Устройства регистрации частиц космического мусора и микрометеороидов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

005000774

т

V \

о

I

Изюмов Михаил Владимирович

УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА И МИКРОМЕТЕОРОИДОВ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2011

005000774

Работа выполнена на кафедре радиотехники и медицинских диагностических систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Сёмкин Николай Данилович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нестеров Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор Скворцов Борис Владимирович

Ведущая организация:

федеральное государственное унитарное предприятие «НИИ «Экран», г. Самара

Защита состоится 18 ноября 2011г. в 10 часов на заседании диссертационного совета, созданном при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан «17» октября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

ЮЬш^

В.Г. Шахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке устройств регистрации параметров частиц космического мусора и микрометеороидов на чувствительных поверхностях космических аппаратов.

Актуальность работы

Актуальной проблемой современной авиакосмической промышленности является создание космических аппаратов с большими сроками эксплуатации и высокой надежностью. Одним из основных факторов, влияющих на надёжность и долговечность космических аппаратов (КА), является коррозия и старение материалов элементов конструкций КА в условиях воздействия факторов космической среды. Для этого необходимо создание надежной защиты КА от воздействия метеорных потоков и частиц космического мусора.

Кроме того, изучение метеорного вещества представляет важный теоретический вопрос, поскольку проблемы метеорной астрофизики и космохимии тесно соприкасаются с фундаментальными задачами изучения строения, происхождения и эволюции солнечной системы (Field J. 2005, McDonnell J. 2004).

Для решения поставленных задач требуется создание многопараметрических устройств регистрации высокоскоростных пылевых частиц.

Существующие детекторы высокоскоростных пылевых частиц (микрометеороидов и космического мусора) (Auer S., Grun Е. 2002, Sitte К. 1980) в целом не соответствуют современным требованиям, отвечающим полному и надежному сбору информации о физико-химических свойствах частиц, имеют низкую информативность, малые рабочие площади, слабую помехозащищенность.

Поэтому проблема теоретического и экспериментального обоснования построения устройств для регистрации параметров частиц космического мусора и микрометеороидов с использованием в качестве мишени прибора элементов конструкции КА является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка и создание многопараметрических устройств для регистрации высокоскоростных частиц космического мусора и микрометеороидов, а также контроля целостности элементов конструкции КА в условиях воздействия высокоскоростных частиц. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

1. Систематизация и сравнительный анализ устройств регистрации параметров высокоскоростных твердых частиц.

2. Анализ путей усовершенствования устройств регистрации параметров высокоскоростных частиц.

3. Разработка математических моделей, описывающих явление ионизации при высокоскоростном ударе и явление электростатической индукции при взаимодействии частиц с системой электродов.

4. Разработка методики обработки информации с многопараметрического детектора.

5. Оценка погрешности устройств регистрации и выработка рекомендаций по их уменьшению.

6. Разработка конструкций устройств регистрации высокоскоростных частиц и рекомендации по созданию многопараметрического устройства.

7. Проведение экспериментальной отработки работоспособности многопараметрического устройства регистрации параметров высокоскоростных частиц с помощью

импульсного лазера. Проведение ударных экспериментов, подтверждающих полученные теоретические зависимости.

8. Исследование статистических характеристик шумового тока детектора плоской конструкции.

Научная новизна работы

1. Получены зависимости заряда и скорости разлета вторичных заряженных частиц как функции параметров частицы и мишени в диапазонах скоростей удара 1-И 0км/с и 20-40км/с.

2. Разработаны модели импульсов тока в детекторах высокоскоростных частиц с чувствительными поверхностями, соизмеримыми с элементами конструкций КА с учетом их характеристик и конструктивных параметров устройства.

3. Предложена методика оценки параметров частицы с учетом разработанной статистической модели шумов приемника устройства в условиях воздействия факторов космической среды.

4. Теоретически и экспериментально показано, что реализация явлений ионизации и электростатической индукции при высокоскоростном ударе в конструкции детектора позволяет устранить неопределенность и повысить достоверность оценки параметров космических частиц.

5. Показано, что введение в устройство источника электронов позволяет контролировать целостность открытых элементов космического аппарата в условиях воздействия частиц космического мусора и микрометеороидов.

Практическая ценность диссертационной работы

1. Разработана методика оценки целостности элементов конструкции КА.

2. Разработаны методики расчета конструктивных параметров и экспериментального исследования детектора совмещенной конструкции.

3. Исследованы статистические характеристики шумовых токов ионизационного детектора плоской конструкции, позволяющие определить предельные возможности регистрации высокоскоростных частиц.

4. Получены экспериментальные данные, подтверждающие предложенные зависимости высокоскоростного взаимодействия твердых тел.

5. Приведены примеры конструктивного исполнения детекторов для контроля и регистрации высокоскоростных твердых частиц.

6. Разработано многопараметрическое устройство, обладающее более широкими функциональными возможностями контроля и оценки параметров микрометеороидов и частиц космического мусора.

На защиту выносится:

1. Зависимости заряда и скорости разлета вторичных заряженных частиц при высокоскоростном ударе.

2. Модели импульса токов детекторов микрометеороидов и частиц космического мусора.

3. Методика измерения характеристик выходного сигнала прибора и оценки параметров частиц с учетом шумовых характеристик.

4. Устройство контроля ударных воздействий и целостности элементов конструкций

КА.

5. Ударные эксперименты с использованием ускорителей частиц и лазера.

6. Исследование погрешностей и рекомендации по улучшению метрологических характеристик детекторов.

7. Статистические характеристики шумовых эффектов детекторов высокоскоростных пылевых частиц.

8. Анализ вариантов построения детекторов высокоскоростных пылевых частиц.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная конференция «Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках» (Самара, 2008), VII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов, посвященная 150-летию со дня рождения A.C. Попова» (Самара,

2008), Международная научно-техническая конференция «Металлофизика, механика материалов наноструктур и процессов деформирования. Металлодеформ-2009» (Самара,

2009), IX Международная научно-техническая конференция «Физика и технические положения волновых процессов» (Санкт-Петербург, 2010), Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (Самара, 2009).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 8 статей - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России; тезисы 12 докладов и 4 патента РФ.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и 5 приложений. Она содержит 232 страницы. Список литературы содержит 139 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, изложено краткое содержание диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор и анализ методов и средств регистрации высокоскоростных частиц естественного и искусственного происхождения.

Приведена классификация высокоскоростных пылевых частиц и рассмотрены источники потоков высокоскоростных пылевых частиц в космосе (Potter А. 1995). Определено, что основным источником высокоскоростных частиц является техногенное загрязнение околоземного пространства. При этом источниками загрязнения являются:

- утечка воздуха из отсеков КА;

- пыль с поверхности КА;

- пылевые частицы, образовавшиеся при работе двигателей и других систем КА;

- абразивный износ, абляция и эрозия поверхностей КА.

Проведен анализ результатов проведенных ранее экспериментов.

Рассмотрены и классифицированы методы и средства регистрации микрометеоритов и частиц космического мусора.

Приведена классификация основных физических явлений, используемых в аппаратурных методах регистрации высокоскоростных пылевых частиц:

- физические явления, связанные с наличием механического движения объекта исследования (ОИ),

- физические явления, связанные со свойствами ОИ - частицы как материальной среды,

- физические явления, связанные со свойствами электрического заряда ОИ.

Методы и устройства регистрации высокоскоростных пылевых частиц предлагается классифицировать следующим образом:

1. По способу взаимодействия частиц с прибором методы разделяются на контактные и бесконтактные.

2. По информативности устройства характеризуются одной выходной зависимостью или несколькими.

3. По быстродействию методы и устройства регистрации различаются длительностью процесса формирования выходных импульсных сигналов.

Рассмотрены основные конструктивные решения и эксплуатационные характеристики устройств на основе приведенных методов регистрации.

На основании выполненного анализа систем измерения параметров высокоскоростных пылевых частиц сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приводится решение задачи по определению остаточного заряда, образованного высокоскоростным соударением твердых тел во взаимосвязи с физическими параметрами исследуемой частицы в диапазонах низких 10 км/с) и высоких (\У>20 км/с) скоростей удара, ответственных за модели явлений поверхностной и объемной ионизации.

