Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприёмные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.2 (2002) (1095906), страница 3
Текст из файла (страница 3)
10.2На рис. 10.2 не показаны выводы для подачи питания и снятия сигналас ПИ-6. Это – предмет особого разговора. Эта схема не нашла широкогоприменения в основном из-за отсутствия непосредственного контактахладагента с охлаждаемым ПИ, т. е. из-за повышенной температурыкриостатирования (повышенное давление в канале обратного потока).Наилучшими техническими данными обладает микроохладитель,представленный на рис.
10.3, где 1 – входное оптическое окно; 2 – ПИ(например, матрица 64×64 элемента); 3 – кольцевая стеклотекстолитох/а121110912345687х /аРис. 10.376вая печатная плата с выводами от ПИ; 4 – медный хладопровод; 5 –дроссельная дюза; 6 – теплообменник Хэмпсона; 7 – штуцер; 8 – фильтргаза; 9 – обечайка из нержавеющей стали; 10 – обечайка (секция) теплообменника из ковара; 11 – секция обечайки теплообменника из стеклотекстолита СТЭФ; 12 – сверхгерметичный разъем типа РСГС.В данной конструкции обеспечивается:– минимальное время выхода на температурный режим, так как минимизированы охлаждаемые массы, а секция 11 из стеклопластика скоэффициентом теплопроводности λ = 3 ⋅10–3 Вт/см К;– равенство температуры ПИ и хладагента.Такой ПИ с микроохладителем и системой замкнутого цикла оченьудобен для крылатых ракет, систем FLJR самолетов и других аэрокосмических объектов, реализующих самонаведение в диапазоне волн З–5мкм. ПИ может быть снабжен также в случае необходимости охлаждаемым фильтром изображения.Входное окно может быть выполнено из лейкосапфира или германия,если необходимо отсечь излучение до 1,60 мкм, или из кремния, если –до 1,06 мкм.Для зенитных ракет "Земля – воздух" с тепловыми головками самонаведения важнейшим параметром является время выхода на температурный режим (не более 3–4 с), так как они работают от баллонныхрасходных систем с ресурсом 90–100 с.
Тогда теплообменники выполняют в виде конуса с углом 90° от дюзы, чтобы увеличить холодопроизводителность микроохладителя.7711. РАДИАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ НАБАЗЕ КОСМИЧЕСКИХ РАДИАЦИОННЫХТЕПЛООБМЕННИКОВ И СУБЛИМАЦИОННЫЕАККУМУЛЯТОРЫ ХОЛОДАhνОдним из наиболее эффективных пассивных (не потребляющих электроэнергии) способов охлаждения микроэлектронных компонентов бортовой космической аппаратуры является излучение теплоты в холодный космос (Т < 10 К) космическими радиационными теплообменниками (КРТ), или просто "радиаторами". Классическая конструкция радиатора описана Брекенкриджем (рис. 11.1).На рис. 11.1: 1 – черный1(глубокий)космос; 2 – внешняя2("высокотемпературная") поверхность радиатора; 3 – вне93шняя ступень (зеркальная по8верхность); 4 – внутренняя сту45пень (низкотемпературный радиатор); 5 – охлаждаемый ПИ;78 – низкотеплопроводящие опоры (СТЭФ); 9 – пакеты ЭВТИ;ОС6 – линза ОС с охлаждаемой6блендой; 7 – поверхность КА.Такой радиатор при площаРис.
11.1ди 4, равной 1,0 м2 , имеет холодопроизводительность около10–15 Вт при температуре криостатирования ПИ 5 на уровне 150–170 К(–100 –120 °С).Методика расчета (приближенного) многокаскадных КРТ, позволяющих достичь при малых теплопритоках температуры Т ≈ 77–80 К, внашей стране была разработана В. Ф. Клименко, которая в дальнейшембыла продолжена автором данной книги с сотрудниками.78Математическая модель РСОРезультирующий поток излучения i-й поверхности объемной зоныравен разности поглощенного и собственного (излучаемого) потоковизлучения, т. е.N()qрез Fi = σo ∑ F j A j ϕ jiT j4 − Fi εi ϕ jiTi 4 ,j =1(11.1)где Аj , εj – коэффициенты поглощения и излучения соответствующихповерхностей; F– площадь поверхности; ϕjι ,ϕij – угловые коэффициенты; j – число поверхностей, взаимодействующих с i-й поверхностью.Так как каждая поверхность переотражает энергию, излученную соседними телами, то для учета этого вводят приведенную степень черноты Eпр = f (ϕ, ε, A ) , и тогда выражение (11.1) перепишемN()Qi = σo ∑ Fi EпрjiT j4 − F j EпрijTi4 ,j =1(11.2)где i = 1, 2, 3, ...
