Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Дистанционное измерение электрических зарядов воздушных объектов

Полный текст:

Аннотация

Предложена методика дистанционного измерения электрического поля воздушного объекта и расчёта сигналов датчиков электрического поля различной конструкции с учётом проводящих связей. Приведён алгоритм оценки параметров траектории воздушного объекта и расчёта его электрического заряда в трехпозиционной системе пассивной электростатической локации.

Для цитирования:


Ластовецкий А.Е., Клепка С.П., Рябоконь М.С. Дистанционное измерение электрических зарядов воздушных объектов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):59-69.

For citation:


Lastavetski A.E., Klepka S.P., Riabokon M.S. Remote measurement of electric charges of air objects. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):59-69. (In Russ.)

Все воздушные объекты (самолёты, вертолёты, ракеты, снаряды и т. д.) в процессе полёта при­обретают электрический заряд, возбуждающий в окружающей среде электрическое поле (ЭП). Методик теоретической оценки величины за­ряда произвольного воздушного объекта (ВО), учитывающих многообразие механизмов нако­пления заряда и большего числа влияющих на этот процесс факторов, пока не разработано. В связи с этим для оценки тактико-техниче­ских характеристик пассивных систем электростатической локации большое значение имеет накопление экспериментальных данных о величинах зарядов тех или иных типов ВО, систематизация этих данных и выявление вза­имосвязи заряда ВО с его техническими харак­теристиками и формой.

Дистанционная оценка электрического заряда базируется на регистрации вариации ЭП ВО в точке наблюдения в процессе пролёта мимо неё ВО. Пересчёт измеренных вариаций ЭП ВО в величину его электрического заряда осуществляется путём их сопоставления с те­оретическим описанием характера изменения ЭП в точке наблюдения. Измерение вариаций ЭП осуществляется с помощью датчика элек­трического поля (ДЭП).

Характер изменения во времени ЭП в точке наблюдения зависит от параметров тра­ектории полёта ВО относительно этой точки, электрической модели ВО, формы ДЭП и окружающих его тел [1].

Обычно параметры траектории полёта ВО неизвестны и подлежат определению в процессе (или по результатам) эксперимента.

Для упрощения последующего анали­за экспериментальных результатов целесоо­бразно по возможности минимизировать чис­ло неизвестных параметров траектории, т. е. обеспечить прямолинейность траектории и постоянство скорости v полёта ВО в зоне ре­гистрации, а также высоты H полёта ВО, при которых допустимо применение его упрощён­ной электрической модели.

Под электрической моделью понимается система связанных пространственно распре­деленных электрических зарядов (источников ЭП), порождающих ЭП, идентичное или близ­кое к полю ВО [2].

ЭП в точке наблюдения является функ­цией неизвестных координат источника поля, для вычисления которых необходимо осущест­влять регистрацию поля в нескольких (как пра­вило, трёх) разнесённых точках наблюдения. Если в процессе эксперимента обеспечивается пролёт ВО непосредственно над ДЭП, то до­статочно информации с одной точки наблю­дения.

Дистанционный метод исследования электризации ВО применим для объектов, ле­тящих на малых (1-300 м) высотах полёта. Эти ограничения определяются в основном соот­ношением уровня естественных атмосферных помех, воздействующих на ДЭП, с уровнем ЭП ВО и их спектральными характеристиками.

Таким образом, построению системы дистанционного измерения электрического заряда ВО предшествует решение следующих задач:

  1. Определение границ применимости той или иной электрической модели ВО.
  2. Обоснование методики измерения ЭП ВО и конструктивного исполнения ДЭП.
  3. Разработка теоретической модели сиг­налов ДЭП в функции времени.
  4. Разработка методики оценки параме­тров траектории ВО по сигналам ДЭП и по­следующего расчёта его электрического заряда.

Граница применимости электрической мо­дели ВО

В [2] показано, что электрическая модель воз­душного металлического объекта может быть представлена в виде совокупности равномер­но заряженных отрезков, размещённых неко­торым образом в пространстве, ограниченном объёмом тела.

