На протяжении нескольких десятилетий наиболее высокотехнологичной областью в машиностроении остается создание космических аппаратов (КА) и спутников. Ежегодное увеличение их числа на орбите, увеличение объема решаемых ими задач лишь подчеркивает актуальность данного направления.
Наметившаяся тенденция к снижению размеров КА не приводит к снижению числа контролируемых параметров состояния, которые в зависимости от типа исчисляются от сотен до тысяч. При этом требования к качеству измерительной информации стремительно возрастают, а средства подтверждения точности или эталоны на борту отсутствуют. Такое противоречие приводит к проблеме обеспечения единства измерений на космических аппаратах во время полётов, продолжительность которых существенно превышает продолжительность интервалов поверки средств измерений (СИ).
За этот период метрологические характеристики используемых на борту измерительных систем и датчиков контроля технического состояния уходят от номинальных значений, а отсутствие возможности их периодической поверки (калибровки) приводит к снижению точности измерений. Решается данная проблема двумя подходами:
– классический подход, заключается в воспроизведении на борту КА единицы времени и частоты, получаемых по средствам ГЛОНАСС, GPS и передачи ее измерительным системам и датчикам, работа которых преимущественно связана со временем и частотой, в качестве эталонной. Точность такого подхода определяется точностью стандартов частоты КА систем ГЛОНАСС и GPS и составляет порядка 1•10-11. Недостатком данного подхода является жесткая зависимость от указанных систем, что в случае вооружённых конфликтов не позволит обеспечить заданный режим работы КА. Кроме того, факт правильного или неправильного воспроизведения принимаемой единицы времени и частоты на борту КА ничем не подтверждается, т.е. отсутствуют средства подтверждения точности [1, 2];
– предлагаемый подход заключается в размещении малогабаритного стандарта частоты на борту КА. Его роль заключается в подтверждении получаемой от ГЛОНАСС и GPS единицы величины и дальнейшей передаче измерительным системам и датчикам космического аппарата. Однако принципы работы различного рода радиоэлектронной аппаратуры основаны не только на частоте и времени, но и на других физических величинах. Что весьма реализуемо, если учесть функциональную зависимость большинства физических величин от частоты. Следовательно, косвенным методом становится возможным воспроизвести длину, напряжение, сопротивление, ток и др. величины [3].
Цель исследования: повысить точность измерений на борту космических аппаратов за счет электронных двойников эталонов, реализующих передачу единицы величины измерительным системам и датчикам контроля технического состояния.
В ходе контроля технического состояния КА проводится оценка соответствия измеряемых (контролируемых) параметров заданным значениям допустимых отклонений, при этом проводится измерение M числа физических величин посредством N измерительных систем и датчиков, характеризуемых i-м набором метрологических характеристик. Нормируемые метрологические характеристики конкретных измерительных систем и датчиков и их номинальные значения Niн определены в паспортах.
Однако в ходе эксплуатации действительные значения метрологических характеристик измерительных систем и датчиков Niд уходят от номинальных Niн ввиду, например, воздействия низких температур, давления и других внешних факторов.
Требуется повысить точность измерений за счет оценки инструментальной и методической погрешности измерительных систем и датчиков путем сличения с эталонным значением величины
Δ = МФ – МЭ > min, (1)
где МФ – фактическое значение измеряемой физической величины;
МЭ – эталонное значение физической величины, воспроизводимое цифровым двойником эталона.
При этом оценка погрешности измерений определяется множеством погрешностей оценок метрологических характеристик измерительных систем и датчиков в ходе калибровки, выраженных как
(2)
где ΔN,i – погрешность оценки i-й метрологической характеристики N-го датчика, i ≠ N, M ≠ N.
Эталонное значение МЭ большинства физических величин на борту космического аппарата может быть получено косвенным методом с высокой точностью от эталона частоты и времени.
