автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Многопараметрический преобразователь параметров частиц космического мусора

^^ На правах рукописи

Г

%

ВОРОНОВ КОНСТАНТИН ЕВГЕНЬЕВИЧ

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА

Специальность 05.13.05 - "Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1998

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П.Королева

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Семкин Н.Д.

доктор технических наук, профессор Дубинин А.Е. кандидат технических наук, доцент Малыгин Н.А.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

ядерной физики им. Д.В.Скобельцина МГУ им. М.В.Ломоносова

Защита состоится "_" ноября 1998 г.

на заседании диссертационного совета Д.063.87.02 в в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П.Королев; по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат разослан "_" сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. П. Королёва

Российская государственная библиотека

Диссертационный совет Д. 063. 87. 02.

101000, г.Москва, ул.Воздвиженка, д.З.

•• о О 1998 п

II

Направляю Вам для ознакомления автореферат диссертации инженера межкафедралыюй учебной лаборатории "Аэрокосмическое приборостроение", Воронова К. Е., представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, на тему "Многопараметрический преобразователь параметров частиц космического мусора".

Ваши отзывы об автореферате в одном экземпляре просим выслать по адресу:

443086,Самара, Московское шоссе, 34, Самарский государственный аэрокосмический университет, ученому секретарю.

Защита состоится в ноябре 1998 г, о точной дате защиты Вам будет сообщено дополнительно.

Приложение: Автореферат - 1экз., инв №_(без номера)

Ученый секретарь совета,

к. ф-м. н, доцент

А. А. Калентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Последние десятилетия характеризуются планированием и проведением уни-:альных экспериментов по изучению ближнего и дальнего космоса. В связи с увели-1ением времени функционирования космических аппаратов, их площадей, повыше-шем уровня загрязнения космической среды,. возникает необходимость изучения :арактеристик собственной внешней атмосферы космических аппаратов, оценки ее ¡лияния на элементы конструкций. Все это предполагает разработку и создание на-чной аппаратуры для контроля воздействия факторов космической среды на внеш-[ие поверхности космических аппаратов.

Имеющаяся в настоящее время информация о параметрах потоков пылевых [астиц с массами ш=10"7-г10"12 г, полученная в результате натурных экспериментов [рямыми методами измерения, в ряде случаев имеет низкую достоверность в связи с ем, что объект исследования является многопараметрическим, а процесс регистрами носит случайный характер и происходит на фоне различного рода шумов. Из-естные эксперименты, как правило, проводились с использованием преобразовате-ей, имеющих малые чувствительные поверхности, на различных орбитах и в разные ромежутки времени, что не позволяет сделать надежные оценки величины распре-еления потоков частиц в космическом пространстве.

Цель работы.

Целью работы является разработка многопараметрического преобразователя ылевых частиц, обладающего большими площадями чувствительной поверхности и озволяющего производить более детальную оценку параметров микрометеороидов техногенных частиц в широком диапазоне высот.

Научная новизна работы состоит в следующем.

Разработана приближенная математическая модель процесса ударной ионизации ри высокоскоростном взаимодействии частицы с полубесконечной и активной тон-ой многослойной мишенью в ионизационном преобразователе плоского типа, первые теоретически и экспериментально установлено, что параметрическая зави-имость остаточного заряда от массы частицы для тонкой и полубесконечной пре-эады различны.

Разработана математическая модель преобразователя на основе пленочной МДМ-груктуры. Получены аналитические выражения для проводимости ударно сжатой еханически пробиваемой и непробиваемой МДМ-структуры.

Создана математическая модель многопараметрического сферического преобра-з пате л я ионизационно-конденсаторного типа. Теоретически и экспериментально :тановлена возможность анализа элементного состава частицы, а также более высо-1я информативность и эффективность преобразователя.

Экспериментально установлено, что предложенный способ зарядки частиц в раз-)няемые импульсным лазером пленочные мишени с использованием электростати-гского ускорителя повышает достоверность, точность измерения параметров части-ы.

Практическую ценность работы представляют.

• Инженерные методики расчета основных характеристик различных типов преобразователей.

• Экспериментальные стенды для исследования характеристик преобразователей различных типов.

• Методики проведения моделирования процессов высокоскоростного соударения, позволяющие расширить диапазон исследуемых частиц по массам и скоростям, повысить точность экспериментов, значительно снизить затраты на отработку и испытание исследуемых устройств.

• Методика обработки информации натурных экспериментов.

• Выполнен цикл лабораторных и космических экспериментов, впервые получены предварительные данные о распределении микрометеороидных и техногенных частиц на геостационарной орбите.

Реализация работы. Результаты работы использованы в РКК "Энергия", ЦАО (г. Москва), МАИ, ЦСКБ, НПО ПМ (г. Красноярск) с целью изучения распределения техногенных и микрометеороидных частиц в околоземном космическом пространстве, определения их физических параметров.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на

• Всесоюзная научно-техническая конференция "Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции", г. Саратов. - 10-13 сентября, 1991.

• The Second Russian-Sino Simposium on Astronautical Science and Technique. Samara, June 30 - July 4.-1992.

• 1st. International Workshop on Space Debris oktober 09 to 11,1995 in Moskow at the Space Research institute of the Russian academy of sciences.

• Proceeding of fourth Ukraine Russia-China symposium on space science and technology v.Il, UKRAINE, September, 12-17, 1996.

• Proceedings of synp. on "Environment Modelling for Space - baced Applications ", ESTEC , Noordwijk, NL, 18-20 September 1996.

• Proceedings of the Second European Conference of Space Debris, ESOC, Darmstadt, Germany, 17-19 March 1997.

• Научный семинар НИИ ядерной физики "Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы КА" - Москва, 17 марта 1997.

• Proceedings of the 7th International Symposium on "Materials in space Environment" Toulouse, France, 16-20 June 1997.

• Second International aerospace cogress IAC'97 abstracts. - Moskow, Russia, August 31-September 5,1997.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы в научных журналах, научных сборниках и сборниках трудов по материалам докладов на конференциях, тезисы докладов на международных, всесоюзной и региональной конференциях, в том числе одно авторское свидетельство. На защиту выносятся следующие положения.