В ряде случаев, например, когда рассто­яние от точки наблюдения до ВО заметно пре­вышает габариты объекта, такая модель яв­ляется неоправданно сложной и может быть заменена точечным или линейным источником поля.

Проведём оценку границы применимо­сти точечной электрической модели воздуш­ного объекта.

Известно, что поле заряженной метал­лической сферы, находящейся в свободном пространстве, идентично полю точечного за­ряда, помещённого в центр сферы. Другими словами, в качестве электрической модели ме­таллического сферического объекта выступает точечный заряд.

Степень отличия поля реального ВО от поля точечного источника в некоторой точке пространства m можно характеризовать тремя параметрами:

  • относительной ошибкой расчёта потен­циала поля δ U;
  • относительной ошибкой расчёта величи­ны напряжённости поля δΕ;
  • абсолютной ошибкой измерения направ­ления вектора ЭП в точке наблюдения Δθ.

Наибольший и наименьший поперечный размеры сферы равны её диаметру, а их отно­шение равно 1. Поле произвольного металли­ческого тела будет тем больше отличаться от поля металлической заряженной сферы, чем больше отношение наибольшего и наимень­шего его габаритных размеров. В предельном случае, когда это отношение стремится к бес­конечности, отличие возбуждаемого объектом поля от поля точечного заряда будет наиболь­шими. Другими словами, тело, имеющее фор­му бесконечно тонкого заряженного металли­ческого отрезка, возбуждает поле, максимально отличающееся от поля точечного заряда, поме­щенного в центр этого отрезка.

Равномерно заряженный отрезок конеч­ной длины L1 возбуждает ЭП, эквипотенци­альными поверхностями которого будут кон­фокальные эллипсоиды вращения, фокусы которых расположены по концам заряженного отрезка (рис. 1).

 

Рис. 1. Поле равномерно заряженного отрезка - электрической модели металлических эллипсоидов вращения

 

Линии поля всегда нормальны к эквипо­тенциальным поверхностям, в данном случае они будут конфокальными гиперболами. На­правление вектора напряжённости поля в некоторой точке пространства m совпадает с бис­сектрисой угла, который образован линиями, проведёнными из рассматриваемой точки m к концам отрезка. В соответствии с принципом отвердения эквипотенциальной поверхности [3] замена области внутри той или иной экви­потенциальной поверхности металлическим проводником не изменит ЭП во внешней по от­ношению к проводнику области пространства. Другими словами, равномерно заряженный отрезок выступает в качестве электрической модели любого тела в форме эллипсоида вра­щения, фокусы которого расположены по кон­цам заряженного отрезка (например, P1 или P2 на рис. 1). Большинство ВО имеют вытянутую обтекаемую форму, и в качестве их электри­ческой модели в большинстве случаев может выступать равномерно заряженный отрезок.

Сопоставляя поле заряженного отрезка длиной Ll с полем точечного источника, по­мещенного в центре отрезка, можно показать, что относительная ошибка δ U(p) оценки потен­циала поля такого объекта в некоторой точке m пространства, как поля точечного источника, не превышает величины:

где р = r/L 1 - отношение расстояния r от цен­тра отрезка до точки пространства m к длине отрезка L1 (р > 0,5). В случае тела произволь­ной формы L1 - максимальный габарит тела.

Относительная ошибка δΕ(ρ) оценки мо­дуля напряжённости поля не превышает вели­чины:

δΕ(ρ)=1/(4·ρ2).

Графики δU(ρ), δΕ(ρ) в функции параме­тра р представлены на рис. 2.

 

Рис. 2. График относительной погрешности расчёта потенциала δU(p) и напряжённости δЕ(р) поля

 

Приведённые результаты позволяют, за­даваясь допустимой погрешностью расчёта той или иной характеристики поля, определить границы применимости точечной модели воздушного объекта при теоретическом анализе его электрического поля.

