Лабораторная установка для температурных испытаний военных оптико-электронных приборов

Изобретение относится к устройствам экспериментального определения характеристик оптико-электронных приборов при имитации условий эксплуатации. Лабораторная установка для температурных испытаний содержит длиннофокусный коллиматор, оптическую скамью, место для крепления испытуемых оптико-электронных приборов, источник температурных воздействий, устройство регистрации температуры, таймер, ЭВМ. Целью изобретения является экспериментальное определение изменений характеристик оптико-электронных приборов при температурных воздействиях в процессе функционирования или имитации условий эксплуатации. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к устройствам экспериментального определения характеристик оптико-электронных приборов (ОЭП) при имитации условий эксплуатации и может быть использовано в военной технике.

В соответствии с ГОСТ 16504-81 под испытаниями понимается экспериментальное определение параметров и показателей качества продукции в процессе функционирования или при имитации условий эксплуатации. Испытания проводят с использованием необходимой испытательной аппаратуры и измерительных приборов для изучения определенных зависимостей между предельно допустимыми значениями конструктивных параметров оптико-электронных приборов при температурных воздействиях и значениями режимов их функционирования [3].

Нестабильность работы приборов связана с воздействием на них окружающей среды и с изменениями, происходящими в приборах. На работу ОЭП существенное влияние оказывают климатические факторы: температура, влажность, давление атмосферы, солнечное излучение, ветровая нагрузка. Влияние изменений температуры - один из наиболее существенных дестабилизирующих факторов работы.

Обычно ОЭП эксплуатируются в интервале температур -50°С...+50°С. В отдельных случаях требуется обеспечение работы приборов в экстремальных условиях. Опыт боевого применения артиллерийских приборов показывает, что диапазон температур, в котором приходится работать ОЭП, весьма широк. В тропических районах температура воздуха достигает +55°С, при прямом воздействии Солнца температура нагретой поверхности может быть значительно выше [5]. Вследствие этого возможен выход характеристик приборов за допустимые пределы, что, в конечном итоге, сказывается на точности стрельбы артиллерии.

Особое место при этом принадлежит температурным воздействиям на приборы. Опыт боевого применения артиллерийских оптико-электронных приборов (ОЭП) в горно-пустынной местности показал, что они имеют ограниченное применение в условиях воздействия экстремальных температур. Так, например, наблюдались отказы квантовых дальномеров 1Д13, расстраиваемость стереоскопических дальномеров ДС-1(М), резко изменялись характеристики приборов.

Температурное воздействие вызывает перемещение плоскости изображения оптической системы, изменение ее фокусного расстояния, а следовательно, и увеличение системы, или масштаба изображения, изменение аберраций.

Изменение температуры деталей и устройств прибора вызывается изменениями окружающих прибор условий и выделяющейся в приборе электрической энергии. Разогрев происходит до тех пор, пока не установится тепловое равновесие прибора с окружающей средой. Время установления теплового равновесия характеризует тепловую инерцию прибора.

Существующее приборное оборудование для проведения климатических испытаний и определения изменения характеристик оптико-электронных приборов не позволяет установить зависимость изменения характеристик ОЭП от величины и скорости изменения температурных параметров [3, 5].

Поэтому экспериментальные исследования температурного воздействия на элементы, компоненты и, как следствие, на характеристики оптико-электронных приборов проводились с целью установления определенных зависимостей между предельно допустимыми значениями конструктивных параметров оптико-электронных приборов и значениями режимов их температурного функционирования - для установления диапазона, допускающего применение прибора по назначению и установлению порогового значения повреждений для принятия решения на отправку прибора в ремонт.

Задача испытаний (измерения характеристик оптико-электронных приборов) решалась в несколько этапов [2]:

- рассмотрение физических моделей и результатов взаимодействия тепловых воздействий с оптическими (полупроводниковыми) материалами и элементами оптико-электронных приборов;

- подбор измерительной аппаратуры и создание лабораторной установки для измерения характеристик оптико-электронных приборов;

- проведение исследований и обработка результатов физического моделирования процесса применения приборов.

Лабораторная установка для температурных испытаний военных оптико-электронных приборов

Назначение лабораторной установки:

- оценка взаимосвязи основных оптических характеристик приборов с параметрами температурных воздействий;

- установление определенных зависимостей между предельно допустимыми значениями конструктивных параметров оптико-электронных приборов и значениями режимов их функционирования.

