CC BY
5
УДК 520.68
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-678-679
ДАТЧИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ
В.В. Мартынов, Т.Ю. Девяткина, И.С. Прохватова
Показана актуальность исследования загрязнённости околоземного космического пространства. Обозначены основные проблемы регистрации, прежде всего, мелких и среднеразмерных частиц космического мусора и метеороидов (космических частиц). Предложена конструкция датчика для исследования параметров указанных частиц, обладающего повышенной информативностью. Представлена номенклатура определяемых и оцениваемых с помощью предлагаемого датчика параметров космических частиц.
Ключевые слова: датчик, космические частицы, детектор, чувствительный элемент, объёмно-поляризованная плёнка РКОЕ, параметры частиц, информативность.
Важной проблемой разработки, создания и эксплуатации космических аппаратов (КА) является обеспечение их высокой надёжности и большого срока существования на орбите. Одним из основных факторов, негативным образом влияющих на надёжность и долговечность КА, является воздействие космических частиц. За более чем полувековую историю освоения космоса степень засоренности околоземного космического пространства (ОКП) неуклонно возрастала и будет расти, если даже запуски КА совсем прекратятся. Процесс техногенного загрязнения ОКП уже становится необратимым [1, 2]. По оценкам Европейского космического агентства количество фрагментов размером более 1 мм, представляющих реальную опасность функционирования КА, оценивается числом свыше 166 миллионов. Только 29 тысяч из них надёжно наблюдаются и сопровождаются системой контроля космического пространства (СККП) - это космические объекты размером от 10 см и выше [3]. Очевидно, что сейчас мы располагаем лишь скудными данными о текущем состоянии космической среды, хорошо известно распределение лишь крупных космических объектов. Для безопасного и эффективного осуществления космической деятельности желательно иметь как можно более полное представление обо всей популяции космических частиц (КЧ) в ОКП. Несмотря на объединение усилий ряда стран и систематическое совершенствование СККП, огромный объём необходимых исследований и уровень технического развития не позволяют говорить о достаточном представлении ситуации с мелкими и среднеразмерными КЧ. В настоящее время поиск, наблюдение и идентификация таких фрагментов ведётся выборочно в отдельных местах и в отдельные интервалы времени. Ценная информация используется для разработки математических моделей состояния загрязнённости среды и имеет большое значение при оценке опасности для космических миссий со стороны КЧ [3].
Современные наземные средства наблюдения (радиолокационные, оптические, оптико-электронные, радиотехнические, лазерные) достаточно эффективны для мониторинга объектов размерами более 0,05 - 0,3 м на низких орбитах и более 1,0 м на геостационарной. Признавая достаточно высокую эффективность СККП необходимо отметить, что с помощью существующих средств наблюдения обнаруживается и каталогизируется лишь небольшая доля общей популяции КЧ. Количество фрагментов меньшего размера может быть оценено лишь путём математического моделирования. А ведь именно они представляют наибольшую опасность космической деятельности ввиду их многочисленности и неконтролируемости. Вероятность встречи КА с фрагментами мелких и среднеразмерных КЧ гораздо выше, а отсутствие систематического контроля за данной популяцией означает, что операторы спутников не могут быть предупреждены о надвигающейся опасности. Для более полного представления обо всей популяции КЧ в ОКП целесообразно применение систем наблюдения бортового базирования. Еще более полезными эти средства могут оказаться будучи применены для зондирования геостационарной орбиты, где редкий наземный инструмент может обнаруживать малоразмерные КЧ [2].
Одним из перспективных вариантов проведения исследований могут стать системы бортового базирования, выполняющие прямые измерения с помощью специализированных датчиков. Переход от несовершенных одно-параметрических датчиков с высокими погрешностями к измерительным системам, обладающим расширенной номенклатурой регистрируемых параметров, точностью их определения и повышенной информативностью, будет способствовать созданию наиболее эффективного проекта по регистрации и измерению характеристик КЧ.
Элементом такой системы может стать предлагаемый авторами датчик для исследования параметров КЧ, который предполагается использовать 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 ОКП; сборе информации для внесения корректировки в Национальный стандарт «Космическая среда ...» [4]; разработке защиты космических аппаратов (КА) от опасного воздействия КЧ; обеспечении безопасности при сопровождении КА на орбите.
Прототипом предлагаемой конструкции послужил датчик для исследования потоков метеороидных и техногенных частиц в космическом пространстве [5, 6]. 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 объёмно-поляризованной плёнки PVDF, дающие высокую информативность регистрируемых параметров и обеспечивающие их комплексную оценку. Мерная пролётная 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 её среднюю скорость.
Основными недостатками датчика-прототипа являются:
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 достигнутом технологическом уровне нанесения токопроводящих дорожек.
2. Прекращение функционирования ячейки внешнего ЧЭ при нарушении регистрируемой частицей целостности её токопроводящей дорожки (т. е. ячейки являются одноразовыми).
Системный анализ, управление и обработка информации
Результатом усовершенствования датчика стало решение двух технических задач:
- повышение чувствительности датчика (расширение исследуемого диапазона по размерам и энергетике регистрируемых частиц);
- повышение надёжности датчика.
