Описание работы принципиальной электрической схемы
АК1-6 Цепь управления питается через автоматический выключатель, Для включения машины замыкают контакты выключателей. Через контакты выключателя замыкаются реле времени РВ. Контакты РВ замыкаются и получает питание катушка промежуточного релечерез контакты реле времени, а затем, когда через 30—60сек контактыразомкнутся, катушка получит питание через замкнувшиеся контакты.
Одновременно замыкаются контакты. При этом загорается сигнальная лампа(Схема включена), замыкаются катушка промежуточного релеи замыкаются ее контакты. Это приводит к включению катушек магнитных пускателейзамыканию их главных контактов в силовой цепи и пуску электродвигателей вентиляторов воздухоохладителей.
Если температура в одной из камер (например, в камере № 1) достигла верхнего заданного значения, контакты реле температурызамыкаются и замыкаются катушка промежуточного реле. При этом замыкаются контактыи оказывается под напряжением катушка соленоидного вентилякоторый открывается, пропуская жидкий фреон к соответствующему ТРВ.
Одновременно замыкаются контакты этого же реле находящиеся в одной цепи с катушкой магнитного пускателя, управляющего работой электродвигателя компрессора. Катушкаоказывается под напряжением, замыкаются главные контакты и пускается электродвигатель компрессора. Вместе с тем замыкаются блок — контакты пускателяи загорается сигнальная лампа(Компрессор включен).
Двигатель программного реле времениПРВО работает постоянно. Через определенные промежутки времени, устанавливаемые опытным путем (зависящие от интенсивности образования снеговой шубы на ребрах воздухоохладителей), с его помощью замыкаются контактыПРВО-1. Катушка промежуточного релевключается, контактыразмыкаются. При этом обесточиваются катушка магнитного пускателя (останавливается электродвигатель компрессораДК и гаснет сигнальная лампа), катушка промежуточного реле(размыкаются ее контактыостанавливаются электродвигатели вентиляторов воздухоохладителейи закрываются соленоидные вентили) и гаснет сигнальная лампа.
Одновременно с катушкой промежуточного релепод напряжением оказываются катушки магнитных пускателейи, с помощью которых включаются электроподогреватели. Воздухоохладители прогреваются и снеговая шуба образовавшаяся на них таит, после оттаивания снеговой шубы двигательПРВО размыкает контактыПРВО-2, отключаются электроподогреватели, осуществляется пуск электродвигателей компрессора и воздухоохладителей, а соленоидные вентили включаются, т. е. машина снова работает на холод.
Схемой автоматизации предусмотрена защита от аварийных случаев. При отклонении давлений всасывания или нагнетания от нормы контакты реле давленияразмыкаются. Катушка промежуточного релеобесточивается. Его контактыразмыкаются. Одновременно размыкаются контакты, что приводит к обесточиванию катушкиП1 (останавливается двигатель компрессораДК. и погаснут сигнальные лампы) и катушки реле(останавливаются двигатели вентиляторов воздухоохладителей и закрываются соленоидные вентили). Вместе с тем контакты релезамыкаются и загорается красная сигнальная лампа(«Неисправно»), Если давление в линии всасывания или нагнетания станет нормальным и контактыРД1 замкнутся, машина не включится, так как контакты релеР5-1 и реле времениразомкнуты. Это помогает механику, обслуживающему машину, выявить причину неисправности,
Для пуска машины выключают выключатель, что приводит к отключению реле времениРВ и замыканию его контактов. При замыкании контактов выключателякатушка промежуточного реле замыкаются, замыкаются ее контакты(машина включается) и размыкаются контакты(гаснет красная сигнальная лампа). То же происходит и в случае, если срабатывает автомат, защищающий электродвигатель компрессора, так как его блок-контакты включены в цепь, питающую катушку реле.
При исчезновении воды в водопроводной линии, питающей конденсатор, контакты реле давленияразмыкаются и машина останавливается. Когда появляется давление в водопроводной сети, контактызамыкаются и машина снова начинает работать.
Автоматический выключательзащищает от короткого замыкания электродвигатели вентиляторов, автомат электроподогреватели, автоматцепь управления.