При дистанционном измерении ЭП ВО высота полёта последнего обычно соизмерима или больше его габаритного размера, и при­менение точечной или линейной модели является вполне оправданным. В [2] показано, что во всех практических случаях электрическая модель инвариантна к высоте полёта ВО над подстилающей поверхностью (ПП).

Методика измерения ЭП и конструктивное исполнение ДЭП

В качестве ДЭП обычно используются гальва­нически соединенные металлические электро­ды. Под действием внешнего ЭП происходит как перераспределение зарядов между электро­дами системы, так и перераспределение заряда по поверхности этих электродов. Измерение внешнего ЭП, таким образом, основывается на измерении заряда, перетекшего с одного элек­трода на другой (в качестве второго электрода при дистанционном измерении ЭП ВО часто выступает ПП).

Если габаритные размеры ДЭП заметно меньше расстояния до ВО, то, принимая, что ДЭП находится под воздействием равномерно­го ЭП, изменением ЭП в пределах ДЭП можно пренебречь.

Учитывая пропорциональность перетек­шего заряда Q величине, нормальной к ПП со­ставляющей напряжённости внешнего поля Е, введём понятие коэффициента преобразования ДЭП - Kd, как отношения заряда Q, приобре­тенного ДЭП, к величине напряжённости элек­трического поля Е, его породившего:

Kd=Q/E,                                                            (1)

где E - скалярное произведение вектора E на единичный вектор внешней нормали n0 к ПП.

При выборе формы электродов необхо­димо ориентироваться на получение достаточ­но точного теоретического решения электро­статической задачи о взаимосвязи заряда Q электрода с напряжённостью внешнего ЭП Е. Обычно в качестве ДЭП используют электрод сферической формы, цилиндрический штырь или плоскую пластину, размещая их над ПП. Если некоторое металлическое тело (электрод) поместить во внешнее ЭП на высоте h2 от ПП, то оно приобретёт некоторый потенциал U (отсчёт потенциала ведется относительно потен­циала ПП (земли, моря), принимаемого рав­ным нулю). Для высоты h1, по крайней мере в несколько раз превышающей габаритный размер тела, потенциал U будет приближённо равен потенциалу ЭП в геометрическом центре электрода. Если электрод заземлить (обнулить потенциал, подключив электрод к измеритель­ному усилителю), то он приобретёт по цепи за­земления такой заряд Q2, который скомпенси­рует потенциал, наведённый внешним полем. Этот заряд очевидно равен

Q2= - C·U,

где С - собственная ёмкость электрода с учё­том влияния ПП.

В случае равномерного внешнего поля:

Q2= -C · E · h2; Kd=C · h2.         (2)

На основании соотношения (2) рассчи­тывается коэффициент преобразования ДЭП, а по результатам измерения заряда ДЭП - ЭП в точке наблюдения.

Приведённая методика расчёта коэффи­циента преобразования ДЭП (обычно приме­няемая на практике) не учитывает влияние про­водящей связи между ДЭП и измерительным усилителем на Kd. Это вызвано, по-видимому, тем фактом, что в большинстве учебных и ме­тодических изданий проводящими связями без­основательно пренебрегают.

Введение в электростатическую систему проводящих связей в общем случае существен­но затрудняет получение точного и удобного для расчётов аналитического решения, поэто­му определение Kd целесообразно проводить численными методами.

С точки зрения получения достаточно точного численного решения целесообразно использовать системы электродов, обладаю­щие осевой симметрией, т. к. в этом случае число узловых точек поверхности электродов, в которых ищется решение, существенно мень­ше общего случая.

В качестве первого примера рассмотрим металлический электрод в форме усечённого конуса, заканчивающегося сферической на­садкой (рис. 3).

 

Рис. 3. Геометрическая модель ДЭП в виде штыревой антенны:

R - радиус сферической части электрода (наконечника антенны); L - общая длина электрода; dM- диаметр конической части ДЭП в нижней части конуса; dm - диаметр конической части ДЭП в верхней части кону­са; E - вектор ЭП ВО

 

Такая форма электрода выбрана не слу­чайно. Меняя геометрические параметры мо­дели, можно получить решение для ДЭП различной формы. Так, принимая dm = dM = 2R, получаем ДЭП в виде цилиндрического штыря высотой L. При других соотношениях параме­тров получим ДЭП в форме телескопической штыревой антенны или в виде сферического электрода (R заметно больше dm = dM), соеди­нённого с измерительным устройством прово­дом диаметром dm.

