Пристрій та спосіб вимірювання маси космічних об’єктів

Реферат: Винахід належить до пристроїв виміру параметрів гравітаційного поля і призначений для вимірювання маси космічних об'єктів. Спосіб вимірювання маси космічних об’єктів полягає у поданні сигналу стабільної опорної частоти f 0 з виходу стандарту частоти 1 на джерело випромінювання сигналу. Джерело випромінювання формує й випромінює сигнал частотою f 0 у канал поширення. Пройшовши через канал поширення сигнал змінює частоту з f 0 на f1 під дією сили ваги. Сигнал частотою f1 приймається приймачем та передається на частотний компаратор, на який також подається сигнал опорної частоти f 0 зі стандарту частоти 2. У частотному компараторі визначають значення зсуву частоти сигналу під дією сили тяжіння  f g , яке передається в блок обробки. Також в блок обробки передаються з блока визначення параметрів об'єкта значення висоти H місцезнаходження космічного апарата над космічним об'єктом та радіус космічного об'єкта R . У блоці обробки за отриманими значеннями f g , f 0 , H , R0 та величинами швидкості світу c та гравітаційної сталої G , розраховується значення маси космічного об'єкта. Технічним результатом винаходу є повна автономність та висока точність одержуваних результатів. UA 115891 C2 (12) UA 115891 C2 UA 115891 C2 5 Даний винахід належить до космічної техніки, а саме до конструкції космічних апаратів й призначається для вимірювання маси космічних об'єктів. Масу Землі з достатньою точністю вимірював в 1797 році Генрі Кавендиш. Для цього він застосував крутильні ваги зі свинцевими кулями на кінцях і цей пристрій вибраний прототипом. Наближаючи до цих куль з різних сторін дві великі свинцеві кулі та знаючи їх масу, по куту закрутки ваг Кавендиш вимірював, в скільки разів сила тяжіння маленької кулі до більшої 24 відрізняється від сили тяжіння Землі. Загалом маса Землі дорівнювала 6,0  10 кг, що дуже 10 15 20 25 24 близько до відомого значення маси Землі m  5,972  10 кг. Недоліком відомого способу є неможливість застосування його для вимірювання маси космічних об'єктів з борта космічного апарата. Відомий пристрій, радіофізичний гравіметр, що вибраний прототипом пристрою, призначений для виміру значення прискорення сили ваги (патент України № 90961, G01V7/00, 10.06.2010 р.), шляхом вимірювання гравітаційного зсуву частоти сигналу, який складається зі стандарту частоти, який з'єднаний з джерелом випромінювання, з якого електромагнітний сигнал через канал поширення попадає на приймач, звідки значення гравітаційно зміненої частоти електромагнітного сигналу попадає на частотний компаратор, де вона порівнюється з частотою стандарту частоти та визначається гравітаційний зсув частоти, який потім передається на блок обробки, де визначається значення прискорення вільного падіння. Недоліком відомого пристрою є неможливість визначення маси космічних об'єктів з борта космічного апарата. Цих недоліків немає у запропонованому принципово новому пристрої та способу вимірювання гравітаційної сталої, які базуються на відомому ефекті гравітаційного зсуву частоти електромагнітного випромінювання. Вираховується цей зсув за формулою f gh fg  0 c2 , де fg - зміна частоти випромінювання під впливом прискорення вільного падіння. f Вимірюючи g можна розрахувати значення прискорення вільного падіння: g 30 f0h . Також відомий закон всесвітнього тяжіння, згідно з яким значення прискорення вільного падіння можна вирахувати за формулою m gG 2 R2 . Прирівнюючи обидва рівняння один до одного можемо одержати рівняння для вирахування маси космічних об'єктів. m 35 40 45 fgc 2 f g  c 2  R 2 f0  h  G . Задачею даного винаходу є її вирішення вимірювання маси космічних об'єктів у будь-якій точці космічного простору за допомогою джерела випромінювання сигналу за повної автономності та високої точності одержуваних результатів. Це вирішується тим, що пристрій для вимірювання маси космічних об'єктів, що складається не менше, ніж з одного блока вимірювання, в основі якого лежить радіофізичний ефект зміни частоти сигналу в гравітаційному полі, до складу якого входять стандарти частоти, джерела випромінювання сигналу, канали поширення сигналу, приймачі сигналу та частотний компаратор, блока визначення параметрів об'єктів і блока обробки результатів вимірювання. Таким чином, нові істотні ознаки пристрою: - блок визначення параметрів об'єктів. Блок вимірювання параметрів об'єктів повинен визначати параметр R , тобто відстань від центру космічною об'єкта до приймача сигналу. Ця задача