> Модель расчета остаточного заряда при высокоскоростном взаимодействии час--иц с полубесконечной и активной многослойной пленочной мишенью в ионизаци->нном преобразователе плоского типа.

> Модели расчета электропроводности пленочной ударносжатой непробиваемой ЛДМ-структуры.

> Модель многопараметрического сферического ионизационно-конденсаторного феобразователя пылевых частиц.

■ Методики проведения лабораторных экспериментов.

> Методики обработки информации лабораторных и космических экспериментов. 1 Результаты натурных и лабораторных экспериментов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения. Основная часть работы одержит 200 страниц машинописного текста, 20 страниц приложения, библиогра-зии из 141 названия. Иллюстративный материал диссертации представлен 2 табли-. (ами и 134 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы. Усматривается общее состояние вопроса исследования твердой составляющей ¡ежпланетной среды и пылевой составляющей околоземного космического про-транства, указывается на недостаточность экспериментальных исследований. Отме-ается необходимость уточнения имеющихся данных о распределениях пылевых астиц в связи с непрерывным ростом засоренности околоземного космического ространства.

Первая глава. Длительное исследование пылевой компоненты атмосферы с омощью наземных и прямых методов измерения, а также использование средств ля моделирования пылевых частиц позволяет произвести разделение их на части-ы естественного и искусственного происхождения. Искусственные объекты и об-омки преобладают в числе объектов, окружающих Землю. Но это утверждение не тносится к частицам 0.1 - 0.001 см в диаметре, среди которых пока еще большую асть составляют метеориты. Эти частицы значительно отличаются от искусствен-ых по материалу и динамическим свойствам.

Пылевые частицы искусственного происхождения (техногенные частицы) редставляют основную опасность, вследствие более высокой концентрации наибо-ее опасных крупноразмерных фрагментов. Пылевые частицы естественного прохождения - метеорные потоки - являются результатом распада комет, источником (3-етеороидов является Солнце. Для этих двух классов пылевых частиц рядом авто-ов предложены различные модели распределения частиц в околоземном космиче-<ом пространстве. На основании этих моделей разработана программа, позволяю-;ая произвести предварительную оценку риска столкновения с пылевыми частица-и на различных орбитах в зависимости от ориентации чувствительной поверхности зтчика (космического аппарата), его площади.

Таким образом, объектом исследования является индивидуальная пылевая частица (микрометеороид, техногенная частица и т.д.), а также потоки частиц, характеризующиеся распределением по скоростям и массам в пространстве, концентрациям в потоке, зарядом. Пылевые частицы как объект исследования являются объектом многопараметровым, динамическим, а процесс их регистрации случайным. Все пылевые частицы можно разделить на высокоскоростные пылевые частицы (У/> 1 км/с) и низкоскоростные пылевые частицы собственной внешней атмосферы космического аппарата СВА (\У=0.1*300м/с). Для их регистрации были разработаны различные преобразователи, основную массу которых составляли преобразователи, использующие физические явления, связанные с наличием заряда и механического движения пылевой частицы.

На основании проведенного анализа методов и средств регистрации частиц предложена конструкция совмещенного пленочного сферического ионизационно-конденсаторного преобразователя, позволяющего измерять, независимо от места соударения, скорость, вектор скорости, массу, элементный состав индивидуальной техногенной и микрометеороидной частицы, проводить оценку ее плотности. Такой преобразователь является автономным устройством, с большими площадями чувствительной поверхности Б=300м2 , и, за время своего существования - 2*3 месяца, позволяет получить значительную информацию о потоках пылевых частиц, имеющих массу т>10""г и скорость W>0.2 км/с, в диапазоне высот 200*1000 км над Землей. Внешний вид приведен на рис.1.

Вторая глава посвящена созданию приближенной математической модели процесса ударной ионизации и выявлению связи между разлетом облака плазмы и

Рис. 1. Преобразователь частиц космического мусора как КЛ. 1,6 - пленочные солнечные батареи,2 - внешняя общая пленочная оболочка КЛ.З - конденсаторные секции,4 - приемник ноиов,5 - пленочная антенна,7 -контейнер с научной аппаратурой.

«энструктивными параметрами преобразователя, разработке математической моде-ш конденсаторного преобразователя и, на основании полученных выражений, соз-;анию обобщенной модели ионизационно-конденсаторного преобразователя сфери-1еской формы.

В работе рассматривается модель объемной ионизации, как наиболее характерная для ожидаемого процесса регистрации техногенных частиц космического лусора, имеющих скорости \У=10-И6 км/с и микрометеороидных частиц \У>15 км/с.

В результате решения поставленной задачи, с учетом введения некоторых до-1ущений, качественно не меняющих рассматриваемый процесс, получено аналити-!еское уравнение, описывающее величину остаточного заряда возникающего при паимодействии пылевой частицы с полубесконечной преградой:

„ и/2)

(1 + а) где СеМ = (Ьм

где а = д/ру/рм . С = = _7==7~ М/4

л/Ром "Vх'

1_

М/4 рМ)

Для тонкой преграды получено выражение для остаточного заряда

5/6 И^-Ь^-У/3 / п/2)

[\+л]ру/рм[

где к- коэффициент пропорциональности, И - толщина преграды.

В результате решение уравнения кинетики разлетающегося облака плазмы поучены значения начальной и остаточной степени ионизации в зависимости от вре-1ени при различных температурах начального сгустка плазмы. Установлено, что в пучае тонких преград остаточный заряд будет меньше по величине заряда, образо-анного при ударе частицы в полубесконечную преграду.

Для рассмотрения процесса взаимодействия частицы с активной тонкой пре-радой - заряженной МДМ-структурой, проведен анализ на основе численного мо-елирования с использованием ранее выведенных уравнений. Получено, что в ре-/льтате воздействия электрического поля заряженного конденсатора и процесса его азряда через образовавшуюся плазму, наблюдается дополнительный разогрев лазмы, ускорение заряженных частиц, вторичная ионизация заряженных частиц и ейтральных атомов, все это приводит к замедлению процесса рекомбинации плазы, более полной ионизации материала ударника и мишени и, как следствие, к уве-ичению остаточного заряда.

