книги из ГПНТБ / Гайгеров С.С. Исследование синоптических процессов в высоких слоях атмосферы

В различных широтах проведено около 40 определений плот­ ности описанным методом двух термометров. Результаты последо­ вательных измерений хорошо согласуются. Осредненные значения для различных широтных зон хорошо согласуются с моделью Гровса 1970 г. [310]. Сопоставление результатов одновременных измерений методом двух термометров и стандартным методом по­ казало следующее. На высотах 80—85 км метод двух термометров дает более низкие температуры (на 10—15°С), на высотах около 70 км — более высокие значения, чем стандартный метод. Перов и Кондратьев предполагают, что существует некоторая систематиче­ ская ошибка в измерении температуры стандартным методом, при­ водящая к занижению плотности на высоте 80—85 км [372].

Методики измерений температуры на ракетах, применяемые в Англии, Японии и Франции

Чувствительными элементами температуры на английской ракете «Скуа», японской ракете М-135 и на французском ракетном зонде служат проволочные термометры сопротивления. В системе «Скуа» датчик температуры представляет

Рис. 17. Проволочный датчик температуры ракетного зонда Бри­ танской метеорологической службы.

собой плоскую двойную спираль из вольфрамовой спирализованной проволоки диаметром 13,5 мкм, закрепленную на тонких пластиковых нитях, радиально натянутых в алюминиевом кольце диаметром 9 см (рис. 17). На восходящей

бора на парашюте плоскость кольца нормальна к набегающему потоку воздуха [317].

Проволочный термометр сопротивления японской ракеты М-135 изготовлен из железоникелевой проволоки диаметром 20 мкм и длиной 18 см, натянутой зигзагообразно между двумя нейлоновыми нитями, укрепленными на двух ла­ тунных стержнях диаметром 1 мм (рис. 18). Термометр смонтирован на крон­ штейне, расположенном на боковой стороне приборного контейнера. После от­ деления носового конуса кронштейн принимает положение, перпендикулярное оси

Рис. 18. Проволочный датчик температуры зонда японской ра­ кеты МТ-135.

зонда производится методом последовательных приближений. Суммарные по­

Поскольку у радиозондового цилиндрического терморезистора на высотах более 25 км сильно возрастают инерционные и радиа­ ционные погрешности, в ракетных измерениях нашел применение миниатюрный бусинковый полупроводниковый терморезистор. На метеорологической ракетной сети США бусинка является основ­

ются бусинки с номинальными диаметрами 0,25 (наиболее распро­ страненный размер), 0,38 и 0,13 мм. Фактически размеры бусинок каждого типа отличаются от номинальных на значительную вели­ чину — иногда до 20% [253, 425].

Для уменьшения радиационных погрешностей бусинки приме­

синковых терморезисторов, проведенное Томпсоном [425], показы­ вает большую изменчивость коэффициентов поглощения как для бусинок (от 0,08 до 0,95), так и для подводящих проводов (от 0,11 до 0,61). Поэтому, по мнению ряда авторов, поправки должны быть разработаны индивидуально с учетом действительных харак­ теристик датчиков, выпускаемых в полет [253, 313].

Усовершенствование температурного узла

При отделении приборного контейнера от ракеты температура корпуса прибора вблизи терморезистора колеблется у разных си­ стем метеорологических ракет от 25 до 100° С. Поэтому весьма важно так расположить терморезистор, чтобы уменьшить передачу

проводники терморезистора были электрически и механически со­ единены с монтажными проволочными стойками (длиной около 1,5 см). Дл я предохранения датчика от повреждения при отделе­ нии приборного контейнера от ракеты, как видно на рис. 19 а, кон­ струкцией предусматривалась защита из толстой проволоки. Опи­ санная конструкция термоузла приводила к значительным пере­ гревам терморезистора на высотах около 50 км и более.

В следующей модификации описанной конструкции (рис. 19 б) была убрана проволочная защита. Это уменьшило перегрев дат­ чика, но данные о температуре в слое стратопазуы и выше попрежнему оставались сильно завышенными. Представленный на рис. 19 б монтаж терморезистора применялся, в частности, для прибора «Дельта-1» с ракетами «Аркас» и «Локи-Дарт». В при­ боре «Дельта-1» использовались проводники терморезистора дли-

ной 0,6 см. Эти короткие проводники прикреплялись к перегретым металлическим стойкам большого диаметра, которые передавали значительное количество тепла от прибора к датчику, а также обусловливали возрастание постоянной времени датчика темпера­ туры. С другой стороны, монтажная конструкция с длинными про­ водниками терморезистора способствует нагреву датчика вследст­ вие поглощения проводниками радиоизлучения от телеметриче­ ского передатчика [242, 253].

Указанные недостатки в известной мере были устранены в сле­ дующей модификации термоузла (рис. 19 в), в которой была при-

роль теплоотвода от бусинки. На майларовой пленке нанесены две серебряные полоски, служащие проводниками для включения

составленное в виде суммы величин конвективного теплообмена Н, радиационного теплообмена Q, нагревания измерительным током L , аэродинамического нагревания А и теплопроводности подводя-

щих проводов бусинки N. В (7) ст приток тепла к термо­

резистору.