При низких скоростях удара предложена следующая модель явления ионизации. В момент удара в веществе налетающей частицы и мишени распространяются ударные волны, характеризующиеся фронтом ударной волны, давлением, скоростью, удельной внутренней энергией вещества, температурой на фронте ударной волны, массовой скоростью за фронтом ударной волны. Указанные параметры связаны с параметрами частицы и сжимаемостью ударносжатых веществ системой уравнений.

При выходе ударной волны на свободную поверхность происходит разгрузка ударносжатого вещества. При этом энтропия вещества сохраняется, что позволяет вычислить температуру на свободной поверхности при давлении Р=0.

Исследованы зависимости температур от скорости удара для трех различных мишеней и шести материалов частиц, которые показывают, что параметры мишени чувствительны к плотности, как обобщенному параметру, характеризующему материал исследуемой частицы.

Зависимости температуры мишени от скорости Т=Г(\¥) могут быть аппроксимированы в следующем виде:

,гдеЛ- коэффициент пропорциональности; //=2.

Полученные температуры указывают на то, что процесс образования ионов может быть связан с явлением поверхностной ионизации, в основном примесей щелочных металлов, содержащихся в материале мишени и, предположительно, в материале микрометеороидной частицы.

Также показано, что при оценке параметров частицы ее плотность не может выступать в качестве единственного параметра.

Количество исходных атомов, попадающих на нагретую во время удара мишень, определяется процессом диффузии примесей щелочных металлов к поверхности.

Учитывая характерный объем, из которого могут диффундировать примесные атомы, известные положения теории диффузии, работу выхода Ф, потенциал ионизации 3, коэффициент диффузии В для щелочных металлов, параметры налетающей частицы, остаточный заряд, образованный при ударе, предлагается определять по формуле:

Ф-J-Z ь „

где со = ехр-, Ь = 2 + ехр

кТ

Ф-J

кТ

, с/ = е-25-10 ^ , ппр - концентрация примесей в

мишени; Ф,J- соответственно работа выхода и потенциал ионизации в эВ; 2=0,215эВ; Т - температура мишени; Л - характерный размер частицы, е - заряд электрона в Кл.

Таким образом, доминирующую роль в образовании заряда играют элементы с более низким потенциалом ионизации, а связь заряда с параметрами частицы выражается через температуру мишени.

В связи с несовершенством и сложностью экспериментального оборудования для разгона частиц до скоростей 20-50 км/с целесообразным представляется более детальное теоретическое исследование механизма образования заряженных частиц в диапазоне высоких скоростей. В этом случае за основу расчета принята модель объемной ионизации.

Задача по определению остаточного заряда в области высоких скоростей предусматривает решение трех основных задач:

- определение состояния вещества за фронтом ударной волны;

- определение начальных параметров сгустка плазмы, образованной при изэнтропической разгрузке ударносжатого вещества с учетом локально-термодинамического равновесия (ЛТР);

- анализ рекомбинации плазмы, разлетающейся в пустоту, с целью определения остаточной степени ионизации.

Состояние вещества во фронте ударной волны описывается нелинейной системой уравнений, которая после ряда упрощений может быть записана в следующем виде:

здесь: (1) - уравнение состояния; (2) - уравнение Ренкина-Гюгонио; (3) - уравнение, связывающее массовую скорость и скорость ударника; (4) - температуры на фронте ударника и мишени соответственно;

где Еф - полная внутренняя энергия; Ее - тепловая энергия электронов; р0 - электронная теплоемкость вещества; 11р, IV - соответственно массовая скорость вещества и скорость частицы; ру, рм - соответственно плотность частицы и мишени; Хпр - безразмерный удельный объем; Хпрч =АУм/Ум- сжимаемость мишени; Х„ру=АУу/Уу - сжимаемость ударника ; Тфм, Тфм - соответственно температура вещества частицы и мишени в Кельвинах.

Решение задачи о разлете ударной плазмы в простой аналитической форме позволяет определить остаточную степень ионизации а» из системы уравнений:

(3)

(2)

(1)

т

(4)

1 +

2а^ ■ А ■ t ■ п

\т/2

af-( 1-я,) С-Т^-ехр^)

Т

А 2 2 . Т

л • w -а ■! -Т 1111

2 =-0-1)-; 2 Т

1

3(,-l)

и = и

(5)

(6)

(7)

Здесь: (5) - решение уравнения кинетики; (6) - уравнение Саха; (7) - уравнение, определяющее момент нарушения ионизационного равновесия и выражения для температуры и концентрации частиц в момент нарушения ионизационного равновесия ^ Величины А, С - константы (А=8,75-Ю"27 см6-с"'-эВ9/2, С=6,06-1021 см"3-эВ"3/2); J - потенциал ионизации; а/ - степень ионизации в момент 1=11; 'о - время образования сгустка газа; Т0 - начальная температура плазменного сгустка в эВ; Ти п\ - температура в эВ и концентрация в момент нарушения ионизационного равновесия; у=4/3 - показатель адиабаты.

Из уравнений (5-7) значение запишется в виде: -,1/

« =Гп

оо О

In

2A-C-t.-n О Р

jt}

■t, J Р О

-1

Остаточный заряд Qocm можно представить как

4 з

О =e- — K-Ri-n ■а , ИЛИ О = G' ^ост з 0 р со ост

R/2-W3/

З4!

где (F-измеряется в км/с; R -в микронах; G = 1 • 10 14 -г 5 • 10 14 коэффициент в с3

см

Разброс коэффициента в определяется в основном величиной электронной теплоемкости (30 веществ частицы и мишени, которая может находиться в пределах 100+500 эрг/г-град2 и зависит от химического состава веществ мишени и частицы. Окончательно для ()ост с переходом от плотности и размера частицы к ее массе получаем:

<2 =ста-Пг/3, (8)

ост 4 '

где а=0,84; р=3; с =0,3+0,5 - постоянный коэффициент.

Разработана математическая модель импульса тока детектора плоской конструкции.

Результат расчета тока получен в следующем виде:

г2 R5AW 3

1+aftxx4

G ехр

+ GeMa/2exр -

где L - расстояние; Gey, GeM - коэффициенты, определяющие характеристики вещества ударника и мишени; г - координата; х - характерное безразмерное время; а = ^pJpM ■

Разработаны математические модели схем конструкций детекторов плоского и сферического типов.

При соударении частицы с мишенью детектора образуются ионы и электроны, которые в виде соответствующих электрических импульсов снимаются с приемника

ег/

(Л Я

ЦиЬ ¡А я

х<ег/

Цх-

К

-ел/

ионов для их последующей обработки. Параметры электрических сигналов зависят также и от конструктивных параметров детектора. Расчеты проведены для приемника в форме квадрата и круга.

Для устройства с приемником в виде квадрата и круга получены следующие выражения для безразмерных импульсов токов соответственно:

ехр(-1///) ~ I 2

Здесь: Р = Щ1, Я - размер приемника, I - расстояние между мишенью и приемником; с, - безразмерное время;= Р = ■ + —

Модель детектора плоской конструкции основана на использовании выражения для тока в цепи приемника, выполненного по схеме двухфазной решетки в виде системы плоскопараллельных пластин или системы тонких проводников. В такой схеме электрическое поле между мишенью (в ее окрестности) и приемником практически отсутствует и сбор ионов слабо зависит от места соударения частицы. Уравнения для заряда на пластинах приемника и времени прихода ионов предложено записывать в виде:

ег/

+ег[

йШУ ,

<„=—+г ; (и,У - безразмерные скорости составляющих по оси X и оси У скорости

иона; т - безразмерное время взаимодействия иона с электрическим полем).

Разработана модель устройства (детектора) в виде полусферической конструкции. Детектор представляет собой полусферический конденсатор, между электродами которого приложена постоянная разность потенциалов. Полусферическая поверхность такого конденсатора является мишенью детектора, а электрод в виде штыря -приемником ионов.

Результаты расчета модели такого детектора приведены в виде выражения для заряда как функции времени в интегральной форме:

где I* - время, в течение которого рекомбинирует заряд на электроде приемника, = х /г -ехр(-г2)-г2; г2 - переменная определяющаяся как соотношение энергий электрического поля и облака плазмы, §(2,у,а) - преобразованная индикаторная функция. Область интегрирования П. определяется ={г,у.

