CC BY
65
УДК 621.78
ИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОВОГО МАКЕТА ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА С КРИОГЕННОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
© 2015 В. И. Зиновьев
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Статья поступила в редакцию 23.11/2015
Приведены результаты экспериментальных исследований теплового макета фотоприемного устройства инфракрасного диапазона для перспективных систем наблюдения из космоса. Подтверждена его работоспособность в части достижения и поддержания заданного криогенного температурного режима, определены энергетические характеристики бортовой криогенной системы охлаждения по потребляемой мощности ихолодопроизводительности при использовании газовых криогенных машин. Ключевые слова: фотоприемное устройство инфракрасного диапазона, тепловой макет, тепловые режимы, криогенные системы, экспериментальная установка, параметрические и энергетические характеристики.
Для эффективного решения задач наблюдения поверхности Земли из космоса в ИК-диапазоне электромагнитного спектра излучения необходимо достижение высокого пространственного разрешения. Практическая значимость информационных возможностей инфракрасных систем обусловлена также необходимостью обеспечения круглосуточного наблюдения из космоса [1].
Достижение высокого уровня чувствительности и пространственного разрешения в приемлемой полосе захвата в ИК-диапазоне, наряду с решением других проблемных вопросов, достигается использованием широкозахватных фото-приемных устройств (ФПУ-ИК) с длиной фотозоны не менее 160 мм с обеспечением приемлемого энергопотребления и оптимальных массогабаритных характеристик аппаратуры.
Для обеспечения заданных характеристик ИК-приемников в ФПУ при дистанционном зондировании Земли в диапазоне излучения электромагнитного спектра с длинами волн 3...5 мкм необходимо поддерживать эксплуатационную температуру приемников 77±1 К с минимальным разбросом температуры по полю пластины с приемниками [2, 4].
ФПУ-ИК состоит из следующих основных узлов и систем:
- криостата, представляющего собой герметичную вакуумную ёмкость с ИК-иллюминатором, по месту положения совпадающим с выходным зрачком оптической системы телескопа и предназначенного для размещения внутри него модуля фокального узла;
- модуля фокального узла (ФУ), состоящего из фонозащитной бленды со светофильтром и фокального узла, который установлен на основании криостата через термомост [3];
Зиновьев Владимир Иванович, начальник сектора АО «РКЦ «Прогресс», г. Самара. Е-mail: [email protected]
- комплексной криогенной системы охлаждения (КСО) на базе трех микрокриогенных систем (ГКМ Стирлинга), предназначенной для криостатирования фокального узла, фонозащит-ной бленды и корпуса криостата;
- переходника, предназначенного для установки ФПУ-ИК на размеростабильной платформе телескопа;
- экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), предназначенной для минимизации лучистых теплопритоков от элементов конструкции ФПУ-ИК и внешних источников тепла.
На рис. 1 приведена конструктивная схема ФПУ-ИК.
Рис. 1. Конструктивная схема ФПУ-ИК: 1 - линейка с приемниками; 2 - холодопровод; 3 - тепловой макет модуля фокального узла; 4 - криостат; 5 - переходник; 6 - маты ЭВТИ; 7 - охладитель макетного образца ГКМ; 8 - теплообменник СТР; 9 - патрубок для вакуумирования внутреннего объема ФПУ-ИК; 10 - вакуумный вентиль
Для подтверждения работоспособности элементов конструкции ФПУ-ИК, обеспечивающих заданный температурный режим охлаждаемого односпектрального широкоформатного фотоприемного устройства и минимизации тепловой нагрузки на КСО, были разработаны тепловой макет и экспериментальная установка, на которой проведены экспериментальные исследования.
Тепловой макет ФПУ-ИК (ТпМ ФПУ-ИК) предназначен для проведения исследований теплового режима и тепловых характеристик ФПУ-ИК с проработкой конструктивных и технологических решений, принятых для штатного ФПУ-ИК.
При разработке ФПУ-ИК и исследуемого макета были использованы ранее полученные экспериментальные данные по испытаниям теплоизоляции ЭВТИ [5], а также учтены рекомендации по применению аккумулятора холода [6]. Эти публикации, а также настоящая статья являются результатом комплекса работ по созданию перспективной аппаратуры для дистанционного зондирования Земли в ИК диапазоне.
