устройство для экранирования магнитометров от магнитных полей космического аппарата и других объектов

Формула изобретения

1. Устройство для экранирования магнитометров от магнитных полей космического аппарата и других объектов, содержащее источник внутренних магнитных полей космического аппарата, например три ортогональных друг другу электромагнита геомагнитного моментного двигателя, расположенных вокруг шарового маховичного двигателя, магнитометр, помещенный во внутреннюю полость ферромагнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя, при этом ферромагнитный экран прикреплен к одной из торцевых частей космического аппарата крепежным каркасом, отличающееся тем, что ферромагнитный экран выполнен в виде полой полусферы, которая прикреплена крепежным каркасом к одному из торцов космического аппарата своей вершиной.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторым полым полусферическим ферромагнитным экраном со вторым магнитометром, которые прикреплены крепежным каркасом к противоположному торцу космического аппарата вершиной полусферы экрана, а магнитометры прикреплены к центрам оснований первого и дополнительного второго полусферических ферромагнитных экранов.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что полусферический ферромагнитный экран выполнен слоистым из нескольких вложенных друг в друга ферромагнитных полусфер, отделенных друг от друга слоями из немагнитного материала, например пластмассы или полиэтиленовых пленок.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что при углах направлений внешнего магнитного поля по отношению к продольной связанной оси космического аппарата, приближающихся к 90^o и равным 90^o, величину и направление внешнего магнитного поля, например геомагнитного поля, рассчитывают бортовым компьютером на основе наземных экспериментальных данных и предыдущих показаний магнитометров на орбите космического аппарата.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к магнитометрический технике космических аппаратов (КА) и других объектов и касается устройств для экранирования магнитометров от внутренних полей КА и других объектов, где установлены магнитометры, путем установки магнитометров во внутреннюю полость полусферических ферромагнитных экранов на торцах КА, которые могут выполняться слоистыми из нескольких вложенных друг в друга ферромагнитных полусфер, отделенных друг от друга легкими немагнитными материалами и прикрепленными к противоположным торцам КА вершинами их полусфер (фиг.1, 2 и 3).

Известно устройство для экранирования магнитометров от внутренних магнитных полей КА и других объектов, в котором (см. фиг.4) магнитометр 3 помещен во внутреннюю полость ферромагнитного экрана в виде параллелепипеда или куба /1/.

Недостатки такого устройства: во-первых, вместе с уменьшением внутренних полей КА в зоне расположения магнитометра в обратное коэффициенту экранирования k_Э число 1/k_Э раз во столько же раз уменьшаются и измеряемые магнитометрами внешние магнитные поля, например геомагнитное поле, что весьма сильно увеличивает отрицательное влияние внутренних источников магнитных полей КА и других объектов на точность измерения магнитометрами внешних магнитных полей; во-вторых, ограниченные экранирующие свойств ферромагнитного экрана, у которого коэффициент экранирования k_Э даже теоретически не может быть меньше его предельно возможного значения k_ЭПР510^-5; в-третьих, сравнительно большая масса экрана, тем большая, чем ближе его коэффициент экранирования k_Э приближается к своему предельно возможному значению k_ЭПР.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для экранирования магнитометров от магнитных полей КА и других объектов, содержащее (см. фиг.5) источник 1 внутренних магнитных полей, например три ортогональных друг другу электромагнитов 1.1, 1.2 и 1.3 геомагнитного моментного двигателя, расположенных вокруг шарового маховикового двигателя 2, магнитометр 3, помещенный во внутреннюю полость сферического ферромагнитного экрана 4 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя, который крепится к одному из торцов КА крепежным каркасом 5 /2/.

Недостатки такого устройства-прототипа:

во-первых, вместе с уменьшением внутренних толей КА в зоне расположения магнитометра в обратное коэффициенту экранирования k_Э число 1/k_Э раз во столько же раз уменьшаются и измеряемые магнитометрами внешние магнитные поля, например геомагнитное поле, что весьма сильно увеличивает отрицательное влияние внутренних источников магнитных полей КА и других объектов на точность измерения магнитометрами внешних магнитных полей, например геомагнитного поля;

во-вторых, сравнительно большой коэффициент k_Э экранирования внутренних магнитных полей КА, теоретически ограниченный при нулевом внутреннем радиусе экрана предельной величиной



где _ЧЭМ = _ЭМ/₀ - максимальная относительная магнитная проницаемость сферического ферромагнитного экрана (СФМЭ), например, реально при выполнении экрана из горячекатаных листов пермаллоя 79 НМ с _ЧЭМ =80000/3/k_Э>k_ЭПР= 5,62510^-5;

в-третьих, сравнительно большая масса СФМЭ, тем большая, чем ближе коэффициент экранирования k_Э приближается к своему теоретическому предельному значению k_ЭПР, например при k_Э=1,52910^-4 и 7,62410^-5 и среднем радиусе сферического экрана 0,1 м его масса составит 16,21 кг и 47,55 кг.

