CC BY
56
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И
Том VIII 1 977 №5
УДК 629.78.05
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННЫХ ДАТЧИКОВ ОРИЕНТАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПОТОКЕ ИОНИЗИРОВАННОГО ГАЗА
С. И. Архипов, Л. В. Носачев, О. Р. Рыкин, В. В. Скворцов
Обсуждаются результаты исследований в свободномолекулярном потоке ионизированного газа влияния концентрации заряженных частиц, их температуры, скорости полета и электрического потенциала летательного аппарата на характеристики ионного датчика ориентации при значениях перечисленных параметров, близких к параметрам ионосферы.
1. Ионные датчики служат для ориентации летательного аппарата по курсу и тангажу при его полете в ионосфере. Принцип действия этих датчиков основан на взаимодействии их чувствительных элементов с положительно заряжен-*ыми ионами, которые присутствуют в верхней атмосфере на высотах больше 100 км. При изменении ориентации летательного аппарата либо по курсу, либо ■по тангажу происходит перераспределение потоков ионов, поступающих на коллекторы датчика; на основании которого его электронная система вырабатывает сигнал в комплекс управления ориентацией аппарата. Основным достоинством этих датчиков является малое время реакции (доли секунды). Поэтому с помощью ионных датчиков аппарат может быть быстро сориентирован по вектору .скорости.
Выбор ионов в качестве компонента ионосферы, который используется при работе рассматриваемых датчиков, обусловлен высокой направленностью потока этих частиц в системе координат, связанной с аппаратом, когда лоследний движется со скоростью К0, удовлетворяющей условию
•¡где У*— температура ионов в ионосфере, М; — их масса, £—постоянная Больцмана.
При этом условии в выражении для потока ионов
міК
р== Ыу „ 2*7-; +
4
1 + Ф
(|)
'(не учитывающем влияния электрических полей вблизи аппарата на движение данных частиц) можно пренебречь первым членом, который отражает вклад в поток их хаотического движения, т. е. основную роль играет второе слагаемое (в соотношении (1) V — скорость теплового движения ионов, N—их концентрация, Ф—интеграл вероятности)
Для другого основного компонента ионосферы — электронов — в соотноше-«ии, аналогичном (1), главную роль играет первый член, так как для них всегда > У0. Высокие значения хаотической скорости электронов не позволяют использовать данные частицы в датчиках ориентации.
Важным этапом в применении ионных датчиков ориентации является исследование их характеристик и проверка работоспособности в условиях, близких к натурным по концентрациям заряженных частиц, их температурам, а также скорости набегающего потока. Такие условия были воспроизведены в ионосферной аэродинамической трубе. В этих экспериментах изучалось влияние различных факторов взаимодействия ионизированной среды с телом на угловую характеристику чувствительного элемента датчика, который представляет собой малогабаритную трубку, снабженную системой электродов, имеющих различное функциональное назначение. Такими факторами, являются, например, концентрация ионов, соотношение между их скоростями направленного и теплового движения, объемный заряд ионов в трубке, распределения потенциалов между электродами трубки, неоднородность полей в окрестности электродов, влияние потенциала корпуса аппарата и т. п. В данных экспериментах исследуется также работа электронной аппаратуры при изменении на несколько порядков концентрации заряженных частиц, как это имеет место в условиях ионосферы.
1 2
5 6 1
Фиг.
т
1
л
ш ш
2. Принципиальная схема чувствительного элемента датчика (ионной трубки) приведена на фиг. 1. Трубка имеет четыре идентичных коллектора (I — IV), полученных при разрезании коллекторного стакана по двум взаимно перпендикулярным диаметральным плоскостям, диафрагму 4, а также ряд сеток/—3, 5—7, которые заключены в корпусе-экране 8. Коллекторы служат для приема ионного потока, сформированного в канале трубки. Диафрагма 4 ограничивает диаметр потока внутри канала.