При подборе измерительной аппаратуры и создании лабораторной установки для измерения характеристик оптико-электронных приборов широко использовалось штатное оборудование оптической скамьи ОСК-3, комплекта аппаратуры УКНП-1 и др.

Для измерения общих оптических характеристик ОЭП использовались контрольно-юстировочные приборы общего назначения [2]:

- широкоугольный коллиматор ПЗ^а - для проверки эксцентриситета центра сетки относительно диафрагмы и величины поля зрения прибора;

- зрительная трубка с уровнем УНОА с продольным и поперечным уровнем (цена деления продольного уровня 30'') для юстировка уровня;

- трубка-динаметр ЮДТ-1 - для проверки диаметра выходного зрачка прибора;

- прибор для проверки магнитного момента стрелок ориентир-буссолей Л-76;

- юстировочный гониометр ЮГ - для проверки мертвых ходов механизмов;

- контрольный уровень типа ПЛ.

Поверка КЮ-приборов проводилась 1 раз в 6 месяцев. Состав лабораторной установки (фиг.1):

1 - испытуемый оптико-электронный прибор;

2 - длиннофокусный коллиматор с местом для установки тест-объектов (мир), для проверки оптических приборов, устанавливаемый на скамью ОСК вместо коллиматора УКНП-1;

3 - тест-объекты (миры);

4 - источник некогерентного излучения (некогерентный полихроматический излучатель - прожектор типа Л4-А; источник когерентных излучений - ОКГ);

5 - оптическая скамья;

6 - аппаратура (блок) управления;

7 - вспомогательное оборудование (индикатор-киловольтметр, трубка диоптрийная, трубка бинокулярная, стенд электрических проверок, источник питания электрического тока Б5-47, набор тест-объектов в оправе, люксметр Ю117, фотометр ЯРМ-3, микроскоп автоколлимационный, зеркало контрольное);

8 - универсальное место для крепления приборов, так как комплект аппаратуры УКНП-1 рассчитан на крепление ограниченного числа ночных приборов;

9 - таймер с кнопкой для регистрации времени протекания процессов;

10 - регистрирующая аппаратура и ЭВМ, используемые для обработки данных согласно предложенной методики.

Однако не все оборудование полностью подходило для целей исследований влияния температурных воздействий на приборы, поэтому дополнительно изготовлено или использовано в новом качестве:

11 - источник температурных воздействий - лампа накаливания, мощностью 1000 Вт;

12 - вентилятор;

13 - сотовая решетка, плотно прилегающая к перфорируемой решетке, для создания равномерных скоростей движения температурной среды по сечению (для исключения циркуляции), в котором устанавливается исследуемый прибор;

14 - устройство регистрации температуры с датчиками, размещенными на выходе источника температуры, на поверхности и внутри исследуемого прибора, совмещенное с ЭВМ.

Для изучения воздействия на испытываемые приборы источников с разной длиной волны используется ряд (набор) интерференционных фильтров, полосы пропускания которых сопряжены с длинами волн соответствующих ОКГ.

Внешний вид лабораторной для исследования характеристик оптических и оптико-электронных приборов и контроля результатов измерений приведен на фиг.2 и 3, соответственно.

Используемое в настоящее время приборное оборудование для проведения климатических испытаний позволяет измерять характеристики оптико-электронных приборов после окончания температурных воздействий, что не дает возможности установить зависимости изменения характеристик приборов от величины и скорости изменения температурных параметров в масштабе реального времени.

Работы на лабораторной установке осуществляются в следующей последовательности:

- для стандартных температурных условий известными методами определяют основные характеристики оптико-электронных приборов, в первую очередь, разрешающая способность (по тест-объектам), точность горизонтирования с помощью пузырьковых уровней, точность измерения горизонтальных и вертикальных углов (величины мертвых ходов), точность измерения магнитных азимутов с помощью магнитной стрелки и др.;

- включают источник температурных воздействий лампу накаливания 11. Одновременно кнопкой запускается таймер 9 для регистрации времени протекания процессов и устройство регистрации температуры 14 с датчиками, размещенными на выходе источника температуры 11, на поверхности и внутри исследуемого прибора 11. Таймер 11 и устройство регистрации температуры 14 совмещено с регистрирующей аппаратурой 10 и ЭВМ, используемой для обработки данных в реальном масштабе времени, согласно предложенной методике, и выдачи данных на дисплей.

