Активні і пасивні методи і прилади для моніторингу аеро-, біо- і літосфери Землі

Як й очікувалося, фокальна лінія сильно викривлена. Тому далі важливо визначити точність видержування кутів. Лінійна дисперсія для середнього кута дифракції 14,5^о для граток радіусом 250 мм дорівнює dl/d=0,32 нм/мм. Оскільки центрування довжин хвиль повинне мати точність 0,05 нм (1/20 ширини щілини), то точність лінійних розмірів в фокальній площині повинна бути приблизно 0,015 мм (0,0035^о), а точність видержування відстані до щілин (1/20 розширення контуру за рахунок дефокусування) _ 0,05 мм. Для кожної озонометричної довжини хвилі були розраховані кути дифракції, відстані до вихідної щілини, відстані до кожної проміжної щілини, висота і ширина вхідної, вихідної і кожної проміжної щілини. Результати абераційних розрахунків показали, що абераційне розширення щілини в найгіршому випадку для = 252 нм менше 0,6нмм, що при фотоелектричній реєстрації дає додаткове, цілком прийнятне, розширення на 0,15 нм. Для повного використання висоти вхідної щілини, як показують розрахунки, на вході слід застосувати плоско-випуклу лінзу з фокусом 250,4 мм. А для забезпечення ефективної роботи другої половини подвійного монохроматора після маски проміжних щілин необхідно застосувати коліматорну плоско-випуклу лінзу. Щоб коліматорна лінза проектувала першу гратку на другу, її фокус повинен бути рівним половинній відстані від граток до її головних площин, відстань між якими для лінзи товщиною 6 мм дорівнює d(n-1)/n =1,959 мм, де n - показник заломлення. Тоді відстані від першої гратки до першої головної площини і від другої гратки до другої головної площини будуть дорівнювати 260,72 мм, а фокусна відстань лінзи 130,6 мм при радіусі кривизни r=(n-1)f=63,2 мм. Хроматичні і сферичні аберації лінзи дещо порушують симетричність подвійного монохроматора, тому ширина вихідної щілини повинна бути трохи більша ніж ширина вхідної.

Розрахунки другого одиночного монохроматора за алгоритмом геометричної оптики з варіацією значення кривизни лінзи , відстані до вихідної щілини, відстаней від проміжних щілин до другої гратки показали найкращі результати для радіуса кривизни 63,04 мм при відстані до вихідної щілини 255,4 мм. Відомо, що лінзи з гіперболічною поверхнею мають менші сферичні аберації, але розрахунки показали несуттєвий практичний виграш при застосуванні їх в нашій схемі через їх хроматичні аберації.

Для формування спектрометричних каналів для вимірювання ВМХ використовуються два інтерференційні фільтри в нульовому порядку спектра першої гратки, в якому відсутнє спектральне розкладання випромінювання.

На результати спектрометричних вимірювань УФ-радіації впливають орієнтація її площини і ступінь поляризації, тому що дифракційний подвійний монохроматор, як й призмовий, має власну поляризаційну дію, яка може призвести до похибки вимірювальних даних в 70%. Експерименти показують, що спектральна поляризаційна чутливість визначається системою диспергуючих елементів та шириною вхідної щілини.

Для компенсації неконтрольованого поляризаційного впливу апаратури на результати вимірювань, по обидва боки маски проміжних щілин симетрично установлюються ротатори площини поляризації та фазозміщуючі пластини. Для симетричної схеми подвійного монохроматора поворот площини поляризації на 90 при переході з однієї половини монохроматора до іншої робить монохроматор поляризаційно нечутливим. Оптичні властивості реальних оптично активних речовин, які повертають площину поляризації, залежать від довжини хвилі. Тому ротатор площини поляризації, з кутом повороту 90 для середини спектрального діапазону, для інших довжин хвиль буде давати значення повороту дещо інші. Для розширення діапазону компенсатора поляризуючої дії використовуються “чверть хвильові” фазозміщуючі пластинки.

Випромінювання із довільною поляризацією може бути описане вектором Джонса, який на вході системи оптичних елементів подвійного монохроматора має вигляд:

, (3)

де та - амплітуди простих лінійних гармонічних коливань компонент електричного поля вздовж осей х та у, - світловий вектор на вході; - зсув фаз між компонентами та , який набувається в системі головних площин одиночного монохроматора (одна з головних площин співпадає з площиною дисперсії); - сумарний поворот, який забезпечують ротатори; a, b - коефіцієнти поляризуючої дії монохроматора.

Поляризуюча дія подвійного монохроматора без системи компенсації за допомогою (3) дорівнює:

Згідно (4) видно, що поляризуюча дія подвійного монохроматора буде нульовою, якщо =90^о. Найбільш слабка залежність P( ), при , близькому до 90^o, буде для =90^o. Зміщення фази, що вноситься монохроматором, мале (), тому перед проміжною щілиною та після неї можна розмістити фазозміщуючі пластинки, розраховані для _ср робоч*ого спектрального діапазону з =90^o, та ротатор з =45^о. Товщина кварцового ротатора рівна d=/2(), де () - дисперсія -кварцу в напрямку оптичної осі. Фазова “чверть хвильова” пластина з одновісних кристалів -кварцу з поверхнями, вирізаними паралельно до оптичної осі кристалу, забезпечує затримку хвильового фронту. Розраховані значення дисперсії -кварцу наведені у дисертації.