, N.Для определения температуры каждой поверхности для нее необходимо написать замкнутое уравнениеQрезi ± Qki = 0,(11.3)где Qki – тепловая энергия, подводимая (+) или отводимая (–) от поверхности внутренними (внешними) источниками или потребителямитеплоты.В качестве источников теплоты для рассматриваемой поверхностиможет быть кондуктивная энергия от соседних более нагретых тел илипоглощенная излучением теплота от внешних источников.Роль стоков теплоты могут играть аккумуляторы холода, или энергия, отдаваемая теплопроводностью к другой поверхности.С помощью уравнения (11.3) с учетом (11.2) можно определить тепловой баланс для каждой поверхности() ()σo Eпр21 F2T24 − Eпр12 F1T14 + Eпр31 F3T34 − Eпр13 F1T14 ++ EпрN 1FN TN4 − Eпр1N F1T14 = −Q2 ;()79() ()σo Eпр12 F1T14 − Eпр21F2T24 + Eпр32 F3T34 − Eпр23 F2T24 ++ EпрN 2 FN TN4 − Eпр2N F2T24 = −Q2 ;⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅()⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅() ()σo Eпр1N F1T14 − EпрN 1 FN TN4 + Eпр2N F2T24 − EпрN 2 F2T24 +()+ Eпр( N –1)N FN –1TN4 –1 − EпрN ( N –1) FN TN4 = −QN ,(11.4)где QN – подводимая теплота к N -й поверхности.Если поверхность не получает теплоты кроме излучения от соседних поверхностей, то Q ≡ 0.Сгруппировав однородные члены, получим систему уравнений()σo Eпр12 F1T14 + Eпр13 + # + Fпр1N + F1T14 + F2 Eпр21 + Eпр31 F3T34 + # +$(+ EпрN 1FN TN4 = −Q1;)σo Eпр12 F1T14 − Eпр21 + Eпр23 + # + Fпр2N F2T24 + EпрN 2 FN TN4 = −Q2 ;⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅() (σo Eпр1N F1T14 + Eпр2 N F2T24 + # + − EпрN 1 + EпрN 2 +)(11.5)+ # + EпрN ( N –1) FN TN4 = −QN .Введем принятые обозначения и умножим левые и правые частиуравнений на –1.
Тогда получим систему уравнений− a11T14 − a12T24 − a13T34 − # − a1N TN4 = b1;− a21T14 − a22T24 − a23T34 − # − a2 N TN4 = b2 ;– aN 1T14 – aN 2T24 – aN 3T34 – # – aNN TN1 = b N ,⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅⋅80(11.6)()где a11 = σo F1 Eпр12 + Eпр13 + # + Eпр1N ;a21 = −σo Eпр12 F1a12 = −σo Eпр21 F2 ;и т. д.В общем видеNaij =σo Fi ∑ Eпрij ,i = j;j =1−σo F j Eпрji ,i = j,где i = 1, 2, ..., N; j = 1, 2, ..., N.В общем виде решение этой системы уравнений весьма затруднительно, но для конкретных конфигураций РСО она решается достаточно просто.Сублимационные аккумуляторы холодаСАХ, так же, как и РСО, является пассивной, т. е. не потребляющей электроэнергии, криогенной космической системой.
Но в отличиеот РСО, САХ – расходная система со строго ограниченным криоресурсом, так как охлаждение в нем производится за счет теплоты сублимации твердых криогентов в открытой космос.Как правило, ИК-приемники размещаются прямо в контейнере с1твердым газом в общей вакуумной2полости криостата (рис.
11.2). Так, вамериканском спутнике "Nimbus-F"NH 3была использована 64-элементнаялинейка с элементами из соединения3Hg–Cd–Te при Т = 57 К.7В табл. 11.1 приведены харакCH 4теристики газов, которые использу4ются в САХ.В основном используются двухгазовые САХ, когда контейнер с бо5лее высококипящим криоагентомэкранирует контейнер с более низкокипящим. Наилучшие показатели6имеет комбинация CH4– NH3. РегуРис.