Ручные выключателислужат для принудительного отключения при необходимости любого из воздухоохладителей (например, для замены ТРВ или очистки его фильтра, ремонта аппарата и т. п.), Выключателем В6 можно вручную выключить машину, выключателямиотключить любой электроподогреватель, выключателемполностью отключить автоматику оттаивания снеговой шубы.
Излучающий криогенный охладитель
Изобретение относится к системам охлаждения. Предлагаемый криогенный охладитель содержит корпус 1, систему теплоизоляционных экранов 2, смонтированный внутри корпуса 1 посредством опорных элементов 3 промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор 4 с закрепленным на нем отражателем 5. Внутри промежуточного каскада расположен криогенный каскад, включающий радиатор 6 с элементами крепления 7 на нем приемников излучения 8, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада. Указанная система крепления включает в себя обечайку 9, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора 6, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке 9 нити-растяжки 10 из полимерного материала. Система крепления криогенного каскада снабжена второй обечайкой 11, коаксиально расположенной относительно первой обечайки 9, при этом внешняя обечайка 11 закреплена на торце отражателя 5 промежуточного каскада, и вторые концы нитей-растяжек 10 соединены с внешней обечайкой 11 системы крепления, а ось системы крепления совпадает с оптической осью криогенного охладителя. Нити-растяжки 10 закреплены одними концами в узлах 13 нижнего ряда внутренней обечайки 9, а другими концами - в узлах крепления 13 верхнего ряда внешней обечайки 11 - таким способом нити-растяжки 10 закреплены через одну, а между ними другие нити-растяжки 10 закреплены одними концами в узлах крепления 13 верхнего ряда внутренней обечайки 9, а другими концами в узлах крепления 13 нижнего ряда внешней обечайки 11. Изобретение направлено на уменьшение погрешности установки криогенного каскада. 6 ил.
Изобретение относится к системам охлаждения, в частности, приемников излучения сканирующих радиометров устройств наблюдения за поверхностью Земли с космических аппаратов.
Известен охладитель приемников излучения, включающий в себя плоскую пластину, закрепленную на корпусе космического аппарата (далее КА) или корпусе сканера с помощью тепловых развязок. Пластина имеет плоскую поверхность, излучающую в космическое пространство, обратная сторона пластины имеет теплоизоляцию, как правило, экранно-вакуумную (ЭВТИ), отделяющую пластину от КА или сканера. Минимальные температуры приемников излучения, достигнутые с помощью таких охладителей, составляют не ниже 173 К (Справочник по инфракрасной технике. / Ред. + У. Волф, Г. Цисис. В 4-х т. Т.3. Приборная база ИК-систем. Пер. с англ. - М.: Мир, 1999. - 472 с., ил. (стр.341)).
С целью повышения обнаружительной способности приемников излучения, например, на основе тройной смеси (Ca-Hg-Te), рабочую температуру понижают до 80-90 К. Для этой цели используют двухступенчатые охладители, в которых ступень криогенного каскада размещена в ступени промежуточного каскада.
Известен двухступенчатый охладитель, содержащий корпус, покрытый слоем теплоизоляции, закрепленный внутри корпуса посредством жестких опорных элементов, промежуточный каскад охлаждения, также покрытый слоем теплоизоляции и включающий в себя радиатор и отражатель, а также закрепленный внутри промежуточного каскада посредством жестких элементов, криогенный каскад, при этом криогенный каскад охлаждения включает в себя радиатор с расположенным на нем приемником излучения (Справочник по инфракрасной технике. / Ред. + У. Волф, Г. Цисис, в 4-х т., т.3. Приборная база ИК-систем. Пер. с англ. - М.: Мир, 1999. стр.472, (ил. стр.344)).
Недостатком аналога является большая погрешность установки криогенного каскада относительно корпуса, обусловленная тем, что криогенный каскад охлаждения закреплен внутри промежуточного каскада охлаждения с помощью жестких элементов, положение которых невозможно изменить в процессе сборки и, следовательно, невозможно с высокой точностью обеспечить соосность обоих каскадов. На сканере охладитель устанавливается с посадкой (контактом) с промежуточным каскадом, следовательно, ось приемника излучения может не совпадать с осью оптической системы сканера. Чтобы съюстировать указанные выше оси, сканер снабжают устройством подъюстировки оси оптической системы, причем подъюстировку необходимо проводить при рабочих температурах элементов конструкции охладителя, сканера и приемника излучения, что, в свою очередь, усложняет конструкцию и процесс ее сборки.