Целью испытаний на экспериментальной установке являлось подтверждение работоспособности ТпМ ФПУ-ИК по достижению и поддержанию температурного режима, получение экспериментальных данных по распределению температуры по конструкции теплового макета и данных по энергетическим характеристикам (потребляемой мощности и холодопроизводитель-ности) газовых криогенных машин (ГКМ) КСО.
При проведении экспериментальных исследований ТпМ ФПУ-ИК решались следующие задачи:
- экспериментальное подтверждение возможности и определение продолжительности захола-живания ТпМ ФПУ-ИК с исходного состояния до заданного температурного режима;
- определение максимальной и средней потребляемой мощности микрокриогенная системы (МКС) КСО и входящих в его состав ми-кокриогенных систем при захолаживании ТпМ ФПУ-ИК с исходного состояния до температуры криостатирования;
- определение возможности поддержания заданных температурных режимов ТпМ ФПУ-ИК при включенном и отключенном имитаторе тепловой нагрузки (ИТН) гибридных фоточувствительных микросхем (ГФМС) на рабочем и дежурном режимах функционирования ФПУ-ИК;
- определение времени перехода ТпМ ФПУ-ИК с дежурного на рабочий режим после включения ИТН ГФМС и с рабочего на дежурный режим после выключения ИТН ГФМС;
- определение потребляемой мощности и хо-лодопроизводительности МКС КСО на заданных дежурных и рабочих режимах ТпМ ФПУ-ИК;
- оценка влияния температуры криостата ТпМ ФПУ-ИК и температуры криостатирования систем, охлаждающих бленду, на величину холодо-
производительности и потребляемой мощности МКС КСО на установившемся режиме;
- оценка возможности захолаживания ТпМ ФПУ-ИК с исходного состояния до заданного температурного режима и поддержания заданных температур при отключении одной или более МКС , охлаждающих бленду;
- определение влияния температуры криостата ТпМ ФПУ-ИК на продолжительность выхода ФПУ-ИК с исходного состояния на установившийся заданный температурный режим;
- оценка теплопритоков(за счет теплопроводности и лучистого теплообмена) от криостата к макету модуля фокального узла;
- разработка рекомендаций для оптимизации конструкции ФПУ-ИК при разработке технологического макета с экспериментальным образцом КСО.
На рис. 2 представлено фото экспериментальной установки с тепловым макетом ФПУ-ИК.
В состав экспериментальной установки входят:
- объект испытаний - ТпМ ФПУ-ИК;
- вакуумная камера АТМ2.708.005;
- гермопереходник с электрическими разъемами и гидравлическим коллектором с
трубопроводами системы обеспечения теплового режима КСО;
- система терморегулирования МКС;
- блоки управления МКС;
- система управления имитаторами тепловой нагрузки ГФМС на линейке С;
- система электропитания;
- системы регистрации и измерения параметров.
Измеряемые параметры при экспериментальных исследованиях ТпМ ФПУ-ИК приведены в табл. 1.
На рис. 3 приведена схема размещения датчиков и оборудования на тепловом макете ФПУ-ИК.
На рис. 4 приведена схема размещения датчиков и оборудования на тепловом макете ФПУ-ИК и экспериментальной установке.
