Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприёмные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.2 (2002), страница 2

е. холод всистеме создается при помощи компрессора.67H1H 1′TT1T211′H22p2H4H 4′ 4H34′p1357 86q29q1q3S6′7′ / 7′8′Рис. 9.5Баланс холода на 1 кг перерабатываемого воздуха составляетH 1–H 2 = q1 + q2 +q3, где q1 – количество холода в ожиженной частивоздуха; q2 – потери от недорекуперации; q3 – потери в окружающую среду.Количество жидкого воздуха без учета потерь холодаВ стационарном режиме сумма энтальпий ожиженной части воздухаи возвращаемого остатка должна равняться энтальпии сжатого газа.Обозначим: Н1 – энтальпия воздуха при 1 ата; Н2 – энтальпия воздухапри p2, ата; Нo – энтальпия жидкого воздуха при 1 ата; χ – доля ожиженного воздуха, называемая коэффициентом ожижения; I–χ – доля газообразного остатка.ТогдаH2 = χHo + (I – χ)H1 ,откудаH1 − H 2; χ измеряют в кг/кг; H2 – Н1 – разница энтальпий сжаH1 − H 0того воздуха и воздуха при р = 1 ата при одной и той же Т; H2 – Н1 == ∆НT при Т = const – изотермический дроссель-эффект.68χ=Теперьχ=−∆HT.H1 − H 0(9.15)Холодопроизводительность цикла будетQхол = χ ( H1 − H 0 ) = H1 − H 2 = −∆HT ,(9.16)т.

е. она при однократном дроссельном цикле определяется изотермическим дроссель-эффектом.Газовые криогенные машиныФирмой "Филипс" был разработан и осуществлен замкнутый регенеративный холодильный цикл Стирлинга. В качестве рабочего тела используется гелий. Идеальный цикл Стирлинга состоит из двух изотерми двух изохор (рис. 9.6).Пусть имеем два поршня А и Б, между которыми регенератор R,причем газ, проходя через регенератор, меняет свою температуру. Поршни А и Б движутся следующим образом.I.

Изотермическое сжатие (1–2). Поршень A изотермически сжимает газ при температуре Тс . Объем V1 уменьшается до V2 , а давление повышается с р1 до р2. Поршень Б во время изотермического сжатия неподвижен.II. Изохорический процесс с отнятием теплоты (2–3). Газ, у которого объем остается равным V2, при одновременном движении поршней А и Б проталкивается через регенератор R. При прохождении черезохлажденный регенератор температура и давление газа понижаются.Конечная температура ТE, давление p3.III.

Изотермическое расширение (3–4). При температуре Т E газизотермически расширяется. Поршень Б движется влево. Объем газаувеличивается с V2 до V1, а давление понижается с p3 до p4.IV. Изохорический процесс с сообщением теплоты (4–1). Приодновременном движении поршней А и Б вправо газ при постоянном V2проталкивается через регенератор, и ему сообщается некоторое количество теплоты.

Давление и температура газа повышаются и достигают первоначальных значений.При расширении газа создается холод при неизменной температуре,т. е. можно с левого холодного конца снимать тепловую нагрузку.69TETcRV1, p1БA1pp22IV2 ,p2p12V 2,p3p3p430V 1, p 4II3IVIII4V2V1V4Рис.

9.6Холодопроизводительность в таком цикле примерноq0 = RTE lnV2.V1Затрачиваемая работаL = R (Tc − TE ) lnХолодильный коэффициентε=V2.V1qoTE,=L Tc − TE т. е. как и для обратного цикла Карно.Осуществить идеальный цикл невозможно, потому что:– движение поршней осуществляется от кривошипного вала, т. е. нелинейное, а гармоническое;– потери теплоты в среду: не изотермы и адиабаты, а политропы иприводят к работе с большими перепадами температуры;– нередокуперация холода в регенераторе: если кпд регенератораηрег = 99 %, то при ожижении воздуха потери составляют 21 %, водорода – 98 % (это – главное).Фирмой "Филипс" была выпущена машина с вытеснителем. Она отличается тем, что имеет не два одинаковых поршня, совершающих705ХолодХолод41167810339211Рис. 9.7гармоническое возвратно-поступательное движение со сдвигом фаз, аосновной "поршень" и "вытеснитель" (рис.

9.7).Основной поршень 1 приводится в движение от двух шатунов наколенчатом валу; вытеснитель 10 – шатуном, проходящим через основной поршень 1; 9 – "рабочее пространство" между основным поршнем и вытеснителем; 5 – "рабочее пространство" над вытеснителем; в объеме 9 – сжатие газа; в объеме 5 – расширение; 7 – регенератор; 8 – холодильник; 6 – теплообменник – аккумулятор холода;4 – конденсатор.Газ из объема сжатия 9 движется через отверстия 3 в холодильник8, затем в регенератор 7 и теплообменник-аккумулятор холода 6.71В примыкающем теплообменнике-конденсаторе происходит конденсация воздуха.Давление газа над и под вытеснителем почти одинаково, поэтому нетбольших перетечек газа из объема расширения, а потери холода из-заэтого незначительны (намного меньше, чем в случае двух поршней).