Решение технических задач достигается тем, что в предлагаемом датчике для исследования параметров космических частиц, выполненном в форме полого куба, все грани которого являются составными детекторами, состоящими из внешних и внутренних ЧЭ, новым является то, что каждый ЧЭ содержит набор смежных параллельно размещённых в одной плоскости полос объёмно-поляризованной плёнки PVDF, при этом полосы внешнего и внутреннего ЧЭ 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 объёмно-поляризованной плёнки PVDF, они не перестают функционировать.
Сущность технического решения поясняется рисунком. Корпус 1 датчика выполнен в виде каркаса, на одной из сторон которого установлена штанга для крепления его на 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 разъёмов 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, 1мм), 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 нём рамками детекторов обеспечивает технологичность процесса сборки датчика и его отладки в лабораторных условиях.
Конструкция датчика
Внешний и внутренний ЧЭ детектора идентичны, выполнены из набора смежных параллельно размещённых в одной плоскости полос тонкой (толщиной, например, 30 мкм) и эластичной объёмно-поляризованной плёнки PVDF, снабжённых 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 пролёта 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 космических 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, определяют вектор скорости и пролётное расстояние частицы L, а имея информацию по разнице во времени зарегистрированных сигналов д^ рассчитывают среднюю скорость частицы ^)ср= L/ д1
Сигналы с ЧЭ поступают в виде импульсов Ь, пропорциональных количеству движения частицы Ps, т.е. Ь ~ Ps. Тогда (Ь)ср ~ ^)ср = ms * ^)ср. Таким образом определяется (оценивается) масса частицы ms = ^)ср/^)ср. Полученная информация поступает в устройство формирования группового телеметрического сигнала и передаётся 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.
С помощью датчика экспериментально и экспериментально-расчётным методом возможно определить и/или оценить следующие параметры метеороидных и техногенных частиц:
1. Счётное 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 (ws)q> = L/ At.
5. Количество движения (импульс) частицы Ps.
6. Массу частицы ms = ^)ср/^)ср.
7. Объём частицы Vs = ms/p, где р - средняя плотность частицы, о ней можно судить по [4], где для небольших (до 5 мм) каталогизированных космических объектов приводится значение р = 2,5.. .2,7 г/см3.
8. Площадь миделя частицы - оценивается исходя из определённого объёма частицы Vs и инженерных соображений.
Повышение надёжности датчика обусловлено применением в качестве ЧЭ полос объёмно-поляризованной плёнки PVDF, которые, в отличие от одноразовых ячеек с токопроводящими дорожками датчика-прототипа, сохраняют способность к повторной регистрации космических частиц.
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. Герметичность внутреннего объёма датчика по отношению к внешней среде (космосу) не требуется. Напротив, пролёт мерной базы частицей в естественных для неё условиях способствует повышению точности измерений. По материалам проведённых исследований оформлена заявка на изобретение [7].
Список литературы
1. Сёмкин Н.Д. Регистрация космической пыли искусственного и естественного происхождения / Н.Д. Семкин [и др.] // Прикладная физика. 2009. Вып. № 1. С. 86 - 102.
2. Вениаминов С.С. Космический мусор - угроза человечеству. М.: ИКИ РАН, 2013. 207 с.
3. Чёрный И. Куарону и не снилось.. Разгрести «орбитальную свалку» // Новости космонавтики. Рос-космос. 2017. № 6. С. 50 - 52.
4. ГОСТ Р 25645.167-2005. Национальный стандарт Российской Федерации. Космическая среда (естественная и искусственная). М.: Стандартинформ, 2005. 41 с.
5. 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.
6. Гончаров П.С. Устройство датчика для исследования параметров метеороидных и техногенных частиц в космическом пространстве / П.С. Гончаров [и др.]. // Труды ВКА им. А. Ф. Можайского. 2016. № 651. С. 159 - 165.
7. Федеральный институт промышленной собственности. Заявка на изобретение. Россия. МКИ B64G 1/68. Датчик для исследования параметров космических частиц // П.С. Гончаров [и др.]. № 2022122786; заявлено 24.08.2022.
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского,
Девяткина Татьяна Юлиановна, младший научный сотрудник, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А.Ф.Можайского,
Прохватова Ирина Станиславовна, младший научный сотрудник, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А.Ф.Можайского
SENSOR FOR STUDYING THE PARAMETERS OF COSMIC PARTICLES V.V. Martynov, T.Y. Devyatkina, I.S. Prokhvatova
The relevance of the study of near-Earth space pollution is shown. The main problems of registration, first of all, of small and medium-sized particles of space debris and meteoroids (cosmic particles) are identified. The design of a sensor for studying the parameters of these particles, which has increased information content, is proposed. The nomenclature of parameters of cosmic particles determined and evaluated using the proposed sensor is presented.
Key words: sensor, cosmic particles, detector, sensing element, volumetrically polarized PVDF film, particle parameters, informativeness.
Martynov Victor Vasilievich, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Devyatkina Tatiana Yulianovna, junior researcher, Russia, Saint-Petersburg, A.FMozhaisky Military Space
Academy,
Prokhvatova Irina Stanislavovna, junior researcher, Russia, Saint-Petersburg, A.FMozhaisky Military Space
Academy
