SINUS微加速度计测量系统的特点、结果和展望.doc

SINUS微加速度计测量系统的特点、结果和展望2OO4年第2期导航与控制?译文集2004No.2SINUS微加速度计测量系统的特点,结果和展望摘要本文涉及开发宇宙飞船用的设备和方法的成果,这些方法和设备提供失重条ff-F造和研究工作所需的微重力环境.讨论了使用各种宇宙飞船来完成不同微重力环境的前景.SI.N-US这一计划,被认为详细阐明了发展和改善微重力技术这一主线.太空研究是最昂贵的科学和工业之一,因此保险金是致关重要的.能够成功地在失重条件下,应用轨道飞船开展工作,这一独特技术是大有前途和有益的.这就是所有先进国家:美国,俄罗斯,法国,德国,日本,加拿大,意大利,巴西特别关注,运用微重力技术制造新材料和化合物这个问题的原因.以下是从事微重力问题研究的组织和公司J:NAsA一美国国家航空航天局一俄罗斯航天局EsA一欧洲航天局CNES一法国航天局一国家空间中心NASD卜一日本国家太空发展局DIR一德国航天局CSA-U拿大航天局AS卜意大利航天局PE.巴西国家太空研究学会应用微重力环境方面的可行性基础研究已实施,目前在Photon,Bion,Mir(俄罗斯),航天飞机(美国)上正在取得进展.在有人驾驶(Mir,航天飞机)和无人驾驶的飞船上进行的大量实验显示,无人驾驶飞船上制造的材料品质更高.首先,这是因为在Photon和Bion上的微加速度比其它宇宙飞船低一个数量级,在那里更有可能完成制造和研究工作.目前NASA拥有为潜在用户使用的国际空间站(ISs)专用舱室,它是2001年开始运行的.俄国开发者认为,专门研制的光子号和Nika太空船更有前途.法国和德国的用户也持有相同的看法,因为光子号飞船上,目前的微加速度水平已达到10g,而国际空间站推测要到2001年才能达到相似的状态.可是要在国际空间站上形成这种微加速度的情况,似乎还有些疑问,这种意见是以国际空间站的建筑结构和工作环境的分析为基础的,空间站的建筑是大尺寸低刚度,质心偏离空气动力阻力引起的气动压力中心(轨道高度为350380公里)J,在这种低阻尼和空间站角振动的情况下,国际空间站上的微加速度更像是在大于10g的水平,这个结论是CS.DB理论研究的结果.光子号上的微重力环境不同于国际空间站,光子号有紧凑的刚性结构,不包括太阳平板并且它的质心几乎与空气动力中心一致J.在这期间,更广泛的制造和研究工作在失重状态下开展起来:半导体晶体的生成,有机晶体的生成(干扰素,等等),研究生物的生长和功能等.一般来讲,用户至今仍没有对只有在微重力状态下,才能成功实现的计划需求系统化,但它们的主要参数相同6j.大概情况如下面表1所示.裹1频率范围微加速度范围1O一30oHz1O一一10.gO.11O1O一10.gO.001一O.1Hz1O一10.6g0.00.001Hz1O一10.g在美国,法国,德国和欧共体,很多公司和政府组织租用光子号和CSDB的Samara设计的Bion,在失重条件下进行制造和研究工作.失重通常被理解为缺乏重力和惯性力的情况,然而绝对失重在任何宇宙飞船上,无论如何也难以获得.在太空自由的不受控飞行的飞船上,重力和惯性力比地面小第2期SINUS微加速度计测量系统的特点,结果和展望?67?很多(1000倍或更多).精细的研究和技术要求严格控制(检查证明)残余重力(微重力)和微加速度的影响.用来在飞船上验明微重力的仪器是由许多公司研制的.下面是一些被认为比较先进的系统:表2SAMS是由美国国家宇航局格伦研究中心设计,NASA,USA7,SINUS由俄罗斯圣彼得堡的CSRIElektropriborJ,-Russia,而BETA由法国的CNES设计,表2列出了他们的基本参数.参数sSSUSBErA加速度计QA一3000MSTA,(ESTA)QA一1000测量通道数9153结果106g1O一107g106g记录时间>50h>40Oh2.5h计算机OnbasePClcardsOnbasecardsofCROPCspecial重量14ks35ks2ks功耗350wt1530wt20wt角速度测量三轴光纤陀螺无无目前认为这些系统的精度和可靠性相差不多,但是国际水平的SINUS被认为是他们当中最有前途的,因为它还可以进一步完善.SINUS系统装有CSRIElektropribor研制的,并且是专有的加速度计MSTA和ESTA,这两种加速度计具有巨大的潜力,是为空间微加速度测量而设计的.MSTA加速度计(磁球三轴加速度计).10,是一个具有无接触磁悬浮球状转子的加速度计,这个加速度计的特性可在很宽的范围内变化,因为只需改变标准电路部分.ESTA加速度计(电球三轴加速度计).,有一个在电场中悬浮的球状转子.ESTA的性能达到并优于10-10g的精度.1997年10月,Sinus6K系统首次用来测量光子11号上的微加速度10,Sinus6K获得的主要测量结果,在1998年第5届圣彼得堡国际捷联导航系统会议上进行了报道11.