Колпак вытеснителя 11 выполняется из теплоизолятора.Если поместить головку машины в высоковакуумную камеру, тоохлаждаемый прибор можно располагать прямо на холодильной головке.В современных машинах регенераторы располагаются внутри вытеснителя. Частично благодаря этому удается создавать двухкаскадные газовые холодильные машины (или газовые криогенные машины(ГКМ), основанные на цикле Стирлинга: "Филипс" – до 16–20 К и"Джиффорд – Мак Магон" – до 10–15 К, отличающийся малой скоростью вращения (1,5–2) об/с против 1400–1500 об/мин у "Филипса", аследовательно, большим моторесурсом.Итак, рассмотрено два криогенных цикла: цикл однократного дросселирования высокого давления и цикл Стирлинга.Именно эти циклы лежат в основе криогенных циклов, на основе которых созданы микрокриогенные системы (МКС) для самолетов, зенитных ракет с тепловыми головками самонаведения, крылатых ракет,ракет "воздух – воздух", "космос – космос", "воздух – поверхность", атакже ряда КА на разных орбитах.

Кроме того, МКС используются насамолетах в системах FLJR.В дальнейшем МКС на основе дроссельного цикла будем называть дроссельными рефрежеративными системами (ДРС), так как вних может образовываться и испаряться при компенсации теплопритоков жидкая фаза криоагента, а МКС, основанные на цикле Стирлинга, – газовыми криогенными машинами (ГКМ). Широкое распространение также получили разомкнутые дроссельные циклы, или баллонные системы, когда азот из баллона высокого давления дросселируется с дренажем в воздух или космос.

Это – системы с коротким ресурсов (до 90–100 с), используемые в ракетах с тепловыми головкамисамонаведения.ГКМ на основе цикле Стирлинга бывают одноступенчатыми (60–70 К)и двухступенчатыми (15–25 К). Рабочим телом является газообразный72гелий. Ресурс (мото) безрегламентной работы ГКМ достигает 10000 ч.Холодопроизводительность – до 2–5 Вт холода.Недостатки:– питание 200 В ~ 400 Гц; это удобно на самолетах, но требует статического преобразователя на КА, где от солнечных батарей – 27 В =;– "некоммуникабельный" холод, образующийся на торце холодильной головки, размещенной в вакуумной камере; очень сложно криостатировать некомпактные ГИС.7310.

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ФПУ ДЛЯТЕПЛОВЫХ ГОЛОВОК САМОНАВЕДЕНИЯТепловые головки самонаведения с охлаждаемыми одноэлементными фоторезисторами на основе пленок PbS , PbSe, фотодиодов на основе InAs появились в начале 50-х годов.В настоящее время в качестве чувствительных элементов в приемниках изображения применяются небольшие линейки из PbS, PbSe, Hg–Cd–Te в диапазоне 3–5 мкм или матрицы (линейки обычно – 64 элемента, матрицы – 64×64 элемента).Учитывая, что скорость современной зенитной ракеты системы"Patriot" или "C-300" превышает 4000 км/ч, она за короткий промежуток времени может догнать любой самолет, самонаводясь, например,на факелы от его турбореактивных двигателей.Задача тепловой головки самонаведения – держать изображение целив центре кадра до столкновения с целью.Для охлаждения ПИ до ≈ 80 К в головках используются легкие малогабаритные баллонные дроссельные системы с разомкнутыми циклами.

Время действия баллонных дроссельных систем на N2, с начальным давлением (200–400) ати не превышает 1,5–2 мин. Этого вполнедостаточно, чтобы навестись и поразить цель.Основными элементами такой системы являются баллон со сжатым азотом и микроохладитель.Схемы и конструкции дроссельных микроохладителейПо принципиальной схеме большую часть разработанных конструкций дроссельных,микроохладителей можно отнести к одной из следующих основных групп (рис.

10.1):– однокаскадные, в том числе с простым и двухкратным дросселированием;– многокаскадные с предварительным охлаждением газа.Чаще всего применяют одно- и многорядные поперечно-противоточные теплообменники (типа Хэмпсона) и противоточные типа труба в74трубе (типа Линде). Формы теплообменников различны: цилиндрическая, коническая, плоская.Теплообменники Хэмпсона изготавливаются из капиллярных трубок∅ 0,2–1,0 мм с чередованием оребренных и неоребренных рядов (нержавеющая сталь, никель и его сплавы).

Оребрение выполняется измедной проволоки диаметром ∅ 0,05–0,2 мм, спирально навитой на трубки с определенным шагом.Различные схемы теплообменников представлены на рис. 10.1.ДIIIIIIДДДК объектуохлажденияК объектуохлажденияРис. 10.1На рис. 10.1 теплообменники: I – простым дросселированием; II – сдвухкратным параллельным дросселированием; III – с двухкратным последовательным дросселированием.В качестве дросселей могут использоваться микроотверстия (дюзы),пористые металлокерамические таблетки, капиллярные трубки определенной длины ("капиллярный" дроссель), а также трубки теплообменника ("распределенный" дроссель).Рассмотрим конструкцию микроохладителя с простым дросселированием цилиндрического типа, приведенного на рис.

10.2. Противоточный теплообменник построен по схеме труба в трубе и представляетсобой свитую в спираль капиллярную трубку 2, размещенную во внешней трубке 3 с запаянным концом. Трубка 2 канала высокого давленияиграет одновременно роль распределенного дросселя. В низкотемпературной зоне к теплообменнику припаян наконечник 4, который через слойтеплопроводящей пасты 5 (смесь замазки Рамзая с аллюминиевой пуд75рой) контактирует с дном охлаждаемого прибора 6. Конструкция штуцера 1 позволяет использовать микроохладитель как в замкнутой, так ив разомкнутой системах охлаждения, 7 – входное оптическое стекло.х/аВакуум7х/а615342Рис.