Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприёмные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.2 (2002) (1095906), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Тепловойпоток излучения Солнца на расстоянии r2 рассчитывается по формулеpS = F α s S or12cos γ,r22(13.8)103где So = 1400 Вт/м2 – плотность теплового потока излучения Солнца нарасстоянии r1 = 149⋅106 км (1 а. е.); F – площадь поверхности, воспринимающей излучение Солнца, м2 ; γ – угол между нормалью к поверхности КРТ и направлением на Солнце, град; αS – поглощательная способность КРТ по отношению к солнечному спектру.Граничные условия для модели 2 и схемы (рис. 13.7) имеют вид 0, i = 8, 9, … , 16;Qрезi = 2 p7 + PS , i = 7.(13.9)Значения равновесной температуры КРТ, рассчитанные с помощьюматематической модели (13.1, 13.6, 13.9) для модели 2 при различныхуглах падения (90 – γ) излучения Солнца:Угол падения, град 2,0 4,0 5,0 7,0 8,0 10,0Температура КРТ, К 200 210 218 226 233 240Температура КА принята равной 313 К, эффективная температуракосмоса Т = 4 К, αS ≤ 0,2; степень черноты КРТ εz ≥ 0,86.
В зависимостиот угла падения излучения расчетная равновесная температура КРТизменяется от 200 до 240 К.В случае, когда КРТ "видит" под малым углом поверхность СБ, нагретую до 400 К и отражающую прямое солнечное излучение (модель 3),расчетная равновесная температура КРТ устанавливается на уровне270–280 К, т. е. на 50–60 К выше предельной рабочей температуры.Для обеспечения необходимой температуры КРТ можно использоватьследующие приемы: снабдить КРТ "шторкой", экранирующей тепловоеизлучение СБ и отраженное их поверхностью солнечное излучение; ввести в тепловую цепь термоэлектрический охладитель; разместить втепловой цепи запас вещества, плавящегося при заданной температуре,скрытая теплота плавления которого должна компенсировать теплотупотока радиации во время засветки КРТ.Как показали результаты наземных тепловакуумных испытаний РСОКА "Вега" в камере имитации космического пространства, значениятемпературы КРТ в различных солнечных ситуациях хорошо согласуются с расчетными значениями для всех трех моделей.Вывод 1.
Анализ эффективности работы КРТ с использованием математической модели РСО, в которой учитывается взаимный теплообмен излучением в системе КА–КРТ–Солнце, позволяет определитьравновесные температуры КРТ для охлаждения ФПУ КА "Вега" в раз104личных солнечных ситуациях, совпадающих с экспериментально измеренными значениями.Вывод 2. РСО обеспечивает заданный температурный режим ФПУв составе КА при засветке излучающей поверхности КРТ прямым солнечным излучением под углом до 5°.Все изложенные технические решения были заложены и в основуконструкции КА "Фобос", на котором был установлен видеоспектрометрический комплекс "Фрегат" (рис. 13.7, 13.8).Основные принципы по218 10строения ФПУ и системыРСО с КРТ остались пре11жними.
Но к июлю, 1988 г.,когда был запущен КА к 4Марсу, уже располагали3 7ПЗС-матрицей видимого8диапазона спектра с9объемным n-каналом переноса с параметрами:температура ПЗС – 240 К;56время накопления – 0,4 с;Рис. 13.8напряжение насыщения –0,2 В; относительная величина темнового сигнала – 2 %; чувствительность – 1,5 В/лк; неравномерность чувствительности – 10 %; динамический диапазон – 1500;суммарная неэффективность переноса по горизонтали – 0,05 (по вертикали – примерно то же).Время накопления регулировалось от 0,4 до 32 с при тактовой частоте считывающего регистра 500 кГц.На КА также был установлен солнечный рентгеновский телескоп"Терек" на основе охлаждаемой ПЗС-матрицы, перед которой был установлен преобразователь рентгена в зеленый свет люминофора (с рентгеновской оптикой).
Разработчики – ФИ АН СССР с чехами.Проект "Фобос" был успешно завершен в 1989 г. (получением фотоснимков), если не считать потери КА "Фобос-1" и неудачной попыткиКА "Фобос-2" зависнуть над поверхностью Фобоса на высоте 50 м.В главном сеансе космического проекта "Вега" и отдельных сеансахпроекта "Фобос" КРТ КА попадали на 40–50 мин под прямую солнечную засветку и должны были бы отогреться до 350–360 К за короткое105время. Для стабилизации тепловых параметров ФПЗС при полной солнечной засветке радиаторов была использована система на основе аккумуляторов холода на плавящихся криогенных веществах (Тпл ≈ 220 К).Наилучшие показатели оказались у 53 %-ного раствора в воде этилового спирта. Схема системы стабилизации приведена на рис.
13.8. Система содержит радиатор 1 с тремя капсулами 2, заполненными 80 г47 %-ного раствора этилового спирта, имеющего температуру плавления 239 К. Радиатор закреплен на несущей конструкции 3 с помощью опор 4 из материала с низкой теплопроводностью. Тепловая связьс ПЗС-модулями 5, установленными в оптической системе 6, осуществляется с помощью тепловой трубы 7 и двух гибких ветвей 8 из многожильного медного провода.