Наиболее близким к заявляемому излучающему криогенному охладителю является техническое решение по патенту на полезную модель (патент на полезную модель RU 113566 МПК F25B 23/00 от 07.07.2011, опубликовано 20.02.2012), включающее корпус, систему теплоизоляционных экранов, смонтированный внутри корпуса промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор с закрепленным на нем отражателем, расположенный внутри промежуточного каскада криогенный каскад, включающий радиатор с элементами крепления на нем приемников излучения, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада, включающую в себя обечайку, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке нити-растяжки из полимерного материала. В данном решении вторые концы нитей-растяжек закреплены на длинных кронштейнах, установленных на корпусе охладителя за отражателем, образуя пространственную ферму, причем нити-растяжки пропущены через отверстия указанного отражателя промежуточного каскада и систему теплоизоляционных экранов.
Недостатками прототипа являются:
- смещение (разъюстировка) криогенной ступени относительно корпуса из-за температурных деформаций нитей-растяжек и кронштейнов, вызванных большими размерами (большой длиной) указанных нитей и кронштейнов и различием температуры сборки прибора на заводе-изготовителе и температуры этих элементов в полете;
- смещение (разъюстировка) криогенной ступени относительно корпуса из-за вытягивания нитей-растяжек вследствие их большой длины и вибрации охладителя при приемоподаточных механических испытаниях, а также вибрации ракетоносителя на активном участке полета;
- возможность перетирания нитей-растяжек в отверстиях, через которые они пропущены, из-за вибрации космического аппарата на активном участке полета, а, соответственно, и разъюстировки;
- повышение температуры криогенного каскада (уменьшение хладопроизводительности охладителя), вызванное натеканием тепла по нитям-растяжкам, на концах которых перепад температуры достигает 200 К, т.к. температура корпуса составляет 270-280 К, а кронштейны, на которых они крепятся, смонтированы в корпусе за отражателем;
- повышение температуры криогенного каскада (уменьшение хладопроизводительности охладителя) из-за наличия отверстий для нитей-растяжек в отражателе промежуточного каскада и в системе теплоизоляционных экранов промежуточного каскада вследствие натекания тепла излучением от корпуса.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении погрешности установки криогенного каскада относительно корпуса.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый излучающий криогенный охладитель, как и указанный наиболее близкий к нему известный, содержит корпус, систему теплоизоляционных экранов, смонтированный внутри корпуса промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор с закрепленным на нем отражателем, расположенный внутри промежуточного каскада криогенный каскад, включающий радиатор с элементами крепления на нем приемников излучения, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада, включающую в себя обечайку, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора криогенного каскада, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке нити-растяжки из полимерного материала.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом криогенном охладителе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, система крепления криогенного каскада снабжена второй обечайкой, коаксиально расположенной относительно первой обечайки, при этом внешняя обечайка закреплена на торце отражателя промежуточного каскада, и вторые концы нитей-растяжек соединены с внешней обечайкой системы крепления, а ось системы крепления совпадает с оптической осью криогенного охладителя, кроме того, каждая обечайка системы крепления выполнена с разнесенными по ее высоте двумя рядами узлов крепления нитей-растяжек и оси узлов крепления верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга, при этом через одну нити-растяжки закреплены одними концами в узлах крепления нижнего ряда внутренней обечайки, другими концами в узлах крепления верхнего ряда внешней обечайки, а другие нити-растяжки закреплены одними концами в узлах крепления верхнего ряда внутренней обечайки, другими концами - в узлах крепления нижнего ряда внешней обечайки.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, нити-растяжки имеют небольшую длину, и перепад температур на них не превышает 70 К. Кроме того, отсутствуют кронштейны для крепления вторых концов нитей, закрепленные на корпусе излучающего криогенного охладителя за отражателем промежуточного каскада. В предложенной конструкции вторые концы нитей-растяжек закреплены на дополнительной (внешней) обечайке системы крепления криогенного каскада, которая крепится к торцу отражателя промежуточного каскада, после того как проведена сборка системы крепления криогенного каскада. По этой причине в предлагаемом охладителе уменьшена погрешность установки криогенного каскада относительно корпуса, а также повышена хладопроизводительность охладителя в связи с уменьшением натекания тепла по нитям, а также ликвидировано натекание тепла излучением от корпуса через отверстия для прохождения нитей. Кроме того, поскольку нити-растяжки не проходят через отверстия в отражателе промежуточного каскада и в системе теплоизоляционных экранов, исключается возможность их перетирания из-за вибрации аппарата на активном участке полета, которая в прототипе усугубляется большой длиной нитей и кронштейнов для их крепления.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - общий вид охладителя в случае выполнения отражателя промежуточного каскада в форме усеченного конуса;
- на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1;
- на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1;
- на фиг.4 - общий вид охладителя в случае выполнения отражателя промежуточного каскада в виде усеченной пирамиды;
- на фиг.5 - вид по стрелке В на фиг.4;
- на фиг.6 - сечение Г-Г на фиг.4.
