В связи с появлением космической техники исследование микрометеоритов стало возможным непосредственно в околоземном и межпланетном пространстве (включая район Луны).
Актуальность этой проблемы (помимо научного значения – для понимания строения и эволюции тел Солнечной системы) состояла в том, что предстояли полеты человека в космос и автоматических станций на большие расстояния.
Сколь частыми могут быть встречи с частицами, которые представляют опасность для герметичности космического аппарата? Каково воздействие метеорной пыли на оптические приборы, на характеристики панелей солнечных батарей и наружных агрегатов системы терморегулирования?
Для решения этих вопросов использовались геофизические ракеты, искусственные спутники, научные автоматические станции. Были спроектированы специальные датчики, позволяющие оценить частоту ударов и массу метеорных частиц с передачей информации на Землю; датчики давали возможность регистрировать микрометеориты с минимальной массой до 10-13 граммов.
На всех советских космических аппаратах применялись баллистические пьезоэлектрические датчики, которые замеряли количество ударов твердых частиц и импульс материала датчика, возникающий при локальном взрыве от столкновения с частицей. Чувствительный элемент датчика (выполненный, например, из кварца) обладает свойством преобразования механического воздействия в электрические колебания.
Рис. 32. Схематическая конструкция пьезоэлектрического датчика:
1 – плата (рабочая поверхность); 2 – четыре пьезоэлемента из фосфата аммония; 3 – плоская пружина
На рис. 32 показаны основные элементы и схематическая конструкция пьезоэлектрического датчика; принцип его работы состоит в следующем.
Под действием удара твердой частицы происходит смещение платы, вызывающее деформацию пьезоэлемента с выдачей электрического напряжения в форме кратковременных затухающих колебаний. Электрические сигналы поступают на специальный усилитель-преобразователь, который разделяет их по амплитуде на четыре диапазона и подсчитывает количество импульсов в каждом диапазоне; разрешающая способность системы равна 12 – 17 ударам в секунду.
Тарировка прибора производится наблюдением отскока шарика известной массы с фиксированной высоты; при этом датчик работает как баллистический прибор, т. е. практически так же, как при соударении с микрометеоритом.
Наибольшая сложность (и, к сожалению, значительная погрешность) связана со способом перехода от замеренного в полете импульса к подсчету соответствующей массы микрометеорита. Для снижения ошибок эксперимента особое внимание уделяется защите прибора от вибраций, уменьшению диапазона изменения его температуры и т. д.
Физически картина соударения твердой частицы с датчиком сводится к тому, что частица взрывается с выбросом материала датчика и возникающий импульс существенно превышает импульс самой частицы.
Расчеты К. П. Станюковича показали, что регистрируемой импульс пропорционален кинетической энергии частицы, т. е:
однако М. А. Лаврентьев пришел к выводу, что импульс пропорционален величине mV1,6; соответствующее значение, принимаемое американскими специалистами, равно mV (здесь m – масса микрометеорита, V – его относительная скорость встречи с датчиком).
Вторая неопределенность связана с выбором величины скорости встречи с микрометеоритом, входящей в расчеты, связанные с обработкой материалов измерений. Эта скорость не поддается непосредственному замеру, однако известно, что скорость движения микрометеоритов относительно Земли находится в пределах от 10 до 75 километров в секунду.
При определении массы твердых частичек, импульсы которых замерены пьезоэлектрическими датчиками, установленными на космических аппаратах, советскими учеными в последние годы принимается, что замеренный импульс пропорционален величине mV2; значение V берется обычно равным 15 километрам в секунду (для окрестностей Луны оно, очевидно, завышено, а для метеорных потоков занижено).
Из многочисленных материалов по распределению твердых частичек в космосе, полученных с помощью советских и американских космических аппаратов, мы приведем суммарные результаты для окрестностей Земли и Луны, а также для межпланетного пространства.
Сводная картина распределения метеорных частиц по массам в окрестности Земли представлена на рис. 33.