В силу осевой симметрии электростати­ческой системы решение может быть найдено методом эквивалентных зарядов [3]. Систему точечных зарядов qi разместим вдоль оси сим­метрии электрода с шагом, пропорциональным текущему диаметру конуса, и в центре сфери­ческой насадки. Положение осей Z и X прямо­угольной системы координат показано на рис. 3. Каждому точечному заряду с координатой zi поставим в соответствие точку поверхности zj.

Введем обозначения:

L1=L-2·R-dm;

k1=L1/(L1+dM-dm);

Κ=1/(4·π·ε·ε0)=9·109,

где ε0 ≈ 8,854·10-12 Ф/м - электрическая по­стоянная;

ε ≈ 1 - относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды (воздуха).

Число N эквивалентных зарядов, разме­щённых на оси конической части электрода, зависит от соотношения диаметров dm и dM. При dm = dM (конус становится цилиндром) N равно целому от деления L1 на dm.

В противном случае (при шаге, пропор­циональном текущему диаметру конической части):

Индексные переменные i и j будут при­нимать значения от 0 до N.

Координаты точечных зарядов (x,y,) и то­чек поверхности (xy) можно выразить через геометрические параметры электростатиче­ской системы:

В соответствии с условиями задачи по­тенциал электрода (а следовательно, и каждой j-й точки его поверхности) равен нулю (по­тенциалу ПП, с которой он соединен через измерительный усилитель). Потенциал точки поверхности электрода равен алгебраической сумме потенциала внешнего ЭП в этой точке и потенциала, наводимого системой эквива­лентных точечных зарядов и их зеркального отображения в ПП.

Обозначим ri - радиус вектор i-го заря­да, г1j - радиус вектор j-й точки поверхности. Потенциал Pj,i, наводимый в j-й точке поверх­ности единичным i-м точечным зарядом и его зеркальным отражением в ПП, равен:

Потенциал внешнего ЭП в той же точке равен Uj = - E·zj.

В результате получим систему алгебраи­ческих уравнений относительно неизвестных зарядов qi, которую сокращённо можно пред­ставить в матричной форме:

P q=U,

где P - квадратная матрица с коэффициента­ми Pj,i;

U - вектор столбец.

Обозначим суммарный заряд, приобре­тенный электродом, символом Q:

Q=QS+QK,

где - заряд, приобретённый кониче­

ской частью электрода;

QS = qN - заряд, приобретённый сфериче­ской частью электрода.

Сравним результаты расчётов для не­скольких вариантов ДЭП, представленных на рис. 4. Вариант а) соответствует ДЭП в виде потенциально заземленного электрода сфери­ческой формы без учёта заземляющей связи; б) - тот же электрод с учётом проводящей связи (провода диаметром dm = dM), в) - тот же элек­трод с учётом проводящей связи помещенной в заземлённую экранирующую оплётку (диа­метр оплётки dm = dM); г) - электрод в виде цилиндрического штыря диаметром dm = dM; д) - электрод в виде телескопической штыре­вой антенны. ДЭП подключены к усилителям заряда (интеграторам тока). Коэффициент пре­образования Ku заряда Q ДЭП в выходное на­пряжение U1 усилителя определяется величиной конденсатора обратной связи Ci:

Ku = U1/Q = 1/Ci.                (3)

Обозначение параметра

Численное значение параметра соответствующего варианта ис­полнения ДЭП

а)

б)

в)

г)

д)

L, м

1

1

1

1

1

R, мм

50

50

50

-

4

dm, мм

-

1

5

8

2

dM, мм

-

1

5

8

8

Q•109, Кл

-

-7,77

-8,59

-6,87

-5,87

QK•109, Кл

-

-2,76

-3,73

-6,87

-5,6

QS•109, Кл

-

-5,01

-4,86

-

-0,27

Kd•1012, Кл·м/В

5,43

7,77

4,86

6,87

5,87

 