Предлагаемый криогенный охладитель (фиг.1) содержит корпус 1, систему теплоизоляционных экранов 2, смонтированный внутри корпуса 1 посредством опорных элементов 3 промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор 4 с закрепленным на нем отражателем 5. Внутри промежуточного каскада расположен криогенный каскад, включающий радиатор 6 с элементами крепления 7 на нем приемников излучения 8, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада. Указанная система крепления включает в себя обечайку 9, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора 6, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке 9 нити-растяжки 10 из полимерного материала. Система крепления криогенного каскада снабжена второй обечайкой 11, коаксиально расположенной относительно первой обечайки 9, при этом внешняя обечайка 11 закреплена на торце отражателя 5 промежуточного каскада, и вторые концы нитей-растяжек 10 соединены с внешней обечайкой 11 системы крепления, а ось системы крепления совпадает с оптической осью криогенного охладителя. К нижней стороне обечайки 11 крепится крышка 12. Каждая обечайка (9 и 11) системы крепления выполнена с разнесенными по их высоте двумя рядами узлов крепления 13 нитей-растяжек 10 и оси узлов крепления 13 верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга. Нити-растяжки 10 закреплены одними концами в узлах 13 нижнего ряда внутренней обечайки 9, а другими концами - в узлах крепления 13 верхнего ряда внешней обечайки 11 - таким способом нити-растяжки 10 закреплены через одну, а между ними другие нити-растяжки 10 закреплены одними концами в узлах крепления 13 верхнего ряда внутренней обечайки 9, а другими концами в узлах крепления 13 нижнего ряда внешней обечайки 11, образуя пространственную ферму.
На фиг.1, 2 и 3 представлен криогенный охладитель, в котором отражатель 5 промежуточного каскада выполнен в виде усеченного конуса, а обечайки 9 и 11 системы крепления криогенного каскада имеют форму цилиндров, причем диаметр внешней обечайки 11 равен меньшему диаметру усеченного конуса отражателя 5. Каждая обечайка (9 и 11) системы крепления выполнена с разнесенными по их высоте двумя рядами узлов крепления 13 нитей-растяжек 10, при этом узлы крепления 13 равномерно расположены по окружностям каждой из обечаек 9, 11, и оси узлов крепления 13 верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга на 5-7 мм (данный размер установлен в процессе проведения испытаний и обеспечивает исключение контакта нитей и их перетирание из-за вибрации космического аппарата на активном участке полета), а нити 10 расположены в плоскостях, проходящих через ось охладителя.
На фиг.4, 5 и 6 представлен криогенный охладитель, в котором отражатель 5 выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды, при этом внешняя обечайка 11 системы крепления по форме и размерам совпадает с меньшим торцем отражателя 5, а внутренняя обечайка 9 системы крепления повторяет форму внешней обечайки 11. Каждая обечайка (9 и 11) системы крепления выполнена с разнесенными по их высоте двумя рядами узлов крепления 13 нитей-растяжек 10, при этом узлы крепления 13 равномерно расположены по периметру внутренней обечайки 9 и оси узлов крепления 13 верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга на 5-7 мм (данный размер установлен в процессе проведения испытаний и обеспечивает исключение контакта нитей и их перетирание из-за вибрации космического аппарата на активном участке полета), а нити-растяжки 10 расположены в плоскостях, параллельных оси охладителя и перпендикулярных граням обечаек 9 и 11.