下一个改进的SINUS系统Si.nus12K是为光子12设计的.与Sinus6K相比,Si.nusl2K的主要特性是测量通道数从6增加到12个,加速度计的精度提高到10.g,并且测量时间从32小时延长至400小时【1.光子12于1999年12月发射升空,12套测量装置在飞行过程中测量00.1Hz,0.210Hz及10300Hz的频率范围.在10300Hz和0.210Hz频率范围内的测量结果与光子11号获得的结果相类似.00.1Hz范围内的测量结果显示:称做准恒加速度的数值不超过几个微g(10g),在第7套装置测得的准稳加速度的结果如图1和图2所示(19.09.9920.09.99).光子12飞行程序的特点之一就是用Sinusl2K来测量它的运动参数.图36显示了Sinus12K测量光子12,从24.09.99轨道准备着陆刹车时的加速度测量结果.图3是光子12轨道速度方向上的变化结果.(加速度计的x轴).图4是在轨道速度方向上的加速度,图5,7和图6,8是与轨道速度方向垂直方向上的速度和加速度(加速表的Y和z轴).这些测试结果,显示了Sinus12K用于测控卫星运动加速度的能力,这是SINUS程序的任务之一.下一个光子号预期于2001年发射升空,为此设计了一个Sinusl5K系统,并正在进行地面调试测试.Sinusl5K包括5个三轴加速度计,他们中的两个具有10g的精度,另外两个为10.g,还有一个为10一g.Sinus15K在飞行中所获得的信息被传送至地面飞行控制中心,这样就能保证在光子号上进行实验,制造和研究工作取得有效结果.SINUS计划包含以下还需解决的主要问题:1)在轨道飞行期间测量飞船上的加速度:(1)微加速度的高频成分;(2)微加速度的低频成分;(3)微加速度的准恒量成分;?68?导航与控制?译文集2004年第2期度:,时间22:5023:400:301:2021O3:O06,OOE-064,OOE-06r.I_2,OOE一06/I.1产U量.f.xI+y1=宣一一叫一,.1!-0,OOE-06.十/件7rcll.州l=纠.J2,OOE-06/yI4,OOE-06lJflI-6,OOE一06图2(4)角度测量.2)起飞前地面准备期间,飞船上测量微加速(1)检查微加速度对飞船携带仪器的影响;(2)检查微加速度对安装在飞船上的实验和制造设备的影响;3)减少微加速度对装载和实验设备的影响1(i)详细说明安装所需条件和实验仪器;(2)改进飞行程序,优化精确的实验和制造设备所需的微加速度,微重力条件;第2期SINUS微加速度计测量系统的特点,结果和展望?69?1,O己十UZ1,19E+02厂/9,90E+Oi/7,90E+Oi/U,目5,90E+01/3,90E+O11,90E+OI/一1nnnn/一一一16:57.5917:093317:21.0617:32.8017:44.,5317:03.4617:15.1917:26.9317:38.66时间图3X轴76厂一/一,./4)2O16:57.5917:09.3317:21.0617:32.80l7:38.6617:44.53.Il17:03.4617:15.1917:26.93时间图4(3)开发飞船上的低噪声实验仪器.4)开发测量飞船上微加速度的仪器:(1)开发地面运行时的测量仪表;(2)开发轨道运行时的测量仪表;(3)开发飞船遥测通道相互影响的程序;(4)开发飞船运动控制系统相互影响的程序;(5)开发通用测量仪器,即可在飞船上微加速X轴度条件下使用,也可测量运动控制系统所需的运动参数.5)具体说明飞船上微重力情况下的必要条件:(1)把飞船上微重力情况下的试验和制造仪器所需条件系统化;(2)指明飞船上微重力情况下的试验和制造工作所需标准条件.?70?导航与控制?译文集20O4年第2期?UUDU_w八.蚤蓍蚤一cn?-10,I皇:SCnt一一Z.UUE-02二:oCu一4.00E一02一,目6,00E一028,00E-02卜一l.00E-01-.-一-.一?VV-时间图5Y轴一0.1cnd-20.3U目一0.5;蜀器昌=蛊一0.70,9时间图6结论SamaraCSDB和CSRIElektropribor工作配合近Y轴乎完美的仪器和技术来说明飞船上的微重力条件.SINUS计