Разработана модель детектора на основе явления электростатической индукции, имеющей место в результате пролета заряженной частицы через систему сеток или плоскопараллельных пластин. Для расчета фиктивного потенциала <р в окрестности сетки можно воспользоваться результатами, справедливыми для сетки, состоящей из п параллельных проволочек, для которых х=±(а/2)-(1=1,2,3....п); а - расстояние между проволочками.

В результате: <р(х,г)= а-ЛпТ-(х,г), где Г; - функция, определяющая угловое 1=1 ' 1

положение частицы относительно системы электродов.

Значительный интерес представляет моделирование процессов регистрации высокоскоростных частиц на основе использования элементов конструкции космического аппарата (КА). Расчет электростатического поля проводился численными методами. При этом движение ионов описывается уравнениями:

ЛО-

I

\Еу(г,у,ПЛ

Q

7(Г) = --1

I.

\Ег{г,у, 1)Л

Л + С -1 + С .

1г 2г

Л + С -Г + С ,

1 у 2у

В качестве примера для расчета была взята мишень в форме круга радиусом 1 м, над которой на высоте 1м и 2м располагался приемник ионов радиусом 5см. Результаты расчета приведены на рисунке 1.

Ионы, образовавшиеся после удара, находятся под действием электростатического поля, при этом часть их, обладающая большой энергией, не собирается на приемнике. На рисунке 2 представлены графики максимальных скоростей разлета ионов в зависимости от угла этого разлета при различных координатах соударения с поверхностью КА. При этом предполагается, что скорость частицы после удара находится в пределах от 10 до 30-103 м/с, а угол разлета - в пределах от -45° до +45°.

I' / — \ ' 0,8

/ Приемник 1 0.6

1 Г о )) 1 < 0.4

V - - У 0,2

0

^— - ] ........ 2

Рисунок 2 - Сигнал на входе ионов при ударе в мишень 1 (у = 0); 2 (у = 0,5м); 3 (у= 1 м).

Рисунок 1 - Эквипотенциальные поверхности электростатического поля, образованного между мишенью и приемником

Доказано, что площадь под данным импульсом пропорциональна заряду 0 и длительности переднего фронта скорости разлета ионов.

Третья г лава посвящена разработке методик проведения ударных экспериментов на основе использования ускорителей плазменного и электростатического типа.

В эксперименте исследованы характеристики детекторов, основанных на явлениях ионизации при высокоскоростном ударе и электростатической индукции при взаимодействии частицы с различными системами электродов.

Рассмотрены методы и устройства моделирования высокоскоростных частиц. Проведенный анализ показал, что наиболее перспективным для мелких (единицы микрометров) частиц являются ускорители электростатического типа. Для более крупных частиц используются ускорители электромагнитного и электроплазменного типов.

Самые высокие скорости (более 20-30 км/с) частиц достигаются в электростатических ускорителях (ускоритель Ван де Граафа). Наиболее перспективным устройством моделирования мелких высокоскоростных частиц является электродинамический ускоритель.

Экспериментально исследованы характеристики плоской и полусферической конструкций детекторов частиц с помощью электроплазменного ускорителя.

Полученные теоретические зависимости 0=А[\ЛО и тпл=Д\У) на качественном уровне удовлетворяют экспериментальным. Например, в формуле для заряда, полученной из теории (8), где а=0,84; (3=3 в эксперименте Рг3,25 для частиц из АЬ03 с размерами ~40-н50 мкм.

Эксперименты с частицами менее 5-И 0 мкм выполнены с помощью электростатического ускорителя.

Проведено исследование плоской конструкции детектора, имеющего приемник ионов в виде сетки и вторично-электронного умножителя ВЭУ-6. Полученные зависимости (2/т=1"(\У) для частиц из алюминия и хрома на качественном уровне подтверждают теоретическую зависимость ((5/т~\У '10'3).

На рисунке 3 приведена зависимость заряда ионов от скорости частицы в диапазоне скоростей 3-^-20 км/с и масс 10"'4н-10"17кг.

№

№

Ё

а

ю3

-й 1 1, ,„

^--=— г......

ч?

н- -На, »4

3 4 5 7

V,, км/с

Рисунок 4 - Осциллограмма с выходов датчика

Рисунок 3 - Зависимость заряда ионов от скорости частицы

Эксперименты показывают, что коэффициент а в формуле (8) равен ~0,9±0,2. Значительный разброс коэффициента а зависит от неточности определения наведенного заряда, связанной с механизмом зарядки частиц в инжекторе. В связи с этим погрешность экспериментального определения коэффициента р является значительной и составляет в указанном диапазоне скоростей и масс ~3±0,3. На рисунке 4 приведена осциллограмма наведенных зарядов от частицы в двух цилиндрах Фарадея (кривая 1) и сетке приемника ионов (кривая 2) импульсов, обусловленных явлением электростатической индукции и ионного импульса, образованного в результате взаимодействия частицы с мишенью детектора. По времени пролета частицей двух цилиндров Фарадея определяется ее скорость, а по интегральному значению ионного импульса определяется заряд ионов (8).

Экспериментально исследована зависимость наиболее вероятной скорости разлета ионов от плотности частицы на примере взаимодействия алюминиевых и хромовых частиц с серебряной мишенью. Показано, что коэффициент К для случая взаимодействия равен 0,45н-0,57, а для случая Сг->А§ 0,37-^0,45.

Теоретически наиболее вероятная скорость разлета ионов является функцией скорости частицы и ее плотности. Время переднего фронта проинтегрированного ионного

импульса тпр =—(1+а).

Для исследования конструктивных особенностей детекторов частиц использован импульсный наносекундный лазер ЛТИПЧ-8 с длительностью импульса 8 не, как наиболее близкий энергетический эквивалент высокоскоростного удара. Применение такого лазера позволило значительно сократить время отработки конструкции детектора и уменьшить стоимость эксперимента.

В четвертой главе рассмотрены погрешности методов и устройств для регистрации пылевых частиц.

В реальных условиях космоса функционирование аппаратуры происходит на фоне различных помех, источниками которых являются протоны, электроны, электромагнитное излучение космоса, а также помехи, источниками которых является КА. Для анализа сигналов, сравнимых с шумом, рассмотрен интегральный метод измерения для оценки параметров, входящих в выходной сигнал ионизационного преобразователя. Данный метод описывается выражением:

1 '' !г-1

— x{t)dt,

*

где x(t) - сигнал на входе измерителя, z-K(t) - сигналы на выходе измерителя, - время интегрирования, к= 1 ..4 - число интеграторов.

Для определения четырех неизвестных параметров a,tx,Q,Cy необходимо как

минимум четыре значения zk (?) .

Так как x(f) есть сумма полезного сигнала S(t) и шума n(t), то zk будет иметь следующий вид:

1 '< 1 г- 1

z, = — J S(t)dt + — I t n{t)dt.

k Uk 0 hk о

При анализе методической погрешности на примере ионизационного детектора сферической конструкции с использованием уравнения для расчета времени разлета ионов в поле сферического конденсатора погрешность в измерении скорости, обусловленная влиянием внешнего электрического поля с потенциалом U = 50 В в диапазоне от 5 до 40 км/с для сферического детектора с R1 = 0,5м и R2 = 5м составит, соответственно 5V (W = 5км/с )= 8% и 5V (W = 40км/с)= 3%.

Анализ инструментальных погрешностей ионизационного преобразователя показывает, что они, в основном, обусловлены влиянием измерительной схемы и места соударения на амплитуду и длительность выходного сигнала.

В связи с тем, что выходные характеристики большинства преобразователей представляют собой импульсные сигналы в смеси с шумом, в работе применен интегральный метод. Задача измерения заключается в нахождении параметров tx,a,Q,C

при условии, что Zy является величиной случайной с нормальным распределением.

Для получения таких оценок, при учете эффективности второго порядка, лучшие результаты дает использование метода максимального правдоподобия.

Оценка параметров по принципу максимального правдоподобия заключается в выборе в качестве оценки параметров t м,0,С таких значений f ,а,0,С , при которых

х"> у X У

функция правдоподобия максимальна.

Для моделирования работы системы обработки и вычисления относительных погрешностей измерения формируется сигнал zk, являющийся суммой полезного сигнала zk и шума vk, пропускаемых через систему обработки. Затем производятся оценки параметров t ,a,Q,С и вычисляются относительные погрешности измерения параметров

Ea>Ett>EQ,Ec^.