На основании расчетных моделей проведен переход от физической модели эразования и разлета плазмы непосредственно к импульсу тока ионизационного реобразователя во взаимосвязи с его конструктивными параметрами. Получено 1апитическое выражение в безразмерном виде для импульса тока в ионизационном реобразователе плоской конструкции:

М0 =

5

112У/3

^(1 + а)31хх'

-(Нг

+ Оета2е

где х=1/1х- переменная, Ь - расстояние от мишени до приемника, (х- характерное время.

Получено уравнение для импульса тока сферического преобразователя.

1(0 =

где

сШ = 2Ы0 1

<гг~ I г

я2 V»

Л/2 А24

/ехР

аЧ'.

1 + а

параметры, связанные с конструктивными размерами

сферического преобразователя;

Т = ^ - время пролета иона в промежутке между двумя сферами;

г5 - расстояние от точки удара частицы (т.е. образования иона) до точки удара

иона в коллектор.

В связи с возможностью использования явления эмиссии вторичных заряженных частиц при высокоскоростном ударе для определения элементного состава плазмы (элементного состава ионизированного материала пылевой частицы и мишени) проведен анализ двух режимов работы сферического преобразователя - с тормозящим и ускоряющим полем, позволяющих использовать преобразователь в режиме масс-спектрометра (режиме измерения элементного состава).

В настоящее время в космических исследованиях используются тонкопленочные конденсаторные преобразователи и преобразователи в виде полубесконечной преграды, причем практически все они используются в режиме регистрации пылевой частицы. Использование пленочных МДМ-структур позволяет создавать преобразователи с большими площадями чувствительных поверхностей, обладающие при этом слабой зависимостью от места соударения с пылевой частицей.

В основе конденсаторного датчика лежит свойство резкого увеличения проводимости ударносжатых МДМ-структур (металл-диэлектрик-металл) в результате взаимодействия с пылевой частицей, поэтому в данной работе предложено измерять изменение проводимости ударносжатых МДМ-структур с целью определения параметров пылевой частицы.

В наиболее общем случае для определения проводимости ударносжатых диэлектриков МДМ-структуры как функции времени, параметров частицы решается система уравнений гидродинамики и электродинамики с использованием уравнений состояния для металла и диэлектрика. Разработана модель расчета проводимости МДМ-структуры, на основе больцмановской зависимости изменения проводимости, для случаев механически непробиваемого и пробиваемого конденсатора. Несмотря на некоторые упрощения при рассмотрении процессов взаимодействия, модель дает

хорошую качественную оценку, что было подтверждено в результате экспериментальных исследований проводимости ряда пленок при высокоскоростном взаимодействии с ними пылевых частиц.

Получены выражения для проводимости непробиваемой

АЕЧ' Г 1

7г1(Р1+ь+а)2 - (ь -ь а)21

о8 = ос

1 +

о0ехр

ДЕ

-1

и пробиваемой ударносжатой МДМ-структуры

/ ' ДЕ" Л стоехР| - —

=°о

1 +

о0ехр

ДЕ

loJ

71-[(Р-1 + Гх)2-Гх21

где -а<г удельная проводимость диэлектрика,

ДЕ - энергия активации, Т - температура во фронте ударной волны, Б - скорость распространения ударной волны в диэлектрике, Ь+(1 - возмущенная часть диэлектрика, Б8 - площадь датчика, гх- характерный размер частицы, во - начальная проводимость датчика. Для определения импульса напряжения с ударносжатой МДМ-структуры использовалось численное решение уравнения Кирхгофа для эквивалентной электрической схемы конденсаторного преобразователя. В результате моделирования получены характеристические зависимости напряжения с конденсаторного датчика от массы и скорости пылевой частицы, для толщины диэлектрика тонкопленочного конденсаторного датчика - Ь=2 мкм и Ь=4мкм, ис=110В, Сд=55нф, в диапазоне масс т=10'|7+10'ш кг, \у=0.5+15 км/с, в виде: ис~С-та-\Ур,

где - а, Р расчетные коэффициенты приведены в таблице. Величина их значительно меняются в диапазоне масс ш=10'15 + 10"7 г и скоростей \У=0.1+25 км/с в свя-

Непробив. конд. Ь=2мкм Непробив. конд. Ь=4мкм Пробив, конд. Ь=2мкм Пробив, конд. Ь=4мкм

а 0.6+6.4 0.4+7.3 0.53+1.1 0.49+0.8

Р 0.8+12 0.7+10 1.2+1.75 0.45+1.3

Разработаны модели механического закорачивания тонкопленочного конден-¡аторного преобразователя низкоскоростной проводящей частицей.

В третьей главе проведена оценка методических погрешностей ионизационно--о и конденсаторного преобразователей, определена инструментальная и методиче-:кая погрешности всего многопараметрического преобразователя в комплексе, на )Снове метода максимального правдоподобия выполнена оценка погрешности изме-ения в условиях воздействия на преобразователь случайного шумового сигнала.

Установлено, что методические погрешности ионизационного метода измерения, при априори неизвестных параметрах частицы, определяются именно неизвестными свойствами пылевой частицы (неизвестны элементный состав частицы, потенциалы ионизации элементов, коэф. электронной теплоемкости и др.) и при оценке результата замещаются статистически наиболее вероятными значениями. В результате анализа для оценки характерного размера частицы погрешность составляет - 5(11х)=60-г70%, скорости 8(\У)»20-н30%.

Полученные значения погрешности проводимости ударносжатой МДМ-структуры в зависимости от изменения неизвестных параметров принимает значения 50е(ДЕ)«8-И2%, 50е(11х)=5%, 50е(\У)= 30%, 50Е(р)=5%.

