Способ измерения плотности атмосферы планеты и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к технике измерения плотности атмосферы путем непосредственного и дистанционного ее зондирования и может быть использовано в авиационной и космической технике. Сущность: способ включает запуск летательного аппарата (ЛА), измерение параметров его траектории, определение отклонений этих параметров в зависимости от времени полета, определение, плотности атмосферы по величине отклонений. При этом при полете ЛА дополнительно измеряют с помощью датчика величину плотности газа в набегающем потоке в зависимости от времени полета ЛА, а также угол между осью датчика и вектором скорости ЛА относительно набегающего потока. Затем корректируют величину, измеренную датчиком по средней величине плотности атмосферы, измеренной через отклонения траектории, и определяют изменение плотности в зависимости от времени. После этого по изменению плотности и изменению траектории в зависимости от времени определяют аэродинамические характеристики ЛА. Устройство содержит измеритель плотности газа в потоке и радиолинию передачи данных, состоящую из передающего и приемного устройств. Кроме того, устройство дополнительно содержит запоминающее устройство, прибор ориентации, систему траекторных измерений и вычислительное устройство. Технический результат: повышение точности определения плотности атмосферы, измерение аэродинамических характеристик ЛА и повышение его функциональных возможностей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения плотности атмосферы путем непосредственного и дистанционного ее зондирования и может быть использовано в авиационной, ракетной и космической технике для построения эмпирических моделей атмосферы, определения фактических характеристик атмосферы во время летных испытаний и фактических аэродинамических характеристик летательных аппаратов (ЛА) во время летных испытаний и штатной эксплуатации ЛА.

Известны способы определения характеристик атмосферы по измерениям параметров траектории, например, ИСЗ (ст. Лидов М.Л. Определение плотности атмосферы по торможению первых искусственных спутников Земли, сб. "Искусственные спутники Земли", вып.1, 1958).

Известны также устройства для непосредственного измерения плотности, газа (например, по заявке №25674921 от 09.01.1978 г., авт.св. №742761), которые измеряют давление, создаваемое набегающим потоком, а по скорости набегающего потока и температуре определяют плотность газа.

Известные устройства градуируют в аэродинамических трубах, где определяют коэффициенты пересчета измеряемых величин в плотность.

Недостатком известных устройств является то, что погрешности градуировки их составляют 15 - 20% и градуировка производится в условиях, отличных от условий полета. Так, например, по известному устройству скорость газа в аэродинамической трубе не превышает 4000 м/с, а в полете до 7900 м/с.

Недостатком способов определения плотности атмосферы по измерениям параметров траектории является то, что на торможение одинаково влияют плотность атмосферы и аэродинамические характеристики ЛА, известные с точностью ±30%. Кроме того, для надежного определения плотности атмосферы по измерениям параметров траектории, значения плотности определяют на интервалах времени, за которое отклонения параметров траектории за счет торможения в атмосфере существенно превысят погрешности измерительных средств. Так, определение плотности верхней атмосферы по торможению искусственных спутников Земли (ИСЗ) производится, как правило, на более чем 1 суточных интервалах и плотность атмосферы, полученная таким путем, является фактически среднесуточной величиной, осредненной вдоль дуги орбиты.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и измерение плотности атмосферы с высокой точностью и с высоким разрешением во времени и в пространстве.

Поставленная цель достигается тем, что на интервале времени между измерениями параметров траектории ЛА дополнительно производят измерения плотности атмосферы датчиком плотности, по изменению параметров траектории определяют среднеинтегральную величину плотности на интервале, показания датчика плотности корректируют по среднеинтегральной величине плотности, значения фактический плотности определяют по результатам измерений датчиком и параметрам траектории, увеличивая или уменьшая их пропорционально отношению среднеинтегральной величины плотности и средней за интервал измеренной датчиком величины плотности.