Товщина пластинки “чверть хвилі” становить кілька мікрометрів _ такі тонкі кристалічні пластинки виготовити не можна. Технологічніше виготовити дві пластинки товщиною до 1 мм, кожна з яких з взаємно перпендикулярними оптичними осями, які лежать в площині пластинок, а їх різнотовщинність видержані так, щоб забезпечити необхідний сумарний фазовий зсув.

Всі отримані вище результати вже можна використати для конструювання УФ-спектрометра, а також для виготовлення усіх без виключення його оптичних елементів та вузлів, але для його подальшого юстування та вимірювання й калібрування всіх його оптико-спектральних та енергетичних характеристик необхідне спеціальне метрологічне обладнання.

Метрологічне забезпечення. Ця частина містить описання метрологічної апаратури спеціально створеної для градуювання та юстування за допомогою еталонних джерел УФ-випромінювання. Програма калібрування вимагає створення нестандартних атестованих методик та стендових засобів для метрологічної атестації спектрометрів, які дозволяють вимірювати і центрувати робочі довжини хвиль спектральних каналів, досліджувати роздільну спектральну здатність і спектральну енергетичну чутливість робочих каналів, динамічний діапазон і поляризаційні властивості спектрометру, абсолютну спектральну чутливість; паразитне розсіяння та ін.

Градуювання центральних довжин хвиль та спектральної роздільної здатності супутникових УФ спектрометрів виконувались за методом побудови контуру згортки апаратної функції спектрометра з близьким до дельта-функції контуром спектральної лінії із змінною довжиною хвилі:

,

де - розподіл освітленості в площині S_вих вздовж лінії дисперсії; - розподіл освітленості в контурі спектральної лінії на вихідній щілині; A(x'-x) - апаратна функція. Якщо w(x) _ дельта-функція, то контур згортки співпадає з апаратною функцією. Центральні довжини хвиль і роздільна здатність (як півширина апаратної функції) визначались на основі пакетів спектрограм, записаних для кожного спектрального каналу.

Блок-схема стендового метрологічного апаратурного комплексу зображена на рис. 7. Апаратура КПА-3 була спеціально створена для забезпечення повної функціональної автономної роботи спектрометра в лабораторних і заводських умовах, з можливістю повної імітації усіх режимів його роботи на борту супутника.

Апаратна функція стендового монохроматора СДЛ-1 має скінчені розміри, але набагато вужча, ніж апаратна функція озонометричного спектрометра, тому півширина апаратної функції останнього є різниця між півшириною контуру та півшириною апаратної функції СДЛ-1.

Енергетична спектральна чутливість (ЕСЧ) визначається як коефіцієнт пропорційності S_j у співвідношенні для кожного спектрального каналу U()= S_j,B() , де j = 1, ..., 12; U() - напруга вихідного сигналу спектрометра; B() - щільність енергетичної яскравості (СГЕЯ) випромінюваної поверхні тестового джерела.

Джерелами випромінювання для короткохвильової частини УФ спектру служили атестовані лампи ДНК-90, а для довгохвильової _ лампи ТРУ-1100-2350. ЕСЧ спектрометра для кожного каналу розраховується за формулою:

, (5)

де значення спектральної яскравості B()=1,03B_атм(), n - число вимірів в полі зору спектрометра; U_і, К_і - виміряні значення вихідного сигналу та коефіцієнта передачі по напрузі підсилюючого блока спектрометра для кожного положення лампи; B() - спектральна яскравість лампи; _л - площа випромінюючої поверхні лампи; K_j - коефіцієнт передачі по напрузі підсилюючого блоку спектрометру для кожного каналу підсилення; r - відстань випромінюючої поверхні джерела до S_вх спектрометра, Щ - половинне поле зору спектрометра.

В діапазоні спектру 280-380 нм точність градуювання робочих засобів вимірювань СГЕЯ дорівнює приблизно 8%.

При градуюванні за точковим джерелом зв'язок між напругою вихідного сигналу спектрометра та яскравістю робочого джерела випромінювання визначається за формулою, яка враховує чутливість по полю зору:

, (6)

де , - кутові координати джерела в полі зору спектрометра; В() - спектральна щільність енергетичної яскравості випромінюючого тіла джерела; _д - площа випромінюючої поверхні джерела; () - коефіцієнт пропускання спектрометра. Вимірювання виконуються для фіксованих положень джерела в координатах (_i, _j) в площині, перпендикулярній до оптичної осі. Спектральна чутливість спектрометру описується і визначається передаточною функцією Р():

(7)

де , - кутові зміщення лампи в полі зору. Формула для протяжного джерела аналогічна формулі (6).

З лампою ЛЛС-0,7 градуювання можна було зробити тільки в інтервалі малих УФ потоків. В середній частині робочого спектрального діапазону використовується потік від лампи ДНК-90.

Середня по полю зору чутливість для протяжного джерела:

. (8)

Мінімальна потужність випромінювання (гранична чутливість), визначається величиною оптичного сигналу на S_вих монохроматора, при якому на виході спектрометру відношення сигнал/шум = 1.

