Радіофізичний гравіметр

Гравіметр, що складається з щонайменше одного вимірювального блока та блока обробки результатів вимірів, який відрізняється тим, що вимірювальний блок виконаний з можливістю визначення зміни частоти сигналу в гравітаційному полі та містить джерело сигналу, канал поширення сигналу, приймач сигналу, два стандарти частоти та частотний компаратор, при цьому вихід першого стандарту частоти з'єднаний з входом джерела сигналу та через канал поширення з входом приймача сигналу, вихід якого з'єднаний із першим входом частотного компаратора, другий вхід якого з'єднаний з виходом другого стандарту частоти, а вихід частотного компаратора з'єднаний з блоком обробки результатів вимірів, за якими визначають значення гравітаційного потенціалу та прискорення сили ваги. Дійсний винахід ставиться до області гравіметрії й призначається для виміру значення прискорення сили ваги. Відомий балістичний гравіметр, що для визначення прискорення сили ваги використає вимір часу вільного падіння пробних тіл (ПТ) у вакуумі. Такий гравіметр, наприклад розробки ННЦ "Інститут метрології" (м. Харків), має наступні характеристики: середньоквадратичне відхилення - не більше 10мкгал, тривалість вимірів - 3 доби, час підготовки до вимірів - 3 години, споживана потужність - 1квт, вага - 300кг [1]. Гравіметри цього типу мають обмежену сферу застосування - вони можуть використатися тільки на землі й нерухомій підставі й вимірювати тільки вертикальну складову сили ваги. Відомий супутник GOCE для виміру параметрів гравітаційного поля Землі з точністю 1мгал, оснащений трьома парами тривісних градиометров, рознесених на відстань 0,5м. Як прототип обраний супутниковий гравітаційний градиентометр (СГГ) [2, 3]. Основні принципи побудови СГГ, як приладу обладающего граничною чутливістю на рівні 10-4Этв і працюючого на землі або в умовах віль ного від зносу космічного апарата, полягають у наступному: - забезпечити волю руху ПТ у процесі виміру, з метою досягнення мінімально можливого порога дозволу при вимірі других похідних гравітаційного потенціалу; - увести зворотні зв'язки, з метою компенсації зсуву центра мас ПТ щодо корпуса і їхніх відносних зсувів, обумовленим градієнтом гаданого прискорення; - забезпечити високу точність вимірів зсувів ПТ щодо корпуса й відносних зсувів пари ПТ; - ізолювати блок чутливих елементів (ЧЭ) СГГ від поступальних і кутових рухів настільки, щоб забезпечити можливість функціонування ИУ із заданою точністю; - забезпечити мінімальний шум систем зворотного зв'язку, що не повинен перевищувати теплові шуми конструкції. Перехід до безконтактного підвісу ПТ і криогенним температурам дозволяє значно підвищити точність вимірів і забезпечити вищенаведені принципи побудови СГГ. З метою реалізації обраного конструктивного рішення, а саме сильнозвязаної по поступальних ступенях волі системи двох осцилляторов з куто (19) UA (11) 90961 (13) C2 (21) a200814892 (22) 24.12.2008 (24) 10.06.2010 (46) 10.06.2010, Бюл.№ 11, 2010 р. (72) МАТВІЄНКО АНАТОЛІЙ ПАВЛОВИЧ, МАТВІЄНКО СЕРГІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ, МЕЛЕШКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ (73) МАТВІЄНКО СЕРГІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ (56) SU 934424, 07.06.1982 SU 1166041, 07.07.1985 RU 4011 U1, 16.04.1997 RU 2282147, 20.08.2006 US 4295372.20.10.1981 US 5282132, 25.01.1994 GB 2174210, 29.10.1986 JP 61079182, 22.04.1986 3 90961 вою стабілізацією приладової системи координат, необхідне застосування неконтактних зв'язаних надпровідних магнітних підвісів (СМП) важливі переваги, що мають, перед іншими типами підвісів. На Фіг.1 зображена схема ЧЭ СГГ, побудованого на базі зв'язаного СМП двох ПТ, що дозволяє вимірювати один компонент тензора других похідних гравітаційного потенціалу, у цьому випадку Wzz, i прискорення підстави по осі Ζ. Схема й конструкція ЧЭ СГГ, побудованого на базі тривісного зв'язаного СМП двох сферичних ПТ, дозволяє вимірювати одночасно три компоненти тензора