Автономная система мониторинга теплового состояния научной аппаратуры на космическом аппарате

Автономные информационно-измерительные системы широко применяются в научных исследованиях, в управления производственными процессами и в других областях прак-тичес-кой деятельности. Такие системы на борту научных космических аппаратов (КА) позволяют получать и обрабатывать большие массивы данных о протекании физических процессов в космическом пространстве, о результатах проведения научных и техно-логических экспериментов на КА, а также о функционировании его бортовых служебных систем. При этом дополнительная, послеполетная обработка получаемой измерительной информации не только многократно повышает ее достоверность, но и может приводить к получению новой информации [1]. Тем не менее, часто возникает необходимость в опе-ративном контроле текущего состояния научной аппаратуры КА для обеспечения качественного проведения эксперимента или даже необходимость в управлении этим состоянием по результатам текущих измерений параметров аппаратуры и (или) изучаемых в эксперименте процессов, свойств объектов и т.п. Последнее предъявляет весьма

высокие требования как к эксплуатационным, так и к метрологическим характеристикам информационно-измерительных систем для современных научных КА. Особое значение это имеет при проведении экспериментов на КА в условиях открытого космического пространства. Во многих случаях проведение космических экспериментов на борту КА и, в особенности, при проведении биологических экспериментов и интерпретации их результатов, как правило, требуется знание теплового состояния конструкции научной аппаратуры и размещаемых в ней объектов исследования. Это обусловливает необходимость в регистрации температуры отдельных элементов конструкции научной аппаратуры в местах размещения объектов иссле-дования. С этой целью для КА “Бион-М” и “Фотон-М” в настоящее время разрабатывается универсальный автономный многоканальный регистратор температур (МРТ), предназ-наченный для измерения в течение орбитального полета текущих значений температуры в определенных постановщиками экспериментов локальных зонах контейнеров научной аппаратуры (КНА), размещаемых на внешней поверхности спускаемого аппарата (СА) (рис. 1).

• 1.    ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЛИК СИСТЕМЫ

  Технический облик МРТ в первую очередь определяется его составом. В состав МРТ входят совокупность датчиков температуры (типа HRTS-5760-B), которые непосредственно устанавливаются в заданных локальных зонах КНА (на рис. 2, № 1, 2 и 4), в которых требуется прове-

• Рис. 1. Вид КА “Фотон-М” со стороны СА и размещение на нем КНА дение измерений температуры, и блок регистрации данных (БРД), который размещается в герметичном объеме КА, а именно, в его СА [2]. Связь между ними осуществляется с помощью кабеля через герморазъемы, установленные на СА. Указанная измерительная система должна отвечать всем требованиям, которые предъявляются к научной аппаратуре, устанавливаемой на борту КА [1]. К ним относятся требования по живучести и стойкости к внешним воздействиям, обусловленным основными факторами космического пространства, а также ударными, вибрационными, акустическими нагрузками и радиационным воздействием на всех этапах эксплуатации МРТ. В процессе формирования технического облика и эскизного проектирования системы были определены ее следующие основные параметры и характеристики: а) общее время функционирования не менее 65 суток; б) масса – не более 150…200 г (без герморазъемов и кабелей связи); в) диапазон измеряемых температур в пределах ± 150 оС; г) точность измерения во всем диапазоне – до 1,0 оС; д) количество измерительных каналов – до 32-х. В свою очередь, в состав БРД должны входить следующие основные функциональные узлы (рис. 3): входной коммутатор, предназначенный для переключения измерительных каналов; 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь; микроконтроллер, управляющий режимами работы БРД и процессом обработки первичной измерительной информации; автономный источник питания; энергонезависимая память для хранения информации; интерфейс USB, через который осуществляется тестирование МРТ перед запуском КА и считывание полученных в полете данных из внутренней памяти после завершения полета КА.

С учетом условий эксплуатации и назначения МРТ к данной системе предъявляются весь-

Рис. 2. Размещение датчиков МРТ в КНА

Рис. 3. Функциональная схема БРД ма жесткие требования по надежности проведения измерений в условиях открытого космического пространства, а также по объему и достоверности получаемой измерительной информации. Выполнение указанных требований было обеспечено на стадии определения технического облика и эскизного проектирования МРТ, включая состав и режимы работы БРД. При разработке опытного образца МРТ дополнительно предусматривается повышение надежности и точности проведения измерений за счет применения специализированного микропрограммного обеспечения, с помощью которого должен осуществляться оперативный и периодический анализ работоспособности основных узлов системы, а также обеспечение сохранности получаемой измерительной информации и восстановления работоспособности системы после сбоев. В связи с этим ответственным этапом является разработка одного из основных

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, №6, 2012

функциональных элементов системы – высокоточного и надежного преоб-разователя “температура-напряжение” (ПТН), в основе которой должно быть вполне эффективное схемотехническое решение, отличающееся высокой надежностью и простотой реализации.