Высокая точность совмещения осей каскадов достигается следующим образом. В специальном приспособлении, изготовленном с высокой точностью, закрепляются радиатор 6 криогенного каскада с закрепленной на нем внутренней обечайкой 9 системы крепления и внешняя обечайка 11 указанной системы. Нити одним своим концом закрепляются в узлах крепления 13 на обечайке 9 и протягиваются через узлы крепления 13 в обечайке 11. На концах нитей 10 подвешиваются грузы массой 3-5 кг и дается выдержка в течение 2-3 суток. После выдержки нити 10 закрепляются в узлах крепления 13 обечайки 11. Затем нити обрезаются, а получившаяся сборка снимается с приспособления для снятия карты замеров.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Место крепления к телескопу, как правило, имеет температуру около 300 К. Теплота от места крепления поступает на корпус 1 теплопроводностью и через систему теплоизоляционных экранов 2. Далее кондуктивным путем через опорные элементы 3 и лучеиспусканием от экрана к экрану системы 2 поступает на промежуточный каскад охладителя. Часть этой теплоты излучается радиатором 4 промежуточного каскада в космическое пространство, а вторая часть через систему теплоизоляционных экранов 2 и нити-растяжки 10 системы крепления теплопроводностью поступает на криогенный каскад. Эта теплота радиатором 6 криогенного каскада лучеиспусканием сбрасывается в космическое пространство. Обычно температура промежуточного каскада составляет 105-150 К в зависимости от орбиты и конструктивных особенностей, а температура криогенного каскада находится в диапазоне 75-105 К.
В связи с большими перепадами температуры элементов конструкции в процессе сборки и эксплуатации возникают температурные деформации, которые могут привести к смещению посадочного места фотоприемника относительно оси оптической системы телескопа. С целью уменьшения этого смещения в данном изобретении предлагается закрепить криогенный каскад в промежуточном с помощью множества нитей-растяжек 10, предварительно нагруженных при сборке охладителя. Именно таким путем достигается поставленная цель уменьшения смещения оси фотоприемника относительно оптической оси телескопа при изменении температуры криогенного каскада от 300 К в процессе сборки до 75-105 К в полете.
Кроме того, в предлагаемом техническом решении нити-растяжки имеют небольшую длину, перепад температур на нитях не превышает 70 К, а также отсутствуют кронштейны для крепления вторых концов нитей, закрепленные за отражателем промежуточного каскада на корпусе излучающего криогенного охладителя. В предложенной конструкции вторые концы нитей закреплены на дополнительной (внешней) обечайке 11 системы крепления криогенного каскада, которая, в свою очередь, крепится к торцу отражателя 5. По этой причине в предлагаемом охладителе уменьшена погрешность установки криогенного каскада относительно корпуса 1, а также повышена хладопроизводительность охладителя в связи с уменьшением натекания тепла по нитям 10. Кроме того, в отличие от прототипа, ликвидировано натекание тепла излучением от корпуса 1 через отверстия для прохождения нитей. Кроме того, поскольку нити-растяжки 10 не проходят через внешнюю обечайку 11 и отверстия в системе теплоизоляционных экранов, а закрепляются в узлах крепления 13 (в прототипе они пропущены через отверстия в отражателе промежуточного каскада и систему теплоизоляционных экранов), исключается возможность их перетирания из-за вибрации аппарата на активном участке полета, которая в прототипе усугубляется большими размерами нитей и кронштейнов для их крепления. Предложенное крепление нитей между обечайками позволяет создать прочную пространственную конструкцию, способную выдержать нагрузки на активном участке полета, не допуская смещения осей каскадов.