Технический результат или цель изобретения - уменьшение отрицательного влияния внутренних источников магнитных полей КА и других объектов на точность измерения магнитометрами внешних магнитных полей, например геомагнитного поля, путем уменьшения внутренних и увеличения внешних магнитных полей, увеличение экранирующих свойств ферромагнитных экранов путем уменьшения их коэффициентов экранирования на несколько порядков и уменьшение массы экранов.

1. Технический результат или цель изобретения достигается тем, что в устройстве для экранирования магнитометров от магнитных полей КА и других объектов, содержащем (см. фиг. 1) источник 1 внутренних магнитных полей, например три ортогональных друг другу электромагнитов 1.1, 1.2 и 1.3 геомагнитного моментного двигателя, расположенных вокруг шарового маховикового двигателя 2, магнитометр 3, помещенный во внутреннюю полость ферромагнитного экрана 4 из материала с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя, при этом ферромагнитный экран 4 прикреплен к одной из торцевых частей КА крепежным каркасом 5, ферромагнитный экран 4 выполнен в виде полой полусферы, которая прикреплена крепежным каркасом 5 к одному из торцов КА своей вершиной.

2. Дополнительный технический результат или цель изобретения - увеличение сферы направлений измеряемых магнитометрами внешних магнитных полей вплоть до 360^o достигается тем, что устройство по п.1 дополнительно снабжено вторым полым полусферическим ферромагнитным экраном 4" со вторым магнитометром 3", которые прикреплены крепежным каркасом 5" к противоположному торцу КА вершиной полусферы, а магнитометры 3 и 3" прикреплены к центрам оснований (первого) 4 и дополнительного (второго) 4" полусферических экранов.

3. Технический результат или цель изобретения достигается тем, что в устройстве по п. 1 и 2 полусферический ферромагнитный экран 4 и 4" выполнен слоистым из нескольких вложенных друг в друга ферромагнитных полусфер, отделенных друг от друга слоями из немагнитного материала, например пластмассы или полиэтиленовых пленок.

4. Дополнительный технический результат или цель изобретения - уточнение и определение внешних магнитных полей при углах их направлений по отношению к продольной связанной оси у КА, приближающихся к 90^o и равных 90^o, когда направление и величина внешнего магнитного поля искажается полусферическими ферромагнитными экранами, достигается тем, что в устройстве по пп.1, 2 и 3 при углах направлений внешнего магнитного поля по отношению к продольной связанной оси у КА, приближающихся к 90^o и равным 90^o, внешние магнитные поля рассчитывают бортовым компьютером на основе данных наземных экспериментов и предыдущих показаний магнитометров на орбите КА.

На фиг.1 представлена конструктивная схема верхнего и нижнего полусферических ферромагнитных экранов согласно изобретению, размещенных на торцах космического аппарата с геомагнитным моментным двигателем на основе трех ортогональных друг другу электромагнитов.

На фиг.2,а приведены графические зависимости суммарной массы двух предлагаемых двухслойных полусферических ферромагнитных экранов в кг и базового сферического ферромагнитного экрана - прототипа в кг с крепежными каркасами от их коэффициента экранирования k_Э. На нем применены следующие обозначения: r_Э2 - наружный радиус внешнего слоя полусферического экрана; r_Э - средний радиус базового сферического экрана; y_ОЭ - расстояние по продольной связанной оси у_КА от центра до вершины экрана.

На фиг. 2, б приведены графические зависимости суммарной массы двух предлагаемых трехслойных полусферических ферромагнитных экранов с крепежными каркасами в кг от коэффициентов их экранирования k_Э с теми же обозначениями, что и на фиг.2,а и на фиг.3.

На фиг. 3 представлены графические зависимости суммарных радиальных и осевых составляющих магнитной индукции 3-х ортогональных друг другу электромагнитов ГММД на поверхности экрана и осредненных по этой поверхности в Тл от магнитного момента, одинакового для каждого из электромагнитов



где (I)_ЭМ - ампервитки электромагнита, а d_ЭМ - его средний диаметр.