Назначение остальных электродов состоит в том, чтобы экранировать набегающий поток от электрических полей внутри трубки (для этого сетка 1 находится под потенциалом корпуса трубки), промодулировать ионный поток с целью упрощения дальнейшего усиления и обработки сигнала (путем подачи переменного потенциала на сетку 3), подавить вторичную электронную эмиссию с коллекторов (сетка 6), экранировать коллекторы от переменного модулирующего напряжения (с этой целью сетки .5 и 7 находятся под потенциалом корпуса). Работа трубки в широком диапазоне концентрации ионов в набегающем потоке обеспечивается в результате автоматической подачи на диафрагму 4 и соседние с ней сетки такого потенциала С/а, который отсекает ионы со скоростями V <
/2 дИу,
, где д— заряд ионов. Для этой цели служит система автоматической
регулировки усиления (АРУ) в блоке электроники.
Таким образом, чувствительный элемент ионного датчика ориентации представляет собой многопараметрическую систему, результирующая характеристика которой может быть наиболее полно исследована только путем экспериментов, в потоках, воспроизводящих условия, близкие к натурным.
3. Ионный датчик испытывался в ионосферной аэродинамической трубе, в которой поток плазмы генерировался ионным источником с объемной ионизацией газа электронным ударом [1 —3]. Труба имеет вакуумную камеру диаметром около 1,5 м и длиной около 10 м, систему форвакуумных и диффузионных насосов, координатную систему для монтажа и перемещения испытываемой модели, а также необходимую диагностическую аппаратуру для измерения параметров потока. Давление в вакуумной камере трубы при работе источника поддерживается на уровне I -10—з н/м2.
В качестве примера на фиг. 2 приведено распределение концентрации ионов в потоке плазмы в районе расположения ионного датчика ориентации для одного
из режимов работы источника. Диаметр потока в рабочем сечении превышает размер датчика более чем в десять раз. При этом концентрация заряженных частиц в потоке варьируется в диапазоне 103 ч-5-10+6 см-3, а температура электронов от 1500 до 4 000 К. В качестве рабочего газа используется азот, аргон, гелий, ксенон. Энергия направленного движения ионов в потоке плавно регулируется от 5 до 50 эВ. Концентрация заряженных частиц около ионного датчика ориентации регулировалась либо за счет его удаления от среза источника потока, либо в результате изменения режима работы трубы. При перемещении прибора из сечения г = 1 м от источника до г = 3м концентрация уменьшалась примерно в четыре раза. Изменение плотности в более широком диапазоне достигалось изменением тока накала катода или тока управляющего соленоида ионного источника. Концентрация заряженных частиц определялась в эксперименте и с помощью самого ионного датчика. Для этого измерялся суммарный ток на все четыре коллектора, когда потенциал управляющих электродов трубки иъ равен нулю. Потенциал плазмы относительно стенки вакуумной камеры был равен примерно 10 В.
г-Зм, \Гд = 10/(м/с
N„*10, см т-тг-в-
® -.,-з ■г-
1 -
■53 -40 -30
-го -ю о ю
Фиг. 2
го зо ч о р, см
Фиг. 3
Для исследования угловых характеристик датчик устанавливался на координатной системе, которая позволяла изменять и регистрировать углы курса ф и тангажа 6 в диапазоне углов +90°. Угловые характеристики снимались при непрерывном и равномерном изменении угла. Выходные каналы курса ф и тангажа 0, а также суммарного сигнала записывались одновременно на ленте быстродействующего пятидорожного самописца с полосой пропускания до 100 Гц. Опыты, связанные с изучением угловых характеристик, проводились при изменении угла по каналу ф (или 0) при фиксированном угле по каналу 0 (или ф).
На фиг. 3, а и 3, б изображены статические угловые характеристики, снятые при сканировании чувствительного элемента в диапазоне углов от 90 до — 90° и от — 90 до 90° соответственно. Экспериментальные кривые снимались при энергии ионов £¡==10 эВ, концентрации заряженных частиц Л^=104 см~3;
температуре ионов 7"/ = 1500 К и потенциале корпуса аппарата относительно вакуумной камеры <ра = 0. Здесь же (см. фиг. 3, а) пунктиром нанесена расчетная кривая. На экспериментальных кривых видно появление выбросов на угловой характеристике при входе ионной трубки в поток плазмы. Этот всплеск появляется как при входе трубки в поток со стороны положительных углов (от 90 др —90°), так и при ее входе со стороны отрицательных углов (от —90 до 90°). Появление этого всплеска связано с особенностью работы системы автоматического регулирования при входе в линейную область регулирования.