Сама передаточна функція і кількість розсіяного в монохроматорі випромінювання залежить від яскравості вимірюваного об'єкту, від якої залежить. При вимірюваннях динамічного діапазону між УФ джерелом і вхідною щілиною спектрометра установлювались обойми з набором атестованих нейтральних світлофільтрів НС-6, НС-12 із заданою шкалою коефіцієнтів їх пропускання. І при градуюванні чутливості, і при вимірюванні динамічного діапазону важливо забезпечити незмінну частину паразитного розсіювання в спектрометрі відносно потоку, що потрапляє до спектрометра.

Градуювання вузла орбітального калібрування зводиться до вимірювання індикатриси спектрального коефіцієнта яскравості ламбертівського розсіювача.

Для детального дослідження апаратура БУФС градуювалась на синхротроні в Новосибірську.

Вперше спектральна щільність енергетичної яскравості дейтерієвої лампи в ближньому УФ-діапазоні була визначена на синхротроні DESY із сумарним середньоквадратичним відхиленням результатів вимірювань в 4%. Стандартна невизначеність відновлення розміру одиниці спектральної густини енергетичної освітленості для ближньої УФ-радіації становила 0,07%. А стандартна невизначеність відновлення розміру одиниці спектральної щільності сили випромінювання для ближнього ультрафіолету склала 0,3%. Отже похибка еталонних вторинних джерел перестала обмежуватися похибкою первинного еталонного джерела і визначається їх власною нестабільністю. Стандартна невизначеність переносу розміру одиниці СГЕО в діапазоні 200-400 нм на вторинні еталони - дейтерієві лампи і фільтрові радіометри _ складала відповідно 2% і 1%. Для переходу від джерела СХВ до еталонних УФ-приймачів у схемі переносу СГЕО як монохроматичний робочий еталон використовується дейтерієва лампа із малогабаритним монохроматором і комплектом інтерференційних фільтрів. Вплив різного ступеню поляризації синхротронного монохроматичного джерела досліджується обертанням монохроматичного джерела навколо оптичної осі без порушення вакууму.

Визначення поляризуючої здатностi поляризаторiв проведено для всiх робочих довжин хвиль як з компенсаторами для зменшення поляризацiйної дiї, так й без них - для визначення ефективностi їх роботи. Повна деполяризація випромінювання досягалася при дифузному відбиванні від плоского екрану з товстим шаром окису магнію. Попередньо вимірювалась поляризація джерел випромінювання, а потім вимірювались інтенсивності випромінювання на виході поляризатора для всіх робочих довжин хвиль. При цьому брався один досліджений поляризатор, а замість другого поляризатора _ бортовий УФ-спектрометр-озонометр.

Всього було розроблено і виготовлено три покоління космічних озонометричних УФ-спектрометрів, які випробувалися на космічних апаратах "Космос", "Метеор", "Метеор-Природа", "Ресурс" та "Океан", починаючи із липня 1988 р.

Головне призначення апаратури БУФС _ зареєструвати зміни озонового шару кліматичного характеру і різкі зміни в озоносфері, які мають самостійний геофізичний інтерес. Наявність різких змін в озоновому шарі ілюструє широтний розріз ЗВО (рис. 8б). Стрілки поблизу 35 та 74 п. ш. означають, що значення сумарного озону менше за 150 О.Д. Випадкова похибка вимірювань ЗВО 5-6%. На рис. 8а наведено приклад відновлення профілю концентрації, точніше значення вмісту озону в шарах інверсії в порівнянні з модельним профілем.

В третьому розділі описується аерокосмічна апаратурна телевізійна система для дистанційного зондування стану рослинних біокомплексів (рис. 9) та основні результати її випробувань на літаках для дистанційного зондування територій Західного Сибіру, Прибалтики, України.

Рис. 9. Автоматична телевізійна спектральна установка аерокосмічної системи із знятим гермоконтейнером (верхньою і середньою частиною). Нижня частина гермоконтейнеру розміщена на монтажному столі. На верхній частині закріплено технологічний кронштейн для установки тестових джерел випромінювання.

Випробування проводились для двох варіантів апаратури: 6-канальна фільтрова спектрозональна система і система з поляризаційною насадкою ПФ-55 на вході. З різними наборами фільтрів, апаратура показала можливість дистанційного зондування кількості біомаси, вмісту вологи в рослинах, впливу агрохімікатів та важких металів, ідентифікації за спектральними ознаками, визначення стану та сезонних змін в масивах посівів жита і пшениці, оцінки масштабів забруднення нафтопродуктами територій суходолу та водних акваторій і інше. Масиви озимини (фази розвитку жита, стан посівів, вміст азотних речовин, враження хворобами) вивчались в спектральних каналах 550; 600; 670; 780; 870; 1110 нм. Зображення опрацьовувались і досліджувались за допомогою системи “Періколор” з набором сервісних програм для опрацювання одиночних і парних знімків. Чітко ідентифікувались водні і заводнені території, тундра, льодові поверхні, антропогенні ландшафти. Застосування кластерного аналізу зображень виявляло додаткові спектральні класи і характеристики.