При исследовании теплового режима ФПУ-ИК с активной КСО температура криостатирования линейки с ГФМС (МКС №1) составляла 78±1К,
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки на базе ТпМ ФПУ-ИК
Таблица 1. Измеряемые параметры при экспериментальных исследованиях ТпМ ФПУ-ИК
Наименование параметра Обозначение Диапазон измерения
Температура растра теплового макета ФУ Tl, Т2, ТЗ 77 ... 90К
Температура в месте крепления холодопровода от охладителя ГКМ к растру Т7 77... 1S0K
Температура в месте крепления холодопровода от охладителя МКС к бленде Т8, Т9, Т10
Температура светофильтра бленды Т11 77... 150К
Температура фланца бленды Т12 77... 150К
Температура конуса бленды Т14, T1S 77... 150К
Температура основания ФУ Т13 77... 150К
Температура «тёплого» фланца проставки Т16 180... 273К
Температура «холодного» фланца проставки Т17 77... 200К
Температура фланца криостата Т18 180... 323К
Температура основания криостата Т19 180... 323К
Температура иллюминатора криостата Т20 180... 323К
Температура «теплого» фланца установочной фермы Т34 180... 323К
Температура «холодного» фланца установочной фермы Т35 180... 323К
Температура теплообменника имитатора РХ Т29 180... 323К
Температура корпусов охладителей МКС Т21, Т22, ТЗЗ, Т24 273... 373К
Температура корпусов компрессоров МКС T2S, Т26, Т27, Т28 273... 373К
Температура охлаждающей жидкости на входе в СТР ТЗО 278... 298К
Температура корпуса вакуумной камеры ТЗЗ 278... 313К
Давление в вакуумной камере Р1 1хЮ"2 ... 1хЮ"5 Па
Давление в ФПУ-ИК Р2 1хЮ"2 ... 1*10-5 Па
Мощность, потребляемая МКС № 1,2, 3,4 N1, N2, N3..N4 20...120ВТ 1Гпит=27 В
Мощность на нагревателях имитирующих тепловыделение ГФМС N5 0...1.0 Вт
Примечание:
1. Параметры температур Т1, Т2, Т3, Т7, Т8, Т9, Т10 измерялись термодатчиками бескорпусными диодными.
2. Параметры температур Т11 - Т22, Т24, Т33 - Т35 измерялись термодатчиками ТМ 344.
3. Параметры температур Т25, Т26, Т27, Т28 измерялись термодатчиками ТСП 9703-02.
4. Параметры давления Р1, Р2 измерялись ионизационным манометрическим преобразователем ПМИ-2.
5. Потребляемая мощность ГКМ N1, N2, Ы3,.Ы4 измерялась с использованием прибора МС-114.
6. Мощность N5 измерялась прибором Б5-85 с точностью ±0,01 Вт.
температура криостатирования бленды (МКС №2,4) составляла 94 К, 110К и 130 К.
Эксперименты показали, что длительность выхода ТпМ с исходного состояния на установившийся дежурный режим составляет 93600 с (26 часов).
Установившаяся максимальная температура бленды (в области размещения ИК- фильтра) на дежурном и рабочем режимах составила Т11=130К. Температуры Т1, Т2, Т11 получены при температуре на МКС №2, 4 94,25К.
Температуры линейки с ГФМС на дежурном режиме составили: в центральной области Т 2=76,9К, в периферийной области Т1=80,6К. Средний перепад температуры по длине линейки
с ГФМС составлял на дежурном режиме 3,61К, на рабочем - 3,54К.
При задании температуры на МКС №2, 4 равной 110 и 130К температура линейки с ГФМС превышала максимально допустимую температуру на 0,1 и на 1,24К соответственно. При задании на МКС №2 и 4 температуры криостатирования 130К максимальная температура бленды в области размещения ИК-фильтра составила 157,1К (Т11).
Результаты испытаний ТпМ ФПУ-ИК при проведении эксперимента приведены на рис. 5.
При переходе ТпМ ФПУ-ИК с дежурного на рабочий режим после включения теплового имитатора ГФМС температура линейки (параметры Т1 и Т2) возросла на величину 2,2 - 4,7К. Температура Т7 при
Рис. 3. Схема размещения датчиков на тепловом макете ФПУ-ИК: 1- криостат; 2 - тепловой макет модуля фокального узла; 3 - переходни; 4 - термомос; 5 - ЭВТИ; Т1..Т3, Т7.. Т24,Т34,Т35 - датчики температуры; Р1 - вакуумметрический датчик; ФД1..ФД3 - датчики фоновой облученности; N5 - нагреватель имитирующий тепловыделение ГФМС на линейке в фокальном узле
Рис. 4. Схема размещения датчиков и измерительной аппаратуры на ТпМ ФПУ-ИК и экспериментальной установке: 1- тепловой макет ФПУ-ИК; 2 - вакуумная камера; 3 - комплекс измерительный М1С-400Я; 4 - измеритель температуры МИТ2.05; 5 - блок питания Б5-71/1м; 6 - стойка управления ГКМ;7 - стабилизатор напряжения МЕ-408; 8 - теплообменник; Т25..Т32 - датчики температуры;01..03 - датчики расхода; Р1- датчик вакуумметрический
этом изменилась на ±1 К. Таким образом, повышение температуры линейки определялось мощностью имитатора ГФМС и термическим сопротивлением холодопровода - переходника МКС № 1.