На хвостовиках ПЗС-модулей в зонахстыка с хладопроводом размещены две капсулы 9 и 10, заполненные27 %-ным водным раствором этилового спирта с температурой плавления 257 К. Масса раствора в каждой капсуле около 10 г. Она обеспечила охлаждение ПЗС за счет запасенной скрытой теплоты плавлениятвердого раствора спирта на 50–60 мин.Система стабилизации параметров ФПУ на КА защищена авторским свидетельством СССР.Проблема создания ФПУ на базе ИК-приемниковдиапазона 8–12 мкмОбласть длин волн от 8 до 12 мкм относится к дальнему ИК-диапазону, или к диапазону теплового излучения.Основные области применения ИК-приемников диапазона (8–12) мкм:тепловидение; FLIR; обнаружение крылатых ракет по тепловому аэродинамическому излучению передней полусферы; противодействие самолетам-невидимкам "Стеллз"; противоспутниковые системы "спутник–спутник"; обнаружение и наведение при противодействии морским ракетам;обнаружение и сопровождение отделяющихся боеголовок МБР.Первым практическим применением систем телловидения в диапазоне 8–12 мкм были ночные операции американских ВВС во Вьетнаме.
Это так называемые системы "Down Looking Infra-Red".Если самолет летит прямым курсом на небольшой высоте над скоплением живой силы противника (вьетконговцев) в зарослях кустарников, то ИК-линейка (≈ 64 элемента), расположенная в фокусе германиевого объектива перпендикулярно оси движения самолета, сканируетплоскость предметов за счет движения самолета и постоянного счи106тывания информации в строчном режиме. В итоге на мониторе получается тепловизионная картина местности. Сила излучения (Тизл = 36 °С)человеческого тела больше силы излучения "зеленки" (Т ≤ 36 °С). Поэтому на тепловизионной картине фиксируется температурный контрастживой силы и листвы.Аналогичным образом могут быть организованы системы наведения ракет "воздух–земля" по живой силе и частям техники и т. п.В отличие от систем обнаружения слабых сигналов на пространственно-неоднородном фоне в том же ИК-диапазоне, где основной характеристикой МК-приемника является Рпор и удельная обнаружительная способность D*, в тепловидении основной характеристикой ИК-приемника является пороговая разность температуры ∆Tпор (NETD) – NoiseEquivalent Temperature Difference.Для ИК-приемников обнаружения NEP, или мощность, эквивалентная шуму, и определяла его пороговую чувствительность.В тепловидении рассматривается эквивалентная шуму разностьтемператур.Определение: величина ∆Tпор представляет разность температуробъекта и фона, излучающих как черные тела в стандартном тест-объекте, при которой отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичной величине шума на выходе стандартного эталонного электронногофильтра системы, рассматривающей тест-объект, равно единице.Современные системы тепловидения достигают ∆Tпор 0,1–0,04 К.Основной проблемой при создании ФПУ на основе ИК-приемников8–12 мкм, работающих в режиме тепловизора, является создание фоточувствительного материала на основе узкозонных полупроводников.Основным материалом, на котором создаются ИК-приемники8–12 мкм, является соединение Hg xCd 1–xTe (КРТ).
Хорошо известно:Hg0,8Cd0,2Te.Наибольшую ценность представляют эпитаксиальные пленки соединения кадмий–ртуть–теллур (КРТ), выращенные на монокристальныхподложках из лейкосапфира.Очень хорошие результаты давали эксперименты по выращиваниюмонокристаллов КРТ в условиях невесомости на станциях "Мир", а ранее – на "Салюте-6".В рамках создаваемой национальной программы ПРО США планируется использование матричных ИК-приемников на ∆λ = 8–12 мкм наспутниках "Low SBIRS Satelite" (SBIRS – Space Based Infrared System).10714.
ФПУ НА ОСНОВЕ ПЗС С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМОХЛАЖДЕНИЕМТермоэлектрические охладители (ТЭО) и термоэлектрические батареи (многокаскадные ТЭО), или ТЭБ, основаны на эффекте Пельтье.Каскадирование обеспечивает:– более глубокое охлаждение;– повышение энергетической эффективности преобразования электричества в холод.Холодильный коэффициент(14.1)ε = Qo W ,где: Qo – холодопроизводительность; W – потребляемая мощность.Термоэлектрическая цепьа)Бn-тип2кТl0Аб)Электрон lo– на рис.14.1, а движетсяслева направо; для перехода из металла вполупроводник ему необходимо преодолетьпотенциальный барьер (рис. 14.1, б):ПП= ( – E F + 2kT ) lo ,(14.2)где EF – энергия Ферми; 2 кТ – средняяВалентнаятепловая энергия в полупроводнике электзонаронов, участвующих в переносе теплоты.Рис.
14.1–Переход возможен только для lo сэнергией, большей берьера. Электроны из внешней цепи не могут скомпенсировать убыли энергии, так как средняя энергия lo– в полупроводнике много больше, чем в металле. Нарушается тепловое равновесиеэлектронов и решеткой: металл в контакте А охлаждается. Соответственно, контакт Б нагревается.Основные соотношения:1) холодильный коэффициент ∑ = Qo W – отношение холодопроизводительности к затрачиваемой мощности;108EF2) термоэлектрическая эффективность (добротность)∆Tmax=70 Кl(14.3)Z = l 2 Rk ,TQ=Q0+Wгде l – коэффициент термоэдс термоэле- WJмента; R– омическое сопротивление поS1лупроводника; k – коэффициент теплопроpnводности полупроводника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