Рис. 4. Варианты исполнения ДЭП

 

Результаты численных расчётов Kd пред­ставлены в таблице, там же приведены при­нятые при расчёте геометрические параметры электродов. Расчёт зарядов проводился для значения Е = -100 В/м. Вариант а), не учиты­вающий влияния электрической связи, рассчи­тывался по (2) подстановкой ёмкости сферы в присутствии ПП [4]:

Сравнивая полученные результаты для ДЭП по вариантам а), б) и в), можно заклю­чить, что на коэффициент Kd заметно влияет как наличие проводящей связи, так и тип её конструктивного исполнения (наличие или от­сутствие экранирующей оболочки). Сопостав­ление результатов по вариантам б), в), г) и д) показывает, что использование ДЭП в форме сферического электрода не даёт заметного вы­игрыша в Kd, но приводит к его конструктив­ному усложнению по сравнению с обычным металлическим штырем того же размера.

Рассмотрим другой, также используемый на практике, способ измерения вариаций элек­трического поля вблизи ПП. Он основывает­ся на том факте, что распределение заряда по плоской проводящей поверхности однозначно определяется напряжённостью внешнего поля E. Поверхностная плотность σ распределения заряда (если неравномерностью ЭП по поверх­ности пластины можно пренебречь) определя­ется формулой σ=ε•ε0•Ε.

Если на уровне ПП поместить пласти­ну площадью S, гальванически соединённую с 1111 через измерительный усилитель, то она под действием поля Е приобретёт заряд Q = ε•ε0•E•S, что соответствует:

Kd= ε•ε0•E.

Формула справедлива и при установке пластины над плоскостью ПП, если высота её установки заметно меньше габаритных разме­ров пластины.

Квадратная пластина со стороной, равной 0,88 м, имеет коэффициент преобразования та­кой же, как и ДЭП по варианту г).

В ряде случаев при применении плоско­го ДЭП выполнить условие малости высоты установки не представляется возможным. Это условие можно обойти, если в качестве ДЭП применить плоскую пластину из диэлектрика, имеющего двустороннюю металлизацию, на­пример, из стеклотекстолита, применяемого для изготовления двусторонних печатных плат. В качестве сигнала использовать разность за­рядов между верхней и нижней металлизиро­ванными поверхностями путём подключения их к дифференциальному усилителю заряда (интегратору тока).

Известно, что разность плотностей σ1 и σ2 зарядов, наведённых на противоположных сторонах плоской проводящей пластины, не зависит от формы краевой линии и пропорци­ональна нормальной к плоскости пластины со­ставляющей внешнего электрического поля [3]:

σ1-σ2 = 2•ε•ε0•Ε•η0,

где Ε•η0 - скалярное произведение вектора Е внешнего электрического поля на единичный вектор нормали η0 к поверхности пластины, направленный во внешнюю сторону от поверх­ности с σ1.

Достоинство такого построения ДЭП за­ключается в том, что, меняя ориентацию пла­стины, можно осуществить измерение компо­нент вектора Е.

При технической реализации такого ДЭП необходимо обеспечить, во первых, хороший коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциальным интегратором тока, во вто­рых - обеспечить малые входные сопротивле­ния по каждому из входов дифференциального интегратора тока.

Первое условие обусловлено натекани­ем на металлические поверхности синфазного заряда, пропорционального (σ1+ σ2), величи­на которого зависит от потенциала внешнего поля и ёмкости пластины (с учётом окружаю­щих её тел).

Второе условие обеспечивает эквипо­тенциальность пары металлических поверх­ностей.

Полоса пропускания рассмотренных ДЭП при применении интеграторов тока на ос­нове операционных усилителей может состав­лять десятки - сотни килогерц. При измерении медленных вариаций поля полосу пропускания целесообразно ограничить, подключая ДЭП к инвертирующему входу интегратора тока че­рез промежуточное сопротивление, которое совместно с собственной емкостью датчика образует фильтр верхних частот.

