Излучающий криогенный охладитель
Владельцы патента RU 2519013:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" (RU)
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.