Результати випробувань апаратури дозволили уточнити рекомендації для повного дистанційного зондування характеристик масивів озимої пшениці: 1) максимуми відбивання випромінювання знаходяться в смугах 300-400 нм і 510-570 нм, мінімум _ в смузі 590-690 нм, а для здорових вегетуючих рослин зростає в діапазоні 710-900 нм; 2) в смузі 510-570 нм добре вимірювати вміст хлорофілу, кількість якого безпосередньо зв'язане з біомасою рослин, максимум поглинання хлорофілу є також в інтервалі 630-690 нм і цей же інтервал найінформативніший для класифікації видів рослинних біокомплексів. Контроль за пігментацією і вмістом води в рослинах найкраще проводити в інтервалі 760-900 нм. Характерні середньостатистичні розміри полів в лісостеповій і степовій зонах України _ 10⁶ м². Дистанційне зондування необхідно виконувати при зенітних кутах Сонця близьких до 45^о, що для України визначає час спостережень з 10 до 14 години за місцевим часом, зміна висоти Сонця від 40^о до 50^о дає можливість тримати похибку вимірювань освітленості на потрібному рівні в 5% при стандартній прозорості України та азимуті Сонця відносно курсу літака 120^о-160^о. Оптимальна періодичність зондування 15 діб з калібрувальними вимірюваннями ранньою весною і пізньою осінню - в ці періоди пшеничні масиви різко відрізняються від інших. Обов'язкове контрольне зондування взимку (через кілька діб виникнення снігового покриву) для оцінки антропогенних факторів, перед сівбою бажано зондування стану грунтів.

Результуючий ефект УФ-стресів в рослинних біокомплексах на різних стадіях їх розвитку повинен проявлятися також у видимому діапазоні спектру, але дуже складним для розпізнавання чином. Спектральні характеристики рослинності змінюються на протязі періодів їх вегетації і залежать від структури листя, вмісту води в тканині листків, пігментації в процесі вегетації рослин, ступеню і виду захворюваності рослин. Нові можливості виявлення ефектів УФ-стресів в рослинних біокомплексах пов'язані з розвитком нових методів підвищення ефективності дистанційних досліджень - комплексування даних зйомок, використання різних методик синтезу синхронних і різночасових спектрозональних зйомок біокомплексів, обробки даних і моделювання природних систем за результатами різних за методикою експериментів. Такі синергетичні методи значно підвищують ймовірності інтерпретації результатів при одержанні й обробці інформації.

Комплексування супутникових даних та авіаційної поляриметрії дозволяє одержати розподіл біомаси рослинності, картування і класифікації лісів, визначення температури підстилаючої поверхні й одержати стійкі кореляційні залежності цих параметрів та оптико-спектральних параметрів рослинних масивів.

Нарешті, сукупна інтерпретація даних альтиметричних вимірювань ERS і оптики Landsat є високоефективною при дослідженні арктичних та антарктичних льодових масивів.

Впровадження і розвиток нових технологій для природоресурсного та екологічного світового аерокосмічного планетознавства, потрібно створювати нові покоління 100-каналних гіперспектральних апратурних систем із 1-метровою розподільчою географічною здатністю зображень в видимому та УФ діапазонах спектра при спектральній ширині каналів не гірше 3 нм.

В четвертому розділі виконано огляд сучасного стану проблеми надглибокого термопроникнення в літосферу. Застосування термобуріння почалось для наукових досліджень льодових товщ Арктики та Антарктиди і привело до появи теорій тепломасопереносу в крижаних породах із зміною агрегатного стану внаслідок руху джерела тепла. Інженерно концепція теплових джерел зводилась до електротеплогенератора і не дозволяє здійснити надглибоке проникнення внаслідок складних термобаричних умов в глибинних надрах і великих втрат електроенергії при її передачі до забою.

В дисертації формулюється і розв'язується проблема теоретичного та фізико-технічного обгрунтування принципової можливості практичної реалізації надглибокого термопроникнення за допомогою автономного термозонду. Формулюється постановка задачі про тепломасоперенос в шарі розплаву та в твердій породі при гравітаційному рухові теплоджерела при проплавленні оточуючих порід. В існуючих теоріях точкові, лінійні та плоскі джерел тепла рухаються в твердому тілі без зміни його агрегатного стану. А задача з урахуванням фазового переходу в середовищі для рухомих теплоджерел кінцевих розмірів довільної форми, раніше не розв'язувалась.

В даному розділі розглянуто систему “автономний термозонд-розплав-порода”, з потужним рухомим термоджерелом в масиві, який плавиться (рис.10). Теплову взаємодію елементів даної системи здійснює рухомий шар розплаву. Процеси в навколозондовій області розглядаються в дисертації в обсязі, необхідному для визначення швидкості гравітаційного занурення термозонду та основних теплофізичних характеристик системи “термозонд-розплав-порода”.

Математична модель досліджуваної системи створена при таких обмеженнях: 1) область двофазної перехідної зони з шириною обернено пропорційною потужному тепловому потоку, що до неї підводиться, з великим ступенем точності можна вважати достатньо гладкою поверхнею; 2) процеси тепломасопереносу, які розглядаються в рухомій системі координат, зв'язаній з термозондом, можна вважати квазістаціонарними в силу малої товщини шару розплаву і швидкого згасання температурних збурень в породі.

Прийняття постулату про квазістаціонарність дозволяє вважати, що шар розплаву є постійним по формі і розмірам, а граничні значення для поля швидкостей розплаву і температурних полів в розплаві та в породі не змінюються з часом.