Как показывают эти расчеты, величины шумов, обусловленных взаимодействием

протонов с чувствительной поверхностью датчика, лежат в пределах 10~15...1(Г17Кл, в зависимости от взаимного расположения Солнца и прибора относительно друг друга.

В пятой главе представлены результаты практического использования разработанных детекторов и аппаратуры обработки информации.

Приведен расчет шумов ионизационного детектора плоской конструкции. При этом показано, что в результате их воздействия реальная чувствительность устройства по массе частиц ограничена и составляет 10~ь-10"14г в диапазоне скоростей 10 - 20 км/с. При проведении теоретического анализа статистических характеристик тока, образуемого взаимодействием различных потоков заряженных частиц (протонов, электронов) с элементами конструкции прибора установлено, что шумовой ток приемника зависит от их концентрации, а также от его эффективной площади.

Рассмотрена упрощенная конструкция детектора в виде элемента конструкции КА, состоящего из мишени, вторичного электронного умножителя (ВЭУ), устройств обработки импульсов.

Представлены примеры конструктивного исполнения детекторов на основе ионизационного преобразователя (рисунок б, 8). ШНвЯНЕЯНк'*»

Конпратруемая поверхность КА

Рисунок 7 - Схема устройства регистрации параметров частиц и контроля герметичности элементов конструкции КА.

Рисунок 8 - Фотография детектора с приемником в виде плоскопараллельных пластин. Характеристики частиц: масса - 10~12н-10"'3г.; скорость-1 -^40км/с.

Рисунок 9 - Схема конструкции детектора с сетками. Характеристики частиц:

скорость-1 +40км/с.

1 - приемник ионов;

2 - индукционный датчик;

3 - поверхность КА.

Также разработана конструкция устройства регистрации параметров микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы на базе малого космического аппарата с использованием поверхности КА в качестве мишени (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема устройства регистрации параметров микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы

Рисунок 6 - Ионизационный преобразователь с четырьмя приемниками ВЭУ-7. Характеристики регистрируемых частиц: масса-10"110"16г., скорость-1 -МОкм/с

Здесь: 1 - приемник ионов и электронов; 2 - блок обработки; 3 - приемник ионов; 4 -панели солнечных батарей; 5 - Корпус космического аппарата.

На основе явления ионизации при высокоскоростном ударе предложено устройство контроля герметичности элементов конструкции космического аппарата (рисунок 7), содержащее приемник ионов (1), установленный на расстоянии от контролируемой поверхности космического аппарата, металлическую сетку (2), заряженную до потенциала -300В, ионизатор (4). Вход приемника ионов соединен с блоком формирования и передачи сигнала (3).

В случае, когда детектор построен на принципе совмещения двух физических явлений (рисунок 9): образование ионов, электростатическая индукция, то для определения параметров частицы можно использовать три уравнения:

где Г/ - время между импульсами тока с детектора на основе электростатической индукции; тпф - длительность переднего фронта; IV- скорость частицы; а - характеризует плотность частицы и мишени; 2 - заряд; т - масса частицы; ¿-расстояние между

Рисунок 10 - Характерные импульсы для многопараметрического детектора:

а) - импульсы тока с индукционного датчика; б) - импульс тока с ионизационного датчика

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сравнительный анализ методов регистрации микрометеороидов и результаты экспериментов указывают на целесообразность применения в них многопараметрических детекторов, а для регистрации космического мусора в качестве мишени использования элементов конструкции космического аппарата.

2. На качественном уровне решена задача по определению заряда и времени разлета вторичных заряженных частиц в диапазонах низких и высоких скоростей частиц и на основе ее результатов получены соответствующие аналитические выражения, связывающие измеряемые параметры с параметрами ударяющей частицы в диапазоне скоростей 1-М-Окм/с.

3. На основе анализа разработанных математических моделей импульса тока в плоской и полусферической конструкциях ионизационного детектора показано, что использование элементов конструкции космического аппарата позволяет контролировать их работоспособность в условиях воздействия космического мусора.

4. Экспериментальное моделирование высокоскоростного взаимодействия с помощью электростатического и плазменного ускорителя подтверждает результаты теоретических моделей в диапазоне скоростей частиц 1-ИО км/с и с результатами зарубежных авторов в диапазоне скоростей больших 20 км/с как С)/т~'\\7",г1Ь.

5. Показано, что погрешность измерения скорости микрометеороидной частицы составляет 30-40%, а уменьшение ее связано с уменьшением инструментальных погрешностей, величина которых значительно меньше методической и может быть снижена за счет усовершенствования конструкции детектора и системы обработки.

6. Результаты расчета статистических характеристик шумовых токов ионизационного детектора плоской конструкции показывают, что их величина зависит от различных потоков космических заряженных частиц (протонов, электронов и т.д.) и может находиться в пределах 10"9-^5-10"10А.

7. На основе созданных моделей импульса токов предложены модели конструкций устройств регистрации частиц с большими чувствительными поверхностями элементов конструкций КА площадью 1-н2м2 и более, а также на основе малых КА.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России

1. Изюмов, М.В. Преобразователь высокоскоростных частиц плоской конструкции [Текст] /М.В. Изюмов, Н.Д. Семкин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева.- 2009. - №4. - С.148-161.

2. Изюмов, М.В. Преобразователь высокоскоростных частиц полусферической конструкции [Текст] /М.В. Изюмов, Н.Д. Семкин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева.- 2009. - №4. - С.161-171.

3. Изюмов, М.В. Взаимодействие высокоскоростных частиц с терморегулирующими элементами космического аппарата [Текст] /М.В. Изюмов, Н.Д. Семкин, М.П. Калаев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева.- 2009. - №4. - С.43-55.

4. Семкин, Н.Д. Взаимодействие высокоскоростных пылевых частиц с пленочной МДМ-структурой [Текст] / Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, Н.Л. Богоявленский, А.М. Телегин, М.В. Изюмов // Метрология. -

2009. - №1 - С.28-47.

5. Изюмов, М.В. Детектор микрометеороидов и техногенных частиц на основе пленочных структур металл-диэлектрик - металл [Текст] /М.В. Изюмов, Н.Д. Семкин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.- 2008. - №4. - С.79-88.

6. Изюмов, М.В. Использование открытых элементов космического аппарата в качестве датчиков микрометеоритов и космического мусора [Текст] /М.В. Изюмов, Н.Д. Семкин // Прикладная физика. -

2010. -№4. - С.131-136.

7. Воронов, К.Е. Моделирование частиц космического мусора с помощью электромагнитного и электроплазменного ускорителя [Текст] /К.Е. Воронов, Н.Д. Семкин, A.M. Телегин, К.И. Сухачев, М.В. Изюмов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2011. - №14. - С. 183-192.

8. Богоявленский, Н.Л. Многослойный пленочный детектор высокоскоростных пылевых частиц [Текст] /Н.Л. Богоявленсикй, Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, М.В. Изюмов, Пияков A.B.// Авиакосмическое приборостроение. - 2008. -№8.- С.24-30.

в других изданиях

9. Пат. №78 956 Российская федерация, Устройство регистрации параметров микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы [Текст] / М.В. Изюмов, Н.Д. Семкин, А.М.Телегин, К.Е.Воронов, К.И. Вергунец - №2008127121/22; заявл. 03.07.2008; опубл. 10.12.2008, Бюл. №34. - Зс.: ил.

10. Пат. №23 71 891 Российская федерация, Ускоритель высокоскоростных твердых частиц [Текст] / A.B. Пияков, Н.Д. Семкин, И.В. Пияков, А.Б. Андрущенко, М.В. Изюмов - №2008126971/06; заявл. 02.07.2008; опубл. 27.10.2009, Бюл. №30. - Зс.: ил.

11. Пат. №24 18 305 Российская федерация, Устройство контроля герметичности элементов конструкции космического аппарата (КА). [Текст] / К.И. Вергунец, Н.Д. Семкин, М.П. Калаев, М.В. Изюмов -2010100285/28; опубл. 10.05.2011. -2с.: ил.

12. Пат. №24 23 726 Российская федерация, Детектор вектора скорости микрометеороидов [Текст] / Н.Д. Семкин, A.M. Телегин, К.И. Вергунец, М.В. Изюмов - №>2010100553X28; заявл. 11.01.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. №19. - 2с.: 2ил.