Анализ модели совмещенного ионизационно-конденсаторного преобразователя показывает, что в результате совместного решения полученных уравнений для ионизационного и конденсаторного датчика, появляется возможность отказаться от априорного задания отдельных параметров частицы, соответственно методическая погрешность оценки параметров пылевой частицы уменьшается и составляет 5(\У)=8н-14%, 5(ш)«20-г40%, 5(р)«15-ь30%.

Инструментальные погрешности сферического преобразователя определяются:

• погрешностью ионизационного преобразователя, обусловленной влиянием измерительной схемы;

• погрешностью конденсаторного преобразователя, обусловленной местом соударения (изменение величины сопротивления верхней и нижней обкладок) и цепями заряда 511т= 1-5-3.6%;

• погрешностью прямого измерения скорости и вектора скорости пылевой частицы при двойном пробое конденсаторных датчиков, обусловленной конечными размерами и количеством конденсаторных секций на внешней оболочке преобразователя 5\У«6,3+76%, 5у= 1,96-т-12.3%.

Выходные характеристики преобразователей представляют собой импульсные сигналы в смеси с шумом, обусловленным космическими шумами, внешними шумами космического аппарата, внутренними шумами преобразователя. При использовании нормального белого шума в качестве модели входного суммарного шумового сигнала, выполнен синтез оптимальной структуры ионизационного приемника, разработан алгоритм работы системы обработки, вычислены относительные погрешности измеряемых параметров а, 1, О- 5ая;0.5-10"6+16%, 51а1.4-10'6+20%, 5О«1-ь200% для нескольких значений шумового напряжения иш=20^-200мкв.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования высокоскоростного взаимодействия пылевых частиц с ионизационно-конденсаторным преобразователем.

В качестве экспериментального стенда для создания потоков высокоскоростных пылевых частиц использовались электростатические ускорители КГ-500 и ЭГ-8 с ускоряющими напряжениями 500 КВ и 1.6 МВ соответственно. В качестве пылевых частиц использовались порошки А1 (1^4мкм), Ре (1-г4мкм), XV (5мкм). Экспериментальный стенд состоял из инжектора (источника) пылевых частиц, электростатического ускорителя, системы сепарации и регистрации параметров пылевых час-

иц, исследуемого преобразователя и его системы регистрации.

В результате исследования ионизационного преобразователя плоского типа с шшенью в виде МДМ-структуры получена степенная зависимость остаточного за-1яда от массы и скорости частицы вида:

q = cm°.«±0.1.w2.04±0.5

Полученная зависимость подтверждает теоретические выводы о меньшем вы-оде ионов при соударении с тонкой преградой.

При исследовании макета ионизационного преобразователя сферического ти-ta основное внимание уделено анализу процессов разлета и сбора ионов многоком-ганентной плазмы. При изменении величины собирающего потенциала на цен-ральном электроде U„=0*200B, для сферического преобразователя с R=80mm, =7.5мм и соударения вида Al-Fe, получены следующие соотношения для заряда:

Q=C-ma-Wp,

где - а, Р имеют следующие значения

а=0.78*0.71,Р=2.1*3.2.

При исследовании взаимодействия высокоскоростной частицы с активной 4ДМ-структурой получены экспериментальные зависимости импульса напряжения т массы и скорости для ударносжатого механически пробиваемого и непробивае-юго преобразователя, выполненного на основе тонкопленочного конденсатора с олщиной диэлектрика h=2 мкм и h=4 мкм. Зависимости описываются характери-гическим уравнением вида: Ue=C-me-Wp,

где - а, Р для диапазона масс и скоростей m=10"10*10'12r, W=0.5*5 км/с -0.2810.1, Р=1.810.1 (для Ь=2мкм) а=0.65±0.1, р=1.5610.1 (для Ь=4мкм) - непроби-аемый случай и а=0.2510.1, Р=0.9210.1(для Ь=2мкм) а=0.6510.1, Р= 1.3110.1 (для =4мкм) -пробиваемый случаи. Полученные зависимости в пределах 20% совпада-)т с теоретическими зависимостями, что является вполне удовлетворительным ре-/льтатом в пределах точности эксперимента.

Эксперименты по исследованию макета сферического преобразователя с ми-[енью в виде пленочной МДМ-структуры (h=20 мкм) проводились также при ис-ользовании в качестве ускорителя импульсного лазера. Разработана методика продления эксперимента и экспериментальная установка на основе электростатическо-} ускорителя для зарядки частиц в тонкопленочную мишень, позволяющая устра-ить процесс слипания частиц при нанесении их на мишень и тем самым сократить азброс экспериментальных данных. В результате эксперимента зафиксирована аксимальная скорость ~37 км/с пылевой частицы диаметром ~6мкм и получен им-ульс тока как функция времени и параметров частицы.

Пятая глава посвящена вопросам практического построения многопараметри-:ского преобразователя техногенных частиц космического мусора и результатам 1бораторных и натурных экспериментов выполненных с помощью спроектирован-ых датчиков.

Практическая проверка и реализация рассматриваемых положений проводить при разработке, изготовлении и настройке приборов, предназначенных для ис-

следования низкоскоростной и высокоскоростной пылевой составляющей, в натурных условиях. Для проведения натурных экспериментов спроектированы и изготовлены преобразователи следующих типов: конденсаторный, ионизационный, иониза-ционно-конденсаторный, люминесцентный и фотоэлектрический.

1. Конденсаторный преобразователь представлял собой два пленочных конденсаторных датчика на основе МДМ-структуры, расположенные на расстоянии 10 см друг от друга. Площадь окна детектора составлена 230 см2- Толщина МДМ-структуры была равна 20 мкм, что позволило регистрировать техногенные частицы и микрометеороиды размером более 3+5 мкм с диапазоном скоростей 0.2+70 км /с. Измерения проводились на геостационарной орбите на двух российских спутниках связи "Горизонт - 41" в период с декабря 1993 по октябрь 1994 и "Горизонт - 43" в мае 1996 г. Преобразователь был включен в общую систему питания и хранения данных в составе научной аппаратуры "APIPE", НИИЯФ МГУ (г. Москва), НПО ПМ (г. Красноярск). Полученные результаты были доложены на международных конференциях.