Излучающий криогенный охладитель, содержащий корпус, систему теплоизоляционных экранов, смонтированный внутри корпуса промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор с закрепленным на нем отражателем, расположенный внутри промежуточного каскада криогенный каскад, включающий радиатор с элементами крепления на нем приемников излучения, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада, включающую в себя обечайку, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора криогенного каскада, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке нити-растяжки из полимерного материала, отличающийся тем, что система крепления криогенного каскада снабжена второй обечайкой, коаксиально расположенной относительно первой обечайки, при этом внешняя обечайка закреплена на торце отражателя промежуточного каскада, и вторые концы нитей-растяжек соединены с внешней обечайкой системы крепления, а ось системы крепления совпадает с оптической осью криогенного охладителя, кроме того, каждая обечайка системы крепления выполнена с разнесенными по ее высоте двумя рядами узлов крепления нитей-растяжек и оси узлов крепления верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга, при этом через одну нити-растяжки закреплены одними концами в узлах крепления нижнего ряда внутренней обечайки, другими концами - в узлах крепления верхнего ряда внешней обечайки, а другие нити-растяжки закреплены одними концами в узлах крепления верхнего ряда внутренней обечайки, другими концами - в узлах крепления нижнего ряда внешней обечайки
ОРБИТАЛЬНЫЕ КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ
Тенденции последних лет показывают, что к орбитальным космическим аппаратам (КА) стали предъявляться повышенные требования по времени активного существования и по насыщенности оптико-электронной аппаратурой, что накладывает серьезные ограничения на ее энергопотребление и массогабаритные характеристики. Применение систем охлаждения в космической технике позволяет значительно улучшить ее тактико-технические характеристики, а в целом ряде случаев без систем охлаждения невозможно выполнение поставленных задач [1]. Бортовые криогенные системы охлаждения (КСО) предназначены для обеспечения криостатирования фотоприемных устройств (ФПУ). Температурный уровень, холодопроизводительность, ресурс, надежность, энергопотребление, КПД, габариты и масса — основные параметры, по которым осуществляется выбор КСО. Численные значения этих параметров выбираются как исходя из требований приборов, так и возможностей космической техники. Практически во всех космических применениях требования по габаритам, массе и энергопотреблению должны быть минимальными. В ряде случаев, кроме требований по мощности, лимитируется и суточное энергопотребление [2]. Существующие КСО зачастую не удовлетворяют как по отдельным требованиям, так и по всему их комплексу. Они имеют недостаточную термодинамическую эффективность и, как следствие, высокое энергопотребление [3]. В настоящее время на борту КА в КСО наиболее широко используются газовые криогенные машины (ГКМ) Стирлинга и охладители на базе пульсационной трубы [4]. Теоретические и экспериментальные исследования показали принципиальную возможность создания ГКМ Стирлинга и охладителей на базе пульсационной трубы с линейным приводом с ресурсом работы 40000…50000 ч, достигаемым при помощи бесконтактного магнитного подвеса подвижных узлов. Использование редкоземельных материалов в качестве насадки регенератора ГКМ Стирлинга и охладителей на базе пульсационной трубы позволит улучшить энергетические и массогабаритные характеристики КСО на 20…30 % [5–8]. Схема бортовой КСО на базе ГКМ Стирлинга или пульсационной трубы приведена на рис. 1. Система обеспечения теплового режима (СОТР) при помощи нагнетателя 7, пассивного радиатораохладителя 8 и теплообменника 9 отводит теплоту сжатия от компрессора 4 за борт КА. Несмотря на развязку охладителя 3 от компрессора 4 через гибкую трубку 5 на чувствительные элементы ФПУ 2 передаются вибрации, что заметно ухудшает характеристики ФПУ 2 [2]. Уменьшить вибрации на ФПУ и энергопотребление позволяют магнитокалорические КСО, которые вырабатывают холод при помощи постоянного магнитного поля в твердых редкоземельных рабочих телах [9]. Бортовая КСО на базе магнитокалорического охладителя показана на рис. 2. В этой КСО холод вырабатывается в роторном магнитокалорическом охладителе 3, теплота намагничивания через теплообменник 9 отводится СОТР 6 в космическое пространство. В ряде случаев для циркуляционных контуров роторных магнитокалорических ступеней КСО могут быть использованы не только механические, но и электростатические, электромагнитные нагнета
КРИОГЕННЫЕ ОХЛАДИТЕЛИ СТИРЛИНГА
Современный уровень развития тепловизионной аппаратуры ИК-диапазона предполагает использование миниатюрных глубокоохлаждаемых ФП с линейчатым и матричным расположением чувствительных элементов в комплекте с высокоэффективными криостатирующими системами.