Устройство по фиг.1 содержит: источник 1 внутренних магнитных полей КА, например, при ортогональных друг другу электромагнитов 1.1, 1.2 и 1.3 геомагнитного моментного двигателя; расположенные вокруг шарового маховикового двигателя 2; магнитометры 3 и 3", помещенные во внутренние полости двух полусферических ферромагнитных экранов 4 и 4" из материала с высокой магнитной проницаемостью, например пермаллоя, причем ферромагнитные экраны 4 и 4" прикреплены крепежными каркасами 5 и 5" к противоположным торцам космического аппарата вершинами их полусфер, а магнитометры 3 и 3" прикреплены к центрам основания полых полусферических экранов 4 и 4".

Для увеличения экранирующих свойств полусферических ферромагнитных экранов путем уменьшения их коэффициентов экранирования на несколько порядков и уменьшения при этом их массы полусферические ферромагнитные экраны 4 и 4" выполнены слоистыми из нескольких вложенных друг в друга ферромагнитных полусфер, отделенных друг от друга слоями из немагнитного материала, например пластмассы или полиэтиленовых пленок.

Работа предлагаемых полусферических ферромагнитных экранов заключается в следующем.

Источником 1 наиболее сильных внутренних магнитных полей КА являются обычные или сверхпроводящие электромагниты 1.1, 1.2 и 1.3 геомагнитного моментного двигателя (ГММД). Если полусферические ферромагнитные экраны будут в должной степени экранировать магнитометры от такого наиболее мощного источника магнитных полей, то такие экраны можно будет применить и для экранирования магнитометров от более слабых источников магнитах полей КА.

Если наружная поверхность полусферических экранов отстоит от центров электромагнитов 1.1, 1.2 и 1.3 типа коротких соленоидов (СС) на расстояние где d_ЭМ - средний диаметр i-го электромагнита (0,1 мd_ЭМ0,2 м), то экраны находятся в дальней зоне электромагнитов и осевые и радиальные составляющие магнитной индукции (на наружной поверхности экрана) от каждого электромагнита определяются в цилиндрической системе координат соотношениями /4/:





где _o = 410^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума (воздуха);

Z_ci и r_сi - осевая и радиальная координаты поверхности экрана от центра i-го электромагнита:

М_МЭМi - максимальный магнитный момент i-го электромагнита - см. выражение (2).

Рассчитанные по выражениям (3) и (4) зависимости суммарных максимальных осевых и радиальных составляющих магнитной индукции всех 3-х электромагнитов (i= 1; 2; 3) на поверхности верхнего экрана 4 (см. фиг.1) и осредненных по этой поверхности в Тл от магнитного момента электромагнитов М_МЭМi=М_МЭМ2=М_МЭМ3=М_МЭМ в Ам² в диапазоне от 15,2 Ам² до 566 Ам² приведены на фиг.3. Они рассчитаны при радиусе наружной поверхности экрана r_Э2=0,05 м и 0,1 м и расстоянии по продольной связанной оси у КА от центра КА до вершины экранов у_ОЭ=0,625 м и 1,125 м и среднем диаметре каждого электромагнита d_ЭМ от 0,1 м до 0,2 м.

Экранирующие свойства ферромагнитного экрана определяются величиной его коэффициента экранирования k_Э, которое тем лучше, чем меньше величина k_Э.

Коэффициент экранирования предлагаемым однослойным полусферическим ферромагнитным экраном радиальных составляющих магнитных полей КА на наружной поверхности экрана такой же, как и у базового сферического экрана - протокола /2/, и определяется выражением /2/



где _rЭСР = _ЭСР/_O - относительная средняя магнитная проницаемость экрана;

r_Э1 и r_Э2 - внутренний и наружный радиусы ферромагнитной части экрана соответственно, а осевых составляющих магнитных полей КА на наружной поверхности экрана - в два раза больше.

K_ЭZ1=2K_Эr1. (6)

Если величина коэффициентов экранирования дополнительного ферромагнитного слоя минимально возможной приемлемой толщины h_ЭО для двухслойного или трехслойного полусферического ферромагнитного экрана (ФМЭ2) или (ФМЭ3) подсчитается по выражениям (5) и (6) составит реальную величину K_эrg от 0,003 до 0,006 и K_эzg от 0,006 до 0,012, то коэффициенты экранирования двухслойного полусферического экрана

K_Эr2=K_ЭrgK_Эr1 и K_Эz2=K_ЭzgK_эz1 (7)

будут на два - два с половиной порядка меньше коэффициентов экранирования однослойного полусферического экрана (К_Эr1 и К_эr2), а для трехслойного полусферического ферромагнитного экрана

K_Эr3=K_ЭrgK_Эr2 и K_Эz3=K_ЭzgK_эz2 (8)

будут на два - два с половиной порядка меньше коэффициентов экранирования двухслойного полусферического экрана.

