RU2721589C1

RU2721589C1 - Space accelerometer

Info

Publication number: RU2721589C1
Application number: RU2019123135A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Афанасьев
Original assignee: Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва»
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2020-05-20

Abstract

FIELD: astronautics.

SUBSTANCE: invention relates to space engineering. Accelerometer comprises a housing, a physical pendulum in the form of an axisymmetric rod, a vibration period meter, having an electrical circuit with a light-emitting diode integrated into the pendulum along its axis, at a point offset from the middle of the pendulum swinging cycle inside the panel fixed to the accelerometer housing, there is a photosensor, which includes a volume slit diaphragm and a photocell. Axis of the pendulum slit is perpendicular to the pendulum swinging vector. Suspension of pendulum represents wide circular and narrow-cylindrical parts of rocking support, which are respectively movable and fixed parts of suspension of pendulum. There is an active system for thermostatting accelerometer.

EFFECT: high-precision determination of spacecraft translational acceleration.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике и предназначено для измерения ускорения поступательного движения в условиях невесомости в системах навигации и управления движением космических аппаратов (КА).The invention relates to space technology and is intended to measure the acceleration of translational motion in zero gravity in navigation and motion control systems of spacecraft (SC).

Баллистическое обеспечение функционирования КА - важная часть технического сопровождения КА на орбите при проведении единичных маневров и при осуществлении маневров на длительных промежутках времени прогнозирования движения. Реальной технической проблемой при эксплуатации КА является отсутствие высокоточных акселерометров для определения достоверных ускорений от работы двигателей коррекции (ДК) малой тяги. Потому управляющие ускорения (проекции ускорения от работы конкретного ДК на оси связанной с КА системы координат (ССК): ось минус Х совпадает с продольной строительной осью КА и направлена в центр Земли; ось Y совпадает с положительным транверсальным направлением орбитальной скорости КА; оси Х, Y принадлежат оскулирующей орбите КА) находят опосредованно - через изменения параметров движения центра масс КА. Погрешность определения ускорений в этом случае сильно зависит от длительности работы ДК и ошибок определения параметров движения по данным траекторных измерений. Если коррекции движения центра масс КА по соображениям баллистического обеспечения или ограничений со стороны бортовых систем проводятся часто (ежесуточно, даже раз в неделю), обозначенная техническая проблема становится настоятельной.Ballistic support for the spacecraft functioning is an important part of the technical support of the spacecraft in orbit during single maneuvers and during maneuvers over long periods of time for motion prediction. The real technical problem during the operation of the spacecraft is the lack of high-precision accelerometers to determine reliable accelerations from the operation of small thrust correction engines (DC). Therefore, the control accelerations (projections of the acceleration from the operation of a specific DC on the axis of the coordinate system associated with the SC): the minus X axis coincides with the longitudinal construction axis of the SC and is directed to the center of the Earth; the Y axis coincides with the positive transversal direction of the SC's orbital velocity; X axis, Y belong to the osculating orbit of the spacecraft) are found indirectly - through changes in the parameters of motion of the center of mass of the spacecraft. The error in determining accelerations in this case strongly depends on the duration of the DC and the errors in determining motion parameters from the data of trajectory measurements. If corrections of the motion of the center of mass of the spacecraft due to ballistic support or restrictions by airborne systems are carried out frequently (daily, even once a week), the identified technical problem becomes urgent.

Известно множество схем устройств акселерометров. В качестве основных направлений разработок, для сравнения с предлагаемым устройством, можно привести следующие.Many accelerometer device circuits are known. As the main areas of development, for comparison with the proposed device, the following can be cited.

Известен интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр (RU 2390031 C1, МПК G01P15/14), содержащий подложку, четыре неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, четыре подвижных электрода, жестко соединенных с инерционной массой, образующих с неподвижными электродами четыре пары туннельных контактов, используемых в качестве преобразователей перемещения, якорную область, жестко закрепленную относительно подложки, четыре вспомогательных неподвижных электрода, жестко закрепленных относительно подложки, четыре вспомогательных подвижных электрода, расположенных с зазором над вспомогательными неподвижными электродами, образуя с ними четыре плоских конденсатора, согласно изобретению, дополнительно содержит крестообразный подвес, центральная часть которого закреплена относительно якорной области, и опорную рамку, соединенную с крестообразным подвесом и закрепленную относительно инерционной массы, при этом вспомогательные подвижные электроды закреплены по углам опорной рамки, подложка и инерционная масса выполнены из диэлектрического материала, подвижные и неподвижные электроды и вспомогательные неподвижные электроды выполнены из металла, а якорная область, крестообразный подвес, опорная рамка и вспомогательные подвижные электроды выполнены из полупроводникового материала единым элементом. При возникновении ускорения подложки в направлении одной из осей, опорная рамка вместе с инерционной массой и закрепленными на ней подвижными электродами под действием сил инерции перемещается вдоль этой оси, что приводит к деформации крестообразного подвеса. Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами и неподвижными электродами, получают равные приращения вследствие одновременного изменения ширины всех зазоров, характеризуя величину ускорения. При работе в компенсационном режиме сила, воздействующая на опорную рамку с закрепленной на ней инерционной массой, вызванная измеряемым ускорением, уравновешивается с помощью вспомогательных неподвижных электродов и вспомогательных подвижных электродов, что позволяет поддерживать постоянными туннельные токи, протекающие между подвижными и неподвижными электродами. Выходным сигналом при этом является величина напряжения, прикладываемого между вспомогательными электродами.Known integrated micromechanical field emission accelerometer (RU 2390031 C1, IPC G01P15 / 14) containing a substrate, four stationary electrodes rigidly fixed relative to the substrate, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, four movable electrodes rigidly connected to the inertial mass, forming with stationary electrodes four pairs of tunnel contacts used as displacement transducers, an anchor region rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary fixed electrodes rigidly fixed relative to the substrate, four auxiliary movable electrodes located with a gap above the auxiliary fixed electrodes, forming four flat capacitors with them, according to the invention, further comprises a cross-shaped suspension, the central part of which is fixed relative to the anchor region, and a support frame connected to the cross-shaped suspension and fixed relative to the inertial mass while the auxiliary movable electrodes are fixed at the corners of the supporting frame, the substrate and the inertial mass are made of dielectric material, the movable and fixed electrodes and the auxiliary stationary electrodes are made of metal, and the anchor region, the cross-shaped suspension, the supporting frame and auxiliary movable electrodes are made of semiconductor material single element. When acceleration of the substrate in the direction of one of the axes occurs, the support frame, together with the inertial mass and the movable electrodes fixed on it, moves along this axis under the action of inertia forces, which leads to deformation of the cross suspension. The tunneling currents flowing between the movable electrodes and the stationary electrodes receive equal increments due to the simultaneous change in the width of all the gaps, characterizing the magnitude of the acceleration. When operating in the compensation mode, the force acting on the support frame with an inertial mass fixed on it, caused by measured acceleration, is balanced with the help of auxiliary stationary electrodes and auxiliary mobile electrodes, which makes it possible to maintain constant tunnel currents flowing between movable and fixed electrodes. The output signal in this case is the magnitude of the voltage applied between the auxiliary electrodes.

