Архив номеров

Особенности метрологического обеспечения длительных космических полётов

Вряд ли представители 17 государств, в том числе России, подписывая 20 мая 1875 г. в Париже на Международной дипломатической конференции по метру Метрическую конвенцию, могли предположить, к чему в самом скором времени приведёт централизованное воспроизведение единиц физических величин. За время, не на много превышающее время жизни одного поколения, в одной отдельно взятой стране (Советском Союзе) число первичных государственных эталонов достигло 145 единиц. Каждому из них соответствовала многоступенчатая государственная поверочная схема. Число соподчиненных образцовых средств измерений (теперь – рабочих эталонов) в каждом виде измерений исчислялось десятками и сотнями. Использовать их для практических измерений было нельзя, а содержание обходилось дорого. Обслуживанием всей системы обеспечения единства измерений занималось по разным подсчётам от 3 до 3,5 млн. человек. Такая громоздкая, высокозатратная и малоэффективная система не имела перспектив дальнейшего развития.

В качестве альтернативы рассматривалось децентрализованное воспроизведение единиц [1-3]. Именно из его преимуществ исходили создатели Метрической системы, выбирая «на все времена и для всех народов» естественные единицы измерений, основанные на геометрических размерах Земли. Эта прекрасная идея осталась нереализованной из-за того, что любой результат измерения, в том числе геометрических размеров Земли, является случайным [4]. Из-за этого при практическом воплощении идеи не обеспечивалась требуемая точность воспроизведения единиц.

Вход из положения наметился во второй половине прошлого века. До 1960 г. единица времени секунда определялась децентрализовано как 1/86400 часть средних солнечных суток (среднего значения суток в течение года), то есть была связана с мировой физической константой планетарного масштаба – периодом обращения Земли вокруг своей оси. Стандартное отклонение этой случайной величины составляло 10-7с. Период обращения Земли вокруг Солнца более стабилен, чем вокруг оси. Поэтому с 1960 по 1967 гг. за секунду принималась 1/31556925,9747 часть тропического года – промежутка времени между двумя последовательными прохождениями Солнцем точки весеннего равноденствия. Продолжительность тропического года не постоянна, поэтому для расчетов был выбран конкретный 1900 г., что означало переход к централизованному воспроизведению единицы времени. Стандартное отклонение секунды при воспроизведении по новому определению уменьшилось до 10-10с. Стремление к еще большему повышению точности воспроизведения секунды побудило XIII Генеральную конференцию по мерам и весам принять в 1967 г. современное ее определение, согласно которому секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Децентрализованное воспроизведение секунды по этому определению осуществляется со стандартным отклонением 10-14 с.

Тенденция к переходу от констант макромира к явлениям на атомарном уровне затронула и определение метра. В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра как длины, равной 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между невозмущенными энергетическими уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86. Предполагалось, что это позволит воспроизводить метр децентрализовано с относительной погрешностью не более 1·10-8. Исследования, выполненные впоследствии в разных национальных лабораториях и Международном бюро мер и весов, показали, что фактически она составляет 4·10-9. Современное определение метра как длины пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды, обеспечивает возможность децентрализованного воспроизведения единицы длины с относительной погрешностью 2·10-11.

XVIII сессия Международного комитета по мерам и весам приняла рекомендацию о переходе с 1 января 1990 г. на независимое децентрализованное воспроизведение ома и вольта национальными эталонами, основанными на использовании квантовых эффектов Холла и Джозефсона, во всех странах мира, подписавших Метрическую конвенцию.

В целом эволюция идеи воспроизведения единиц физических величин эталонами выглядит так, как это показано на рис. 1. Для обеспечения единства измерений при децентрализованном воспроизведении единиц в мировом масштабе разработан и успешно реализуется механизм ключевых сличений.

Дальнейшее развитие идеи предполагает децентрализованное воспроизведение единиц в поле рабочих эталонов и даже в поле средств измерений (с помощью встроенных эталонов). Препятствием на этом пути, если говорить об области электрических измерений, служит получение высокотемпературной сверхпроводимости. За несколько последних десятилетий удалось повысить температуру, при которой наблюдаются эффекты сверхпроводимости, от температуры жидкого гелия 4,2 К до температуры жидкого азота 77 К. Но на этом прогресс закончился с весьма неопределёнными перспективами.

Между тем, существует природная лаборатория, – открытый космос, – в которой необходимые условия реализуются естественным образом: температура межзвёздной среды в тени < 4 К. Поэтому сейчас, когда межпланетные перелёты приобретают очертания ближайшей перспективы (полёт на Марс уже готовится), а проблема метрологического обеспечения работы автоматических зондов, запускаемых в дальний космос, давно ждет своего решения, самое время подумать о том, как использовать специфические условия космического пространства для обеспечения единства измерений во время полётов, длительность которых намного превышает продолжительность межповерочных интервалов.

И.Ф.Шишкин КОСМИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

Ограничимся областью электрических измерений, хотя в космосе открываются возможности нетрадиционного метрологического обеспечения и других видов измерений.