Методика оценки параметров траектории ВО и расчёта его электрического заряда

Учитывая, что на расстояниях от заряженного объекта, превышающих его габариты, электри­ческое поле может рассматриваться как поле точечного заряда. В качестве электрической модели ВО примем точечный источник поля. Электрическое поле у поверхности земли мо­жет быть определено как суперпозиция поля точечного заряда и поля заряда противопо­ложного знака, зеркально отраженного в ПП, вследствие чего оно будет иметь только верти­кальную составляющую. ПП является эквипо­тенциальной поверхностью, будем считать, что потенциал ПП равен 0.

В земной правосторонней системе ко­ординат (ЗСК), ось Z которой направлена вер­тикально вверх, а плоскость XOY совпадает с ПП, зададим координаты трёх точек наблюде­ния ЭП (координат ДЭП): 1-й точки - (0, 0, 0), 2-й - (0, y2, 0), 3-й - (x3, 0, 0).

Будем считать, что заряд перемещается по прямолинейной траектории, характеризуе­мой параметрами: скоростью v; углом α между проекцией вектора скорости на плоскость OXY и осью Y ЗСК; высотой полёта H.

Текущее положение источника поля от­носительно точек наблюдения определяется радиус-векторами r1, r2, r3, проведёнными из соответствующих ДЭП к источнику поля, нумерация которых соответствует нумерации точек наблюдения (рис. 5).

 

Рис. 5. Геометрическая модель пролёта ВО мимо ДЭП

 

Началу отсчёта времени t = 0 соответ­ствует момент нахождения заряда в плоско­сти OXZ и характеризуется координатами у = 0, x = x0.

Запишем радиусы-векторы и единичный вектор нормали n0 в привязке к началу коор­динат:

Теоретическая зависимость нормальной к ПП составляющей электрического поля то­чечного заряда, в i-й точке наблюдения, как функция времени t, будет иметь вид:

где q - заряд ВО.

Для вычисления величины заряда ВО q по сигналам ДЭП необходимо определить па­раметры траектории полёта мишени - H, x0, v, α и начало отсчёта времени.

Найдём моменты времени ti (t1, t2, t3), соответствующие максимальному значению теоретического сигнала соответствующего ДЭП (дифференцируем (4) по времени, при­равниваем результат к 0 и решаем получившее­ся уравнение относительно времени ti). Выпол­нив эту процедуру для каждого ДЭП, получим:

Определим теоретическую длительность сигналов ДЭП ΔΤί (ΔΤ1, ΔΤ2, ΔΤ3) как интер­вал времени между уровнями сигнала, соот­ветствующими его точкам перегиба (дважды дифференцируем (4) по времени, приравнива­ем результат к 0 и, решив относительно вре­мени получившееся уравнение, найдём дли­тельности):

Полученные выражения позволяют сфор­мулировать алгоритм вычисления параметров траектории ВО и затем оценить величину его электрического заряда.

Из выражений (5), (6) следует:

Величину H и x0 определим из уравне­ний (7), (8):

В процессе пролёта ВО осуществляется регистрация напряжений Ui(t) на выходе со­ответствующих усилителей ДЭП. Обозначим экстремальное значение напряжений как UiM. Рассчитаем экспериментальные значения на­пряжённости поля на соответствующих ДЭП:

EiMe=UiM/(Kd·Ku).

Рассчитаем величину заряда ВО:

При расчёте в (13) подставим ранее найденые оценки параметров траектории. В каче­стве заряда ВО принимаем среднее значение зарядов q1, q2, q3.

Сигналы ДЭП при дистанционном из­мерении ЭП ВО можно условно разделить на полезную, индукционную составляющую, об­условленную зарядом ВО, и помеху, обуслов­ленную прочими причинами. Помеха, в част­ности, может быть обусловлена:

  • атмосферным электрическим током (про­водимости, конвекционным, диффузионным);
  • индукционным током, возникающим вследствие как вариаций ЭП атмосферы и об­лаков, так и ветровых перемещений объёмных зарядов в приземном слое атмосферы;
  • входным током смещения измерительно­го усилителя.