При введених обмеженнях задача про гравітаційний рух термозонду в твердих проплавлюваних породах зводиться до вивчення процесу поширення тепла від термозонду через розплав до породи для її прогріву і плавлення, і до гідродинамічної задачі про перетікання розплаву від лобової до тильної частини термозонду. Необхідність розгляду сукупності теплофізичного та гідродинамічного аспектів задачі обумовлена наявністю загального параметру _ швидкості гравітаційного руху термозонду. Самоузгодженість цих процесів в усталеному режимі дає можливість вважати, що швидкість термопроникнення рівна швидкості переміщення поверхні фазового переходу, тобто швидкості проплавлення породи.

Розроблена математична модель теплофізичних та гідродинамічних процесів системи “автономний термозонд-розплав-порода” являє собою систему стаціонарних диференціальних рівнянь в частинних похідних (9)-(13):

, (9)

vv (10)

, (11)

, (12)

(13)

Індекси "з" відносяться до термозонду, а індекси "р" - до розплаву, без індексу - тверді породи. Розв'язання цієї системи дозволяє отримати будь-які параметри досліджуваних процесів. Але отриманню розв'язку даної задачі, при спробі застосувати наближенні методи інтегрування при машинних розрахунках, заважає неозначеність (незаданість) поверхні плавлення. Отримані іншими авторами експериментальні й теоретичні дані для термобуріння, дають загальну уяву про характерну особливість термопроникнення - малу товщину шару розплаву, відношення якої до характерних розмірів навколозондової області має порядок 10^-310^-4. Для сформульованої нами задачі для надглибоких умов і конкретних, реально можливих габаритно-масових та потужністних характеристик термозонду, цей факт ретельно досліджується в дисертації. Прийняття його як робочої гіпотези дає можливість досить точно визначити граничні поверхні та граничні умови. Алгоритм розв'язання даної задачі також наведено в дисертації.

Дослідження профілю швидкостей розплаву дозволили виконати наближене інтегрування рівнянь поширення тепла в розплаві та в породі шляхом зведення об'ємних інтегралів до інтегралів по граничних поверхнях і одержати умову теплового балансу в навколозондовій області для щільності теплового потоку з робочої поверхні термозонду:

, (15)

яка зручна для якісного аналізу процесів і є вихідною для визначення основних характеристик.

Головними показниками ефективності процесу термопроникнення є швидкість та коефіцієнт корисної дії - ККД, який формулюється нами як відношення теплового потоку витраченого на прогрів породи в лобовій зоні до температури плавлення та на процес плавлення до повного теплового потоку, що надходить з поверхні термозонду. Використання (7) для густини вихідного теплового потоку дозволило якісно проаналізувати залежність ККД від параметрів досліджуваної системи та визначити шляхи його збільшення:

Вираз (16) свідчить, що ККД зменшується із зростанням температури робочої поверхні Т_з, а також залежить від форми робочої поверхні і від форми поверхні плавлення та швидкості термопроникнення.

В даному розділі також сформульована одна з найважливіших задач математичної теорії тепломасопереносу _ задача оптимізації процесу термопроникнення, а саме, вибір оптимальної форми поверхні термозонду для досягнення максимальної швидкості термопроникнення. Наближене інтегрування рівнянь гідродинамічних процесів дало аналітичну залежність швидкості термопроникнення від параметрів системи "автономний термозонд-розплав-порода":

, (17)

де g _ модуль прискорення вільного падіння; a_p _ температуропровідність розплаву; Р- тиск в шарі розплаву; _ середнє значення кінематичної в'язкості розплаву; _ так звані інтегральні коефіцієнти форми.

Співвідношення (17) дає можливість визначити оптимальні значення цих коефіцієнтів, тобто форму зовнішньої поверхні термозонду, форму поверхні фазового переходу, а також їх розташування відносно напрямку руху, які забезпечують максимальну швидкість термобуріння шляхом контактного проплавлення оточуючих порід. Оцінку швидкості термопроникнення розглянуто для трьох випадків: 1) поверхня термозонду і поверхня фазового переходу мають повну симетрію; 2) поверхня термозонду має повну симетрію, а поверхня фазового переходу _ осьову; 3) поверхня термозонду має осьову симетрію, а поверхня фазового переходу _ повну.

Для сферичного та циліндричного термозондів з допомогою запропонованого методу здійснено порівняльну оцінку швидкостей. Зроблено висновок про оптимальну сферичну форму термозонду і про необхідність забезпечення такого розподілу теплових потоків на його поверхні, при якому досягається максимальна наближеність форми поверхні плавлення до зовнішньої поверхні термозонду.

Методику оцінки основних інженерних параметрів процесу термопроникнення розроблено для реальних габаритно-масових характеристик автономного термозонду; швидкості термопроникнення u; товщини шару розплаву на лобовій поверхні h; максимальної товщини розплаву бічної зони r_кр; розподілу температури та щільності теплового потоку на робочій поверхні термозонду; оцінки потужності термоджерела та ККД термопроникнення. Для розрахунків обрано циліндричну модель з гріючими бічною циліндричною поверхнею та нижнім торцем. Одержано алгоритм розрахунків вихідних інженерних параметрів термопроникнення:

1. Вибір оптимальної температури робочої поверхні термозонду Т₀, визначення температурного перепаду в шарі розплаву T_pT₀-T.

2. Оцінка швидкості термопроникненя:

а) в гірській породі: б) в кризі:

де .