После включения теплового имитатора ГФМС длительность перехода фокального узла с дежурного на установившийся рабочий режим составляла 1000 - 1200 с. После выключения имитатора ГФМС длительность перехода фокального узла с рабочего на дежурный режим составляла 1500 - 1700 с.
На рис. 6 приведены графики изменения потребляемой мощности МКС КСО при проведении эксперимента.
Экспериментально определена общая максимальная потребляемая мощность КСО, которая равна 229 Вт, на начальном этапе охлаждения ТпМ ФПУ-ИК. МКС КСО развивали максимальную холодопроизводительность на начальном этапе охлаждения с последующим снижением и выходом на установившийся дежурный режим. Максимальные значения потребляемой мощности каждой МКС не превышали 120 Вт.
Установлено, что после включения имитатора тепловой нагрузки на линейке с ГФМС мощностью 0,23 Вт, средний уровень потребляемой мощности МКС возрастал на 5-6 Вт и оставался постоянным до выключения имитатора.
Рис. 5. Результаты испытаний ТпМ ФПУ-ИК при проведении экспериментов
Наиболее эффективным с точки зрения минимизации суммарной потребляемой мощности макетного образца БКСО оказался режим поддержания минимально возможной средней температуры бленды за счет понижения температуры криостатирования МКС №2 и 4, охлаждающих бленду.
На рис. 7 показано изменение температур в месте крепления холодопровода от охладителя МКС № 1 к линейке с ГФМС в зависимости от температуры бленды (94К, 110К, 130 К), которая поддерживается МКС №2 и №4.
ВЫВОДЫ
1. В результате исследований подтверждена эффективность конструктивных решений фотоприемного устройства ( ФПУ ИК), обеспечивающих минимальные теплопритоки к его элементам, что позволяет поддерживать необходимые температурные режимы на линейке с фоточувствительными микросхемами и размеростабиль-
ность оптической системы в целом.
2. Средний перепад температуры по длине линейки с ГФМС составлял на дежурном режиме 3,61К, на рабочем - 3,54К, вполне приемлемо для требований чувствительности фото-элементов.
3. При задании температуры на бленде в 157 К температура линейки с ГФМС превышала максимально допустимую температуру на 0,1 и на 1,24К соответственно, что также вполне приемлемо для обеспечения необходимой чувствительности и разрешительной способности фотоприёмного устройства.
4. При переходе теплового макета ФПУ-ИК с дежурного на рабочий режим после включения теплового имитатора ГФМС температура линейки увеличивается на величину 2,2 - 4,7К, причем температура холодопровода от ГКМ изменяется всего на ±1К, что свидетельствует о наличии необходимого располагаемого запаса холода в системе транспортировке тепла.
5. Длительность перехода фокального узла с рабочего на дежурный режим составляла по
ш
о о
Э"
о
сг: <п 2 ш о;
.В ф
CL 1-о 1=
230 220 210 200 190 ISO 170 160 150 140 130 120 110 100 90 SO 70 60 50 40 30 20 10 о
n-1.dat n-2.dat n-4.dat n-1-2-4.dat n124.dat N124.grf
-
-
-
-
-
-
- - Nsum —
H N1
- //_N2 //N4
- / //
- / V /
- x
- мД / /J /
- " \ z /./ Д
-
- / V /
f /
- —г
-
-
'minimi IIII1IIII 1 1 1 1 1 1 1 II I I I I I I I I I I I I I I I I I I
3S000 72000 108000
Время т.с
144000
180000
Рис. 6. Графики изменения потребляемой мощности МКС КСО: МКС №1; А - МКС №2; 0 - МКС №4; X - общая потребляемая мощность МКС КСО
времени менее 30 мин, что приемлемо для программы работы аппаратуры.