На основании этих двух конденсаторных датчиков разработан ионизационно-конденсаторный преобразователь, имеющий большую площадь регистрации и дополненный двумя ионизационными датчиками.

2. Ионизационный преобразователь плоского типа, в кассетном исполнении, изготовлен для экспериментов в составе научного комплекса "Кварц-Флагман" на борту пилотируемого комплекса "МИР" в рамках программы "МИР-2000", РКК "Энергия", с целью изучения поведения материалов и покрытий в условиях воздействия факторов космического пространства.

3. Люминесцентный преобразователь использовался в ходе исследования пылевой составляющей верхних слоев атмосферы (на высотах 40-г80 км) с помощью ракетного эксперимента, ЦАО (г. Москва).

4. Фотоэлектрический преобразователь проектировался для использования в составе бортовой аппаратуры для измерения параметров низкоскоростной (V<200 м/с) составляющей пылевой компоненты СБА КА (собственной внешней атмосферы КА), рабочая область ~1см2, диапазон регистрируемых размеров пылевых частиц 0.8-^50 мкм. Преобразователь, вместе с люминесцентным датчиком, был использован в эксперименте по исследованию пылевого состава факела электроплазменного двигателя, устанавливаемого на космических аппаратах, МАИ (г. Москва). На основании этого прибора был разработан фотоэлектрический измеритель запыленности воздуха (в качестве оптической пары которого использовались светодиод и фотодиод, чувствительность преобразователя 5-И00мкм), СНПЗ (г. Сызрань).

В приложении приведены разработанные программы расчета, акты использования результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

. Анализ существующих методов и средств регистрации высокоскоростных частиц оказал, что наиболее перспективным является использование совокупности мето-ов, основанных на различных физических принципах измерения. Показано, что аиболее перспективным совмещением датчиков является конструкция ионизаци-нно- конденсаторного типа сферической формы, достоинством которой является: озможность оценки элементного состава пылевой частицы, измерения скорости, ектора скорости, других параметров частицы независимо от места соударения, вы-окая эффективность за счет использования больших площадей чувствительной по-ерхности.

. Разработаны модели явления ионизации при высокоскоростном соударении час-ицы с полубесконечной и тонкой многослойной преградой в виде МДМ-структуры, становлено, что степень ионизации для случая пробиваемой активной МДМ-груктуры значительно больше, чем при взаимодействии частицы с полубесконеч-ой преградой.

. Получены аналитические зависимости импульса тока как функции параметров астицы и конструктивных параметров для ионизационных преобразователей плос-эго и сферического типа. Созданы программы расчета различных конструкций реобразователей ионизационного типа, оптимальных по основным выходным па-шетрам.

Разработаны модели взаимодействия частицы с полубесконечными и тонкими [ДМ-структурами. Получено аналитическое выражение для определения проводи-ости преобразователя на основе ударносжатой МДМ- структуры как функции па-шетров частицы и эквивалентной схемы измерения.

Разработана модель ионизационно-конденсаторного преобразователя пылевых 1стиц на основе пленочных МДМ-структур.

Проведен анализ погрешностей преобразователя ионизационно-конденсаторно-I типа сферической формы. Показано, что основной вклад вносят методические по->ешности, определяемые рядом допущений, введенньк при разработке расчетных эделей преобразователей на основе явлений ионизации и изменения проводимости ДМ-структур. Показано, что совместное использование нескольких методов изменил, основанных на различных физических явлениях, и использование новых кон-руктивных решений позволяет получить систему с большим числом измеряемых фаметров, отказаться от априорного задания части параметров и уменьшить обую погрешность измерения параметров техногенных и микрометеороидных час-щ.

Разработаны экспериментальные установки для ускорения пылевых частиц на нове электростатики и на основе импульсного лазера. Получены скорости частиц -8 мкм, превышающие 30-ь35 км/с. Разработаны методики проведения ударных спериментов. Эксперименты показали, что выходные характеристики преобразо-телей совпадают с теоретическими зависимостями в пределах точности соответст-ющих физических моделей.

8. Разработаны методы измерения и обработки сигналов с ионизационного преобразователя пылевых частиц с учетом шумовых характеристик.

9. Разработанные системы регистрации пылевых частиц на основе использования явления ударной ионизации, изменения проводимости МДМ-структур, люминесценции, рассеяния света на пылевых частицах использованы в лабораторных и натурных экспериментах рядом предприятий соответствующего профиля.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В

ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Воронов К.Е., Сёмкин Н.Д. Исследование пылевой компоненты верхних слоёв атмосферы с помощью люминесцентного датчика.// Всесоюзная научно-техническая конференция/ СГУ, г. Саратов. — 1991, 10-13 сентября. - С.33-34.

2. Воронов К.Е., Сёмкин Н.Д. Metods and equipment for detecting of hipervelosity particles// The Second Russian-Sino Simposium on Astronautical Science and Technique./ Samara. - 1992, June 30 - July 4.

3. Perspectives of Inflatable film structures usage for space debris and micrometeoroids investigation./ V.L.Balakin, N.D.Semkin, K.E.Voronov, V.M.Shakmistov, G.G.Chochua, S.Kessler, M.Krischke, K.Paul. //1st. International Workshop on Space Debris oktober 09 to 11,1995 in Moskow at the Space Research institute of the Russian academy of sciences.

4. Perspectives of Inflatable film structures usage for space debris and micrometeoroids investigation./ V.L.Balakin, N.D.Semkin, K.E.Voronov, V.M.Shakmistov, G.G.Chochua // Proceeding of fourth Ukraine Russia-China symposium on space science and technology v.II, UKRAINE. - 1996, 12-17 September.

5. Prospects of use of inflatable film structures for the purpose of study of pollution of terrestrial space by natural and artificial particles./ V.L.Balakin, N.D.Semkin, K.E.Voronov, G.G.Chochua, V.M.Shakhmistov. //.Proceedings of the Second European Conference of Space Debris. ESOC. - Darmstadt, Germany. - 1997, 17-19 March (ESA SP-393, May 1997).