Для решения задачи используют датчик плотности, установленный вдоль продольной оси ЛА в направлении полета вне зоны аэродинамического влияния конструкции, измерения плотности от датчика записываются в запоминающем устройстве, ориентацию между вектором скорости набегающего потока и продольной осью ЛА измеряют с помощью датчиков системы ориентации и записывают в запоминающее устройство, параметры траектории ЛА измеряют с помощью системы автономной навигации и записывают в запоминающее устройство и (или) измеряют с помощью наземных измерительных средств (оптических, радиолокационных и др.). Результаты измерений на борту ЛА передают на Землю по радиолинии и (или) непосредственно после посадки ЛА. Данные обрабатывают в вычислительном приборе на предмет определения величины плотности и аэродинамических характеристик ЛА.

На чертеже приведено устройство для измерения плотности по предлагаемому способу.

На корпусе ЛА 1 вне зоны аэродинамического влияния его конструкции установлен измеритель плотности газа 2, ориентированный вдоль продольной оси ЛА 3. Параметры траектории ЛА 4 измеряют с помощью автономной навигационной системы 5 и (или) системы внешнетраекторных измерений, состоящей из радиолокационных 6 и (или) оптических 7 измерителей.

Ориентацию продольной оси ЛА относительно вектора скорости 8 измеряет прибор ориентации 9. Измеренные на борту ЛА величины поступают в запоминающее устройство 10 и (или) в передающее устройство 11 радиолинии 12.

Приемное устройство 13 радиолинии соединено с вычислительным устройством 14.

Использование способа и реализующего его устройства позволит существенно уменьшить погрешность определения плотности атмосферы. Так, например, в модели верхней атмосферы ГОСТ 22721-77 погрешность определения среднесуточной плотности атмосферы на высоте 320 км достигает ±67,5% (см. ГОСТ 22721-77, стр.49, табл.1), а погрешность определения плотности датчиком по авт.св. 343191 достигает ±30% (см. описание изобретения), в основном за счет погрешности его градуировки. При использовании предлагаемого способа погрешность определения плотности уменьшится до ±5%, величину плотности атмосферы станет возможным определять с временным разрешением до 0,05 сек, что позволит улучшить модели верхней атмосферы, впервые позволит достоверно обнаружить и измерить такие явления, как гравитационные волны в верхней атмосфере, ветры, суточное вздутие атмосферы, построить точные модели взаимодействия атмосферы с ЛА и др. Более точные модели атмосферы позволят увеличить точность прогнозирования параметров орбит искусственных спутников Земли (ИСЗ), что приведет к экономическому эффекту. По предварительным оценкам уменьшение погрешности модели верхней атмосферы до 5 - 15% позволит уменьшить затраты топлива на коррекцию, количество сеансов внешнетраекторных измерений, затраты ресурса и расходуемых материалов бортовой аппаратуры, что приведет к экономическому эффекту.

Формула изобретения

1. Способ измерения плотности атмосферы, включающий запуск летательного аппарата (ЛА), например искусственного спутника Земли, измерение параметров его траектории, определение отклонений параметров его траектории в зависимости от времени полета, определение плотности атмосферы по величине отклонений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения плотности атмосферы, измерения аэродинамических характеристик ЛА и повышения его функциональных возможностей, при полете ЛА дополнительно измеряют с помощью датчика величину плотности газа в набегающем потоке в зависимости от времени полета ЛА, а также угол между осью датчика и вектором скорости ЛА относительно набегающего потока, затем корректируют величину, измеренную датчиком, по средней величине плотности атмосферы, измеренной через отклонения траектории, и определяют изменение плотности в зависимости от времени, после чего по изменению плотности и изменению траектории в зависимости от времени определяют аэродинамические характеристики ЛА.

2. Устройство для измерения плотности атмосферы, содержащее измеритель плотности газа в потоке, установленный на корпусе летательного аппарата, и радиолинию передачи данных, состоящую из передающего и приемного устройств, причем выход измерителя соединен со входом передающего устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены запоминающее устройство, прибор ориентации, система траекторных измерений и вычислительное устройство, причем выход прибора ориентации соединен со вторым входом запоминающего устройства, выход датчика плотности последовательно соединен через первый вход запоминающего устройства с входом передающего устройства радиолинии, выход автономной навигационной системы соединен с третьим входом запоминающего устройства, выходы системы внешнетраекторных измерений и приемного устройства соединены со входами вычислительного устройства.

РИСУНКИ