ПТН, приведенной на рис. 4б [4]. В ней постоянство рабочего тока датчика обеспечивается за счет стабилизации напряжения на резисторе R3, включаемом последовательно с датчиком. Выходной сигнал в этом случае будет

2. О РАЗРАБОТКЕ

ПРЕЦИЗИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ “ТЕМПЕРАТУРА-НАПРЯЖЕНИЕ” ДЛЯ МРТ

Ut = — Ub

R 2    R T

R 1 + R 2 R 3^,

Разработку прецизионного преобразователя “температура-напряжение” можно было бы реализовать на одной из известных схем включения рассматриваемых здесь датчиков температуры (термометров сопротивления). Наиболее простой схемой является включение термометров сопротивления в схему моста Уитстона [3, 4] (см. рис. 4а), в одну диа-

гональ которого включается источник напряжения, а с другой его диагонали снимается выходной сигнал U T = U 1 - U 2 , зависящий от температуры датчика, а точнее, от его сопротивления R_T .

Зависимость U_T от R_T для этой схемы (рис. 1а) имеет вид:

Ut = Ub

R 2

R 1 + R 2

R 4 + R t

R3 + R4 + RT v

где U _B – напряжение питания моста. При выполнении условий:

R 1 = R 2 = R 3 = R ₄ = R ; R T « R , (2) характеристика датчика линейна с точностью до R_T / R и, стало быть, тогда

Ut = UrRt / 2R.        (3)

TBT

Точность преобразования сопротивления R_T в разность потенциалов (3) зависит от разброса значений сопротивлений R ₁ ... R ₄ , а линейность преобразования – от R_T / R . Приемлемая линейность обычно достигается при R_T / R << 10^–2...10^–3, но это обуславливает повышение напряжения питания моста U_B .

Линейная зависимость выходного сигнала U_T = U 1 — U 2 от R T имеет место для схемы

а коэффициент преобразования здесь зависит как от U _B , так и от R ₁ , R ₂ , R ₃ . Реализация такого преобразователя требует жесткой стабилизации U _B и тщательного подбора сопротивлений. Недостатком данной схемы является необходимость включения датчика в цепь обратной связи операционного усилителя (ОУ), что усложняет, в свою очередь, схему коммутации каналов МРТ и требует применения коммутирующих ключей с малым внутренним сопротивлением. В связи с этим для разрабатываемого МРТ была предложена схема ПТН с прецизионным источником тока CS (см. рис.4в), которая не требует подбора сопротивлений и позволяет исключить влияние внутреннего сопротивления коммутирующих ключей (RS). Принцип действия этого ПТН состоит в измерении падения напряжения U_T непосредственно на датчике температуры при протекании через него постоянного тока 1 0 , тогда U T = 1 0 R T .

Принципиальная схема ПТН с прецизионным источником тока показана на рис. 5. Источник опорного напряжения А1 здесь формирует высокостабильное напряжение U ₀ , которое подается на неинвертирующий вход ОУ А2, на выходе которого формируется напряжение, питающее цепь R2, RT так, что напряжение на его инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, т.е. U ₀ . На инвертирующий вход подается напря-жение с выхода дифференциального усилителя А5, пропорциональное разности потенциалов на резисторе R2. Таким образом, выполняется условие:

U0 = A510 R 2, где A5 – коэффициент передачи дифференциального усилителя А5; I 0 – ток, текущий через последова-

Рис. 4. Схемы включения термометров сопротивления

тельно соединенные элементы R2 и RT. Тогда выходное напряжение преобразователя будет равно:

U T = U 0 R T I R 2 A 5 .

т.е. коэффициент преобразования будет определяться значениями опорного напряжения U ₀ , сопротивления резистора R2 и коэффициента передачи дифференциального усилителя А5. Проведенные расчеты показали, что здесь относительная погрешность коэффициента преобразования не превышает 0,14%, а абсолютная погрешность измеряемой температуры – 0,35°С, что удовлетворяет требованиям по точности измерений, предъявляемым к МРТ в составе научной аппаратуры КА “Фотон-М”. Предложенный ПТН с прецизионным источником тока обладает высокой линейностью характеристики и позволяет исключить влияние внутреннего сопротивления ключей коммутации. Таким образом, предложенное схемотехническое решение ПТН с преци-зионным источником тока удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к МРТ в части как эксплуатационных, так и метрологических характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам эскизного проектирования автономной информационно-измерительной системы в виде МРТ, предназначенного для установки на КА “Бион-М” и “Фотон-М” с целью получения информации о температурных режимах в КНА при проведении научных экспериментов в полете, в настоящее время разрабатывается макетный образец системы для отработки принятых технических решений. Проведение летно-конструкторских испытаний МРТ планируется при полете КА “Фотон-М” №4 (ориентировочно в 2014 году) и по их результатам в дальнейшем будет разработана соответствующая универсальная штатная бортовая система для КА “Бион-М” и “Фотон-М”.

Рис. 5. Принципиальная схема ПТН с прецизионным источником тока