Единый эталон времени – частоты – длины
Известные научные работы [1] ведущих ученых в совокупности с тем фактом, что максимально возможной по точности для воспроизведения единицей величины в настоящее время является частота (ГЭТ 1-2018, неисключенная систематическая погрешность воспроизведения размеров единиц которого не превышает (2 – 3)•10-14), позволяет предположить высокую востребованность стандарта частоты, в качестве средства подтверждения точности, на борту КА.
В работе [2] А. Голубев утверждает, что наряду с существующими стандартами частоты и времени (табл. 1) утверждение скорости света c = 299792458 м/с за мировую константу в 1983 г. на XVII Генеральной конференции по мерам и весам позволило дать новое определение метра – через единицу времени – и привело к возможности создания единого эталона времени – частоты – длины.
Такой подход реализуем благодаря связи между длиной, временем и частотой, основанной на соотношении
(3)
где λ – длина волны излучения стабилизированного лазера, м,
f – его частота, Гц.
Особенностью этой идеи является то, что частоту можно измерить с погрешностью, обеспеченной существующими эталонами частоты (таблица).
Показатели точности эталонов частоты
|
Тип генератора |
Нестабильность частоты |
Соответствующий уход частоты |
|
Рубидиевый |
5·10-12 |
0,15 с за 1000 лет |
|
Цезиевый |
3·10-13 |
0,01 с за 1000 лет |
|
Водородный |
1·10-14 |
0,2 с за 1 000 000 лет |
Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении (3), может быть реализован при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного радиооптическим частотным мостом [2] или на базе разработки фемтосекундных «оптических часов», способных также служить «оптическим метром». Подобные комплексы и представляют собой единый эталон времени – частоты – длины.
Современная элементная база позволяет реализовать возможность создания малогабаритного стандарта частоты на борту КА, который в свою очередь будет использован как стандарт времени и длины. Подобные сверхминиатюрные квантовые стандарты частоты, рубидиевые, разработаны в ведущем научном институте метрологии ВНИИФТРИ и представлены на международной метрологической выставке «МетролЭкспо-2019» в мае 2019 г. Габаритные размеры нового стандарта не превышают размеров спичечного коробка (рис. 1), а низкое энергопотребление при высокой стабильности частоты создает большие перспективы для его промышленного использования. Особенность практической реализации таких размеров заключается в переходе от габаритного сверхвысокочастотного резонатора к миниатюрному лазерному диоду и ячейке с парами рубидия оригинальной конструкции.
Рис. 1. Внешний вид стандарта частоты сверхминиатюрного квантового НАП-КПН
Эталон напряжения постоянного тока
Создание отечественных сверхпроводниковых интегральных схем с переходами сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник туннельного типа, реализующего эффект Джозефсона под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, позволяет воспроизводить единицу электрического напряжения вплоть до 1 мВ. Подобные квантованные значения напряжения определяются частотой излучения и номером ступени и подчиняются соотношению
(4)
где f – частота СВЧ-излучения, Гц,
n – целое число,
Kj – фундаментальная константа Джозефсона, Гц·В-1.
Данное соотношение позволяет сделать вывод, что точность воспроизведения величины напряжения напрямую зависит от точности воспроизведения частоты, при неизменном значении других функциональных составляющих, входящих в выражение (4).
Существующие сверхпроводниковые интегральные схемы, рассчитанные для воспроизведения 1 В, требуют 1500–2000 переходов и представляют собой кристаллы размером не более 15х6 мм2 и массой 1,5 г (рис. 2), что подразумевает их эффективное исполнение на борту КА.
Квантовый эталон сопротивления
Исследования [4, 5] квантового эффекта Холла, основанного на использовании явления сверхпроводимости, позволяют определить электрическое сопротивление через
(5)
где h – постоянная Планка, связывает величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой, Дж·с;
e – заряд электрона, Кл.