Измеряемые верхним (3) и нижним (3") магнитометрами внешние магнитные поля, например геомагнитное поле с индукцией В_э верхним и нижним (4") полусферическими ферромагнитными экранами, практически не экранируются в диапазоне углов направления по отношению к продольной связанной оси у КА -90^o<<+90, и для такого диапазона углов коэффициент экранирования экранами внешних магнитных полей практически равен единице, а внутренние магнитные поля, как указано выше, такими экранами уменьшаются в обратное коэффициенту экранирования 1/К_эz раз (для двухслойного экрана 10⁴-10⁵ раз, а для трехслойного экрана -10⁶-10⁷раз). Поэтому во много - много раз уменьшается отрицательное влияние внутренних источников магнитных полей КА и других объектов на точность измерения магнитометрами внешних магнитных полей, например геомагнитного поля. Однако при приближении углов к 90^o и внешние магнитные поля несколько искажаются. Поэтому в п.4 формулы изобретения и описания заявки предлагается при приближении углов к +90^o и равных 90^o определять их расчетным путем на основе данных наземных экспериментов и предыдущих показаний магнитометров при движении КА по орбите после его выведения.

Для доказательства выполнения поставленного технического результата или цели изобретения были произведены сравнительные расчеты основных характеристик предлагаемых двухслойных и трехслойных полусферических ферромагнитных экранов и базового сферического ферромагнитного экрана - прототипа /2/ при следующих исходных параметрах:

- средний диаметр сверхпроводящих электромагнитов (ЭМ) ГММД d_ЭМ=0,1; 0,1; 0,1; 0,15; 0,2; 0,2 одинаков для каждого из трех ЭМ 1.1, 1.2 и 1.3 и соответствует требуемому максимальному стабилизирующему моменту ГММД для среднеорбитальной геомагнитной индукции В_ЗЕР=3,810^-5 тл на круговой полярной орбите высотой 400 км М^СР _ГМДМ = 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,0373 Нм;

- потребные для достижения такого стабилизирующего момента максимальные ампервитки и магнитный момент каждого электромагнита (I)_ЭМ = 1935; 3869; 9672; 8598; 9673; 18017А и М_МЭМ15,2; 30,4; 76,0; 152; 304; 566 Ам²;

- наружный радиус первого наружного ферромагнитного слоя предлагаемых двухслойного и трехслойного полусферических ферромагнитных экранов ФМЭ2 и ФМЭ3 и средний радиус базового сферического ферромагнитного экрана - прототипы ФМЭб _rэ2=r_эб=0,05 м и 0,1 м;

- расстояние вершин нижнего и верхнего ФМЭ2 и ФМЭ3 и нижней вершины ФМЭб (см. фиг. 1 и фиг.5) по продольной связанной оси КА от центра у_ОЭ=1,175 м и 0,625 м;

- расстояние центров трех ортогональных друг другу электромагнитов от центра КА Z_ОС1=Z_ОС2=Z_ОС3=Z_ОС=0,125 м;

- ферромагнитный исходный материал для ФМЭ2 и ФМЭ3 - стандартные холоднокатаные листы пермаллоя 79НМ толщиной h_Э от 0,2 мм до 2,5 мм и горячекатаные листы пермаллоя 79НМ при их требуемой толщине от 3 до 22 мм, а для ФМЭб - горячекатаные листы пермаллоя при толщине от 3 до 22 мм /3, 5/;

- материал для слоев немагнитной прослойки между ферромагнитными слоями предлагаемых ФМЭ2 и ФМЭ3 - полиэтиленовые пленки с общей толщиной одного слоя 1 мм;

- крепежные каркасы экранов ФМЭ2, ФМЭ3 и ФМЭб выполнены из высокопрочного углепластика с массовой плотностью 1467 кг/м³, а их масса для ФМЭ2 и ФМЭ3 при r_э2=0,05 м и 0,1 и составляет 0,12 кг и 0,35 кг, а для ФМЭб - 20% от массы базового сферического ферромагнитного экрана;

- средняя относительная магнитная проницаемость _rЭСР пермаллоевых листов холодной прокатки для наружных слоев предлагаемых ФМЭ2 и ФМЭ3 для указанной выше толщины находится в пределах от 120000 до 140000, а для горячекатаных листов толщиной от 3 до 22 мм - 50000 /3, 5/;

- при определении требуемой толщины принимались те же коэффициенты экранирования, что и для предлагаемого двухслойного ФМЭ2 при r_Э2=0,1 м и у_ОЭ= 1,125 м, так как коэффициенты экранирования осевых составляющих магнитных полей для трехслойного ФМЭ3 и даже двухслойного ФМЭ2 при r_Э2=0,05 м для базового ФМЭб теоретически недостижимы даже при его внутреннем радиусе r_Э1б=0, см. выражение (1);