Расчетная угловая характеристика была получена в предположении, что ионный пучок не расходится в канале трубки. Тогда угловая характеристика
определяется геометрическими параметрами трубки (фиг. 4). Ток на г'-й коллектор определяется по формуле
¡1 = qN V0 Si A cos 0 cos ф, (2)
где Si—площадь г-го коллектора, А—геометрическая прозрачность сеток ионного датчика. Тогда угловая характеристика по тангажу будет иметь вид
а по курсу:
/(0) = /№> =
•^î "Ь ¿>2 — (Sÿ -\- st)
■КГЯ '
S% Ч- 5з — (Si + S4) w2
(3)
(4)
Для малых углов отклонения соотношения (3) и (4) могут быть записаны как
4 Ь
/(8)=
4 L
/№> = — ф.
(5)
■кг л г
где L — расстояние от дна коллекторного стакана до диафрагмы, г — радиус диафрагмы. Соотношение расчетной характеристики с экспериментальной показывает, что при малых углах (на рабочем участке датчика) они могут при определенных режимах удовлетворительно согласовываться между собой.
В опытах по изучению влияния концентрации заряженных частиц на характеристики датчика ориентации ее значения изменялись от 4-102 до 10е см-3, энергия ионов составляла 10 эВ, их температура была равна 1500 К, а потенциал корпуса трубки имел величину 11 В. Исследования показали, что увеличение концентрации ионов в указанных пределах приводит к снижению крутизны угловой характеристики в линейной области на 4% и увеличению зоны обзора на 6°. С дальнейшим ростом концентрации происходит сначала уменьшение,
а затем резкое возрастание (в несколько раз) крутизны рабочего участка характеристики с одновременным увеличением угла обзора на 5°. Резкое возрастание крутизны при N'^> 10® см-3 обусловлено ограничением сигнала на выходе чувствительного элемента.
В результате исследования влияния энергии направленного движения ионов £1 на угловую характеристику было установлено, что увеличение £,• приводит к возрастанию крутизны характеристики в линейной зоне на 15 — 20%, а угол обзора практически не зависит от энергии и составляет 110°.
В экспериментах по изучению влияния потенциала корпуса летательного аппарата на угловую характеристику ионный датчик находился на расстоянии 1 м от среза источника потока плазмы. Энергия ионов и их концентрация поддерживались постоянными и равными £¡ = 10 эВ и И= 10* см-3 соответственно. Было установлено, что при изменении потенциала корпуса от + 1 до — 10 В относительно потенциала плазмы происходит расширение зоны обзора на 20°, при этом крутизна характеристики в линейной зоне практически не меняется. При дальнейшем понижении потенциала корпуса зона обзора начинает превышать 180°, тогда как крутизна характеристики практически остается прежней. Увеличение зоны обзора обусловлено затягиванием положительно заряженных ионов в рабочий объем датчика при отрицательных потенциалах корпуса прибора относительно плазмы.
Проведенные исследования показали важную роль экспериментов в ионосферных аэродинамических трубах по исследованию характеристик и проверке работоспособности ионных систем ориентации летательных аппаратов.
Авторы благодарят Г. Л. Гродзовского и Ю. Е. Кузнецова за полезное обсуждение затронутых в работе вопросов.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГродзовскийГ. Л., Данилов Ю. И., Никитин В. Е. и др. »Научные результаты полетов автоматических ионосферных лабораторий .Янтарь“. „Ученые записки ЦАГИ', т. 2, № 2, 1971.
2. Скворцов В. В., Н о с а ч е в Л. В. Исследование структуры следа за сферическими моделями в потоке разряженной плазмы. »Космические исследования“, т. 6, вып. 2, 1968.
3. Носач ев Л. В. Создание равномерного потока разреженной плазмы для моделирования взаимодействия летательного аппарата с ионосферой. В сб. .Некоторые задачи газодинамики струйных течений и теплообмена*. Труды ЦАГИ, вып. 1612, 1974.
Рукопись поступила 29/ХП 1976 г.