В аналоге используют то, что «вследствие малости зазора, разделяющего области подвижных и неподвижных электродов, электроны, имеющие достаточную вероятность прохождения сквозь потенциальные барьеры, образованные зазорами, туннелируют из неподвижных электродов в соответствующие подвижные электроды и тем самым создают туннельные токи, которые являются выходными сигналами устройства».In the analogue, they use the fact that “due to the small gap separating the regions of the movable and fixed electrodes, electrons that have a sufficient probability of passing through the potential barriers formed by the gaps tunnel from the stationary electrodes into the corresponding movable electrodes and thereby create tunneling currents that are output signals devices. "

Недостатком данного устройства является безусловно низкая чувствительность, которую не поднять никакими приемами в данном направлении техники, поскольку теория туннельного эффекта сложна, формула плотности тока, то же, что и силы, имеют специфический для каждого вещества коэффициент и степенную форму, в степени стоят напряженность внешнего электрического поля и величина в тех же единицах, включающая в себя достаточно много нелинейной специфики, относящейся к свойствам электрона. Отсюда следует, что функция изменения силы тока (что можно интерпретировать как ускорение от внешних сил) также не линейна - одни и те же условия опыта не гарантируют качества определения ускорения. The disadvantage of this device is its unconditionally low sensitivity, which cannot be raised by any techniques in this area of technology, since the theory of the tunneling effect is complex, the current density formula, the same as the forces, have a coefficient specific to each substance and a power-law form, the external tension electric field and a value in the same units, which includes a lot of non-linear specificity related to the properties of an electron. It follows that the function of changing the current strength (which can be interpreted as acceleration from external forces) is also not linear - the same experimental conditions do not guarantee the quality of determining the acceleration.

Известен трехосевой акселерометр с переменной осевой чувствительностью (RU 2390030 C2, МПК G01P15/097, G01P15/18), содержащий инерционную (инерциальную) массу и опорную систему для инерционной массы, причем опорная система содержит основание и множество опорных элементов, проходящих между основанием и инерционной массой для подвешивания инерциальной массы в ортогональных направлениях, обеспечивая статически неопределенную конструкцию, датчики напряжений, предназначенные для измерения обусловленного напряжением ускорения в опорных элементах посредством определения параметра ускорения массы. Вместо тензодатчиков возможно использование других датчиков, например пучковых резонаторных систем, в которых частоты колебаний изменяются при изменении нагрузки пропорционально ускорению, формируя соответствующий выходной сигнал.Known three-axis accelerometer with variable axial sensitivity (RU 2390030 C2, IPC G01P15 / 097, G01P15 / 18) containing an inertial (inertial) mass and a support system for inertial mass, and the support system contains a base and a plurality of support elements passing between the base and inertial mass for suspending inertial mass in orthogonal directions, providing a statically indefinite design, voltage sensors designed to measure the acceleration due to the voltage in the supporting elements by determining the mass acceleration parameter. Instead of strain gauges, it is possible to use other sensors, for example, beam resonator systems, in which the oscillation frequencies change when the load changes in proportion to the acceleration, forming the corresponding output signal.