Именно многоэлементный ИК-детектор с криогенным охладителем играет критическую роль в ИК-системах переднего обзора (forward looking infrared-FLIR) и в малогабаритных переносных тепловизионных камерах. Так для некоторых систем переднего обзора с фокальными матрицами, используемыми в головках наведения ракет, необходимо обеспечить малое время выхода на рабочий режим, которое не должно превышать нескольких секунд, а для переносных тепловизионных камер, работающих от аккумуляторов, мощность потребления не должна превышать 10 Вт. Габаритные размеры и масса таких камер будут в основном зависеть от конструкций фотоприемника и сопрягаемой с ним микрокриогенной системы.
При этом многократно возрастают требования к традиционным для микрокриогенной техники ограничениям по массогабаритным, энергетическим, вибрационным, акустическим и ресурсным характеристикам, а также предъявляются повышенные требования к удобству монтажа в составе тепловизионной аппаратуры и уровню воздействия электромагнитных наводок от работающей МКС на криостатируемый объект.
Наиболее полно всем эти повышенным требованиям удовлетворяют микрокриогенные системы на базе газовых криогенных машин Стирлинга интегрального типа, сопрягаемых с криостатируемым фотоприемником в единую конструкцию. В такой конструкции гильза охладителя (холодный палец ГКМ) одновременно является держателем ФП. Образуется конструкция ФП, интегрированная на гильзе ГКМ. В зарубежной литературе такой тип конструкции охлаждающей системы, совмещенной со сборкой сосуда Дьюара ФП, получил название ICDA - integrated coller dewar assemblies и по имеющимся сведениям широко используется во многих типах тепловизионной аппаратуры наземного, воздушного и космического применения.
Традиционная схема стыковки ФП с ГКМ подразумевает независимые изготовление и испытания в отдельных самостоятельных конструкциях как ФП, так и ГКМ и последующую сборку этих изделий путем размещения гильзы ГКМ в колодце держателя ФП до касания их торцевых поверхностей. Для компенсации температурных деформаций стыковочных элементов и сохранения надежного теплового контакта при изменении в процессе захолаживания размеров гильзы ГКМ и держателя ФП между их торцами устанавливается демпфирующее теплопередающее устройство (УДТ).
Для исключения подсоса влажного наружного воздуха в полость стыковки ФП и ГКМ и его вымерзания на холодильных поверхностях она уплотняется в теплой зоне. При этом отделение ФП от ГКМ происходит без потери вакуума в сосуде Дьюара или гелия в охладителе ГКМ.
Стыковка ФП и ГКМ по традиционной схеме представлена на рис. 1, конструкция гильзы ГКМ с интегрированной на ней конструкцией ФП на рис. 2.
Тонкостенный палец ГКМ интегрального типа из низкотеплопроводного материала является в то же время держателем ФП. На торце пальца методом приклейки или пайки устанавливается блок ФЧЭ нужной конфигурации линейчатого или матричного типа. Фланец гильзы приспособлен для приварки к нему методом электронно-лучевой или лазерной сварки корпусных деталей конструкции ФП с узлами гермовыводов и входным окном - прозрачным в нужном диапазоне пропускания длин волн ИК-излучения. Токовыводная система от ФЧЭ на дорожки металлокерамического герморазъема представляет собой гибкий полиимидный кабель с токопроводящими дорожками, выполненными методом фотолитографии [1, 2].
Схема интеграции ФП непосредственно на гильзе ГКМ позволяет резко повысить теплотехнические параметры фотоэлектронного глубоко охлаждаемого прибора и тем самым значительно уменьшить массогабаритные характеристики и энергопотребление криостатирующей его МКС.
Лит.: Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулин Е. И. Криогенные системы. 3-е изд. М.,
Список литературы
1. Грезин А.К., Зиновьев В.С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977. С. 171-174.