вирішується в два етапи. На першому етапі вимірюється відстань R1 між космічним апаратом та космічним об'єктом, наприклад за допомогою лазерного дальноміра. На другому етапі вимірюється радіус 1 UA 115891 C2 5 10 15 космічного об'єкта R 2 , наприклад за допомогою оптичного сканера. Сума параметрів R1 та R 2 дає нам значення параметра R . В сукупності з відомими істотними ознаками дозволяють забезпечити вирішення задачі вимірювання маси космічних об'єктів у будь якій точці космічного простору за повної автономності та високої точності одержуваних результатів. Схема пристрою для вимірювання маси космічних об'єктів, який заявляється, зображена на кресленні. Порядок роботи пристрою наступний. З виходу стандарту частоти 1 на джерело випромінювання сигналу подається сигнал стабільної опорної частоти f0 . Джерело випромінювання формує й випромінює сигнал частотою f0 у канал поширення. Пройшовши через канал поширення сигнал змінює частоту з f0 на f1 під дією сили ваги. Сигнал частотою f1 приймається приймачем та передається на частотний компаратор, на який також подається сигнал опорної частоти f0 зі стандарту частоти 2. У частотному компараторі визначають fg значення зсуву частоти сигналу під дією сили тяжіння , тобто зсув частоти прийнятого f1 , щодо опорної частоти f0 , яке передається в блок обробки. Також в блок обробки сигналу передаються з блока визначення параметрів об'єкта значення висоти H місцезнаходження КА над космічним об'єктом та радіус космічного об'єкта R , з яких ми знаходимо значення R 0 . У f , f ,H,R0 блоці обробки за отриманими значеннями g 0 та відомими величинами швидкості світу C та гравітаційної сталої G , розраховується значення маси космічного об'єкта за формулою m 20 2 f g  c 2  R 0 f0  H  G . Перевіримо коректність запропонованого способу та співвідношення по відомих даних. В експерименті Паунда-Ребки у башті висотою 22,5 м було виміряно значення відносного f  2,5  10 15 f0 гравітаційного зміщення частоти . Також відомі значення R0  6371000 м та G  6,67191(99 )  10 11 25 -1 значення маси Землі mз  30 3 -2 м с кг . Таким чином, розраховане за запропонованим способом 2 f g  c 2  R 0 f0  H  G  2,5  10 15  9  1016  6371000 2 22,5  6,6719  10 11  6,08  10 24 кг 24 Це значення дуже близьке до відомого значення маси Землі m  5,972  10 кг. Різниця в значеннях з'явилася в зв'язку з тим, що ми в своїх розрахунках використовували середнє значення радіуса Землі, а не фактичний радіус у Гарварді, США. Тим не менше, приведені розрахунки підтверджують правильність та працездатність запропонованого приладу та способу визначення маси космічних об'єктів. Треба також визначити, що вже існують стандарти частоти, -18 які мають відносну стабільність 10 , що дозволить зменшити на три порядки похибку вимірювання маси Землі та інших космічних об'єктів, тому що ми використовували в своїх f  2,5  10 15 f0 розрахунках результати експерименту Паунда-Ребки, які мають значення . 35 Також треба визначити, що цей прилад та спосіб можливо використовувати для визначення маси наземних об'єктів, якщо випромінювання пристрою розташувати перпендикулярно до напряму прискорення вільного падіння. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 1. Пристрій вимірювання маси космічних об'єктів, що складається з вимірювального блока, виконаного 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 2 UA 115891 C2 5 10 сигналу та через канал поширення з входом приймача сигналу, вихід якого з'єднаний із першим входом частотного компаратора, другий вхід якого з'єднаний зі стандартом частоти 2, а вихід частотного компаратора з'єднаний з блоком обробки результатів вимірів, який відрізняється тим, що до пристрою доданий блок визначення параметрів об'єкта, який конструктивно з'єднаний з приймачем. 2. Спосіб вимірювання маси космічних об'єктів, що полягає у вимірюванні зсуву частоти електромагнітних сигналів під впливом гравітаційного поля, який відрізняється тим, що блок визначення параметрів об'єкта визначає розміри об'єкта та відстань між приймачем електромагнітного сигналу та об'єктом, які потім передаються разом з даними вимірювального блока про значення гравітаційного зсуву частоти у блок обробки, де визначається маса об'єкта за формулою: m 15   2 f c 2 R  H   , f0 H G де  f - гравітаційний зсув частоти; f0 - опорна частота; с - швидкість світла; Н - висота місцезнаходження космічного апарата над космічним об'єктом; R - радіус космічного об’єкта, G - гравітаційна стала. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3