Во втором аналоге возможно применение в его устройстве широкого спектра различных чувствительных элементов, параметры которых изменяются пропорционально ускорению от нагрузки, таких, как тензорезисторы, кристаллические диэлектрики, резонаторные системы. Возможно, у него есть один плюс - массогабаритные характеристики (что не факт, поскольку измерительную систему зачастую приходится наращивать под выбранный диапазон внешних усилий), но и один большой минус - ни одна модификация данного технического решения не приближает точность определения ускорения к точности показаний единичного хорошего датчика, скажем, 1-2%, уже потому, что длинная цепочка датчиковой аппаратуры, преобразовательных цепей, часов от внешнего усилия до результата. В отношении тензодатчиков. Они работают обычно в области упругих деформаций при ε≤10^-3, изменяя свое сопротивление пропорционально начальному, ε и коэффициенту тензочувствительности k=2-200, при этом в области малых нагрузок (k - единицы), что имеет место при включениях двигателей коррекции в космосе, собственно эффект исчезает на фоне температурного изменения сопротивления даже при изменении температуры на несколько градусов. Такую теплоизоляцию в условиях космоса обеспечить проблематично. В отношении пьезоэлектрических датчиков. Под действием давления возникают электрические сигналы (суммарная ЕДС пропорциональна давлению) за счет поляризации диэлектрика, пропорциональной некоторому коэффициенту (для кварца, например, 3⋅10^-8) и сильно зависящего от условий работы, в общем эффект с одной стороны тонкий - небольшая величина поляризации, с другой грубоватый - большие внешние нагрузки. И главное -ввиду того, что при относительно постоянном давлении (ускорении), что требуется в космических условиях при определении ускорения движения центра масс КА, эффект быстро исчезает, т.к. электрические заряды «стекают», пьезодатчики в принципе не применимы. В отношении применения резонаторных систем. Данное техническое решение основано на том, что элемент-камертон, подверженный колебанию от генератора частоты, под действием растяжения/сжатия от воздействия инерционной массы изменяет частоту своих колебаний пропорционально ускорению. Точность определения изменения результирующего колебания резонатора весьма низкая, либо технически сложная задача.In the second analogue, it is possible to use in its device a wide range of various sensitive elements, the parameters of which vary in proportion to the acceleration from the load, such as strain gages, crystal dielectrics, resonator systems. Perhaps it has one plus - weight and size characteristics (which is not a fact, since the measuring system often has to be increased to the selected range of external forces), but also one big minus - not a single modification of this technical solution brings the accuracy of acceleration determination to the accuracy of a single good sensor, say, 1-2%, already because the long chain of sensor equipment, converter circuits, hours from external effort to the result. In relation to load cells. They usually work in the field of elastic deformations at ε≤10 ^-3 , changing their resistance in proportion to the initial one, ε and the coefficient of strain sensitivity k = 2-200, while in the region of small loads (k are units), which occurs when the correction motors are turned on space, the effect itself disappears against the background of a temperature change in resistance even when the temperature changes by several degrees. Such thermal insulation in space is problematic. With regard to piezoelectric sensors. Under the influence of electrical signals arise pressure (total pressure is proportional EDC) due to a dielectric polarization proportional to a certain factor (for quartz, for example, 3⋅10 ^-8) and strongly depends on the operating conditions, in general the effect of on the one hand a thin - small amount of polarization , with the other rough - large external loads. And most importantly, due to the fact that at relatively constant pressure (acceleration), which is required under space conditions when determining the acceleration of the motion of the center of mass of the spacecraft, the effect quickly disappears, because electric charges “drain”, piezoelectric sensors are not applicable in principle. Regarding the use of resonator systems. This technical solution is based on the fact that the tuning fork element, subject to oscillation from the frequency generator, under the influence of tension / compression from the action of inertial mass changes the frequency of its oscillations in proportion to acceleration. The accuracy of determining the change in the resulting oscillation of the resonator is very low, or technically difficult.

Есть еще немало устройств акселерометров, основанных на электрических и электромагнитных эффектах. Использование этих эффектов требует больших усилий по доработке соответствующих устройств и настройке рабочего процесса в условиях такого деликатного дела, как определение ускорения от работы двигателя малой тяги при коррекции движения центра масс КА, схожей с дуновением ветра.There are many more accelerometer devices based on electrical and electromagnetic effects. The use of these effects requires a lot of effort to refine the corresponding devices and set up the workflow in conditions of such a delicate matter as determining the acceleration from the operation of the small thrust engine when correcting the motion of the center of mass of the spacecraft, similar to blowing the wind.

Известен высокоточный космический акселерометр (RU 2399915 C1 МПК G01P15/105), содержащий инерционную массу, корпус, электрическую схему переключателя и фиксации времени, отличающийся тем, что корпус представляет собой сферу, внутри которой расположена с зазором внутренняя сфера, подвес внутренней сферы связывает ее с внешней сферой и состоит из четырех подпружиненных штырей, равномерно разнесенных по поверхности внутренней сферы, закрепленных на ней, свободно проходящих сквозь люфтовые отверстия в корпусе; с внешней стороны корпуса установлены электромагниты в количестве, кратном двум, по числу осей установок двигателей коррекции движения центра масс космического аппарата; в качестве инерционной массы используется магнитовосприимчивый шарик, находящийся во внутренней сфере; внешняя электрическая схема предусматривает включение-отключение выбираемых электромагнитов и фиксацию моментов отключения электромагнита и размыкания электроконтакта (начало движения шарика) и замыкания одного из электроконтактов при нажиме шарика в каком-либо месте на поверхность внутренней сферы в конце его движения. Максимальная погрешность определения ускорений этим устройством составляет 3% при наиболее вероятной 1-2%. Предлагаемое техническое решение - иное и более простое устройство, с помощью которого управляющие ускорения определяются, как и в аналоге, на основе законов классической механики с не меньшей точностью.Known high-precision space accelerometer (RU 2399915 C1 IPC G01P15 / 105), containing the inertial mass, the housing, the electrical circuit of the switch and the timing, characterized in that the housing is a sphere inside which there is a gap with a gap, the inner sphere, the suspension of the inner sphere connects it with the outer sphere and consists of four spring-loaded pins, evenly spaced on the surface of the inner sphere, mounted on it, freely passing through the backlash holes in the housing; on the outside of the hull, electromagnets are installed in an amount that is a multiple of two according to the number of axes of the installations of the engines for correcting the motion of the center of mass of the spacecraft; as an inertial mass, a magnetically susceptible ball located in the inner sphere is used; an external electrical circuit provides for turning on and off selectable electromagnets and fixing the moments of turning off the electromagnet and opening the electrical contact (the beginning of the ball) and the closure of one of the electrical contacts when the ball is pressed in any place on the surface of the inner sphere at the end of its movement. The maximum error in determining accelerations by this device is 3%, with the most probable 1-2%. The proposed technical solution is a different and simpler device with which control accelerations are determined, as in the analogue, on the basis of the laws of classical mechanics with no less accuracy.