11.281Таблица 11.1КриоагентH28–14ТемпературакриостатированияТеплота субли- 300мацииNlN2ArCH4NH3CO 214–2542–6348–8457–91148–195 125–2161002502006101800600лирование и стабилизация температуры САХ обеспечивается такжепассивным способом – откачкой сублимирующихся паров открытымкосмосом через патрубок определенной длины и сечения (подбираетсяэкспериментально в камере имитации космического пространства).Главной проблемой при длительной работе ИК-приемника с САХ вкосмосе является образование слоя криоосадков на охлаждаемых поверхностях ИК-приемников и фильтров. Основным источником паровводы, конденсирующихся в виде водяного льда, являются пакеты ЭВТИ,которая применяется в криостатах для теплоизоляции контейнеров ствердыми газами.
Обезгазить их практически невозможно. Поэтомудля борьбы с криоосадками необходимо предусматривать возможностьпериодического теплового отключения ПИ для отогрева и испаренияслоев криоосадков в открытый космос.Тепловые трубыДля отвода в космосе значительных по величине тепловых потоковна больште расстояния (например, от ПИ к КРТ) используются тепловые низкотемпературные трубыЖидкость(рис.
11.3), где 1 – зона испареdQ2ния; 2 – зона конденсации.1Структурно тепловая трубаКРТпредставляет собой запаянный сПарторцов цилиндр, к внутренней поРис. 11.3верхности стенки которого прилегает слой пористого наполнителя. Движения парообразной фазы внутри трубы осуществляется от зоны испарения 1 к зоне конденсации 2, адвижение жидкости – в противоположном направлении за счет капиллярно-пористого взаимодействия сконденсированной жидкости (в основном, различные хладоны – фреоны) с микропористым наполнителем.8212.
КОСМИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА КАККОМПЛЕКС ОС–ФПУ–КСОДля того чтобы ИК-приемники на основе линеек со сканированиемизображения или матричных БИС могли быть вмонтированы в космическую аппаратуру, необходимо решить проблему комплексирования ОСс ФПУ и космической системой охлаждения (КСО).ФПУ – это ИК-БИС и ГИС, размещенные в специальном устройстве – криостате.Независимо от области применения и характера объекта (КА, ракета с тепловой головкой самонаведения, крылатая ракета с ИК-системой навигации или FLJR самолета) имеется ряд общих требований, которым должны удовлетворять криостатирующие устройства ИКТТФЭП:– оптическое пропускание с малыми потерями в заданной полосеизлучения целей;– обеспечение минимально возможного значения облученностиТТФЭП суммарным аппаратурным тепловым фоном;– малое значение теплопритоков от ТТФЭП к криогенной системеили контейнеру с запасом криогенного вещества;– возможность юстировки и сохранения высокого качества изображения в течение длительного времени при всех внешних воздействиях:механических, климатических и специальных;– стыковка ТТФЭП с КСО и системами обработки видеосигналапри минимуме механических и электрических помех.Общая схема блока ФПУ-КСО показана на рис.
12.1, где 1 – фланецдля стыковки с ОС; 2 – входное оптическое окно; 3 – охлаждаемаябленда; 4 – охлаждаемый фильтр изображения; 5 – БИС или ГИС ИКприемника; 6 – охлаждаемый экран; 7 – хладопровод; 8 – запас криоагена КСО или холодильная головка микрокриогенной системы; 9 – вакуумный вентиль для откачки полости криостата и холодной части МКС;10 – вакуумный кожух.8310Космос9Вакуум23456781Рис. 12.1На рис. 12.1 не показаны опоры, на которых крепятся к корпусу всеохлаждаемые элементы блока ФПУ–КСО. Они изготавливаются из тонкостенных стеклотекстолитовых трубок и колец (СТЭФ) и склеиваются, как правило, эпоксокремнийорганическими смолами.Все внутренние излучающие и поглощающие излучение поверхности должны быть отполированы и покрыты блестящим золотом.На рис.
12.2 представлены три гипотетических варианта компоновки комплекса ОС–ФПУ в криостате – КСО; T = 313 К; ε = 0,4–0,5.Основная идея – циркуляционное охлаждение блока фотоприемно-го датчика на основе БИС или ГИС ИК-приемников. Циркуляциятеплообменных криоагентов, имеющих более низкую температурунормального кипения, чем температура холодных частей КСО, осуществляется по капиллярам из нержавеющей стали 000Х18Н9Т с помощью специальных насосов (работающих при криогенных температурах).Аппаратура (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