13. Семкин, Н.Д. Система ориентации космического аппарата пленочной конструкции по магнитному полю Земли [Текст] / Н.Д. Семкин, A.B. Овчаров, М.В. Изюмов, К.И. Вергунец // Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках: труды международной конференции, 2002. - Самара: Изд-во СГАУ, 2008. - С.243.

14. Изюмов, М.В. Устройство регистрации параметров микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы [Текст] / М.В. Изюмов, К.И. Вергунец, М.П. Калаев // Научные и технологические

эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках: труды международной конференции, 2008. - Самара: Изд-во СГАУ, 2008г. - С.245.

15. Семкин, Н.Д. Система ориентации космического аппарата пленочной конструкции по магнитному полю Земли [Текст] / Н.Д. Семкин, A.B. Овчаров, М.В. Изюмов // VII Международная н-т конференциияи «Физика и технические приложения волновых процессов, посвященная 150-летию со дня рождения A.C. Попова»: труды международной конференции, 2008. - Самара: Изд-во Г1ГУТИ, 2008. -С.158.

16. Изюмов, М.В. Устройство регистрации параметров микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы [Текст] / М.В. Изюмов, К.И. Вергунец, М.П. Калаев // VII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов, посвященная 150-летию со дня рождения A.C. Попова»: труды международной конференции, 2008. - Самара: Изд-во ПГУТИ, 2008. - С. 159-160.

17. Пияков, A.B. Деградация оптических материалов в условиях воздействия потоков микрометеороидов и космического мусора [Текст] / A.B. Пияков, Н.Д. Семкин, М.П. Калаев, М.В. Изюмов // 3-я международная научно-техническая конференция «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования. Металлодеформ-2009»: труды международной конференции, 2009. - Самара, 2009. - С.ЗОЗ.

18. Изюмов, М.В. Устройство регистрации параметров объектов космического мусора [Текст] / М.В. Изюмов, Н.Д. Семкин // VII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: труды международной конференции, 2009. - Самара, 2009. - С.257-258.

19. Изюмов, М.В. Методы контроля состояния поверхностей космического аппарата в условиях воздействия потоков микрометеороидов и космического мусора[Текст] / М.В. Изюмов// VII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: труды международной конференции, 2009. - Самара, 2009. - С.258-259.

20. Воронов, К.Е. Использование открытых элементов космического аппарата в качестве датчиков микрометеоритов и космического мусора [Текст] / К.Е. Воронов, М.В. Изюмов // IX Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: труды международной конференции, 2010. - Самара, 2010. - С. 170.

21. Воронов, К.Е. Научная аппаратура для проведения исследований на малом космическом аппарате «Аист» [Текст] / К.Е. Воронов, Н.Д. Семкин, A.M. Телегин, A.B. Пияков, М.В. Изюмов // Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества»: труды всероссийской конференции, 2009. - Самара, 2009. - С. 140.

22. Телегин, A.M. Система контроля работоспособности открытых элементов космического аппарата в условиях воздействия частиц космического мусора [Текст] / A.M. Телегин, М.В. Изюмов П Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества»: труды всероссийской конференции, 2009. - Самара, 2009. - С.140-141.

23. Телегин, A.M. Устройство регистрации параметров объектов космического мусора [Текст] / A.M. Телегин, Н.Д. Семкин, М.В. Изюмов // Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов: труды международной конференции, 2009. - Санкт-Петербург, 2009. - С.257-258.

24. Изюмов, М.В. Методы контроля состояния поверхностей космического аппарата в условиях воздействия потоков микрометеороидов и космического мусора [Текст] / М.В. Изюмов, A.M. Телегин// Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов: труды международной конференции. - Санкт-Петербург, 2009. - С. 258-259.

Подписано в печать 30 сентября 2011 г.

Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета. СГАУ, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ РЕГИСТРАЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЧАСТИЦ ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.

1.1 Источники потоков высокоскоростных частиц в космосе.

1.2 Результаты экспериментов по замерам потоков твердых частиц. '

1.3 Методы и средства регистрации микрометеоритов и частиц космического мусора.

Выводы.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ ИОНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ.

2.1 Теоретическая модель образования заряженных частиц в диапазоне низких скоростей соударения твердых тел.

2.2 Теоретическая модель образования заряженных частиц в диапазоне высоких скоростей соударения твердых тел.

2.3 Модели импульса тока детекторов высокоскоростных частиц.

2.3.1 Модель импульса тока детектора с отражателем.

2.3.2 Математическая модель импульса тока преобразователя плоской конструкции.

2.3.3 Модель импульса тока преобразователя плоской конструкции с приемником в виде системы плоскопараллельных пластин.

2.3.4 Модель импульса тока преобразователя плоской конструкции с приемником в виде системы параллельных нитей.

2.3.5 Модель импульса тока преобразователя сферической конструкции.

2.3.6 Модель импульса тока детектора на основе электростатической индукции.

2.4 Моделирование процессов регистрации высокоскоростных частиц на основе использования элементов конструкции космического аппарата.

2.4.1 Модель устройства регистрации высокоскоростных частиц для случая отсутствия пробоя элемента конструкции КА.

2.4.2 Модель устройства с принудительной ионизацией газовых частиц для случая сквозного пробоя элемента конструкции КА.

2.4.3 Модель устройства с совмещением физических явлений.

Выводы.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЧАСТИЦ

В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.

3.1 Методы и устройства моделирования высокоскоростных частиц.

3.2 Ударные эксперименты с использованием электроплазменных и электростатических ускорителей.

3.3 Проведение лабораторных экспериментов с использованием преобразователя ионизационного типа.

3.4 Лабораторные эксперименты с принудительной ионизацией потоков газовых частиц.

3.5 Лабораторные эксперименты с использованием лазера.

3.6 Анализ результатов экспериментов.

Выводы.

ГЛАВА 4. ПОГРЕШНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

4.1 Классификация погрешностей.

4.2 Алгоритм измерителя физических характеристик высокоскоростных частиц.

4.3 Погрешности методов и устройств для регистрации пылевых частиц.

Выводы.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ И АППАРАТУРЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.

5.1 Статистические характеристики шумовых токов ионизационного преобразователя плоской конструкции.

5.2 Обоснование метода и структурной схемы устройства регистрации частиц космического мусора и микрометеоритов.

5.2.1 Краткие сведения о принципе работы устройства.

5.2.2 Разработка метода измерения и обработки физических параметров частицы.

5.2.3 Назначение блоков и принцип работы системы по структурной схеме.

5.2.4 Система обработки измерений. Общая постановка задачи.

5.2.5 Применение метода максимального правдоподобия.

5.2.6 Результаты моделирования.

5.3 Примеры конструктивного исполнения преобразователей.

Выводы.

В процессе функционирования космического аппарата (КА) в условиях взаимодействия факторов космической среды наблюдаются изменения характеристик его элементов конструкций. Одним из важных факторов воздействия на КА является антропогенное загрязнение космического пространства, значительно превышающее потоки микрометеороидов. Вместе с тем систематические исследования в области оценки возможных последствий воздействия частиц на свойства внешних элементов КА к настоящему времени практически отсутствуют и это является одной из важных научных проблем современной авиакосмической промышленности с точки зрения создания космических аппаратов (КА) с большими сроками существования (эксплуатации) на орбите и большей надёжностью. Одним из основных факторов, влияющих на надёжность и долговечность КА, является коррозия и старение- материалов элементов конструкций КА. Коррозия материалов КА является следствием взаимодействия материалов- и конструкций КА с атмосферой КА, а также с микрометеоритами естественного происхождения, техногенными высокоскоростными пылевыми частицами, так называемым, космическим мусором.

В состав солнечной системы, наряду с планетами, их спутниками, астероидами и кометами, входит огромное число твердых частиц различных размеров - от мельчайших субмикронных пылинок до каменных и железных глыб с поперечником в десятки и сотни метров, которые в совокупности образуют твердую составляющую межпланетной среды (для ее обозначения различными авторами используются также названия "межпланетное пылевое облако" или "облако космической пыли"). Отдельные частицы твердой составляющей межпланетной среды, независимо от их масс и размеров, чаще всего называются метеорными телами, метеоритообразующими телами, кратерообразующими телами, метеороидами, микрометеороидами, микрометеоритами, частицами зодиакального света и др.