Есть устройства, которые, являясь, по сути, акселерометрами, имеют самостоятельное название и занимают определенную нишу в технике. Это гравиметры, более того, маятниковые гравиметры. Маятниковые гравиметры необходимы для определения абсолютных значений ускорений силы тяжести на поверхности земли, акваторий и в околоземном воздушном пространстве. Но если маятниковые гравиметры так хороши, почему же их не использовать в космосе для определения управляющих ускорений от работы двигателей коррекции КА. Ускорение силы тяжести действует на КА в целом, потому не оказывает никакого возмущающего влияния на движение маятника: маятник в замкнутой системе КА ведет себя так, как если бы он находился в абсолютной и полной невесомости по отношению к Земле. Если даже маятниковый прибор не в герметичном корпусе, на высоте от 800 км влияние воздушного слоя Земли ничтожно.There are devices that, being, in fact, accelerometers, have an independent name and occupy a certain niche in technology. These are gravimeters, moreover, pendulum gravimeters. Pendulum gravimeters are necessary to determine the absolute values of the accelerations of gravity on the surface of the earth, water areas and in near-Earth airspace. But if pendulum gravimeters are so good, why not use them in space to determine control accelerations from the operation of spacecraft correction engines. The acceleration of gravity acts on the spacecraft as a whole, therefore it does not have any disturbing effect on the movement of the pendulum: the pendulum in the closed spacecraft system behaves as if it were in absolute and complete weightlessness with respect to the Earth. Even if the pendulum device is not in a sealed enclosure, at an altitude of 800 km, the influence of the air layer of the Earth is negligible.

Сложность и громоздкость абсолютных измерений ускорений силы тяжести на Земле заключается в том, что период колебаний маятника необходимо измерять с погрешностью до 10^-7с, длину маятника с погрешностью до 0,001 мм. Погрешность абсолютных измерений ускорений силы тяжести с помощью маятниковых приборов на обсерваториях может быть доведена до 1 - 3 мГал.The complexity and cumbersomeness of absolute measurements of accelerations of gravity on Earth lies in the fact that the oscillation period of the pendulum must be measured with an error of up to 10 ^-7 s, the length of the pendulum with an error of up to 0.001 mm. The error of absolute measurements of gravity accelerations using pendulum instruments at observatories can be brought up to 1-3 mGal.

Все меняется, если измерять не приземные ускорения g, а ускорения, более чем на пять порядков меньшие. Тогда период колебаний можно измерять с существующей для всех бортовых систем гарантией в (0,25 - 1) с.Everything changes if we measure not surface accelerations g, but accelerations more than five orders of magnitude smaller. Then the oscillation period can be measured with the guarantee for all on-board systems in (0.25 - 1) s.

Известен маятниковый гравиметр (SU 1065807 A Кл. G01V 7/02), содержащий герметичный корпус, маятник, ареттирующее устройство, систему съема информации о величине периода колебания маятника. Маятник выполнен в виде двух сверхпроводящих шаровых сегментов, жестко соединенных между собой и взвешенных в магнитных полях шаровых криогенных опор, расположенных на одном уровне. Known pendulum gravimeter (SU 1065807 A CL. G01V 7/02) containing a sealed enclosure, pendulum, retractor device, a system for retrieving information about the magnitude of the period of oscillation of the pendulum. The pendulum is made in the form of two superconducting spherical segments rigidly connected to each other and suspended in magnetic fields of spherical cryogenic bearings located at the same level.

В рабочем режиме, после того, как все части гравиметра охладятся до температуры жидкого гелия, в опорных сверхпроводящих катушках возбуждается незатухающий ток, обеспечивающий взвешивание (левитацию) сверхпроводящих шаровых сегментов. Для создания необходимой начальной амплитуды колебания шаровых сегментов на них воздействуют магнитным полем внешних электромагнитов, находящихся снаружи корпуса прибора. В устройстве рассмотрен вариант циклоидального маятника.In the operating mode, after all parts of the gravimeter are cooled to the temperature of liquid helium, an undamped current is excited in the supporting superconducting coils, which ensures the weighing (levitation) of the superconducting spherical segments. To create the necessary initial amplitude, the oscillations of the spherical segments are affected by the magnetic field of external electromagnets located outside the device. The device considers a cycloidal pendulum.

Съем информации о периоде колебания маятника производится фотоэлектрическим датчиком: между шаровыми сегментами находится пластина-флажок, на расстоянии конца которой находятся источник излучения светодиод и приемник излучения фотодиод, освещенность которого определяется положением флажка относительно иллюминатора фотодиода.Information about the period of oscillation of the pendulum is taken out by a photoelectric sensor: there is a flag plate between the spherical segments, at the end of which there is a light emitting diode and a photodetector, the illumination of which is determined by the position of the flag relative to the window of the photodiode.

