Эксперименты на станции МИР и

Использование конвективных датчиков для обнаружения и измерения
микроускорений в реальной невесомости:
Эксперименты на станции МИР и проекты на МКС.
Бабушкин И.А. 1, Глухов А.Ф.1, Зюзгин А.В.1, Кузнецов С.М. 1, Путин Г.Ф.1,
Емельянов В.М.2, Полежаев В.И.2,
Иванов А.И.3, Калмыков А. В. 3, Максимова М.М. 3,
Пермский госуниверситет,614990, Россия, Пермь, Букирева 15,
Alexey.Zyuzgin@psu.ru,
2
Институт проблем механики РАН, 117526, Россия, Москва, пр. Вернадского,
101,
3
РКК “Энергия”, 141070, Россия, Королев, Ленина, 4а.
1
Сообщаются результаты, полученные при обработке экспериментов,
выполненных с датчиком конвекции «Дакон» [1] на Орбитальной станции
«Мир» в 1999 – 2000 гг. Обсуждается эксперимент, в котором датчик
«Дакон» совершал колебания совместно с прибором «ALICE-2» (рис. 1) [2,3].
В этих опытах записи сигналов и спектральный состав откликов
конвективного датчика сравниваются с данными микроакселерометров,
которыми была снабжена аппаратура «ALICE-2».
Рис. 1. Раскачивание прибора «Дакон» (в левом верхнем углу) с аппаратурой
«ALICE-2»
Датчик конвекции «Дакон» имеет герметичную цилиндрическую
камеру диаметром 45.2 мм и высотой 45.5 мм, заполненную воздухом при
нормальном давлении. Один торец цилиндра охлаждается окружающим
прибор
атмосферным
воздухом
с
помощью
вентилятора
и
имеет
температуру, близкую к 30 °С. Другой торец нагревается электрическим
током и поддерживается при температуре около 80 °С. В условиях полной
невесомости неоднородно нагретый воздух в полости датчика находится в
неподвижном состоянии; поэтому температурное поле в объеме воздуха
однородно в каждом поперечном сечении цилиндра и линейно растет вдоль
аксиальной оси симметрии от холодного основания к нагретому. Появление
инерционного
ускорения
вызывает
конвективное
течение
воздуха,
обусловленное архимедовыми силами плавучести, и температурное поле в
объеме полости искажается. Эти искажения служат мерой для порождающих
их микроускорений. Конвективные отклонения температуры Θ измерялись
дифференциальными термопарами, расположенными в сечении цилиндра,
отстоящем на 10 мм от нагретого торца.
В
эксперименте
«ALICE-2»-«Дакон»-Vibro»
датчик
«Дакон»
устанавливался на блоке аппаратуры «ALICE-2», подвешенном с помощью
резиновых жгутов в проходе модуля «Природа». Ось чувствительности
прибора «Дакон» была направлена вдоль оси колебаний всей системы.
Космонавты вручную периодически раскачивали блок с амплитудой 4-5 см;
собственная частота колебаний составляла ~ 0.3 Гц.
В таких опытах записи сигнала датчика «Дакон» представляют собой почти
гармонические колебания с амплитудой 2 °C и частотой 0.3 Гц (рис. 2).
Рис. 2. Температурный сигнал датчика «Дакон»
В соответствующих данных акселерометра прибора «ALICE-2» также
можно отчетливо видеть колебания с частотой 0.3 Гц, однако, в отличие от
записей датчика «Дакон», эти колебания обогащены более высокими
частотами (рис. 3).
Рис. 3. Показания акселерометра прибора «Alice-2»
Сравнение спектров колебаний подтверждает это отличие (рис. 4). Спектр
записей прибора «Дакон» практически не имеет заметных гармоник на
частотах, больших 0.3 Гц, тогда как спектр акселерометра аппаратуры
«ALICE-2», кроме ярко выраженной основной частоты, содержит заметный
уровень гармоник и на более высоких частотах. Соотношение амплитуд
главных гармоник в спектрах приборов «Дакон» и «ALICE-2» показывает,
что чувствительность датчика конвекции на обсуждаемой частоте сравнима с
квазистатической чувствительностью, найденной в наземных экспериментах.