6. Effectiveness Of Inflatable Design for Near-Space Debris Research./ V.L.Balakin, V.M.Shakmistov, K.E.Voronov, N.D.Semkin, Belokonov I.V.//Second International aerospace cogress IAC'97 abstracts. - Moskow, Russia. - 1997, August 31-September 5.

7. Measurment of Solid Micro-Particles Fluxes in Geosyncronous Orbit/ L.S. Novikov, K.E. Voronov, N.D. Semkin, V.M.Verhoturov, O.S.Grafodatsky, I.A.Maksimov // Proceedings of synp. on "Environment Modelling for Space - baced Applications ". - Noordwijk, NL. - 1996,18-20 September (ESA SP-392, 1996).

8. Attempt of measurment of space debris microparticles flux in Geosyncronous Orbit/ L.S. Novikov, K.E. Voronov, N.D. Semkin, V.M.Verhoturov, O.S.Grafodatsky, I.A.Maksimov // Proceedings of the Second European Conference on Space Debris. ESOC. Darmstadt, Germany. - 1997, 17-19 March. - Pp.135 - 138 ( ESA SP - 393, May 1997).

9. Emission and discharge phenomena induced by hard microparticle impact./ L.S.Novokov, N.D. Semkin, K.E.Voronov, A.I.Akishin //Proceedings of the 7th

international Symposium on "Materials in space Environment". Toulouse, France. - 1997, 16-20 June.

10. Воронов K.E., Семкин Н.Д., Мясников C.B. Спутниковая информационная система исследования характеристик космического мусора./ СГАУ - Самара, 1997.-16 с. - Деп. в ВИНИТИ №2213-В97 от 07.07.97.

И. Сёмкин Н.Д., Воронов К.Е. Анализ погрешностей, методов и устройств для ре--истрации пылевых частиц./ СГАУ - Самара, 1997. - Деп. в ВИНИТИ, №3223-В97 от И.10.97.

12. Воронов К.Е., Сёмкин Н.Д. Модель расчета импульса тока в плоской конструк-щи ионизационного преобразователя // сборник науч. тр. СГАУ,- 1997,- вып.З. - стр. 10-18.

13. Сёмкин Н.Д., Воронов К.Е. Проводимость ударносжатого диэлектрика МДП-¡труктуры./ СГАУ-Самара,1998.-14 с. - Деп. в ВИНИТИ №590-В98 от 27.02.98.

4. Воронов К.Е, Семкин Н.Д. Исследование ионизационно-конденсаторного датчи-;а пылевых частиц с помощью импульсного лазера. /Научный семинар НИИ ядер-юй физики "Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы CA" - Москва, 17 марта 1997.

5. Сёмкин Н.Д., Воронов К.Е., Мясников C.B. Газопылеударный масс-спектрометр. СГАУ - Самара,1997. -18 с. - Деп. в ВИНИТИ, №2411-В97 от 16.07.97.

6. Сёмкин Н.Д., Воронов К.Е Пылеударный масс-спектрометр. /Решение о выдаче [атентапо заявке №96103268 от 15.12.97.

7. Воронов К.Е, Семкин Н.Д. Экспериментальное исследование характеристик ферического пленочного преобразователя пылевых частиц./ СГАУ - Самара,1997. -2 с. - Деп. в ВИНИТИ, №3224-В97 от 31.10.97.

8. Воронов К.Е, Семкин Н.Д., Мясников C.B. Аналитический расчет распределения лектростатического нелинейного масс-рефлектрона./ СГАУ - Самара, 1997. -20 с. -Jen. в ВИНИТИ, №3225-В97 от 31.10.97.

9. Воронов К.Е, Семкин Н.Д. Источник ионов пылеударного масс-спектрометра./ ТАУ-Самара,1997.-13 с. - Деп. в ВИНИТИ №3753-В97 от 24.12.97.

0. Воронов К.Е, Семкин Н.Д., Кондратов В.Н. Исследование ионизационно-онденсаторного преобразователя пылевых частиц получаемых с помощью им-[ульсного лазера.//Препринт №0040-А1998, ЦНИИ Атоминформ, - Москва. - 1998.

1. Воронов К.Е. Расчет тока проводимости ударносжатой МДМ-структуры.// Сборок научных трудов СГАУ, Самара.- 1998. - вып. 1, - с.35-42.

2. Воронов К.Е, Семкин Н.Д., Ротов C.B. Расчет электропроводности и заряда в дарносжатой МДМ-структуре.// Сборник научных трудов СГАУ, Самара. - 1998. -ып. 1,- С.55-70.

3. Математическая модель преобразователя космического мусора/ Балакин В.Л., елоконов И.В., Сёмкин Н.Д., Воронов К.Е.//Актуальные проблемы авиационных и эрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент. Российско-американский аучный журнал. - 1998.-Вып. 1(5). - С.53-61.

4. Сёмкин Н.Д., Воронов К.Е Проводимость ударно сжатых МДМ структур на ос-ове полиметилметакрилата.//Журнал технической физики. -1998. - № 8, т.68. - С. 3-66.

Л /,

/ с/

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИИ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА

На правах рукописи

ВОРОНОВ КОНСТАНТИН ЕВГЕНЬЕВИЧ

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Семкин Н.Д.