Идея взвешивания хороша, только в условиях космоса, где температура корпуса КА меняется от минус 150°С до плюс 200°С, удержать рабочую температуру в пределах 2 - 4 градусов от абсолютного нуля не представляется возможным, либо реализация таких температурных условий - сверхсложная и неоправданная ценою задача. Ведь мало того, что возможно удастся снизить температуру до температуры жидкого гелия, ее еще надо постоянно поддерживать на таком уровне, так как планы на проведение маневров КА меняются как по принятому расписанию, так и не штатно. The idea of weighing is good, only in space, where the spacecraft’s hull temperature changes from minus 150 ° С to plus 200 ° С, it is not possible to keep the working temperature within 2 - 4 degrees from absolute zero, or the implementation of such temperature conditions is extremely complicated and unjustified at the cost of the task. Indeed, not only will it be possible to lower the temperature to the temperature of liquid helium, it still needs to be constantly maintained at that level, since plans for spacecraft maneuvers are changing both according to the established schedule and not regularly.

Известен маятниковый гравиметр (BY 6790 C1 G01V 7/02), который взят за прототип. Гравиметр содержит физический маятник с опорой качания, содержащей подвижную часть в виде поверхности качания и неподвижную часть в виде опорной площадки, измерители периода и амплитуды колебаний физического маятника, отличается тем, что поверхность качания выполнена в виде двух сфер, расположенных симметрично относительно прямой, проходящей через центр тяжести физического маятника и перпендикулярной мгновенной оси вращения последнего, причем мгновенная ось вращения физического маятника проходит через точки контактов сфер с опорной площадкой. В общем, прибор представляет собой Т-образную подвижную часть, полочкой с жестко присоединенными к ней (полочке) симметрично относительно маятника, также жестко присоединенного к ней, шаровыми опорами, опирающуюся на неподвижное (относительно места испытания) основание. Есть еще модификация этого изобретения (BY 6935 C1 G01V 7/02), где штанга с массой (маятник) заменена на диск со встроенными туда массой и элементом термокомпенсации, взаимно диагонально разнесенными, но это сути не меняет. Прототип, в принципе, в части определения малых ускорений, может дать хорошие результаты, и он обладает приемлемыми массогабаритными характеристиками. Однако в условиях космоса, где сила тяжести практически отсутствует, свободный подвес поверхности качания маятника на неподвижную опору (корпус КА) согласно прототипу невозможен.Known pendulum gravimeter (BY 6790 C1 G01V 7/02), which is taken as a prototype. The gravimeter contains a physical pendulum with a swing support containing a moving part in the form of a swing surface and a fixed part in the form of a support platform, measuring instruments for the period and amplitude of oscillations of a physical pendulum, characterized in that the swing surface is made in the form of two spheres located symmetrically with respect to a straight line passing through the center of gravity of the physical pendulum and perpendicular to the instantaneous axis of rotation of the latter, with the instantaneous axis of rotation of the physical pendulum passing through the contact points of the spheres with the supporting platform. In general, the device is a T-shaped movable part, a shelf with rigidly attached to it (shelf) symmetrically with respect to the pendulum, also rigidly attached to it, with ball bearings, resting on a fixed base (relative to the test site). There is also a modification of this invention (BY 6935 C1 G01V 7/02), where the rod with mass (pendulum) is replaced by a disk with mass and thermal compensation element built in there, mutually diagonally spaced, but this does not change the essence. The prototype, in principle, in terms of determining small accelerations, can give good results, and it has acceptable mass and size characteristics. However, in space conditions, where gravity is practically absent, free suspension of the swing surface of the pendulum on a fixed support (spacecraft) according to the prototype is impossible.

Тем не менее, доработав прототип в части подвеса, можно получить то или иное техническое решение вышеприведенной технической проблемы под названием акселерометр космический (АК).Nevertheless, having completed the prototype in terms of suspension, you can get one or another technical solution to the above technical problem called the space accelerometer (AK).

Задачей является создание АК, измеряющего ускорение поступательного движения с точностью не меньшей, чем в прототипе.The task is to create AK, measuring the acceleration of translational motion with an accuracy of no less than in the prototype.

Поставленная задача решается за счет того, что в АК, содержащий корпус, физический маятник в виде осесимметричного стержня, измеритель периода колебаний физического маятника, введены: подвес маятника в виде широкой кольцевой и узкоцилиндрической частей опоры качания, являющихся соответственно подвижной и неподвижной частями подвеса маятника; внутри маятника-стержня вдоль его оси - светодиод и конденсор; в месте, промежуточном между серединой рабочего цикла качания маятника и крайним его положением внутри панели, крепящейся к корпусу акселерометра - фотодатчик, включающий в себя фотоэлемент и объемную щелевую диафрагму с осью щели, перпендикулярной вектору качания маятника; активная система термостатирования акселерометра.The problem is solved due to the fact that in an AK containing a housing, a physical pendulum in the form of an axisymmetric rod, a measuring period of the oscillation period of the physical pendulum, the following are introduced: the pendulum suspension in the form of a wide annular and narrow-cylindrical parts of the swing support, which are respectively the movable and fixed parts of the pendulum suspension; inside the pendulum rod along its axis there is an LED and a condenser; in the place intermediate between the middle of the swing cycle of the pendulum and its extreme position inside the panel, which is attached to the accelerometer body - a photo sensor including a photocell and a volume slit diaphragm with a slit axis perpendicular to the swing vector of the pendulum; Active accelerometer temperature control system.