Первая составляющая помех может быть уменьшена путём изоляции поверхности ДЭП от окружающей среды нанесением на него лакокрасочного или иного изоляционного по­крытия.

Влияние второй и третьей составляющих может быть уменьшено путём соответствую­щей фильтрации экспериментальных резуль­татов до проведения оценки параметров тра­ектории и величины заряда ВО.

На основе изложенных теоретических положений была разработана аппаратура на­земного измерения заряда мишени (НИЗМ). В качестве ДЭП использована телескопическая штыревая антенна, укрепленная через изоля­ционную втулку к металлической пластине (рис. 6).

 

Рис. 6. Конструктивное исполнение ДЭП (антенна показана в сложенном состоянии)

 

Преобразование заряда ДЭП в напряже­ние осуществляется с помощью зарядочув­ствительных усилителей (рис. 7), построенных по принципу интегратора тока.

 

Рис. 7. Усилители ДЭП смонтированные

 

Питание усилителей и преобразование их выходных сигналов в цифровую форму осу­ществляются с помощью блока питания и пре­образования БПИП (рис. 8).

 

Рис. 8. Блок питания и преобразования

 

Связь БПИП с усилителями ДЭП осуществляется с помощью 20-метровых кабелей.

Результат экспериментального измерения сигнала от ДПЛА

В качестве мишени при облётах ДЭП исполь­зовался дистанционно пилотируемый летатель­ный аппарат (ДПЛА) с электрическим двига­телем. Длина ДПЛА - 0,95 м, размах крыльев - 1,67 м (рис. 9).

 

Рис. 9. Подготовка ДПЛА к облётам

Процесс регистрации сигналов ДЭП на персональном компьютере показан на рис. 10. Регистрация сигналов осуществлялась с по­мощью аппаратуры НИЗМ в процессе пролёта ДПЛА.

 

Рис. 10. Процесс регистрации сигналов электрического поля

 

В первой серии записей осуществлялась регистрация сигналов датчиков, обусловлен­ных атмосферным электричеством. Погода - ясная с небольшими порывами ветра в произ­вольных направлениях. С течением времени заряд датчика имеет тенденцию к увеличению, что говорит о натекании на датчики тока ат­мосферы, обусловленного взвесью ионизиро­ванных гидрометеообразований. Плотность натекающего тока, по-видимому, определялась мгновенной скоростью ветра, а полярность - соотношением плотности положительных и отрицательных ионов в атмосфере. Зависимо­сти текущих зарядов Q1, Q2, Q3 датчиков от времени представлены на рис. 11.

 

Рис. 11. Флуктуации зарядов датчиков (инвертированные по знаку)

 

Среднее значение натекающего тока со­ставляло около 4•10-12 А. Наличие флуктуаций тока датчиков ограничивает чувствительность датчиков по электрическому полю.

В большинстве пролётов высота полёта ДПЛА над ПП превышала 10 метров, и сигнал от ДПЛА маскировался флуктуациями тока датчиков.

В ряде случаев ДПЛА пролётал на до­статочно низкой высоте, что позволило заре­гистрировать сигналы от его электрического заряда на фоне естественных флуктуаций. На рис. 12 представлен пример изменения заря­дов ДЭП при пролёте ДПЛА на низкой высоте.

 

Рис. 12. Изменение заряда ДЭП (инвертированные по знаку) в процессе пролёта ДПЛА

 

На рис. 13 представлены фрагменты сигналов, соответствующие моменту пролёта ДПЛА над ДЭП.

 

Рис. 13. Фрагмент изменения заряда ДЭП (инвертированные по знаку) в процессе пролёта ДПЛА

 

Предварительная обработка полученных сигналов состояла в фильтрации помех. В ре­зультате фильтрации помех и удаления мед­ленных изменений зарядов ДЭП эксперимен­тальные сигналы приняли вид, показанный на рис. 14 и 15. По оси ординат отложены норми­рованные величины сигналов U на выходах со­ответствующих усилителей и их производных по времени, по оси абсцисс - секунды.