Самара - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА.................... 13

1.1. Источники пылевых частиц и модели их распределения........... 13

1.2. Анализ объекта исследования............................................. 23

1.3. Анализ методов и средств регистрации и измерения физических характеристик микрометеороидных и техногенных частиц...... 28

1.4. Анализ требований, предъявляемых к средствам регистрации и измерения физических характеристик пылевых частиц............ 53

1.5. Выводы по главе 1........................................................... 58

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ СОВМЕЩЕННОГО ТИПА........................................ 59

2.1. Расчет вторичных заряженных частиц при высокоскоростном взаимодействии твердых тел............................................. 59

2.2. Математические модели преобразователей ионизационного

типа........................................................................... 80

2.2.1. Модель расчета импульса тока в плоской конструкции ионизационного преобразователя............................... 81

2.2.2. Преобразователь с приемником в виде системы плоскопараллельных пластин............................................. 90

2.2.3. Преобразователь с приемником в виде системы параллельных нитей........................................................ 95

2.3. Преобразователи на основе МДМ-структур........................... 101

2.3.1. Модель образования проводящего канала в ударносжатой МДМ-структуре...................................................... 108

2.3.2. Расчет проводимости пробиваемой тонкой МДМ-

структуры............................................................. 114

2.3.3. Расчет характеристик проводящего канала, в механически пробиваемой МДМ-структуре, за счет образования ударной плазмы..................................... 116

2.3.4. Расчет сопротивления перемычки при механическом закорачивании конденсаторного преобразователя проводящей пылевой частицей................................... 120

2.3.5. Тепловой и электрический пробой конденсаторного преобразователя......................................................... 123

2.4. Модель ионизационного преобразователя сферической формы... 130

2.5. Математическая модель многопараметрического

преобразователя техногенных частиц космического мусора

сферического типа.......................................................... 142

2.6. Выводы по 2 главе........................................................... 148

3. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ........................................ 149

3.1. Методические погрешности.....................................................149

3.1.1. Методические погрешности ионизационного преобразователя.................................................................. 150

3.1.2. Методические погрешности конденсаторного преобразователя ................................................................. 155

3.1.3. Методическая погрешность совмещенного ионизацион-но-конденсаторного преобразователя......................... 158

3.2. Инструментальные погрешности........................................ 158

3.3. Случайные погрешности................................................... 177

3.4. Выводы по 3 главе........................................................... 190

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЧАСТИЦ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ .............................................................. 191

4.1. Методы моделирования высокоскоростных частиц.................. 191

4.2. Экспериментальное исследование преобразователей............... 200

4.2.1. Описание экспериментального стенда на основе электростатического ускорителя................................ 200

4.2.2. Исследование характеристик ионизационного преобразователя.................................................................. 208

4.2.3. Исследование характеристик конденсаторного преобразователя............................................................... 219

4.2.4. Исследование характеристик ионизационно-конденсаторного преобразователя сферической формы с помощью импульсного лазера.................................. 237

4.3. Выводы по 4 главе.......................................................... 244

5. РАЗРАБОТКА, ИСПЫТАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ АППАРАТУРЫ

ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ.............................. 245

5.1. Выбор и обоснование состава и схемотехнических решений при создании обрабатывающей аппаратуры сферического преобразователя............................................................................251

5.1.1. Блок обработки информации конденсаторного преобразователя............................................................... 254

5.1.2. Блок обработки информации ионизационного преобразователя.................................................................. 261

5.2. Методика обработки информации с совмещенного ионизацион-но-конденсаторного преобразователя.................................. 268

5.3. Результаты практического использования разработанных преобразователей............................................................... 275

5.3.1. Результаты натурных и лабораторных экспериментов,

выполненных с помощью конденсаторного и ионизационного преобразователей.......................................... 275

5.3.2. Результаты натурных и лабораторных экспериментов выполненных с помощью люминесцентного и фотоэлек-

трического преобразователей........................................................................280

5.4. Выводы по 5 главе......................................................................................................................288

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.............................................289

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................................................291

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ)............................................................................301

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (Используемые программы)..............................................................306

ВВЕДЕНИЕ

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, кратерооб-разующими 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 1 г. до нескольких лет для частиц массами Ю-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 ме-теороидного фона (см. рис. 1.1, рис.1.2^ 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: изучение происхождения и эволюция солнечной системы; оценка притока метеорного вещества на Землю и другие планеты; расчет скорости образования метеоритных кратеров на планетах и спутниках; оценка вклада метеоров и метеоритного вещества в ионизацию нижней ионосферы (прежде всего в образование спорадических слоев Е5); оценка влияния пыли метеорного происхождения на свечение верхней атмосферы и образование серебристых облаков, так и прикладных задач: прогнозирование метеорной опасности для космических аппаратов и воздействие большого числа ударов очень мелких пылинок на незащищенные оптические, светочувствительные и другие поверхности аппаратуры, установленной на космических аппаратах; использование наклонного рассеяния радиоволн метрового диапазона на ионизированных метеорных следах для радиосвязи; использование радиолокационных и оптических наблюдений дрейфа и расширения метеорных следов для изучения циркуляции верхней атмосферы, турбулентности и диффузии и т.п.

Для исследования твердой составляющей межпланетной среды и пыле

число ударов частиц, 1/м2 год

10 (-

10 -

„Окна «Спейслэба» (1973-1974 гг., высота 435 км)

•ИЗС «Солар» (1980-1984 гг., высота 500-570 км)

10"-

1<Г _

10

10

Окна орбитального аппарата (1981-1983 гг., высота 300 км, надежность 95%)

Расчет столкновений со сверхвысокими скоростями

^аземный телескоп МИТ (600-1100 км) Данные по наземным взрывам

Каталог ШЯАБ (600-1100км)

0.0001

10 100 Диаметр частицы, см

Рис1.1. Распределение метеоритов и частиц космического мусора по результатам наземных и косвенных измерений.

2 1

&

о

CN» '

е-

-Б -7 — 8

о

< > ^

©с

э Ои <- 0 и

■■ А Q7 5 О i е» 3 П

и

~\Lt -ль -ix. -ч -ю -9 -а -т -6 t

а 1 , а. г , о а. > о ^ , 05,те, v?, »ä, ©з,®но и и, ■ 12., в Ч5М6, »47, и , «э 19 ; ого

иггч

Рис. 1.2 Зависимость величины потока от массы частиц (результаты прямых

измерений).