Технический результат достигается за счет того, что, спустя известное максимальное время выхода ДК на рабочий режим, отключают арретирующие электромагниты, магнитовосприимчивый стержень-маятник начинает свое движение на подвесе. Заранее выбрав предельно простую форму маятника - стержень, знают точно момент инерции тела маятника относительно оси качания. Взвешиванием маятника на Земле определяют расстояние от точки качания в подвесе (находящейся на поверхности кольцевой подвижной части опоры качания) до центра тяжести. По окончании работы ДК, зная период колебания маятника по фиксациям наличия фототока, будем иметь абсолютное значение ускорения вдоль установочной оси ССК, не привлекая данные измерений орбитальных параметров, требующих длительности работы ДК в разы большие, чем это требует технология поддержания баллистической структуры функционирования КА.The technical result is achieved due to the fact that, after a certain maximum time for the DC to reach the operating mode, the arresting electromagnets are turned off, the magnetically responsive pendulum rod begins to move on the suspension. Having pre-selected the extremely simple form of the pendulum - the rod, they know exactly the moment of inertia of the body of the pendulum relative to the axis of swing. By weighing the pendulum on the Earth, the distance from the swing point in the suspension (located on the surface of the annular movable part of the swing support) to the center of gravity is determined. At the end of the DC operation, knowing the period of oscillation of the pendulum by fixing the presence of the photocurrent, we will have the absolute value of the acceleration along the CCS installation axis, without involving measurements of orbital parameters that require the DC to operate many times longer than that required by the technology to maintain the ballistic structure of the SC functioning.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного АК отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна». Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники (измерительная техника, акселерометры, микросистемная техника) с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Ни один из отличительных признаков данного изобретения: ни эксцентричный подвес физического маятника, ни объемная щелевая диафрагма фотодатчика, ни активная система термостатирования акселерометра (и гравиметра) ранее не применялся для изготовления акселерометров (и гравиметров) вообще, и АК в частности, и потому все эти отличительные признаки отвечают условию «изобретательский уровень». The analysis of the prior art by the applicant has established that there are no analogues characterized by sets of features that are identical to all the features of the claimed AK, therefore, the claimed invention meets the condition of “novelty”. The search results for known technical solutions in this and related fields of technology (measuring equipment, accelerometers, microsystem technology) in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed invention showed that they do not follow explicitly from the prior art. None of the distinguishing features of this invention: neither the eccentric suspension of the physical pendulum, nor the volume slit aperture of the photosensor, nor the active temperature control system of the accelerometer (and gravimeter) were previously used for the manufacture of accelerometers (and gravimeters) in general, and AK in particular, and therefore all of these distinguishing features meet the condition of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, где представлены принципиальные схемы АК, соответственно вид спереди и вид сбоку, фиг. 3, где изображена рабочая система АК, фиг. 4, где показана электрокинетическая схема АК. Введены следующие обозначения: The invention is illustrated in FIG. 1, FIG. 2, where AK schematic diagrams are presented, respectively, front view and side view, FIG. 3, which shows the operating system AK, FIG. 4, where the electrokinetic circuit of AK is shown. The following notation is introduced:

1 - корпус АК с активной системой термостатирования;1 - AK housing with an active temperature control system;

2 - опорная конструкция;2 - supporting structure;

3 - физический маятник;3 - physical pendulum;

4 - арретирующие электромагниты;4 - arresting electromagnets;

5 - фотодатчик;5 - photosensor;

6 - узкоцилиндрическая неподвижная опора (ось) подвеса;6 - narrow cylindrical fixed support (axis) of the suspension;

7 - кольцевая подвижная опора подвеса;7 - ring movable suspension support;

8 - светодиод с конденсором;8 - LED with a capacitor;

9 - световой луч;9 - light beam;

10 - объемная щелевая диафрагма;10 - volume slit diaphragm;

11 - фотоэлемент.11 - photocell.

Электрическая схема АК не создает сколько-нибудь заметных нагрузок на общую систему энергопитания КА, поскольку включает в себя два маломощных «телефонных» электромагнита 4, один из которых гарантированно удерживает магнитовосприимчивый стержневой маятник 3 в состоянии покоя в отсутствие работы ДК, светодиод 8 и фотоэлемент 11 внутри фотодатчика 5. The electric circuit of the AK does not create any noticeable loads on the spacecraft’s overall power supply system, since it includes two low-power “telephone” electromagnets 4, one of which is guaranteed to keep the magnetically sensitive rod pendulum 3 at rest in the absence of DC operation, LED 8 and photocell 11 inside the photosensor 5.

Физический маятник 3 должен быть восприимчивым к магнитным полям электромагнитов 4, чтобы в своем нерабочем состоянии - в промежутках между орбитальными маневрами КА находиться над одним из них, приведенных в рабочее состояние (магнитные поля).The physical pendulum 3 must be susceptible to the magnetic fields of electromagnets 4 so that in its inoperative state - in the spaces between the orbital maneuvers of the spacecraft, it is located above one of them brought into working condition (magnetic fields).