Сравнение характеристик оптико-электронных приборов, измеряемых в стандартных условиях, с характеристиками, полученными в процессе изменений температурных воздействий, позволяет установить новые зависимости для реального масштаба времени между предельно допустимыми значениями конструктивных параметров оптико-электронных приборов и значениями режимов их температурного функционирования, например температурную инерцию прибора или средств защиты (оребрения, термостатических чехлов, средств вентиляции и др.). Сравнение допустимых изменений характеристик приборов с полученными значениями позволяет выработать требования к средствам защиты приборов, к режимам эксплуатации, допускающие применение прибора по назначению и установление порогового значения температурных повреждений для принятия решения на отправку прибора в ремонт.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Повышение эффективности стрельбы наземной артиллерии можно достигнуть поддерживанием характеристик оптико-электронных приборов (ОЭП) в заданных пределах. Проведенный в работе [1] анализ позволяет установить допуск изменений основных характеристик оптических приборов, который позволяет обеспечивать стрельбу на основе полной подготовки исходных данных (табл.1).

Таблица 1 Допуск изменений основных характеристик оптических приборов
№	Характеристики	Условные обозначения	Допуск изменений
1	Увеличение	Г	±5%Г
2	Угловое поле	2ω	±5%2ω
3	Диаметр выходного зрачка	dвых	10%
4	Удаление выходного зрачка	р'	10%
5	Разрешающая способность	ϕ	±20%
6	Коэффициент светопропускания	τ	0,15

Вследствие прямого солнечного излучения, температуры, влажности, давления атмосферы, ветровой нагрузки и других климатических факторов возможен выход характеристик приборов за пределы допусков, указанных в табл.1, что, в конечном итоге, сказывается на точности стрельбы артиллерии.

Особое место при этом принадлежит температурным воздействиям на приборы, что вызывает перемещение плоскости изображения оптической системы, изменение ее фокусного расстояния, а следовательно, и увеличения системы или масштаба изображения, изменение аберраций.

При изменении температуры показатель преломления оптической среды меняется по закону:

n=n₀+β(t-t₀),

где n₀ - показатель преломления при температуре t₀;

β - коэффициент приращения показателя преломления.

Линейные параметры оптических деталей (толщины, радиуса кривизны) изменяются как:

d=d₀[1+α(t-t₀)];

τ=τ₀[1+α(t-t₀)],

где d₀ и τ₀ - значение толщины и радиуса кривизны при температуре t₀;

α - коэффициент расширения материала линз.

Изменение фокусного расстояния бесконечно тонкой линзы

где Δt=t-t₀ - разность температур.

Для расчета изменения df', вызванного изменением температуры Δt, можно использовать известные формулы для сложных, но бесконечно тонких оптических систем, описывающие хроматические аберрации положения и увеличения.

Для бесконечно тонкого компонента, находящегося в воздухе, справедливы формулы:

где ΔS' - смещение плоскости изображения, вызываемое изменением температуры Δt;

i - номер линзы в комплекте;

Δl' - смещение точки перемещения главного луча с плоскостью изображения, вызываемое изменением температуры;

y - высота пересечения главного луча с бесконечно тонким компонентом;

l' - высота пересечения главного луча с плоскостью;

n_i - показатель преломления материала, из которого изготовлена линза;

S' - расстояние от изображения до линзы;

ϕ_i=F·Ф_i - приведенная оптическая сила;

F - фокусное расстояние всей системы;

Ф_i - оптическая сила i-й линзы.

Отклонение луча ε от первоначального (до изменения температуры) направления определяется формулой

Радиус кривизны траектории луча R определяется формулой

Результаты расчета, проведенные согласно данной методики, показывают, что при нагревании элементов оптической системы на 60° величина хроматизма положения становится заметной (табл.2).

Таблица 2 Результаты расчета изменения величины хроматизма положения в оптической системе при изменении температуры
Характеристики объектива системы	Изменение температуры	Изменения величины хроматизма положения
1. f'<500 мм;
относительное отверстие 1:10;
марка стекол: К8 (f'=210 мм);
Ф1 (f'=-365 мм)	до 60°	0,0075 мм
2. f'<500 мм;
марка стекол: К8
ТФ1	до 60°	0,018 мм
3. f'=500 мм;
марка стекол: ТК17;
ТФ4	до 60°	0,06 мм

Снижение качества изображения связано с градиентом температуры в объеме детали, что приводит к изменению формы поверхностей деталей. Наиболее чувствительными являются отражающие поверхности зеркал и призм и внутренние поверхности линз не склеенных объективов или первых компонентов телеобъективов.