3. Оцінка товщини шару розплаву на лобовій поверхні термозонду:

а) для гірської породи: ; б) для криги: (18)

4. Оцінка максимальної товщини термоканалу бічної зони:

. (19)

5. Оцінка теплової потужності термозонду:

де . (20)

6. Визначення ККД процесу контактного термопроникнення:

. (21)

Розрахунки для циліндричного термозонду з масою 5010³кг, радіусом і висотою 1м для порід типу базальт та льоду, свідчать, що метод надглибокого термопроникнення не має фізико-технічних та інженерно-конструкторських суперечностей для його реалізації. Розроблений алгоритм використано для розрахунків інженерних параметрів контактного термоплавлення технічного вазеліну установкою “Термобат-4,5”. Співставлення розрахованих та експериментальних даних свідчить про високу точність та ефективність алгоритму.

Реалізація автономного надглибокого термозонду з використанням ядерного пального ставить жорсткі вимоги до конструкційних матеріалів для їх експлуатації в складних термобаричних умовах при хімічній агресивності розплавлених порід: термостійкість, механічну міцність, хімічну та радіаційну стійкість. Є два класи тугоплавких матеріалів _ карбідна і нітридна кераміки. Тугоплавкі метали, їх сплави з вуглецем, азотом не мають хімічної стійкості та інтенсивно окислюються, але в інертному середовищі можуть використовуватись в конструкції внутрішніх вузлів. Напівпровідникова природа карбідної кераміки та деяких металевих сполук і значна залежність їх електричних властивостей від температури можуть ефективно використовуватись для контрольних і керувальних бар'єрних датчиків. Карбідна і нітридна кераміки використовуються в електротермічній техніці, тому технології їх обробки досить розвинуті.

Згідно з розрахунками міцності конструкція термозонду (рис. 11) повинна мати сферичний корпус (1) із тугоплавких матеріалів із тепловиділяючими елементами (2) потужність яких визначається енергоємністю експерименту. Сферична форма корпусу дозволяє регулювати температурні режими у середині та на поверхні термозонду для його маневрування відносно гравітаційної вертикалі. Нарешті, сферична конструкція є оптимальною для отримання максимальної швидкості занурення термозонду. Для контролю функціонування термозонду, служать контрольні (4) та керуючі (5) бар'єрні датчики, які реагують на задані порогові значення тиску, температури, густини розплаву, швидкості проникнення, на хімічний склад порід. Інформація передається від датчиків за допомогою бортових телеметричних пристроїв (7) до наземного пункту контролю і управління роботою та технічним станом термозонду. На рис. 11 зображені бортові системи (3) для управління твелами (6), які повинні мати механічну, термомеханічну, термоелектричну, або електромеханічну основу роботи, тому що використання електроніки обмежено високими температурами; (8) - пристрої для відбору проб оточуючих порід та експрес-аналізатори для їх бортового аналізу.

Для забезпечення довготривалої концентрації великої теплової потужності на забої можливим теплогенератором може бути малогабаритний ядерний реактор на швидких нейтронах. Виходячи з енергоємності і тривалості транскорового проникнення, отримано оцінку необхідної кількості урану-235, в залежності від коефіцієнта вигорання в межах від 125 до 600 кг.

Використання ядерного пального вимагає дослідження екологічної безпеки внаслідок можливої аварійної розгерметизації ядерного термоджерела. В дисертації розроблено математичну модель міграції радіонуклідів у водоносному шарі грунту та в гірських породах. Виконані розрахунки з використанням методу кінцевих різниць свідчать, що при певних умовах роботи забруднення радіоактивними речовинами оточуючого середовища не відбувається.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено і доведено до натурних випробувань в умовах відкритого космосу новий апаратурний УФ-комплекс, здатний виконувати вимірювання ЗВО і ВРКО з оптимальними часовими інтервалами за надирною геометрією у відповідності із станом наземної приймальної апаратури.

Для географічного інтервалу усереднення (500 км) похибка виміру для ЗВО становить 3%, а відповідна похибка для ВРКО становить 7-12% при інтервалі усереднення 1000 км.

2. Вперше виконано теоретичні розрахунки и створено оптико-фізичні схеми подвійних монохроматорів для космічних УФ-спектрометрів з коефіцієнтом подавлювання паразитно розсіяної УФ-радіації 10^-6 на базі сферичних класичних і некласичних дифракційних гратках з постійним і змінним кроком нарізки штрихів.

Застосування некласичних дифракційних граток із змінним кроком нарізки штрихів, які дозволили цілеспрямовано перерозподілити енергію випромінювання і максимально сконцентрувати її в робочому спектральному порядку, збільшило відношення сигнал/шум в 1,5-2 рази.

3. Вперше для підвищення прецизійності, надійності і безпечності юстування подвійного монохроматора, його оптико-фізична схема була розроблена так, що дозволяла виконувати контрольне високопрецизійне юстування всіх оптичних елементів схеми в видимому діапазоні спектру із застосуванням джерел випромінювання видимого діапазону без наступного порушення спектральних параметрів схеми після її повернення в режим роботи в УФ-діапазоні спектру. Реалізація такої методики юстування здійснена шляхом розробки універсальної схеми подвійного монохроматора з меридіональним, двоповерховим розташуванням дифракційних граток без порушення умов сагітальності їх роботи.

