны входить следующие основные функциональные узлы (рис. 3): входной коммутатор, предназначенный для переключения измерительных каналов; 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь; микроконтроллер, управляющий режимами работы БРД и процессом обработки первичной измерительной информации; автономный источник питания; энергонезависимая память для хранения информации; интерфейс USB, через который осуществляется тестирование МРТ перед запуском КА и считывание полученных в полете данных из внутренней памяти после завершения полета КА.

С учетом условий эксплуатации и назначения МРТ к данной системе предъявляются весь-

Схема размещения дотчикоб МРТ

Рис. 2. Размещение датчиков МРТ в КНА

Рис. 3. Функциональная схема БРД ма жесткие требования по надежности проведения измерений в условиях открытого космического пространства, а также по объему и достоверности получаемой измерительной информации. Выполнение указанных требований было обеспечено на стадии определения технического облика и эскизного проектирования МРТ, включая состав и режимы работы БРД. При разработке опытного образца МРТ дополнительно предусматривается повышение надежности и точности проведения измерений за счет применения специализированного микропрограммного обеспечения, с помощью которого должен осуществляться оперативный и периодический анализ работоспособности основных узлов системы, а также обеспечение сохранности получаемой измерительной информации и восстановления работоспособности системы после сбоев. В связи с этим ответственным этапом является разработка одного из основных

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, №6, 2012

функциональных элементов системы - высокоточного и надежного преоб-разователя "температура-напряжение" (ПТН), в основе которой должно быть вполне эффективное схемотехническое решение, отличающееся высокой надежностью и простотой реализации.

2. О РАЗРАБОТКЕ ПРЕЦИЗИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ "ТЕМПЕРАТУРА-НАПРЯЖЕНИЕ" ДЛЯ МРТ

Разработку прецизионного преобразователя "температура-напряжение" можно было бы реализовать на одной из известных схем включения рассматриваемых здесь датчиков температуры (термометров сопротивления). Наиболее простой схемой является включение термометров сопротивления в схему моста Уитстона [3, 4] (см. рис. 4а), в одну диагональ которого включается источник напряжения, а с другой его диагонали снимается выходной сигнал ит = и1 — и 2 , зависящий от температуры датчика, а точнее, от его сопротивления Ят .

Зависимость ит от Ят для этой схемы (рис. 1а) имеет вид:

UT = и,

R 4 + RT

V R1 + R 2

R з + R 4 + Rt j

(1)

где ив - напряжение питания моста. При выполнении условий:

Я1 = Я2 = Я3 = Я4 = Я; Ят « Я, (2)

характеристика датчика линейна с точностью до ят / я и, стало быть, тогда

ит = и Я /2Я. (3)

Точность преобразования сопротивления Ят в разность потенциалов (3) зависит от разброса значений сопротивлений Я1... Я4, а линейность преобразования - от Ят / Я . Приемлемая линейность обычно достигается при Ят / Я << 10-2...10-3, но это обуславливает повышение напряжения питания моста ив .

Линейная зависимость выходного сигнала ит = и 1 — и2 от Ят имеет место для схемы

ПТН, приведенной на рис. 4б [4]. В ней постоянство рабочего тока датчика обеспечивается за счет стабилизации напряжения на резисторе КЗ, включаемом последовательно с датчиком. Выходной сигнал в этом случае будет

U„ = -U,

R 2 R R, + R0 R,

а коэффициент преобразования здесь зависит как от UD , так и от Rj, R2, R . Реализация такого преобразователя требует жесткой стабилизации и тщательного подбора сопротивлений. Недостатком данной схемы является необходимость включения датчика в цепь обратной связи операционного усилителя (ОУ), что усложняет, в свою очередь, схему коммутации каналов МРТ и требует применения коммутирующих ключей с малым внутренним сопротивлением. В связи с этим для разрабатываемого МРТ была предложена схема ПТН с прецизионным источником тока CS (см. рис.4в), которая не требует подбора сопротивлений и позволяет исключить влияние внутреннего сопротивления коммутирующих ключей (RS). Принцип действия этого ПТН состоит в измерении падения напряжения UT непосредственно на датчике температуры при протекании через него постоянного тока 10 , тогда

UT = I0 RT.

