Введение. МИП – магнитноразрядный измеритель плотности;

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

МИП – магнитноразрядный измеритель плотности;

СВА – собственная внешняя атмосфера;

МС – магнитной системой

КА – космический аппарат

ОК –

Работы по созданию аппаратуры для измерения параметров разреженной атмосферы в ЦНИИ РТК ведутся более 30 лет. Первый прибор "Альфа-1М" был создан в середине 70-х годов. За ним последовала разработка комплекса ДВЛС для изделия "Буран" и комплекса "Индикатор" для ОК "Мир", созданные по ТЗ НПО "Энергия". Основное назначение такой аппаратуры - измерение плотности разреженной атмосферы, как СВА, так и набегающего потока. Актуальность исследований, направленных на создание методов контроля герметичности орбитальных космических объектов путем разработки базовых решений по принципам построения, составу и аппаратной реализации средств контроля параметров разреженной атмосферы, основывается на опыте обеспечения жизнедеятельности долговременных орбитальных комплексов и особенно актуальна при возникновении нештатных ситуаций, подобных возникавшим на борту ОК “Мир”, в части обеспечения контроля негерметичности объектов в полете.

Решению поставленной задачи способствовала большой научно-техническая база ЦНИИ РТК. Разработанные к настоящему моменту средства измерения основаны на использовании различных физических явлений, а именно: возникновение газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях (МИП).

Однако, несмотря на имеющийся ассортимент измерительных средств, решение задачи контроля негерметичности упирается в отсутствие методик их использования, обеспечивающих адекватную интерпретацию измерительной информации, точную локализацию и определение величины утечки. Путем к решению данного вопроса и являются исследования, приведенные в этой работе.

1. АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МИП.

Принцип действия МИП основан на явлении возникновения самостоятельного разряда во взаимноперпендикулярных постоянных электрическом и магнитном полях.

Как видно из рисунка 1.1 МИП представляет собой двухэлектродную цилиндрическую систему, состоящую из анода и катода. Между ними создается электрическое поле с напряженностью Е»10⁵ В/м. Вдоль оси прибора магнитной системой создается постоянное магнитное поле напряженностью Н»5*10⁴А/м.

		Магнитная система

Рис. 1.1 Модель МИП.

Механизм возникновения самостоятельного разряда следующий. Электрон, появившийся в анодно-катодном промежутке, под действием электрического поля начинает двигаться к аноду по удлиненной из-за воздействия магнитного поля траектории. Из-за удлинения траектории повышается вероятность соударения электронов с молекулами разреженного газа и, следовательно, их ионизации. Обладая значительной кинетической энергией, положительные ионы при столкновении с катодом выбивают из его поверхности вторичные электроны, которые, двигаясь к аноду, также участвуют в ионизации газа. Ток положительных ионов на катод и ток электронов на анод в сумме численно равны величине тока в измерительной цепи. В результате ионизации газа возникает самостоятельный электрический разряд, ток которого в достаточно широком диапазоне имеет линейную зависимость от плотности газовой среды.

Диапазон давлений, при которых используются МИП, от 10^-3 до 10^{-12 мм рт.ст. в значительной степени перекрывает требования по диапазону измерения на КА. Высокая эффективность преобразования, определяемая по степени ионизации разреженной газовой среды, которая в 100 раз превышает аналогичный показатель измерителей, использующих термоэлектронный метод ионизации, отсутствие накальных элементов или других внешних источников ионизации, отсутствие прецизионных элементов и деталей определяют высокие эксплуатационные характеристики МИП. Они устойчивы к внешним воздействиям, надежны, просты в эксплуатации, допускают длительную непрерывную работу. Благодаря этим характеристикам, и обеспечивается возможность их применения на КА.}

При анализе результатов, полученных в результате натурных экспериментов (на Земле), закономерно возникает вопрос об их соответствии реальным параметрам разреженного газа, окружающего КА. Действительно, полученные результаты измерений соответствуют величине тока, протекающего в измерительной цепи МИП, который в свою очередь пропорционален концентрации разреженного газа внутри МИП. С другой стороны при градуировке МИП в наземных условиях концентрация разреженного газа внутри МИП принимается равной концентрации газа в рабочей камере, в которую он помещен, и его градуировочная характеристика определяет зависимость тока МИП от статического давления разреженного газа в рабочей камере.

В общем случае результаты измерений в натурных условиях не могут быть однозначно интерпретированы как плотность разреженного газа в зоне измерения МИП. Необходимо введение поправок, учитывающих отличие реальных условий проведения измерения от условий при наземной градуировке. К этим отличиям могут быть отнесены:

- наличие направленных потоков разреженного газа, обусловленных как движением КА по орбите, так и собственным газовыделением систем ОК, причем указанные потоки являются свободномолекулярными, то есть частота столкновений молекул в объеме, соизмеримом с размерами МИП, пренебрежимо мала (для азота при T = 300 K и давлении 10^{-4 мм рт.ст. длина свободного пробега составляет 0,5 м при максимальном размере анодно-катодного промежутка МИП не более 0,05 м);}

- различием температур набегающего потока и МИП.

Для введения поправок необходимо проведение в наземных условиях дополнительных испытаний с воспроизведением условий реального космического полета, что в полном объеме невозможно, как в силу технических и организационных трудностей, так и из-за отсутствия достоверных данных о реальных условиях (проведение натурных экспериментов и ставит задачу изучения этих условий).

Эффективным методом решения подобных задач является метод математического моделирования реальных условий с учетом известных физических процессов, протекающих при воздействии разреженного газа на МИП в натурных условиях, и их сравнение с результатами наземной отработки, натурных экспериментов и информацией о параметрах разреженного газа, полученной из других источников.

Первым шагом по этому пути является моделирование аэродинамического взаимодействия свободномолекулярных потоков нейтрального газа с конструктивными элементами МИП. Целью моделирования является определение распределения концентрации разреженного газа внутри МИП при различных параметрах набегающего потока. В качестве нейтрального газа при моделировании используется молекулярный азот.

Дата добавления: 2014-11-29