- толщина каждого дополнительного ферромагнитного слоя предлагаемых ФМЭ2 и ФМЭ3 принималась равной минимальной стандартной толщине холоднокатаного листа пермаллоя h_эg=0,2 мм, при которой его средняя относительная магнитная проницаемость составит 120000, а коэффициент экранирования ферромагнитной дополнительной полусферы для осевых составляющих магнитного поля КА на ее наружной поверхности, подсчитанной по выражению (6) с учетом соотношения (5) k_эzg0,00625 и 0,0125 при r_Э2=0,05 м и 0,1 м соответственно.

Результаты расчета ближайшей большей стандартной толщины наружной ферромагнитной полусферы предлагаемых ФМЭ2 и ФМЭ3 и сферы базового ФМЭб, их массы без крепежных каркасов, их суммарной массы с крепежными каркасами и достижимых при этом коэффициентов экранирования ФМЭ2, ФМЭ3 и ФМЭб сведены в таблицу (см. в конце описания).

Наглядно иллюстрируют приведенные в таблице характеристики графические зависимости суммарной массы двух (верхнего и нижнего) предлагаемых двухслойных полусферических ферромагнитных экранов (ФМЭ2) в кг и базового сферического ферромагнитного экрана - прототипа /2/ (ФМЭб) с крепежными каркасами от коэффициента экранирования k_эz и k_эб, приведенные на фиг.2,а, а также графические зависимости суммарной массы двух (верхнего и нижнего) предлагаемых трехслойных полусферических ферромагнитных экранов (ФМЭ3) с крепежными каркасами (ФМЭ3) от их коэффициентов экранирования k_эz.

На фиг. 3 представлены графические зависимости суммарных радиальных и осевых магнитных индукций 3 ортогональных друг другу электромагнитов ГММД на наружной поверхности наружного слоя полусферического ферромагнитного экрана, осредненные по этой поверхности в тл и в тл от максимального магнитного момента m_мом в Ам² каждого из этих электромагнитов, умножив каждое на коэффициенты экранирования ФМЭ2, ФМЭ3 и базового ФМЭб, можно определить порядок величины магнитных полей КА строго в зоне расположения магнитометров 3 и 3".

Таким образом, выполнение в устройстве для экранирования магнитометров ферромагнитного экрана 4 в виде полой полусферы, которая прикреплена крепежным каркасом 5 к одному из торцов КА своей вершиной; снабжение устройства дополнительно вторым полым полусферическим ферромагнитным экраном 4", прикрепленным к противоположному торцу КА вершиной полусферы, и выполнение полусферических экранов слоистыми из нескольких вложенных друг в друга ферромагнитных полусфер, отделенных друг от друга слоями из немагнитного материала, существенно отличая предложенное устройство от базового объекта - прототипа /2/, позволяет: вo-первых, уменьшить отрицательное влияние внутренних источников магнитных полей КА и других объектов на точность измерения магнитометрами внешних магнитных полей, например геомагнитного поля, путем увеличения внешних и уменьшения внутренних магнитных полей в зоне расположения магнитометров;

во-вторых, на несколько порядков увеличить коэффициент экранирования ферромагнитных экранов и при этом в десятки раз уменьшить их массу, например суммарная масса двух предлагаемых двухслойных полусферических экранов с крепежными каркасами при тех же достижимых для базового устройства коэффициентах экранирования в 19,6-42 раз меньше массы базового сферического ферромагнитного экрана - прототипа, а коэффициенты экранирования k_эz3 предлагаемых трехслойных полусферических ферромагнитных экранов от 1,110^-8 до 1,410^-6 вообще даже теоретически недостижимы в базовом устройстве - прототипе.

Источники информации

1. Регинский В.Ю. Экранирование в радиоустройствах. Энергия, 1969, - 112 с.: Рис.2.1 на с. 40.

2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники (в трех частях), изд. 5-е перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1967. - 775 с.: с. 661-662. - Прототип.

3. Электротехнический справочник: В 3 т. Т1. Общие вопросы. Электротехнические материалы /Под ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 488 с.: таблица 16.12 на с. 452.

4. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике; выпуск 5. Электричество и магнетизм. - М.: Мир, 1966. - 296 с.: выражения (14.35) и (14.36) на с. 289.

5. Справочник по электрическим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б. М. Тареева. Т.3. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1988. - 728 с.: таблица 2.13 на с. 36.