 

Рис. 14. Теоретические и экспериментальные кривые нормированных сигналов ЭП мишени и соответству­ющих им нормированным экспериментальным сигна­лам напряжений на выходе усилителей ДЭП

 

 

Рис. 15. Теоретические и экспериментальные кривые нормированных производных по времени сигналов ЭП мишени и соответствующих им нормированным экспериментальным сигналам производных по време­ни напряжений на выходе усилителей ДЭП

 

После обработки полученных сигналов по описанной выше методике определены па­раметры траектории ДПЛА:

  • высота полёта над ПП h = 2,55 м;
  • угол подхода к ПП β = 20°;
  • угол траектории в горизонтальной пло­скости α = - 20,360°;
  • координата x0 = 1 м.

Полученные параметры траектории были подставлены в теоретические формулы (1), (2), (3). На рис. 14, 15 представлены результаты сравнения сигналов ДЭП, рассчитанных по теоретической формуле (4), и сигналов, полу­ченных в ходе эксперимента.

Хорошее совпадение структуры экспери­ментальных и теоретических сигналов позво­ляет перейти к расчёту электрического заряда ДПЛА по формулам (12), (13).

В результате расчёта получено, что сред­ний заряд ДПЛА составлял 1,16•10-9 Кл.

Выводы

  1. Коэффициент преобразования ДЭП суще­ственно зависит от схемы подключения к из­мерительному усилителю и может приводить к методической ошибке, превышающей изме­ряемый параметр.
  2. При расчёте коэффициента преоб­разования ДЭП любого конструктивного ис­полнения пренебрежение влиянием проводя­щих связей может приводить с существенным ошибкам. Так, в приведённом примере ошибка составляет 43 % и будет возрастать пропорци­онально высоте установки ДЭП.
  3. Электростатическая система из трех независимых ДЭП позволяет провести оцен­ку траектории полёта низколетящего ВО и его электрического заряда.
  4. Проведенные экспериментальные ис­следования электрического заряда ДПЛА под­тверждают изложенные теоретические поло­жения.

Список литературы

1. Ластовецкий А. Е. Приближённый аналитический расчёт распределения заряда по поверхности металлического объекта и сигналов электростатических датчиков // Оборонная техника. 2009. № 6–7. С. 24–32.

2. Ластовецкий А. Е. Моделирование электростатических полей аэродинамических объектов в задачах ближней локации // Оборонная техника. 2009. № 6–7. С. 17–24.

3. Миролюбов Н. Н., Костенко М. В., Ливенштейн Н. Л., Тиходеев И. Н. Методы расчёта электростатических полей. М.: Высш. шк., 1963. 415 с.

4. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. Л.: Госэнергоиздат, 1966. 463 с.


Об авторах

А. Е. Ластовецкий
ПАО «Импульс»; МГТУ им. Н. Э. Баумана
Россия

Ластовецкий Анатолий Евстафьевич – кандидат технических наук, доцент, главный конструктор – начальник отделения ПАО «Импульс», доцент МГТУ им. Н. Э. Баумана

Область научных интересов: теория и техника ближней локации.

г. Москва



С. П. Клепка
ПАО «Импульс»
Россия

Клепка Сергей Петрович – кандидат технических наук, начальник лаборатории

Область научных интересов: цифровая обработка информации.

г. Москва



М. С. Рябоконь
ПАО «Импульс»
Россия

Рябоконь Максим Сергеевич – инженер

Область научных интересов: автономные информационные и управляющие системы.

г. Москва



Для цитирования:


Ластовецкий А.Е., Клепка С.П., Рябоконь М.С. Дистанционное измерение электрических зарядов воздушных объектов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):59-69.

For citation:


Lastavetski A.E., Klepka S.P., Riabokon M.S. Remote measurement of electric charges of air objects. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):59-69. (In Russ.)

Просмотров: 33


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)