6. При воздействии тепловой нагрузкой на линейку с ГФМС мощностью 0,23 Вт, средний уровень потребляемой мощности МКС возрастал на 5... 6 Вт , что является несущественным для газовых криогенных машин.
7. Наиболее эффективным, с точки зрения минимизации суммарной потребляемой мощности системы охлаждения, оказался режим поддержания минимально возможной средней температуры бленды за счет понижения температуры криостатирования криогенных систем, охлаждающих бленду.
8. Технологические решения ФПУ ИК позволили уменьшить потребную холодопроизводи-тельность МКС с прогнозируемых 6 Вт до 3,5 Вт, что соответственно снизило энергопотребление газовыми криогенными машинами в два раза.
9. Разработанные рекомендации позволяют при реализации серийного образца ФПУ ИК решить задачу круглосуточного наблюдения Земли из космоса в ИК-диапазоне с разрешением до 1,5 метров, что обеспечивает потребность отраслей
и ведомств и открывает перспективу выхода на
международный рынок ДЗЗ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение (Ленингр. отделение), 1977. 600 с.
2. Криогенные системы / А.М. Архаров, В.П. Беляков, Е.И. Микулин [и др.]. М.: Машиностроение, 1987. 536 с.
3. Зиновьев В.И., Бурдыгин И. А., Воротников Г.В. и др. Тер -моопора // Патент России № 2439426. 2012. Бюл. № 1.
4. Грезин А.К. и др. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение. 1977. 240 с.
5. Zinovyev V.I. et al. Experimental investigation of the screen vacuum heat insulation for photo detectors of the infra-red viewing space vehicles / V.I. Zinovyev1, A.I. Dovgyallo, E.K. Krasnochub // International Journal of Engineering and Technology (IJET). Oct-Nov 2014. Vol. 6, No 5.- р2290-2296.
6. Zinovyev V.I. et al. Testing of spaceboard solid sate cryogenic accumulator for IR coolsystem equipment /V.I. Zinovyev1, A.I. Dovgyallo, E.K. Krasnochub/ International Journal of Engineering and Technology (IJET). Oct-Nov 2014. Vol 6, No 5.- р 2361-2367.
79.30
79.25
79.20
79.15
79.10
,_ 79.05 оз
Q- 79.00 оз
Q- 78.95
Ф
с
i 78.90 I-
78.85 78.80 78.75 78.70 78.65
t45_46a.dat t45-46a.grf
-
-
-
-
- VH
-
-
- л*
- -• ' I
- d J^
- /
- /
- 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
93000 93500 94000 94500 95000 95500 96000 96500 97000 97500 Время (исследование для условия Т8 = 94 К, Т10 = 94 К) с
| I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I |
129500 130000 130500 131000 131500 132000 132500 133000 133500 134000 Время (исследование для условия Т8=110 К, Т10=110 К) , с
| I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I |
170000 170500 171000 171500 172000 172500 173000 173500 174000 174500 Время (исследование для условия Т8=130 К, Т10=130 К) , с
Рис. 7. Изменение температур в месте крепления холодопровода от охладителя МКС №1(Т7) к линейке с ГФМС в зависимости от температуры бленды: • - Т8,Т10=94К; А - Т8,Т10=110К; 0 - Т8,Т10=130К
TESTING OF THE INFRARED PHOTODETECTOR DEVICE THERMAL LAYOUT FOR ONBOARD CRYOGENIC COOLING SYSTEM
© 2015 V.I. Zinovev
Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University)
Results of experimental research of heat prototype of photo-receiving device of infrared band for promising observation systems from space are provided. Its working ability for achievement and sustaining of given cryogenic temperature regime is confirmed. Energy characteristics of board cryogenic refrigeration systems on consumed power and cold capacity during the use on gas cryogenic machines are determined. Keywords: photo-receiving device of infrared band; heat prototype; heat regimes, cryogenic systems, experimental stand, parametric and energy characteristics.
Vladimir Zinovev, Head of Sector, JSC «SRC «Progress». E-mail: [email protected]