С наличием твердой составляющей межпланетной среды и взаимодействием с Землей и другими телами солнечной системы, солнечным излучением и космическим аппаратом ,связан целый ряд астрономических, геофизических и космофизических явлений, таких, как зодиакальный свет, метеоры, наибольший по массе приток космического вещества на Землю, выпадение метеоритов, образование метеоритных кратеров (прежде всего на Луне, Меркурии и других телах солнечной системы, лишенных плотных атмосфер), бомбардировка метеорными телами космических аппаратов и др.

Как показывают результаты измерений векторов скоростей метеоров, подавляющее большинство порождающих их метеорных тел движется по эллиптическим орбитам вокруг Солнца; до сих пор пока нет ни одного случая надежного обнаружения метеорных тел, приходящих из межзвездного пространства. Время жизни в межпланетном пространстве мелких частиц космической пыли очень мало в астрономических масштабах — от десятков миллионов лет для частиц с массами порядка 1г. до нескольких лет для частиц массами 10~12 - 10"14 г.

Возрастающая активность в космическом пространстве многих стран и консорциумов приводит к его интенсивному загрязнению фрагментами ракетно-космической техники и появлением нового класса — техногенных пылевых частиц, применительно к околоземному космическому пространству. По оценкам американских ученых, общая масса объектов искусственного происхождения на околоземных орбитах превысила 3 тысячи тонн.

По результатам многочисленных исследований [1,2,3,4] на высотах от 300 до 1600 км наблюдается наиболее высокая их концентрация по уровню уже значительно превосходящая плотность потока частиц естественного метеороидного фона. Поэтому исследования твердой составляющей межпланетной среды и ее взаимодействие с атмосферой Земли, различными телами солнечной системы и солнечным излучением имеют большое значение при решении как целого ряда чисто научных задач -астрономических, геофизических.

Большая часть сведений о космическом мусоре была получена, с помощью слежения за спутниками, радиолокационными станциями и оптическими телескопами, разбросанными по всей земле. Оптические телескопы используются, для слежения в дальнем космосе на расстояниях более пяти тысяч километров от Земли. При меньших высотах самым эффективным средством слежения являются- радиолокационные станции. Минимальный диаметр объекта, который можно обнаружить на высоте пятьсот километров, равен десяти сантиметрам. Оптический телескоп в состоянии обнаружить объекты диаметром около одного метра, находящиеся на геосинхронной орбите. Оценки количества более мелких частиц проводятся на основе различных моделей космического мусора. Данные модели должны давать вероятность столкновения, выраженную через размеры частиц мусора и их относительные скорости. В этом случае вероятность становится мерой надежности/КЛА, а; данные о размерах и скоростях частиц мусора позволяют рассчитывать конструкцию КЛА или его противометеоритную защиту. Математические модели для расчета состояния облака частиц космического; мусора строят исходя, из существующих представлений о причинах его образования' и предположений о том,, как пойдет в дальнейшем освоение космоса.

Определение параметров частиц менее одного сантиметра оптическими средствами затруднено; Некоторые данные можно получить на основе изучения ударных кратеров на поверхностях объектов, побывавших в космическом пространстве. По данным Космического военного управления США около трети всех выбоин на поверхности исследуемых пластин -результат соударения с мелкими частицами космического мусора, образовавшимися при сгорании твердого ракетного топлива^, а также с частицами краски размерами от 1 до 100 мкм [5]. Из этого следует, что разрушение материала на поверхностях КЛА или регулярное включение твердотопливных двигателей служат постоянным источником пополнения облака космического мусора новыми частицами.

Возобновление интереса на проблеме увеличения количества космического мусора [6] требует оценки и систематизации состояния околоземного пространства с проведением экспериментального подтверждения процессов протекающих при воздействии с высокоскоростными частицами естественного и антропогенного происхождения. В настоящее время данной проблемой занимаются Auer S., Grün Е., Sitte К., Field J., McDonnell J., Семкин Н.Д.

В данной работе проводится анализ существующих и разрабатываемых в настоящее время методов и средств регистрации ударов высокоскоростных частиц.

Основные результаты и выводы

1. Сравнительный анализ методов регистрации микрометеороидов и результаты экспериментов указывают на целесообразность использования в экспериментах многопараметрических детекторов, а для регистрации космического мусора в качестве мишени элементы космического аппарата.

2. На качественном уровне решена задача по определению заряда и времени разлета ударной плазмы в диапазонах низких и высоких скоростей частиц и на основе ее результатов получены соответствующие аналитические выражения, связывающие измеряемые параметры с параметрами ударяющей частицы в диапазоне скоростей 1-г40км/с.

3. На основе анализа разработанных математических моделей импульса тока в плоской и полусферической конструкциях ионизационного детектора показано, что»использование элементов конструкции космического аппарата позволяет контролировать их работоспособность в условиях воздействия космического мусора.

4. Экспериментальное моделирование высокоскоростного взаимодействия, с помощью- электростатического и электроплазменного ускорителя подтверждает результаты теоретических моделей в диапазоне скоростей частиц 1^-10 км/с и с результатами зарубежных авторов в диапазоне скоростей больших 20 км/с как <3/т~^"3±0,3.

5. Показано, что погрешность измерения скорости микрометеороидной частицы составляет 30-40%, а уменьшение ее связано с уменьшением инструментальных погрешностей, величина которых значительно меньше методической и может быть снижена за счет усовершенствования конструкции детектора и системы обработки.

6. Результаты расчета статистических характеристик шумовых токов ионизационного детектора плоской конструкции показывают, что их величина зависит от различных потоков космических заряженных частиц (протонов, электронов и т.д.) и может находиться в пределах 10-15-5-10-14Кл.

7. Предложены модели конструкций устройств регистрации частиц с большими чувствительными поверхностями элементов конструкций КА площадью 1+2м2 и более, а также на основе малых КА

1. Potter A. Measuring the orbital debris populaittion. Earth Space. 1995, vol.4,№3.

2. Мазжорин Д.А., Чекалин С.В. Космос и экология // Сб. ст. "Проблемы космического мусора". М:"3нание", 1991-С.9-15.

3. Пыль в атмосфере и околоземном космическом пространстве / Под редакцией Дивари Н.Б. Материалы научных съездов и конференций. М: "Наука", 1973-165 с.

4. Столкновение в околоземном пространстве (космический мусор). Сб. научн. Трудов/Под ред. Масевича А.Г.: «Космоинформ», 1995.

5. Дикки Н.Р., Калп Р.Д. Определение характерной массы фрагментов космического мусора, обращающихся по низким околоземным орбитам // Аэрокосмическая техника, №19, 1990, с.51-57.

6. Муртазов А.К. Физические основы экологии околоземного пространства // Рязань, 2008.

7. Проблема загрязнения космоса (космический мусор) / Ред. А.Г.Масевич. М.: Космосинформ, 1993. 150 с.

8. Экологическая безопасность России. М.: Юрид. лит. 1995. Вып. 1.326 с.

9. Околоземная астрономия (космический мусор) / Ред. А.Г.Мосевич. М.: Космосинформ, 1998. 277 с.

10. Шевель Д.М. Электромагнитная безопасность. Киев: Изд-во НТИ, 2002. 432 с.

11. Foppi Н., Haerendel G., Haser L. et al. Artifical stroncium and barium clouds in the upper atmosphere // Planet. Space Sci. 1967. Vol. 15, No 2. P. 357.

12. Fridel K.H.W., Hughes A.R.W. Characteristics and frequency of occurence of Trimpi evants recorded during 1982 at Sanae, Antarctica // J. Atmos. Terr. Phys. 1990. Vol. 52, No 5. P. 329.

13. Haerendel G. Results from barium cloud releases in the ionosphere and magnetosphere // Space Res. 1973. Vol. 13. P. 601.

14. Экологические проблемы и риски воздействия ракетно-космической техники на окружающую природную среду: Справ, пособие / Под общ. ред. В .В. Адушкина, С.И.Козлова, А.В.Петрова. М.: Изд-во "Анкил", 2000. 640 с.

15. Лебединец В.П. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль, Ленинград, ИЭМ, 1981-271 с.

16. Баренгольтц Дж.В. Прилипание частиц к поверхности в вакууме /Аэрокосмическая техника, 1989, №1, с.100-109.