Рассмотренный эффект (5) получил название холловский контакт, который реализуем при условии охлаждения структуры металл – окисел – полупроводник до температуры в 4,2 К под влиянием сильного магнитного поля с индикацией (6–12) Тл.
В настоящее время размер холловского сопротивления (константа К. Клитцинга) R = 25812,807 Ом (5) воспроизведен с погрешностью не менее 10-8. Дальнейшие исследования в этом направлении предрекают оценку отношения h/e2 с погрешностью до 10-20. Таким образом, на порядок уменьшится и погрешность измерения единицы электрического сопротивления R.
а) 
б)
Рис. 2. Реализация кристаллов сверхпроводниковых интегральных схем программируемых эталонов вольта на основе джозефсоновских переходов: а) на 0,1 В (8192 перехода); б) разваренная на печатную плату: 1 – фрагмент цепочки джозефсоновских переходов; 2 – фрагмент сверхпроводниковой линии нагрузки
Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема электрометров на постоянном токе на основе шунтированного блоховского транзистора
Рис. 4. Квантовый метрологический треугольник, вершинами которого являются основные электрические величины: напряжение, ток и частота
Работы по воспроизведению размера единицы электрического сопротивления с помощью квантового эффекта Холла со средним квадратическим отклонением менее 10-8 ведутся на экспериментальной установке ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, результаты обнародованы на сайте журнала «Контрольно-измерительные системы и приборы». Данная установка, воспроизводящая размер Ома, уже включена в состав государственного эталона электрического сопротивления. Другой составной частью эталона является группа из 10 манганиновых катушек сопротивления с номинальным значением 1 Ом, обеспечивающая воспроизведение Ома со средним квадратическим отклонением результата измерений 3•10-8 (по десяти независимым измерениям). Неисключенная составляющая систематической погрешности не превышает 3•10-7.
А. Зорин проанализировал блоховский электрометр постоянного тока (рис. 3) и предложил квантовый метрологический треугольник, демонстрирующий взаимосвязь напряжения, тока и частоты (рис. 4).
Стороны треугольника символически обозначают линейные связи, описываемые фундаментальными законами природы.
Связь реализованных стандартов на борту КА приведена на рис. 5. Их использование существенно увеличит число воспроизводимых на борту единиц величин с высокой точностью и создаст парк эталонов для калибровки измерительных систем и датчиков [3].
Рис. 5. Взаимосвязь воспроизведения частоты с другими физическими величинами
Заключение
Проведенный анализ показал, что измерительные системы и датчики в процессе эксплуатации КА в подавляющем большинстве случаев не подвергаются калибровке, как с организационной, так и с технической точек зрения.
1. Создание и размещение на борту КА высокоточного малогабаритного стандарта частоты позволит воспроизводить частоту и время с погрешностью не хуже 1•10-14, что позволяет проводить поверку СИ и калибровку датчиков с погрешностью не хуже 1•10-12.
2. Зависимость длины волны, при утвержденном значении скорости света, от частоты позволяет создать эталон воспроизведения длины погрешностью не хуже 1•10-9, что позволяет проводить поверку СИ и калибровку датчиков с погрешностью не хуже 1•10-7.
3. Применение стандарта частоты в совокупности со сверхпроводниковыми интегральными схемами малых размеров может быть использовано для воспроизведения единицы напряжения с погрешностью не хуже 1•10-8 , что позволяет проводить поверку СИ и калибровку датчиков с погрешностью не хуже 1•10-6.
4. Квантовый эталон сопротивления на основе эффекта Холла обладает средним квадратическим отклонением менее 10-8, что позволяет также использовать его для поверки СИ и калибровки датчиков с погрешностью не хуже 1•10-6.
5. Применение эталона частоты на борту КА в совокупности с системами ГЛОНАСС и GPS позволит создать групповой эталон [5–7].
Библиографическая ссылка
Андрашитов Д.С., Гежа С.А., Филимонов А.А. СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 5. – С. 15-19;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=38025 (дата обращения: 03.12.2024).