других похідних гравітаційного потенціалу (Фіг.2). На основі трьох таких ЧЭ, розташованих по трьох ортогональних проекціях, може бути створений тензорний СГГ. Блок трьох ЧЭ зі сферичними підвісами ПТ дозволяє визначити повний тензор гаданих прискорень підстави (всі дев'ять компонентів тензора) (Фіг.3). Очевидно, що дана конструкція градієнтометра вичерпує всі можливості механічних систем такого роду. Поліпшення характеристик можливо тільки за рахунок побудови гравіметрів на інших фізичних принципах. Одним з таких пристроїв може бути гравіметр радіофізичний спосіб, що використає, виміру параметрів гравітаційного поля Землі. Радіофізичний спосіб заснований на ефекті зміни частоти електромагнітного випромінювання в гравітаційному полі [4, стор.527]: f f0 f0 gl c2 f0 1 gl , c2 де  - постійна Планка; I - висота розташування випромінювача щодо приймача (у цьому випадку - радіус орбіти КА r); g - прискорення сили ваги; f0 - частота джерела випромінювання; f - прийнята частота; з - швидкість світла, або f0 gr fg c2 де fg - зміна частоти випромінювання під впливом прискорення сили ваги. Вимірюючи fg можна розрахувати значення прискорення сили ваги f gc 2 g , f0 r Завданням даного винаходу є досягнення повної автономності й підвищення точності одержуваних результатів по трьох осях як у космосі дак і у всіх середовищах на землі. Це досягається тим, що радіофізичний гравіметр пропонується виконати у вигляді пристрою, до складу якого входять стандарти частоти, дже 4 рело сигналу, канал поширення сигналу, приймач сигналу й частотний компаратор. Схема радіофізичного гравіметра зображена на Фіг.4. Порядок роботи радіофізичного гравіметра наступний. З виходу стандарта частоти 1 на джерело подається сигнал стабільної частоти f0 , джерело формує й випромінює сигнал частотою f0 у канал поширення. Пройшовши через канал поширення сигнал змінює частоту, під дією сили ваги, з f0 на f. Сигнал частотою f приймається приймачем і віддається на частотний компаратор, на який також подається сигнал стабільної частоти f0 зі стандарту частоти 2. У частотному компараторі формується різниця f =f- f0 , що потім віддається в блок обробки. У блоці обробці за отриманим значенням f розраховується значення прискорення сили ваги. При цьому, конструктивно радіофізичний гравіметр може бути виконаний в одноканальному, або в трехканальном виді. У першому випадку приймач і джерело повинні розташовуватися строго вертикально друг над іншому на фіксованій відстані. У другому випадку три ідентичних комплекти, кожний з яких складається із двох стандартів частоти, джерела сигналу, каналу поширення сигналу, приймача сигналу й частотного компаратора, розташовуються так, щоб осі джерело - канал поширення - приймач трьох каналів були взаємно перпендикулярні. В останньому випадку на блок обробки подаються три складові f по трьох взаємо-перпендикулярних напрямках, по яких розраховується значення прискорення сили ваги. У цьому випадку орієнтація гравіметра в просторі може бути довільної. Технічною передумовою для створення радіофізичного гравіметра є той факт, що в цей час уже створені стандарти частоти, які мають відносну стабільність частоти 10-17 [5], що забезпечує досяжну точність виміру прискорення сили ваги 1мгал при відстані між джерелом і приймачем не більше 1м. Список літератури: 1. Комплекс 73П. Посібник з експлуатації. ГП КБЮ, 2000р. 2. Жернаков O.A. й ін (ГНЦ РФ ЦНИИ "Електроприлад") Принципи створення супутникового гравітаційного градиентометра. Ill Міжнародна конференція в ЦНИИМАШ 27-31.05.02. 3. Жернаков O.A., Фрезинский B.C. Криогенні чутливі елементи инерциальных навігаційних систем: Огляд. - Л.: ЦНИИ "Румб", 1998. 4. Савельев И.В. Курс загальної фізики, т.3, М., Наука, 1989. 5. Quantum Logic Clock’ Rivals Mercury Ion As World's Most Accurate Clock. - ScienceDaily (Mar. 10, 2008). - www.sciencedaily.com. 5 90961 6 7 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 90961 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601