17. Халл О.Ф., Вакимото Ж.Н. Измерение скорости накопления загрязнения поверхности КА в зависимости от величины ее заряда // AJAA Paper.-1984, №1703,-рр.5-8.

18. Corso J.J. Potential effects of cosmic dust and rocket exhaust particles ov spacecraft charging. Acta astronaut, 1985, 12,№4,pp.265-267.

19. Breisacher P., Mahudevan P. Impact of liquit hydrazine on- heated surface in the low pressure space environment. AJAA.- shuttle environment and operatious meeting a collection of technical papars. 1983, pp.127-130.

20. Carre D.J., Hall D.R. Contamination on the P78-2 (SCATTA), -J.Spacecraft and Rockets., 1983,10,№5, pp:444-449.

21. Окружающая среда КЛАМИ "СПЕЙС ШАТТЛ": газы, макрочастицы и свечения / Грин Б.Д., Коледопия Дж.Э., Уилкерсон Т.Д. -Аэрокосмическая техника, №9, 1986, сю 130-147.

22. Поттер А.Э. Измерение характеристик космического мусора / Аэрокосмическая техника, 1989, №1, с. 143-145.

23. Столкновение в околоземном пространстве (космический мусор). Сб. научн. трудов / Под. ред. А.Г. Масевича —М: Космоинформ, 1995.

24. Walley S.M., Field J.E. The contribution of the Cavendish Laboratory to the unaerstanding of solid particle erosion mechanisms, Science direct. 2005, Wear 258, p.p. 552-566.

25. Fluri W. ESA spase debris research activities. Earth Space Review, 1995, vol/ 4,№ 3.

26. Klinkrad H., John R. The space debris environment of the Earth, ESA Journal -92/1,vol. 16, №1.

27. Kessler D:J. Average Relative Velocity of Sporadic Meteoroids in Interplanetary Space, AIAA Journal, vol.7, №12,pp.2337-2338, December, 1969

28. Пыль в, атмосфере и околоземном космическом пространстве / Под. ред. Дивари, Н.Б. Материалы научных съездов и конференций., М: «Наука», 1973. —165 с.

29. Willis MJ., Burchell M.J., Goel Mil., McDonnell J. Influence of impact ionization detection methods; on determination of dust, particle flux in space, Planetary and Space Sciehce. 2004, №52, p.p. 711-725.

30. Palmieri D., Drolshagen G., Lambert M. Numerical Simulation of Grazing Impacts from Micron Sized; Particles on the:. XMM-Newton Mirrors, International Journal of ImpactEngineering;. 2003, №29, p.p. 527-536.

31. Eaborotory Simulation; of Lunar Craters/Fechtig H., Gault D.E., Neukum G. And others, p.59,Jg., Hert 4,1972.

32. The; spatio-temporal' impact fluxes and? high: time-resolution-: studies of multi-impact events and long lived debris clouds /J.Derral Mulholland, S.Ered Singer, John P. Oliver and others;- earth Space: Review; 1993, vol. 6, №5,pp.517-528.

33. Haranyi M., Houpis H.L.F., Mendis. D:A. Charged' Dust in Earthis Magnetosphere. J.Physical and Synamical Process // Astrophis and Space Sci1., 1988, v. 144, pp.215-229;

34. Альвен X. Космическая плазма. М: «Мир», 1983,с. 121-128.

35. Анучина H.H., Волков В.И:, Евланов Е.Ы. и д.р. Рассчетно-теоретические исследования; масс-спектрометрических измерений! состава пылевых частиц кометы Г аллея в экспериментах. «Вега», Физика горения и взрыва. 2004, т. 10, №З.С. 77-84.

36. Shuvalov V. Numerical model of dust ejection; induced by meteoroid impact. InternationahYournaliof lmpact.Engineeringi 2007, №27. PIP: 377-385.

37. A.J.Tuzzolino, ets. Jn-situ: detecsionof a? sattellite breakup by the spadus instryment. Proc. Third Evropean Conference on Space Debris. Evropean Space Operations Countre (ESOC), Darmstadt,Germane (ESA- SP-473).

38. Макдонелл Ж.А. Обзор замеров пыли, сделанных в отдаленных точках космического пространства : XII конфер.КОСПАР, Ленинград, СССР,1970.

39. Rauser P.Microparticle detector based on the energy gap disappearance of semiconductors (Se,Te,Bi;Ge,Sn,Si,and InSb) at high pressure.-JOURNAL of Applied Physics, vol.45,№ 11,1974, p.48-69.

40. Berg O.E., Meredith L.H. Meteorite impacts to altitude of 103 km,-J.Geophys. Res.,1956, vol.61,№4,p.751-754.

41. D'Aiutolo C.T., Kinard. W.H., Naumann R.J. NASA meteoroid penetraition resalt from satellites.-SMITHSON. Contribs Astrophys., 1967,vol. 11,p.239-251.

42. Kessler D.J. Sources of Orbital Debris arid the Projected Environment for Future Spacecraft, Journal of spacecraft and rockets. Vol. 18,№4,pp.357-360,1981.

43. Логвинов С.С., Пирогова A.M. Анализ технических возможностей различных средств получения информации о технической обстановке в околоземном космическом пространстве.- Космонавтика и ракетостроение,2000,№18,с.63-69.

44. Kessler D.J. Predicting Debris ,Aerospace America, vol.26, June, 1988,pp.22-24.

45. Поттер А.Э. Измерение характеристик космического мусора /Аэрокосмическая техника, 1989,№ 1,с. 143-145.

46. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В:Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: «Янус-К», 1996, 407 стр.53*. Седовг Л-.И. Методы подобия! и размерности в механике. Изд.5, "Наука", М., 1965.

47. Walsh J.M. at al. General Atomic Div. General Dynamics Corp., Rept, No GA-5119, AD 436251, March 31, 1964; AGARDograph 87, vol.1, Gordon and Breach, N.Y., 1966, p.343.

48. Mellado Т., Hornung K., Rbssel J. Ion formation» by high velocity impacts on porous metal targets. Intrnetional Journal of Impact Engineering. №33, 2006. p.420-429.

49. Auer S., Grun E., Kempf S. The charge and velocity detector of cosmic dust analyzer on Cassini. Planetary and SSpace Science, 50, 2002. p.773-775

50. Полетаев Б.И., Атамасов В.Д., Баландин В.Н. и д.р. Метод регистрации бомбардировки поверхности космического аппаратавысокоскоростными частицами. Журнал технической физики. 2008, т.78, вып.12. е.100-119.

51. Saruraba К.,. Tsuruda Y.,. Hanada Т. Investigation and comparison between new satellite impact test result and NASA standard beakup model. International Journal of Impact Engineering, 2008, №35 . P.P. 1567-1572.

52. Burchell M., Willis 1VL, Armes S., Khan M. Impact ionization experiments: with iow density conducting polymer-based micro-projectiles as analogues of solar system dusts. Planetary and Science. 2002, 50, P.P. 1025-1035.

53. Drapats S.,-Michel R.W. Theory of shock-wave ionization upon highvelocity impact of micrometeorites. Z. Naturforsck, 1974, 29a, p. 870-879.

54. Станюкович К.ГГ. Неустановившееся движение сплошною среды. — Москва, Наука, 1971.- с.854.

55. Семкин Н.Д.,. Козлов В.Д., Сухих В С. К вопросу образования заряда при высокоскоростном- соударении* твердых тел.// Сборник трудов' «Расчет, проектирование, конструирование и испытание космических: систем», РКТ, серия 12, вып.1., ГОНТИ-4, 1982г.

56. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на-: поверхности металла.// Москва, Мир, 1967г., с.537.

57. Физика взрыва.// Ф.А. БАУМ- . Орленко Л.П., Станюкович К.П., Челышев В.П., Шехтер Б.И. Москва; Наука, 1975, с. 704.

58. Auer S., Sitte К. Detection technique for micromeoroids using impact ionization. Earth and planetary science letters,. 1968, 4, p/ 178-183.

59. Dietzel H., Eichhorn G., Fechting H., Grun E., Haffman H-J., Kissel J. The Heos 2 and Helios micrometeoroid experiments, J.Phis. Sci. Instrum. 1973, 6, №3, p. 209-217.

60. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокоскотемпературных гидродинамических явлений.// Наука, Москва, 1966г., с.633.