Принципиально возможны два варианта использования космического холода для решения поставленной задачи. Первый из них заключается в помещении в «космический холодильник» эталона, воспроизводящего единицы электрических величин на основе квантовых эффектов Холла и Джозефсона. Это так называемый вариант возимого эталона, со всеми вытекающими отсюда достоинствами и недостатками. К первым относятся простота технического решения, незначительная массогабаритная нагрузка, ненапряженный режим эксплуатации с достаточно длинными межповерочными интервалами; ко вторым – низкая надежность метрологического обеспечения электроизмерительных приборов, замыкающегося всего лишь на один общий эталон, который может выйти из строя или быть утрачен. Второй вариант предполагает

включение в состав электроизмерительных приборов встроенных эталонов, воспроизводящие части которых, включающие квантовые переходы Холла и Джозефсона, вынесены в «космический холодильник». Это вариант полной децентрализации воспроизведения единиц электрических величин, автономного метрологического обслуживания каждого электроизмерительного прибора, перспектива космического приборостроения. Достоинством его является максимальная надежность метрологического обеспечения электроизмерений; недостатком – сложность системы терморегулирования, призванной поддерживать сверхнизкую температуру в области размещения холловских и джозефсоновских переходов постоянно, а не изредка, как в случае применения возимого эталона.

Выбор одного из этих вариантов, или их сочетания – прерогатива конструкторов-разработчиков космических аппаратов. В любом случае нужно иметь в виду, что современные устройства воспроизведения единиц электрических величин на основе квантовых переходов Холла и Джозефсона в условиях сверхнизких температур уже обладают техническими характеристиками, вполне приемлемыми для использования их в космической технике. В качестве иллюстрации на рис. 2 приведена фотография микросхемы [5], состоящей из 7000 джозефсоновских переходов, которая позволяет получить значение электрического напряжения, равное 1 В. Массогабаритные характеристики микросхемы:

длина – 35 мм;

ширина – 12 мм;

толщина – 2 мм;

масса – 1,5 г

соответствуют требованиям к элементной базе космического приборостроения.

Интегральная схема с последовательным соединением джозефсоновских переходов, позволяющая получать при облучении электромагнитным полем с частотой 70 ГГц напряжение 140 мкВ на одной ступени и 1 В  на 7000 ступенях

Рис.2. Интегральная схема с последовательным соединением джозефсоновских переходов, позволяющая получать при облучении электромагнитным полем с частотой 70 ГГц напряжение 140 мкВ на одной ступени и 1 В
на 7000 ступенях

Обеспечение единства измерений на основе децентрализованного воспроизведения единиц в нашей стране запрещено законом [6] (ст.2, п. 18; ст. 7, п. 7; ст. 18, п.1). Но понимание такой необходимости есть. Стратегией обеспечения единства измерений в России до 2015 года, утвержденной приказом Минпромторга РФ от 17 июня 2009 г. № 529, предусматривается «разработка систем эталонов, обеспечивающих разумное сочетание централизованного и децентрализованного способов воспроизведения единиц физических величин в различных областях измерений и отраслях экономики». Метрологическое обеспечение измерений в дальнем космосе может стать прорывным направлением применения децентрализованного воспроизведения единиц, и, готовя предложения по внесению изменений и дополнений в Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений», нужно своевременно позаботиться о том, чтобы законодательная метрология не стала препятствием на этом пути.

Литература

1. Шишкин И.Ф. Основы метрологии, стандартизации и контроля качества: Учеб. пособие. – М.: Изд-во стандартов, 1988.

2. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учеб. для вузов / Под ред. акад. Н.С. Соломенко. – М.: Изд-во стандартов, 1990.

3. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология: Учеб. для вузов. – М.: Изд-во стандартов, 1991.

4. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология. Часть 1. Общая теория измерений: Учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. СПб.: Питер, 2010.

5. …………………………………………………………………………………….

6. Федеральный закон от 26.06.2008 г. № 102 – ФЗ «Об обеспечении единства измерений».



Полная версия статьи доступна подписчикам электронного журнала. Подписаться >>>

01.01.2011

448
Поделиться:

Полная версия статьи доступна подписчикам журнала "Мир измерений".

Подписаться

Материалы по данной теме можно СКАЧАТЬ в Электронной Библиотеке >>>


Cannot find 'template1' template with page ''

Доступна мобильная версия журнала "Мир измерений"

Журнал Мир измерений в App Store Журнал Мир измерений на Google play


Открытые статьи:

Измерения качества жилищно-коммунальных услуг
Температурный мониторинг удалённых объектов по GSM-каналу
Главные социальные проблемы России последнего десятилетия
Новый измерительный инструмент?
О потерях в Великой Отечественной войне
Неразрушающий контроль паяных соединений в радиоэлектронной аппаратуре
Военное применение лазерных технологий
Обеспечение качества продовольственных товаров
Государственный первичный эталон единицы массы ГЭТ 3-200842
Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях
Рождение нефтяной отрасли в России
Красота спасет мир... науки




СТАНЬТЕ ПОДПИСЧИКОМ НАШЕГО ЖУРНАЛА!