Рис. 4. Спектры сигналов датчика «Дакон» (слева) и акселерометра
прибора «Алисе-2»
С другой стороны, опыты с вынужденными колебаниями блока на
частоте 1.6 Гц, создаваемыми электромагнитным вибратором, показали, что
при такой частоте отклик датчика «Дакон» резко уменьшается до уровня
шумов.
Конвективная ячейка прибора ALICE-2 позволяла изучать влияние
микроускорений
на
теплообмен
от
точечного
источника
тепла
в
шестифтористой сере (SF6), находящейся вблизи термодинамической
критической точки. Когда частота колебаний была 0.3 Гц, конвективная
система откликалась на каждое изменение микроускорений, а скорость
разрастания теплового пятна была пропорциональна их амплитуде (Рис. 5а).
При частоте воздействия 1.6 Гц возбуждалось осредненное конвективное
движение с интенсивностью, зависящей от вибрационной скорости (Рис. 5б).
Опыты с виброзащитной платформой ВЗП-1К показали, что “Дакон”
уверенно регистрирует квазистатические ускорения и микроускорения в
диапазоне не более 0.5 Гц.
Обсуждаемые результаты позволяют сделать вывод о том, что
конвективные
ячейки
могут
быть
эффективно
использованы
для
обнаружения, регистрации и измерения квазистатической и медленноменяющейся компоненты инерционных микроускорений в диапазоне до 1 Гц.
В более высокочастотной области они позволяют определить интенсивность
вибрационного воздействия. Таким образом, на основе конвективных
датчиков могут быть разработаны методики сертификации орбитальных
объектов с точки зрения гравитационной чувствительности размещаемых на
них технологических установок и систем. Следующий шаг в развитии и
применении
этого подхода планируется на Международной комической
станции по проектам “ДАКОН-М” и “КРИТ” [4].
а
б
Рис. 5 Визуализация интерферометрическим методом ячейки прибора
Alice-2. Типичные режимы распространения нагретой области: a – низко
(0.3 Гц) и б – высокочастотные (1.6 Hz) воздействия. Белая стрелка
указывает направление вибраций. Конвективное движение изменяет
направление каждую половину периода – а. Осредненное конвективное
движение – фрагмент б.
Список литературы
1. Putin G.F., Babushkin I.A., Bogatyrev G.P., Glukhov A.F., Zilberman E.A.,
Ivanov A.I., Maksimova M.M., Polezhaev V.I., Bessonov O.A., Nikitin S.A.,
Sazonov V.V. On the measurement of low-frequency microaccelerations on
board of an Orbital Station by the convection sensor “Dacon” // Advances in
Space Research. 2003. V. 32. N. 2. P. 199 - 204.
2. Zyuzgin A.V.,
Putin G.F.,
Ivanova N.G.,
Chudinov A.V.,
Ivanov A.I.,
Kalmykov A.V., Polezhaev V.I., Emelianov V.M. The heat convection of nearcritical fluid in the controlled microacceleration field under zero-gravity
condition // Advances in Space Research. 2003. V. 32. N. 2. P. 205 - 210.
3. Marcout R., Zwilling J.F., Laherrere J.M., Garrabos Y., Beysens D. ALICE-2,
an Advanced Facility for the Analysis of Fluids Close to their Critical Point in
Microgravity // 45th Congress of the International Astronoutical Federation,
Jesuralem, Israel, October 9-14, 1994.
4. Emelianov V.M.,
Lednev A.K.,
Polezhaev V.I.,
Ivanov A.I.,
Putin G.F.,
Zyuzgin A.V., Beysens D., Garrabos Y. Convection and heat transfer
experiments in supercritical fluid under microgravity: from Mir to ISS. Int. J.
“Microgravity Science and Technology”. 2005. V. 16. N. 1. P. 164 – 169.