Створений УФ-монохроматор дозволяє вирішувати одночасно дві задачі: озонометричні вимірювання ЗВО і ВРКО та вимірювання загальної вмісту кисню і висоти верхньої межи хмар на довжинах хвиль безпосередньо в смузі поглинання кисню (738 нм) та у вікні прозорості атмосфери (762 нм).

4. Вперше розроблено систему компенсації поляризаційного впливу дифракційного симетричного подвійного монохроматора на результати вимірювань УФ-радіації. Використання цієї системи компенсації дало можливість повністю виключити поляризаційний вплив монохроматора на довжині хвилі 325 нм і знизити його більш ніж в 2 рази на краях робочого спектрального інтервалу.

5. Вперше створено метрологічний апаратурний комплекс для юстування і градуювання енергетичної спектральної чутливості та динамічного діапазону УФ-спектрометра-озонометра. Для підвищення точності градуювання спектральної енергетичної чутливості УФ-спектрометра, було виконано контрольне градуювання вторинних робочих джерел випромінювання і самого УФ-спектрометра по синхротронному випромінюванню.

Створений метрологічний апаратурний УФ-комплекс, атестований як нестандартне обладнання для виконання складних метрологічних процедур: центрування довжин хвиль та енергетичної спектральної чутливості робочих спектральних каналів на базі точкових і площинних джерел випромінювання, градуювання ламбертівських розсіювачів сонячного випромінювання для орбітального калібрування УФ-спектрометра, атестація поляризаційних характеристик.

6. Розроблено оптико-фізичну концепцію стоксметра для атмосферних спектрополяриметричних вимірювань. Показано, що для приладу, в якому при вимірюванні малих поляризацій (декілька відсотків) позиційний кут може визначатися с похибкою 1,52,5, необхідна точність вимірювань 0,3 може бути реалізована лише за рахунок статистики.

7. Вперше здійснено математичну постановку задачі надглибокого ко-нтактного термопроникнення шляхом проплавлення оточуючого середовища внаслідок руху в ньому під дією гравітації джерела тепла довільної форми та розроблено підхід до її розв'язання. Сформульована та розв'язана задача оптимізації процесу контактного термопроникнення.

Суть фізичної ідеї полягає в тому, що в силу низької теплопровідності гірських порід земної кори, затухання теплових збурень в навколозондовій області в напрямку лобової поверхні складає всього кілька сантиметрів, а товщина шару розплаву в лобовій зоні термозонду дуже мала в порівнянні з характерними розмірами термозонду (порядку 10^-510^-6 ), що й забезпечує високу ефективність використання теплової енергії для проплавлення порід.

8. Вперше розроблено метод оцінки значень основних інженерних параметрів контактного термоплавлення низькотеплопровідних речовин. Розроблено основи інженерно-технічної концепції автономного термозонду як засобу для надглибокого проникнення в надра літосфери Землі.

Отримано співвідношення між швидкістю проникнення і температурою робочої поверхні термозонду, яке дозволило одержати чисельні значення швидкості для гірських порід (=(1,0851,825)10^-4 м/с при 14001600 С) і льоду ( = (7,6923,10)10^-4 м/с при 1090С).

9. Вперше розроблена нова методологія термобуріння для контактного проникнення в глибинні надра літосфери Землі з використанням ядерного реактора як теплогенератора для забезпечення тепловою енергією проплавлення тугоплавких порід. Цей підхід може дозволити здійснити транскорове проникнення і проводити геотехнічні та геопромислові експериметни, оскільки метод контактного проникнення не має альтернативи за швидкістю і глибиною проникнення в глибинні надра.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Видьмаченко А.П., Ващенко В.Н., Ивченко В.Н., Сандакова Е.В. Опыт телевизионных наблюдений метеоров. _ Астрономический вестник. - 1976. _ Т.10, № 4. _ С.241 -246.

2. Несмеянович А.Т., Ивченко В.Н., Близнюк Н.Н., Ващенко В.Н., Дзюбенко Н.И., Докукин В.С., Смелянский В.Н. Оптические эффекты в космическом эксперименте "Зарница-1" // Космические исследования на Украине. - 1978, вып. 12. _ С. 88-92.

3. Ващенко В.Н., Ивченко В.Н., Пасошникова Л.П. Телевизионные наблюдения в эксперименте "Фейерверк" // Космические исследования на Украине. - 1979, вып.13. _ С. 49-52.

4. А.с. 213152 СССР МКИ G01J3/03 / В.Н.Ващенко, В.П.Волос, А.В.Педоренко (СССР). _ №3086872; Заявлено 19.03.84; Опубл. в бюл. изобр. СССР 02.01.85.

5. А.с.246899 СССР МКИ G01J3/06 / В.Н.Ващенко, А.В.Педоренко, Лоза А.И. (СССР). _ № 3120976; Заявлено 30.07.85; Опубл. в бюл. изобр. СССР 04.01.87.

6. Двойной дифракционный монохроматор: А.с. 1365867 СССР МКИ G01J3/03 / В.Н. Ващенко, А.В. Педоренко (СССР). _ № 3922651; Заявлено 01.07.85; Опубл. в бюл. изобр. СССР 08.09.87.

7. А.с. 279839 СССР МКИ G01J3/06 /В.Н.Ващенко, В.М.Волков, А.И.Лоза, А.В.Слободянюк (СССР). _ № 3173890; Заявлено 22.06.87; Опубл. в бюл. изобр. СССР 01.08.88.