Принципиальная схема ПТН с прецизионным источником тока показана на рис. 5. Источник опорного напряжения А1 здесь формирует высокостабильное напряжение

U , которое подается на неинвертирующий вход ОУ А2, на выходе которого формируется напряжение, питающее цепь R2, RT так, что напряжение на его инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, т.е. U0 . На инвертирующий вход подается напря-жение с выхода дифференциального усилителя А5, пропорциональное разности потенциалов на резисторе R2. Таким образом, выполняется условие:

U0 = A510 R2 ,

где A5 - коэффициент передачи дифференциального усилителя А5; I0 - ток, текущий через последова-

Рис. 4. Схемы включения термометров сопротивления

Физика и электроника

тельно соединенные элементы R2 и RT. Тогда выходное напряжение преобразователя будет равно:

UT = U0 RT / R2 A5.

т.е. коэффициент преобразования будет определяться значениями опорного напряжения U0, сопротивления резистора R2 и коэффициента передачи дифференциального усилителя А5. Проведенные расчеты показали, что здесь относительная погрешность коэффициента преобразования не превышает 0,14%, а абсолютная погрешность измеряемой температуры - 0,35°С, что удовлетворяет требованиям по точности измерений, предъявляемым к МРТ в составе научной аппаратуры КА "Фотон-М". Предложенный ПТН с прецизионным источником тока обладает высокой линейностью характеристики и позволяет исключить влияние внутреннего сопротивления ключей коммутации. Таким образом, предложенное схемотехническое решение ПТН с преци-зионным источником тока удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к МРТ в части как эксплуатационных, так и метрологических характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам эскизного проектирования автономной информационно-измерительной системы в виде МРТ, предназначенного для установки на КА "Бион-М" и "Фотон-М" с целью получения информации о температурных режимах в КН А при проведении научных экспериментов в полете, в настоящее время разрабатывается макетный образец системы для отработки принятых технических решений. Проведение летно-конструкторских испытаний МРТ планируется при полете КА "Фотон-М" №4 (ориентировочно в 2014 году) и по их результатам в дальнейшем будет разработана соответствующая универсальная штатная бортовая система для КА "Бион-М" и "Фотон-М".

2.

3.

4.

Рис. 5. Принципиальная схема ПТН с прецизионным источником тока

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

А.Н. Кирилин, Г.П. Аншаков, Р.Н. Ахметов, А.Д. Сторож. Космическое аппарато-строение: научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" [под ред. д.т.н. А.Н. Кирилина]. Самара: АГНИ, 2011. 280 с. Абрашкин В.И., Горелов ЮН, Курганская ЛВ, Щербак А.В. Многоканальный регистратор температур для научной аппаратуры на борту космических аппаратов "Бион-М" и "Фотон-М" // Обозрение прикладной и промышленной математики, 2012. Т. 19. Вып. 2, 3. С.232-233. Парк Дж, Маккей С. Сбор данных в системах контроля и управления. Практичес-кое руководство: М.: ООО "Группа ИДТ", 2006. 504 с. Honeywell, Temperature Sensors HRTS Series. Datasheet, № 1-800-537-6945, С.1-3.

AUTONOMOUS SYSTEM FOR MONITORING OF THE THERMAL CONDITION OF THE SPACECR AFT SCIENTIFIC EQUIPMENT

1 State Research and Production Space-Rocket Center "TsSKB-Progress", Samara 2 Institute for the Control of Complex Systems of RAS, Samara 3 Samara State University

Autonomous universal system for monitoring of the thermal condition of scientific and experimental equipment, placed on the external surface of the spacecraft "Photon-M" is considered. The system is intended for registration and data processing about the temperature in local zones of the design of the scientific equipment containers in conducting experiments in the conditions of an open space. The technical configuration of the system and its individual characteristics are described, and original schematic for the temperature to voltage converter offered Key words: measuring system, temperature registration, equipment for space experiments.

Valeriy Abrashkin, Candidate of Technics, Head at the

Department. E-mail: csdb@samtel.ru

Lubov Kurganskaya, Candidate of Physics and Mathematics,

Senior Research Fellow. E-mail: limbo83@mail.ru

Andrey Shcherbak, Candidate of Physics and Mathematics,

Senior Research Fellow. E-mail: anshch@yandex.ru

AUTONOMOUS SYSTEM FOR MONITORING OF THE THERMAL CONDITION OF THE SPACECRAFT SCIENTIFIC EQUIPMENT

Текст научной работы на тему «Автономная система мониторинга теплового состояния научной аппаратуры на космическом аппарате»