61. Кузнецов Н.М. Райзер Ю.П. О рекомбинации электронов в плазме, расширяющейся в пустоту.// ПМТФ, №4, 1965г. с. 10.

62. Быковский Ю.А., Дегтяренко Н.И., Елесин В.Ф., Кондратов В.Г., Ловецкий Е.Е., Поляничев B.C., Фетисов B.C. Рекомбинация в разлетающемся плазменном сгустке.// ЖТФ, №1, 44, 1974г. с.73.

63. Ловецкий Е.Е., Поляничев А.Н., Фетисов B.C. Рекомбинация и ускорение ионов лазерной плазмы.// Физика плазмы, т.1, вып.5, 1975г. с.773.

64. Артышев С.Г., Дегтяренко Н.И., Поляничев А.Н., Фетисов B.C. Разлет в вакууме сгустка 2-х компонентной плазмы.//Известия ВУЗов, сер. Физика, №2, 1978г. с.66.

65. Держиев В.И., Захаров Ю.А., Рамендик Т.И. Рекомбинация при разлете в вакуум плазмы сложного состава.//ЖТФ,- т.48, вып.9, 1978г. с.187.

66. Dalmann В., Grun Е., Kissel J., Dietzel Н. The ion-conposition of the plasma produced by impact of fast dust particles.// Planetary Space Sci., 25, 1977, p.135-147.

67. Hansen D:0. Mass analysis of ions produced by hypervelocity impact. — Applied physics letters, 1968, 13,3, p, 89-91.

68. Изюмов M.B. Преобразователь высокоскоростных частиц плоской конструкции / Изюмов М.В., Семкин Н.Д // Вестник СГАУ. 2009. -№4. -С.148-161.

69. Изюмов М.В. Преобразователь высокоскоростных частиц полусферической конструкции / Изюмов М.В., Семкин Н.Д // Вестник СГАУ. -2009. -№4. С.161-171.

70. А. С. № 1830499 (СССР). Устройство для измерения физических характеристик микрометеороидных пылевых частиц // Н. Д. Семкин, В. А. Бочкарев, Г. Я. Юсупов, С. М. Семенчук. БИ №28, 1993, с.81.

71. Семкин Н. Д., Бочкарев В. А., Юсупов Г. Я. Устройство для определения^химического состава пылевых частиц // Метрология. — 1988. № 1. - с.50-58.

72. Герштейн E.H. Моделирование полей методом электростатической индукции.- М.: Паука,. 1970.-316 с.

73. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Богоявленский II. Л., Телегин А.М., Изюмов М.В. Взаимодействие высокоскоростных пылевых частиц с пленочной МДМ-стуктурой.//Метрология, №1 2009г., с.28-47.

74. Семкин Н.Д., Изюмов М.В. Использование открытых, элементов космического: аппарата; в качестве датчиков- микрометеоритов и космического мусора.// «Прикладная физика»; Москва^, №4^ 20Г0г-,х:13 Г-13б1;

75. Изюмов М.В'., Семкин Н.Д., Калаев М.П. Взаимодействие высокоскоростных частиц с терморегулирующими- элементами; космического аппарата// Вестник СГАУ. Самара, №4, 2009г. С.43-55.

76. Ландау Л. Д.,: Лифишц Е. М. Теоретическая физика: Учеб! пособие. В; 10-41 Т.II. Теория поля. 7-е изд. испр. - М.::Наука. Гл. ред. физ;-мат. лит., 1988. — 512 с.

77. Ананьин, A.A., Занин А.Н., Семкин Н.Д. Моделирование процессов утечки газа из модуля космического аппарата.//Измерительная техника.Москва, №4, 2001. С.29-32.

78. Грошковский Я. Техника высокого вакуума.-М. Мир, 1975.

79. Семкин Н.Д., Занин А.Н, Воронов К.Е. Прибор для обнаружения места утечьки газа из модуля космического аппарата.// Приборы и техника эксперимента, 2003, №5. С.141-146.

80. Семкин Н.Д., Воронов К.Е, Занин А.Н. Методы и средства определения утечки воздуха из модулей космической* станции.// Прикладная физика, 2006, №2. С.108-121.

81. Семкин Н.Д. Исследование характеристик пылевых частиц с помощью электростатического ускорителя//ВИНИТИ. Деп. №6709-В87, 1987. -48с.

82. Семкин Н.Д. Анализ методов регистрации высокоскоростных пылевых частиц и их структурный синтез//ВИНИТИ. Деп. №8566-В87. — 1987 - С.37.

83. Мержиевский Л.А., Титов- В.Н., Фадеенко Ю.И., Швецов Г.А. Высокоскоростное метание твердых тел // Физика горения и взрыва, 1987, т.23, №5, с.7791.

84. Златин Г.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И. и др. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях. М.: "Наука", 1974.

85. Анисимов А.Г., Титов В.М. Рельсотронные ускорители макрочастиц. 4.1, 4.2. Общие характеристики. Доклад на IV Международнойконференции по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам. США, Санта-Фе, 14-17 июля 1986. -с.311-330.

86. Scully C.N. е.a. Symp. Hypervelocity Impact 7th, tampa, Florida, Nov., 1964, c.123.

87. A hypervelocity microparticle linear accelerator. J.P.Friichtenicht // Nuclear instruments and methods. Vol.28, pp.70-78.

88. Швецов Г.А., Титов B.M., Анисимов А.Г. и др. Рельсотронные укорители макрочастиц. Ч. 1. Общие характеристики: Докл. на IV междунар. конф. по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам. — США. Санта-Фе. 14-17 июля 1986. — с.311.

89. Швецов Г.А., Титов В.М., Анисимов А.Г. и др. Рельсотронные укорители макрочастиц. Ч. 2. Общие характеристики: Докл. на IV междунар. конф. по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам. — США. Санта-Фе. 14-17 июля 1986. — с.530.

90. Болотин В.А., Бурдонский И.Н. и др. Развитие оптических методов диагностики себляционно ускоряемой*плазмы на установке «мишень»: Отчет / Ин-т атомн. энергии им. И.В. Курчатова. ИАЭ - 5165/7. -М.:1990. -с.

91. Frichtenicht J.F., Becker D. G., Hamermesh В., Symp Hypervelocity Impact, 4th, Eglin, Florida, April, 1960.

92. Frichtenicht J.F., Becker D.G. Astrophys. J. 1971, 166, 3, 1, 717.

93. Mc Donnalds J.A.M. A Smitched lineon accleration' technique for microparticles. Rev. Sci Instrum, 42, 1971, p.274.

94. Н.Д. Семкин, А.В. Пияков, А.И. Погодин Эволюция и перспективы развития устройств для моделирования микрометеоритов в лабораторных условиях//Прикладная физика, Москва, №4, 2009г. С.153-157.

95. J.C. Slattery, D.G. Becker, В. Hamermesh, N.L. Roy. A linear accelerator for simulated micrometeors. Rev. Sci. Instrum. 44, №6, 1973, pp: 755762.

96. Portnyagin Yu.J., Klyuev O.F., Semkin N.D. etc. Simulation of cosmic man-male dust effects on space vehicle elements in Rocket and Laboratory

97. Грязнов М.И. Интегральный метод измерения импульсов. — М.: Сов. радио, 1975. -210с.

98. А. С. № 1830499 (СССР). Устройство для измерения физических характеристик микрометеороидных пылевых частиц / Н. Д. Семкин, В. А. Бочкарев, Г. Я. Юсупов, С. М. Семенчук. БИ №28, 1993.

99. Патент на полезную модель №78956. Устройство регистрации параметров микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы.//Н.Д.Семкин, Изюмов М.В., Телегин A.M., Воронов К.Е. бюл.№34, 2008.

100. Телегин A.M., Семкин Н.Д., ИзюмовМ.В. Устройство регистрации параметров объектов космического мусора.// Тезисы Международной н-т конференции «Физика и технические приложения волновых процессов. Санкт-Петербург, 2009г. с.257-258.

101. Вергунец К.И., Семкин Н.Д., Калаев М.П., Изюмов М.В. Устройство контроля герметичности элементов конструкции космического аппарата (КА).// Патент на изобретение. 2418305, 10.05.2011

102. Патент №2348949. Детектор микрометеороидов и техногенных частиц.//Н.Д.Семкин, Богоявленский Н.Л., Шепелев С.М. бюл.№7, 2009.