Оценим период качания (колебаний) рабочего стержневого маятника 3. Период Т (с) колебаний равен ([1] Б.М.Яворский и А.А.Детлаф, Справочник по физике (седьмое издание), М.: Изд. «Наука», 1977, стр. 116):Let us evaluate the period of swing (oscillations) of the working rod pendulum 3. The period T (s) of oscillations is ([1] B. M. Yavorsky and A. A. Detlaf, Handbook of Physics (seventh edition), M .: Publishing House "Science" , 1977, p. 116):

, (1)

где J - момент инерции маятника относительно оси качания 6, кг/м²;where J is the moment of inertia of the pendulum relative to the axis of swing 6, kg / m ² ;

m - масса маятника, кг; m is the mass of the pendulum, kg;

а - ускорение вдоль установочной оси от работы ДК, м/с²; a - acceleration along the installation axis from the work of the recreation center, m / s ² ;

d - расстояние от точки подвеса до центра масс, м. d is the distance from the suspension point to the center of mass, m

Поскольку ([1] стр. 74) J для прямолинейного тонкого стержня равен m⋅l ²/12, где l - длина стержня, то масса уходит, и:Since [1] (page 74.) J for thin rod is rectilinear m⋅l ^2/12, where l - length of the rod, the mass of leaves, and:

. (2)

Здесь не учитывается факт того, что в стержень встроены опорное кольцо и светодиод с оптической системой. Но все это встроено симметрично главной оси инерции ZZ (фиг. 3), и здесь приводится лишь оценка возможности эффективной работы АК. It does not take into account the fact that a support ring and an LED with an optical system are built into the rod. But all this is built in symmetrically to the main axis of inertia ZZ (Fig. 3), and here we only give an estimate of the possibility of effective AK operation.

Примем l равное 0,250 м; d равное 0,090 м; диапазон управляющих ускорений а (0,05 - 0,17)⋅10^-4 м/с². Тогда период качания физического маятника 3 - интервал между двумя последовательными прохождениями в одном направлении светодиода 8 над одной и той же точкой поверхности фотоэлемента 11, расположенного на дне объемной щелевой диафрагмы 10, составит 338 - 617 с или 5 - 10 мин. Начальная и рабочая амплитуда качания маятника 3 АК 5 - 10 градусов. Скорость перемещения оси ZZ маятника составляет 1,0 - 3,5 мин/с. Скорость благоприятная для фиксации (до 1 с) попадания луча 9 от светодиода 8 на фотоэлемент 11 фотодатчика 5. Объемная диафрагма необходима для фиксации момента времени, когда узкопараллельный луч от светодиода, сформированный конденсором, появится над краем щели, появится настолько, чтобы образовать ток в фотоэлементе 11. Диафрагма и датчик в целом устанавливаются между серединой рабочего цикла качания маятника (ось АА фиг. 4) и крайним его положением (ВВ фиг. 4). Скорость прохождения луча над диафрагмой, ширина и глубина диафрагмы 10 не имеют значения: важен факт появления луча во всегда одинаковой минимальной и достаточной для появления фототока в фотоэлементе силе. В самом деле, для определения периода качания маятника, какая бы ни была задержка появления луча в полной силе по отношению к иному управляющему ускорению от работы ДК, разность времен третьего и первого появлений фототока (период качания) в рабочем цикле маятника будет всегда свободна от ошибки за счет задержки появления эффективного луча и, значит, фототока. Объемная щелевая диафрагма решает задачу безошибочного определения периода качания маятника.Take l equal to 0.250 m; d equal to 0.090 m; range of control accelerations a (0.05 - 0.17) ⋅10 ^-4 m / s ² . Then the swing period of the physical pendulum 3 — the interval between two consecutive passages in the same direction of the LED 8 above the same point on the surface of the photocell 11 located at the bottom of the volume slit diaphragm 10 — will be 338 - 617 s or 5 - 10 min. The initial and working amplitude of the swing of the pendulum 3 AK 5 - 10 degrees. The movement speed of the ZZ axis of the pendulum is 1.0 - 3.5 min / s. The speed is favorable for fixing (up to 1 s) the hit of the beam 9 from the LED 8 on the photocell 11 of the photosensor 5. The volume diaphragm is necessary to fix the moment in time when a narrow parallel beam from the LED, formed by a capacitor, appears above the edge of the slit, appears so as to generate a current in photocell 11. The diaphragm and the sensor as a whole are installed between the middle of the swing cycle of the pendulum (axis AA of FIG. 4) and its extreme position (BB of FIG. 4). The speed of the beam passing over the diaphragm, the width and depth of the diaphragm 10 do not matter: the fact of the appearance of the beam is always the same minimum and sufficient for the appearance of the photocurrent in the photocell. In fact, to determine the swing period of the pendulum, whatever the delay in the appearance of the beam in full force with respect to the other control acceleration from the DC operation, the time difference of the third and first occurrences of the photocurrent (swing period) in the pendulum duty cycle will always be free from error due to the delay in the appearance of the effective beam and, therefore, the photocurrent. Volume slit diaphragm solves the problem of accurately determining the swing period of the pendulum.

За счет трения частей 6 и 7 подвеса друг о друга за время работы ДК амплитуда качания будет постепенно уменьшаться в рабочем цикле, но:Due to the friction of the suspension parts 6 and 7 against each other during the operation of the recreation center, the swing amplitude will gradually decrease in the duty cycle, but:

1 - эти изменения, ввиду массивности маятника и малой области непосредственного соприкосновения трущихся тел, настолько малы, что не требуют никакого учета;1 - these changes, due to the massiveness of the pendulum and the small area of direct contact of the rubbing bodies, are so small that they do not require any consideration;

2 - даже при амплитуде в 15 градусов период качания превышает период качания с предельно малой амплитудой не более чем на 1% (свойство изохронности);2 - even with an amplitude of 15 degrees, the swing period exceeds the swing period with an extremely small amplitude of no more than 1% (isochronism property);

3 - затухание механических колебаний системы обусловлено сухим трением, тогда циклическая частота затухающих колебаний (период качания) совпадает с циклической частотой (периодом качания) свободных колебаний той же системы в отсутствие трения ([1] стр. 118-119).3 - the damping of the mechanical vibrations of the system is caused by dry friction, then the cyclic frequency of the damped vibrations (swing period) coincides with the cyclic frequency (swing period) of free vibrations of the same system in the absence of friction ([1] p. 118-119).