8. А.c. 249877 СССР МКИ G01J3/06 / В.Н.Ващенко, В.П.Волос, А.В.Педоренко (СССР). _ №3122678; Заявлено 01.07.85; Опубл. в бюл. изобр. СССР 02.03.87.

9. .Ващенко В.Н., Попов О.С., Рубо Г.А. Телевизионные наблюдения солнечной короны во время затмения Солнца 1986 г. // Проблемы космической физики. - 1987, вып 4. _ С. 115-118.

10. Ващенко В.Н., Андриенко Д.А., Белокриницкая Л.Н. и др. Спутниковый спектрометр БУФС-2 для измерения озона методом обратного рассеяния. _ Космическая наука и техника. - 1988. _ вып. 7, С. 115-120.

11. Ващенко В.Н., Андриенко Д.А., Барышева В.И. Аппаратура для исследования озона с борта ИСЗ "Метеор-3" // Исследования Земли из космоса. - 1989. _ N 1. _ С. 78-84.

12. Ващенко В.Н., Остапенко В.А., Демонтович А.Ю., Пащенко Г.В., Чеснок Ю.А. Автоматизация спектральних исследований активных образований на Солнце // Вестник Киевского ун-та. Сер. Астрономия. - 1990. _ №32. _ С.82-84.

13. Vashchenko V.N., Andrienko D.A. et al. Satellite spectrometer BUFS-2 for ozone measurements by backscattering // Adv. Space Res. _ 1993. _Vol. 13, № 1. - Р. 329-339.

14. Ващенко В.Н. Очаги глубокофокусных землетрясений. _ Киев, 1995. _ 96 с.

15. Ващенко В.М., Писаренко Т.В. Про можливості контактного понадглибинного проникнення // Вісник Київського ун-ту. Сер. фіз.-мат. наук. - 1995.- вип.1. - С. 326-336.

16. Ващенко В.М., Мистецький Г.Ю., Писаренко Т.В. Проблеми радіаційної екологічної безпеки внаслідок міграції радіонуклідів в водоносному шарі грунту // Вісник Київського ун-ту. Сер. фіз.-мат. наук. - 1996. - №1. - С.388-401.

17. Ващенко В.М., Яpмоленко В.К. Pезультати дослiдження повеpхнi ядpа Землi // Вiсник Київського ун-ту. Сеp. Астpономiя. _ 1996, вип.3. _ С. 321-327.

18. Vaschenko V., Patlashenko Z., Loza A. Ultimate capabilites of space UV ozonometry. // Proceedings of SPIE. - 1996. - Vol. 3237. _ P. 31-42.

19. Ващенко В.М., Писаренко Т.В. Проблеми вибору конструкційних матеріалів для понадглибинних термозондів // Вісник Київського ун-ту. Сер. фіз.-мат. наук.- 1998. - №1. - С. 318-330.

20. Патент № 32787А Україна, МКИ Е 21 В 7/14. Автономний понадглибинний термозонд / Ващенко В.М., Писаренко Т.В. / №98041941/19(908); Заявл. 16.04.98; Опубл. 15.02.01, Офіційний бюлетень промислової власності №1, _ 4с.

21. Грабов Л.Н., Мерщий В.И., Ващенко В.Н., Писаренко Т.В. Оптимизация термоконтактного плавления материалов // Промышленная теплотехника.- 2000. - №1. - С. 94-99.

22. Русов В.Д., Глушков А.В., Ващенко В.Н., Михалусь О.Т., Хохлов Н.В. О возможном генезисе фрактальных размерностей в системе "турбулентные пульсации космической плазмы- спектр ГКЛ-турбулентные пульсации в атмосфере" // Труды Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института. - 2002. _ вып. 250. - С.107-114.

23. Русов В.Д., Глушков А.В., Ващенко В.Н., Михалусь О.Т., Хохлов Н.В. Енергобалансова модель глобального клімату та її зв'вязок з теорією ритму льодовикових періодів Міланковича. Ч.1. Теорія // Вісник Київського ун-ту. Сер. фіз.-мат. наук. - 2003. _ вип. 2. _ С. 386-399.

24. Русов В.Д., Глушков А.В., Ващенко В.Н., Михалусь О.Т., Хохлов Н.В. Енергобалансова модель глобального клімату та її зв'вязок з теорією ритму льодовикових періодов Міланковича. Ч. 2. Принцип Тома і довгоперіодичні коливання температури в енергобалансовій моделі клімату // Вісник Київського ун-ту. Сер. фіз.-мат. наук. - 2003. _ вип. 2. _ С.- 400-407.

25. Ващенко В.М., Лоза А.I., Патлашенко Ж.I. Абераційна теорія озонометричних подвійних дифракційних УФ монохроматорів з відніманням дисперсії на сферичних гратках // Вісник Київського ун-ту. Сер. фіз.-мат. наук. - 2003. _ вип. 3. _ С. 323-330.

26. Ващенко В.М., Патлашенко Ж.I., Черниш О.Є. Метрологічні основи енергетичного калібрування супутникових УФ озонометрів // Вісник Київського ун-ту. Сер. фіз.-мат. наук. - 2003. _ вип. 3. _ С. 331-339.

27. Русов В.Д., Глушков А.В., Ващенко В.Н. Астрофизическая модель глобального климата Земли. - К.: Наукова думка, 2003. - 212 с.

Размещено на Allbest.ru