Оребрение поверхности корпуса прибора

Влияние изменения температуры оценивают различными показателями. В оптических системах такой величиной является изменение относительного фокусного расстояния . Величина для различных стекол имеет разный знак.

Оребрение поверхности корпуса - это система с конвективным отбором тепла. Для улучшения отвода тепла от внешней поверхности прибора в окружающую среду в некоторых случаях применяется увеличение площади наружной поверхности прибора за счет ребер охлаждения (такое оребрение применено в дальномере 1Д13).

Процессы, положенные в основу использования этого способа, отражаются формулой Ньютона - Рихмана

Q=αS(T-T₀),

где α - опытный коэффициент;

Т, Т₀ - температура соответственно теплоотдающей поверхности охлаждающей среды;

S - теплоотдающая площадь.

Из формулы следует, что перепад температур между охлаждаемой поверхностью и окружающей средой ΔT=Т-Т₀ при постоянном значении отводимого теплового потока Q обратно пропорционален площади поверхности охлаждения, т.е.

ΔT=Q/αS

Однако на практике эффект от увеличения поверхности охлаждения за счет ребер оказывается меньше ожидаемого. Это происходит по двум причинам:

- коэффициент теплоотдачи α с единицы оребренной поверхности оказывается тем меньше, чем больше пустоты между ребер;

- тепловой поток, отводимый с поверхности ребра, должен преодолеть при этом тепловое сопротивление самого ребра, зависящее от коэффициента теплопроводности его материала.

Эти две причины, а также увеличение массы прибора за счет оребрения ставят ограничения в использовании данного способа в приборостроении. Но самый значительный недостаток этого способа - это отсутствие защиты от воздействия окружающей среды.

Из данного анализа можно сделать вывод о том, что наиболее целесообразным способом теплозащиты штатных артиллерийских ОЭП может быть применение легких съемных чехлов или дополнительных теплозащитных пластиковых корпусов.

Источники информации

1. Пархоменко А.В. Теория и расчет артиллерийских оптико-электронных приборов: Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ. 1999. - 256 с.

2. Основы теплотехники. Бурлов В.В., Партала С.В., Алчинов В.И. Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ. 2003 г. - 231 с.

3. Общее руководство по ремонту ракетно-артиллерийского вооружения. Часть 4. Ремонт артиллерийских оптических и электронно-оптических приборов. - М.: Воениздат. 1982. - 144 с.

4. Справочник конструктора оптико-механических приборов. - М.: Машиностроение, 1980. - 368 с.

5. Проектирование оптико-электронных приборов: Учебник. Изд. 2-е, перераб. / Ю.Б.Парвулюсов и др.; Под ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.: Логос, 2000. - 488 с.

6. Бегларян В.Х. Климатические испытания аппаратуры и средств измерений. - М.: Машиностроение. 1983. - 160 с.

7. А.С. 371964 от 12.07.71 г. Опубликовано 01.03.73 г. Бюллетень 13.

Лабораторная установка для температурных испытаний военных оптико-электронных приборов, включающая испытуемый оптико-электронный прибор, длиннофокусный коллиматор с местом для установки тест-объектов (мир), оптическую скамью, универсальное место для крепления испытуемых оптико-электронных приборов, отличающаяся тем, что дополнительно введены источник температурных воздействий, выполненный в виде лампы накаливания, вентилятор с сотовой решеткой, которая плотно прилегает к перфорируемой решетке, для создания равномерных скоростей движения температурной среды, устройство регистрации температуры с датчиками, размещенными на выходе источника температурного воздействия, на поверхности и внутри испытуемого оптико-электронного прибора, и таймер с кнопкой, необходимый для регистрации времени влияния температурных воздействий на испытуемый оптико-электронный прибор, совмещенные с ЭВМ, кроме этого, установка содержит вспомогательное оборудование: индикатор - киловольтметр, трубку диоптрийную, трубку бинокулярную, источник питания электрического тока Б5-47, набор тест-объектов в оправе, люксометр Ю117, фотометр ЯРМ-3.