О измерении давления атмосферы Марса в рамках научного эксперимента М-ДЛС.

Авторы
Тептеева Е. С. (1), Казаков В. А. (2)
Организации
(1) Московский Физико-Технический Институт
(2) Институт Космических Исследований Российской Академии Наук
Сессия
Космическое приборостроение и эксперимент
Форма представления
Устный
Место работы научного руководителя
Институт Космических Исследований Российской Академии Наук
Научный руководитель
Казаков В. А.
Текст тезисов
Для изучения изотопологических соотношений воды и углекислого газа в атмосфере Марса разработан и изготовлен Марсианский многоканальный диодно-лазерный спектрометр (М-ДЛС), входящий в состав миссии ЭкзоМарс-2022 [1]. Важным аспектом в данном исследовании является точное определение давления исследуемой смеси газов. Интервал давлений, в котором производятся исследования лежит от 1 до 50 торр. Для решения поставленной задачи в приборе М-ДЛС использованы два типа датчиков. Один из них – это датчик Пирани типа HVS Vac04 фирмы «Heimann Sensors», который позволяет проводить измерения в области от 1 до 10 торр[2]. Особенностью датчика подобного типа является зависимость его показаний от рода исследуемого газа. В отличие от Пирани, датчик давления типа XTM-140 фирмы «Kulite» начинает корректно работать от 7 торр и выше, тем самым обеспечивая пересечение диапазонов применимости этих двух типов приборов.
Данные датчики хорошо изучены при работе в воздухе и при комнатной температуре. Однако для других газов и при других температурах потребовалось провести лабораторные и теоретичесекие исследования.
Получение расчетной зависимости напряжения U датчика Пирани от давления p при различных температурах T было получено путем разделения рассеиваемой мощности на составляющие теплопроводности твердых тел [2, 3]:
N(U, T)=Pc(T)+Pr(T)+Pg(p, T), (1)
где N - электрическая мощность, выделяемая на чувствительном элементе; Pc - мощность, отводимая за счет теплопроводности мембраны; Pr - мощность, отводимая за счет излучения; Pg – мощность, отводимая за счет теплопередачи газа.
Проведено сравнение градуировочных кривых U(p, T) датчика давления, полученной моделированием, с экспериментальной, подтвердившее правильность расчётов. В экспериментах использовался чистый азот для отработки методики, а затем и углекислый газ, так как он составляет основу атмосферы Марса. На данном этапе эксперименты c датчиком Пирани проводились при температурах от 5 до 35 ⁰C и в диапазоне давлений до 10 торр.
Для измерения давления в диапазоне от 7 до 50 торр и при температуре от 5 до 35 ⁰C использовался датчик типа XTM-140 фирмы «Kulite». Получение функциональной зависимости U(p, T) для данного датчика проводилось путём аппроксимации полученных экспериментальных данных методом наименьших квадратов для функции двух переменных.
Литература
1. Alexander Rodin et al// Martian Multichannel Diode Laser Spectrometer (M-DLS) for In-situ Atmospheric Composition Measurements on Mars onboard ExoMars-2022 Landing Platform // Applied Sciences Q1, 2020, 10 // https://doi.org/10.3390/app10248805.
2. Grau, Mario. et al. // Optimized MEMS Pirani sensor with increased pressure measurement sensitivity in the fine and rough vacuum regimes.: AVS: Science & Technology of Materials, Interfaces, and Processing, 2014 г.
3. M. Wutz, H. Adam, W. Walcher // Handbuch Vakuumtechnik.: 9th ed. (Vieweg, Wiesbaden, 1997).