Период может определяться с относительной погрешностью менее 1%. Тогда, исходя из (1) и (2), считая l и d физического маятника известными точно, а температурные деформации остальных частей АК основными источниками погрешности определения периода качания маятника, будем иметь:The period can be determined with a relative error of less than 1%. Then, proceeding from (1) and (2), assuming that the l and d of the physical pendulum are known exactly, and the temperature deformations of the remaining parts of the AK as the main sources of error in determining the swing period of the pendulum, we will have:

, (3)

, (4)

где

- соответственно относительные погрешности определения ускорения и периода качания.Where

- respectively, the relative errors in determining the acceleration and the period of swing.

Имеем:We have:

0,024 или 2,4%

0.024 or 2.4%

иand

0,002 или 0,2%.

0.002 or 0.2%.

С помощью такого АК можно определять ускорения не только от работы ДК, но и ускорения меньших порядков от влияния внешних космических факторов. Активная система термостатирования позволит исключить тепловые деформации частей АК. With the help of such an AK, it is possible to determine accelerations not only from the operation of the DC, but also accelerations of lower orders from the influence of external cosmic factors. An active temperature control system will eliminate thermal deformation of parts of the AK.

АК работает так.AK works like that.

1. Включают ДК.1. Turn on the DC.

2. Через гарантированное время выхода ДК на рабочий режим создания тяги отключают питание от арретирующих электромагнитов 4; включают светодиод 8.2. After a guaranteed time for the DC to enter the operating mode of creating traction, the power is turned off from the arresting electromagnets 4; turn on LED 8.

Маятник начинает свои эволюции.The pendulum begins its evolution.

3. Фиксируют время t₁появления фототока в фотодатчике 5 - начальное время рабочего цикла.3. The time t _{1 of the} appearance of the photocurrent in the photosensor 5 is fixed — the initial time of the working cycle.

4. Фиксируют третье время t₃появления фототока - конечное время рабочего цикла.4. The third time t _{3 of the} appearance of the photocurrent is fixed — the final time of the working cycle.

5. Определяют период качания (t₃ - t₁).5. Determine the swing period (t ₃ - t ₁ ).

П.п. 3 - 5 от цикла к циклу повторяют, пока работает ДК. P.p. 3 - 5 from cycle to cycle is repeated while the DC is working.

6. Перед выключением ДК за время не меньшее среднего периода качания маятника подают питание на арретирующие электромагниты 4; выключают светодиод 8.6. Before turning off the DC for a time not less than the average period of swing of the pendulum, they supply power to the arresting electromagnets 4; turn off LED 8.

Маятник притягивается к одному из электромагнитов 4 и находится в состоянии покоя до очередного включения ДК данного направления тяги.The pendulum is attracted to one of the electromagnets 4 and is at rest until the next inclusion of the DC in this direction of thrust.

7. Отключают ДК.7. Turn off the DC.

8. Определяют среднее значение периода качания.8. Determine the average value of the swing period.

9. Определяют среднее управляющее ускорение.9. Determine the average control acceleration.

П.п. 1 - 9 повторяют в течение всего срока активного существования КА. P.p. 1 to 9 are repeated throughout the entire period of active existence of the spacecraft.

АК должно быть не менее четырех: по два в разные стороны на каждую из осей Y и Z ССК. Полный комплект состоит из 6 АК, если интересует ускорение вдоль оси Х ССК.AK should be at least four: two in opposite directions on each of the Y and Z axes of the CCK. The complete set consists of 6 AK, if acceleration along the X axis of the CCK is of interest.

Маятник-стержень следует делать из материала с малым температурным коэффициентом линейного расширения, например, из инвара.The pendulum rod should be made of a material with a low temperature coefficient of linear expansion, for example, from Invar.

Claims

Акселерометр космический, содержащий корпус, физический маятник в виде осесимметричного стержня, измеритель периода колебаний физического маятника, отличающийся тем, что подвес маятника представляет собой широкую кольцевую и узкоцилиндрическую части опоры качания, являющиеся соответственно подвижной и неподвижной частями подвеса маятника, внутри маятника-стержня вдоль его оси установлены светодиод и конденсор, в месте, промежуточном между серединой рабочего цикла качания маятника и крайним его положением внутри панели, крепящейся к корпусу акселерометра, имеется фотодатчик, включающий в себя фотоэлемент и объемную щелевую диафрагму с осью щели, перпендикулярной вектору качания маятника, имеется активная система термостатирования акселерометра.A space accelerometer containing a housing, a physical pendulum in the form of an axisymmetric rod, a measuring period of the oscillation period of a physical pendulum, characterized in that the pendulum suspension is a wide annular and narrow-cylindrical part of the swing support, which are respectively the movable and stationary parts of the pendulum suspension, inside the pendulum-rod along it axis, a LED and a condenser are installed, in the place intermediate between the middle of the swing cycle of the pendulum and its extreme position inside the panel, which is attached to the accelerometer body, there is a photo sensor including a photocell and a volume slit aperture with an axis of the slit perpendicular to the swing vector of the pendulum accelerometer temperature control system.