1-Космос 125 (1966-1967) ; 2- Космос 163 (1967); 3- эксплорер 16, 23 (1962-1964); 4- Пегас 1,2,3, (1965- :

1966); 5- Ариэль-2 (1965); 6-ОГО- 4(1967); 7- ого-3 (1966-1967); 8- Лунар Орбитер (1966-1967); 9- Эксплорер-35 (1967-1969); 10- Пионер 9,10 (1969); 11-Маринер -4 (1964-1967); 13- Джемини 8,10, (1966);14- Джемини-12 (1966); 15- ракеты Найс-Апал (1968); 16-Ракеты Кентавр (1967-1969); 17- Интеркосмос -14 (1975); 18- Молния, Горизонт (1994-1995); 19- LDEF; 20 - Космос - 1300 (1978-1979);

21- «Японский спутник» (1995)

1

вой составляющей верхней атмосферы в настоящее время используются различные прямые и косвенные методы: оптические наблюдения метеоров (визуальные, фотографические и электронно-оптические); радиолокационные наблюдения метеоров; регистрация ударов метеорных тел с помощью датчиков различных типов, установленных на геофизических ракетах, ИСЗ и космических зондах; оптические наблюдения зодиакального света, противосияния и фраунгоферовой составляющей солнечной короны с поверхности Земли, геофизических ракет и космических аппаратов; измерение поля рассеянной солнечной радиации в дневной и сумеречной верхней атмосфере с помощью оптической аппаратуры, установленной на геофизических ракетах и ИСЗ, или по наземным сумеречным наблюдениям; сбор и счет пылинок в верхней атмосфере с помощью ловушек и счетчиков, поднимаемых на геофизических ракетах и баллонах, ИСЗ; сбор и селекция пыли космического происхождения в изолированных от антропогенных загрязнений районах на поверхности Земли и в атмосфере, в глубоководных донных отложениях в океанах и в ископаемых льдах Арктики и Антарктики; оптическая локация верхней атмосферы с помощью лазеров; сбор и изучение метеоритов (прежде всего метеоритов с наблюдаемым падением); изучение метеоритных кратеров на Луне, Меркурии, Марсе, а также микрократеров на стекловидных лунных породах и различных деталях космических аппаратов и др.

Каждый из этих методов имеет свои специфические особенности, свою область применения и существенно различную информативность. Так, наземные базисные фотографические наблюдения метеоров дают в настоящее время наиболее полную и точную информацию о векторах скорости и массах метеорных тел с массами 1(Г - 1 г. Базисные радиолокационные наблюдения метеоров позволяют определять векторы скорости значительно более мелких метеорных тел с массами 10"5 - 10"4 г. Однако точность измерений векторов скорости и оценок масс несколько ниже, кроме того, радионаблюдения имеют несколько большую избирательность по отношению к скорости метеоров. Об-

щим недостатком оптических и радиолокационных наблюдений метеоров являются невозможность изучения метеорных тел, орбиты которых не проходят вблизи орбиты Земли.

Регистрация ударов метеорных тел с помощью датчиков, установленных на космических аппаратах, позволяет изучать плотность потока очень мелких частиц с массами г. Измерения могут проводиться как вблизи орби-

ты Земли, так и вдали от нее. Однако информативность метода существенно меньше, чем в случае базисных фотографических и радиолокационных наблюдений метеоров: измеряется лишь некоторая скалярная функция массы М и относительной скорости V метеорного тела вида: кп^У13 (где значения а,Р для датчиков различных типов изменяются от 0.5 до 3; величины а,Р и константа к определяется по данным модельных лабораторных экспериментов). Все попытки измерений векторов скорости метеорных тел с помощью чрезвычайно сложных комбинированных датчиков до сих пор не обеспечили ни требуемой точности, ни массовости таких измерений, что обусловлено очень низкой абсолютной концентрацией космической пыли в верхней атмосфере и околоземном космическом пространстве, наличием множества источников помех (ложных сигналов, загрязнений и т.п.) и погрешностей в каждом методе.

Примерно такая же информативность метода изучения метеорных микрократеров на стекловидных лунных породах доставленных на Землю, а также исследование специально экспонируемых высокочистых пластинок и возвращаемых с орбиты поверхностей датчиков, модулей и узлов космического аппарата. Все остальные методы еще менее информативны и дают лишь некоторые частные или сильно опосредованные характеристики твердой составляющей межпланетной среды и техногенного окружения.

Таким образом явно наблюдается недостаток в информации необходимой для достоверной статистической обработки в диапазоне масс микроме-теороидных и техногенных частиц меньше 10"6 г, т.е. данных получаемых

прямыми измерениями в космосе. Это подтверждается началом работы над значительным космическим экспериментом '^агс^!:" - "Звездная пыль" [5] по исследованию газопылевого облака кометы "Вилда -2", непосредственно для сбора кометной пыли и межпланетной пылевой составляющей, а так же запланированными экспериментами на строящейся космической станции Альфа.

Таким образом объектом исследования в предлагаемой работе являются микрометеороидные и техногенные пылевые частицы, а целью работы является разработка, обоснование и методическое обеспечение такого комбинированного преобразователя - многопараметрического преобразователя техногенных частиц космического мусора, который, по нашему мнению, в значительной степени поможет решить поставленные задачи в комплексе - произвести измерение параметров микрометеороидных и техногенных частиц на больших измеряемых площадях, в широком диапазоне высот, масс и скоростей, при этом произвести регистрацию как физических характеристик (измерение массы, скорости, направления вектора скорости частицы), так и оценить их элементный состав. Работа состоит из пяти глав.

В первой главе рассматривается общие характеристики измеряемого объекта исследования — пылевой частицы искусственного или естественного происхождения. На основании этих характеристик проводится рассмотрение основных требований, выдвигаемых при разработке измерительной аппаратуры, анализируются наиболее перспективные методы измерения и существующие приборы для измерения параметров пылевых частиц, предлагается новый вид комбинированного преобразователя.

Вторая глава посвящена рассмотрению наиболее информативных явлений возникающих при наиболее вероятном - высокоскоростном взаимодействии пылевой частицы с измерительным преобразователем (преградой) - явления ионизации и явления взаимодействия с тонкопленочной преградой. Выводятся упрощенные аналитические уравнения, описывающие процесс взаимо-

действия, на основании которых производится рассмотрение высокоскоростного взаимодействия во взаимосвязи с конструктивными параметрами конкретных, уже существующих типов преобразователей и проектируемого многопарамет