2. Оливер В.И., Атепалихина З.И., Петрова В.А. Снижение вибровоздействия ГКМ Сплит-Стирлинг на охлаждаемую аппаратуру. Криогенное оборудование и криогенные технологии: Сб. научн. тр. Вып. 1. Ч. 1 / Под ред. А. К. Грезина. Омск: АО “Сибкриотехника”. 1977. С. 86-88.
3. Кожевников И.Г., Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М.: Машиностроение. 1982. 328 с.
4. Справочник по инфракрасной технике / Под ред. У. Волфа, Г. Цисиса: Пер. с англ. под. ред. Н.В. Васильченко, М.М. Мирошникова. М.: Мир. 1999. Т. 3. С. 355-372.
5. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства материалов при низких температурах: Справ. М.: Машиностроение. 1980. 224 с.
6. Оливер В.И., Петрова В.А. Сравнительная оценка виброактивности отечественных и зарубежных образцов ГКМ Сплит-Стирлинг. Криогенное оборудование и криогенные технологии: Сб. научн. тр. Вып. 1.4. 1 / Под. ред. А.К. Грезина. Омск: АО “Сибкриотехника”. 1997. С. 89-96.
Заключение
Заключение
Новые проблемы и пути их решения
Криоэлектронику часто относят к микроэлектронике, считая ее высшей ступенью создания интегральных пленочных схем для ЭВМ. Это определение весьма неполное и охватывает только одно из направлений криоэлектроники—интегральную криотронику на тонкопленочных сверхпроводниковых элементах со слабой связью. В целом же интегральная криоэлектроника, базируясь на достижениях технологии современной микроэлектроники, включает более широкий круг проблем, без решения которых невозможно создать приборы, работающие при криогенных температурах и пригодные для серийного производства и постоянной эксплуатации. Дело в том, что криоэлектроника в отличие от полупроводниковой микроэлектроники опирается на новые физические явления, такие как: сверхпроводимость, эффекты Джозефсона, явления в узкозонных полупроводниках, полуметаллах, параэлектриках и др., проявляющиеся только при охлаждении и не реализованные ранее. При этом криоэлектронный микроприбор или интегральная криоэлектронная схема может представлять собой симбиоз охлаждаемой электронной схемы и охладителя (газового, электронного либо радиационного). Развитие интегральной криоэлектроники, как и развитие всей микроэлектроники, знаменует собой новый этап в электронной технике. Внедрение криоэлектронных приборов в народное хозяйство, в технику связи и телевидение, вычислительную, радиолокационную технику и приборостроение не только позволяет в больших системах уменьшить габариты, массу и стоимость аппаратуры при увеличении ее надежности, но и приведет к коренному улучшению электрических параметров этой аппаратуры. Как видно из приведенных материалов, уровень охлаждения в основном определяет параметры и область применения криоэлектронных приборов. Приборы азотного уровня охлаждения, самые дешевые и легкие, могут все шире применяться в массовой мобильной аппаратуре, а приборы гелиевого уровня охлаждения, энергопотребление которых в 25—70 раз больше, находят применение в стационарных, тяжелых объектах или там, где уже есть жидкий гелий. При этом электрические параметры приборов гелиевого уровня, в которых могут использоваться сверхпроводники, будут значительно лучше параметров приборов других уровней охлаждения, где сверхпроводники применить не удается. Границы применения криоэлектронных изделий трудно установить, но совершенно очевидно, что расширение и углубление научных, конструкторских и технологических работ в области криоэлектроники вообще и, в частности, техники криостатирования позволяет решить ряд важных проблем.
Первая проблема — освоение дальнего и сверхдальнего ИК диапазонов для приема естественных и лазерных ИК излучений. Это позволяет расширить спектральные границы систем для изучения природных ресурсов Земли и планет и поставить новые твердотельные охлаждаемые лазеры, эффективно работающие в ИК диапазонах на службу человеку.
Вторая проблема—создание криоэлектронных индикаторов слабого теплового излучения на базе интегральных приборов с зарядовой связью для тепловидения в промышленности, геологии и в медицине. Есть основание полагать, что криоэлектронные индикаторы дадут возможность осуществить раннюю диагностику ряда раковых заболеваний.
Третья проблема—создание массовых малогабаритных сверхчувствительных приемников, воспринимающих с высокой избирательно