Члены правой части уравнения могут быть выражены следую­

Как и следовало ожидать, уравнение теплового баланса для бусинки (7) аналогично уравнению (1) для проволочного термо­ метра сопротивления. Выражения некоторых членов правой части уравнения (7), которые мы привели в основном по Вагнеру [435], отличаются большей простотой. Это объясняется тем, что: 1) ско­ рости обдува терморезистора малых метеорологических ракет, применяющихся в США, значительно меньше скоростей обдува термометров в ракете М-100 на высотах меньше 60 км, 2) не учи­ тывается теплообмен проводников с окружающей средой.

Численное решение уравнения теплового баланса для бусинки относительно температуры окружающей среды дает возможность рассчитать поправки к показаниям терморезистора за счет раз­ личного вида притоков тепла.

Рядом авторов для последовательных модификаций приборов, описанных выше, были вычислены поправки, которые системати­ зированы в таблице, опубликованной Боллардом [241—244], в ко­ торую дополнительно включены данные Эземенари [280] (табл. 11).

Как видно из табл. 11, наибольшая величина поправки опреде­ ляется аэродинамическим нагревом и коротковолновой солнечной

радиацией. У приборов «Дельта-1» наибольшие погрешности вы­ зывались теплопроводностью от корпуса прибора. Для конструк­ ций термоузлов с применением майларовой пленки передача тепла от корпуса практически отсутствует. Нагрев бусинки измеритель­ ным током сведен к минимуму в последних модификациях, снаб­ женных измерительными схемами на полупроводниках.

Поправки за счет длинноволновой радиации, учитывающие по­ токи тепла снизу, сверху и от поверхности зонда, в общем не превышают Г С, за исключением данных Томпсона для прибора

(рис. 19(9,0) [253]. Недавно найдено, что на высотах около 25 км приборы с конструкцией датчика, представленной на рис. 19 д, из-за более значительного влияния альбедо и инфракрасного излу­ чения на майларовую пленку дают днем температуры на 3—6° С выше, чем приборы с датчиком, иллюстрируемым рис. 19 е. Мон­ таж с низким расположением бусинки (рис. 19 д) имеет преиму­ щества на больших высотах благодаря малой постоянной времени пленки, однако датчик должен быть экранирован от Солнца, влия­ ния альбедо и излучения прибора [254]. В работе [417] теоретически обоснована цилиндрическая радиационная защита, которая, повидимому, еще не испытывалась, и ее эффективность проблема­ тична.

Стефансоном разработана математическая модель для бусинкового терморезистора, смонтированного на пленке (применительно к STS-1). Найдено, что в температурном узле такого типа тепло­ обмен осуществляется преимущественно путем конвекции от атмо­ сферы к пленке и теплопроводности от пленки к бусинке, а не пу­ тем прямой конвекции от воздуха к бусинке. В результате возрастает постоянная времени тепловой инерции термоузла. По­ этому для реализации преимущества малой инерционности пленки следовало бы применить пленочный датчик температуры, который бы заменил бусинку [418].

В результате физического анализа различных способов уста­ новки бусинковых терморезисторов Хайсон [316] пришел к заклю­

узла «Дельта-1» заключается в большой разнице между темпера­ турами бусинки и окружающего воздуха, что заставляет вводить большую поправку (см. табл. 11). С другой стороны, величины поправок могут быть рассчитаны с меньшей неопределенностью, чем в случае пленочного монтажа. Это связано с тем, что способ расчета оказывается более простым, неопределенность оценки влияния температуры корпуса большей частью исключается под­ бором длин проводников терморезистора и, наконец, конвективный коэффициент теплообмена более надежно рассчитывается для

данных гранатных наблюдений и наблюдений по терморезистору

60 км). Фингёр и Вульф [292] обнаружили большой сдвиг темпера­ туры в момент захода и восхода Солнца. Эти данные также ука­ зывали, что влияния коротковолновой радиации на бусинковый датчик оказывались более значительными, чем предусматривалось теорией. Учет радиационных поправок приобретает очень важное значение, поскольку большинство ракетных наблюдений произво­ дится около полудня.

Ометодике измерений температуры

спомощью ракеты ММР-06

Вкачестве датчиков температуры на метеорологической ракете ММР-06 ис­

левой проволоки диаметром 1 мм. Сближенные концы кронштейнов вварены в стеклянные пробки, которые вставлены в отверстия передней поверхности го­ ловной части (см. рис. 9). Наличие двух термодатчиков, работающих парал­ лельно, увеличивает надежность системы зондирования. Кроме того, с помощью вспомогательного терморезистора измеряется температура кронштейнов, что улуч­ шает возможности анализа условий теплообмена между датчиком и поддержи­ вающей системой в условиях полета.

Уравнение, связывающее температуру атмосферы с измеренной температурой бусинки Тт, скоростью обтекания потоком и другими данными, аналогично урав­ нению (3), используемому для ракеты М-100. В связи с меньшей скоростью сни­ жения головной части ракеты ММР-06 в работе [118] для учета влияния солнеч­ ной радиации на показания бусинкового датчика в расчетную формулу введены средние величины радиационных потоков. Коэффициенты теплообмена и восста­ новления бусинкового терморезистора определены экспериментально в аэродина­ мической трубе переменной плотности. Ошибки измерений температуры, установ­ ленные расчетным путем, приведены в табл. 12.

Таблица 12

Результаты теоретической оценки средних квадратических

(а) и максимальных абсолютных (2) ошибок

определения температуры с помощью термоузла ракеты ММР-06

В связи с тем, что данных измерений с помощью этой ракеты накоплено еще не достаточно, эмпирическая оценка ошибок пока не проведена.