Вакуумно-криогенный стенд
Владельцы патента RU 2591737:
Акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "ГОИ им. С.И. Вавилова") (RU)
Изобретение относится к области испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств и касается вакуумно-криогенного стенда. Стенд включает в себя вакуумно-криогенную камеру, охлаждаемые радиационные экраны, универсальный и динамический источники излучения, коллиматор, поворотное и ломающие зеркала, спектрорадиометр, систему криогенного обеспечения, систему вакуумирования, модуль канала оптического фона и интерферометр сдвига. При этом охлаждаемые внутрикамерные функциональные оптико-механические устройства выполнены в виде отдельных модулей, установленных в собственных секциях вакуумно-криогенной камеры, имеющих свои охлаждаемые экраны и собирающихся по мере необходимости в единый функционирующий имитационно-испытательный блок. Технический результат заключается в уменьшении габаритов, сокращении пускового периода и уменьшении энергопотребления устройства. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к оптико-электронной, оптико-механической, криогенной и вакуумной промышленности и предназначено для исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств в условиях вакуума и низких температур. Предлагаемое техническое решение целесообразно использовать и в других отраслях промышленности, где требуются исследования и испытания изделий и приборов в вышеуказанных условиях.
Известны стенды и установки для тепловакуумных испытаний, разработанные в США и России: например, стенд ASET фирмы Ms Donnel Douglas Astronautics (см. патент США, №3.775.620, кл. G01T 1/16, 1973 г.), патент РФ №2302983 от 07.10.2005, кл. B64G 7/00, ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.И. Королева»; патент РФ №2208564 от 20.07.2003, кл. B64G 7/00, ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» и авторское свидетельство СССР №1839875 от 12.05.982, кл. B64G 7/00, Государственное предприятие Всероссийский научный центр «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова». Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стенд ASET (см. вышеупомянутый патент США №3.775.620, кл. G01T 1/16, 1973). Он содержит универсальный и динамический источник излучения, параболическое зеркало, поворотное зеркало с системой прецизионного наведения лучистого потока, радиометрическую и спектрометрическую аппаратуру, охлаждаемые все до криогенных температур в вакууме, плоские диагональные зеркала с системой прецизионного наведения лучистого потока. Этот стенд принят за прототип.
Недостатком прототипа является размещение всех функциональных систем в общей вакуумной камере, что приводит к существенному увеличению ее габаритов, и, соответственно, производительности систем вакуумирования и систем криообеспечения. Создание таких стендов с габаритными камерами, широким парком сервисных высокопроизводительных машин и аппаратов приводит к значительным капитальным вложениям из-за необходимости в сложных проектных работах, больших производственных площадях, стоимости оборудования, а также в эксплуатационных затратах, связанных с энергопотреблениями при работе энергоемких машин и аппаратов и значительной численностью обслуживающего персонала. Пусковой режим оборудования в крупногабаритной вакуумно-криогенной камере, как у прототипа, является затяжным по времени, что ограничивает число проводимых в нем исследований и испытаний оптико-электронной аппаратуры в заданный календарный период. В составе функциональных устройств прототипа имеются средства периодического контроля качества криогенной оптики, которая подвергается поочередному охлаждению и нагреву со значительным температурным перепадом, что может привести к ее терморасстраиваемости и, как следствие, к нарушению метрологической точности измерений. В прототипе отсутствует источник фонового излечения с возможностью дозирования уровня фоновой облученности входного зрачка испытуемого прибора. Кроме этого, не во всех случаях необходим весь комплекс функциональных устройств, но их необходимо охлаждать, чтобы они не оказались сами в общей камере источниками излучения.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей стенда при уменьшении габаритов вакуумируемого объема камеры и связанных с этим уменьшением производственных площадей на размещение всей его инфраструктуры, уменьшении в целом капитальных затрат на его создание, увеличение производительности стенда за счет сокращения пускового периода при проведении испытаний приборов, а также уменьшения энергопотребления в работе систем вакуумирования и систем криообеспечения, производительности систем вакуумирования и систем криообеспечения, сокращение численности обслуживающего персонала и других эксплуатационных затрат.
Поставленная цель достигается за счет того, что в стенде охлаждаемые внутрикамерные функциональные устройства выполнены в виде отдельных модулей, установленных в собственных секциях вакуумно-криогенной камеры, имеющих свои охлаждаемые радиационные экраны и собирающихся по мере предметной востребованности в единый имитационно-испытательный блок, при этом источник сложного динамического излучения снабжен плоским зеркалом, линейно перемещающимся и перекрывающим при необходимости световой поток от универсального источника излучения, направленный в сторону силового асферического криоколлиматорного зеркала через первое и второе плоские ломающие зеркала, при этом:
имитационная оптическая система стенда снабжена модулем канала оптического фона, содержащим широкополосный источник излучения и подвижную полупрозрачную пластину, введенную в каналы источников универсального и сложного динамического излучения;
стенд оснащен модулем интерферометра сдвига, частью контрольной схемы которого служит подвижная полупрозрачная пластина от модуля канала фона, выполненная с возможностью поворота на прямой угол для контроля качества оптической схемы коллиматора как до источников излучения, так и качества оптической схемы коллиматора до плоского поворотного зеркала, выставляемого перпендикулярно оси коллимированного пучка;
поворотное плоское зеркало снабжено проточной криопанелью, установленной с тыльной стороны и соединенной с ним гибкими кондуктивными элементами и с подводящими трубопроводами в виде спиралей, ось намотки которых совмещена с осью поворотной стойки основания этого зеркала и свободно охватывающими ее по длине;
система криообеспечения снабжена блоком распределителя-коллектора, связывающего контуры охлаждения отдельных модулей в собственных секциях внекамерными трубопроводами для прямого и обратного потоков криогенной среды, поступающей от криогенератора;
в систему вакуумирования введена третья ступень высоковакуумной откачки в виде жидкостного криоконденсационно-сорбционного насоса, не являющегося источником механических возмущений для оптической системы стенда.
На фиг. 1 представлен один из вариантов модульной схемы стенда, а на фиг. 2 - его функциональная схема, где:
1 - модуль блока подвижных источников излучения;
2 - модуль коллиматора;
3 - модуль поворотного плоского зеркала;
4 - модуль испытуемого оптико-электронного прибора;
5 - модуль криорадиометра;
6 - модуль Фурье-спектрометра;
7 - модуль канала оптического фона;
8, 9 - модуль интерферометра сдвига;
10 - система криообеспечения;
11 - модуль блока распределителя-коллектора потоков криогенной среды;
12 - информационный и программно-управляющий блок;
13 - зеркало переключения световых потоков;
14 - универсальный источник излучения;
15 - блок подвижных источников источник излучения;
16 - линейно перемещающееся диагональное зеркало;
17 - первое плоское ломающее зеркало;
18 - асферическое коллимационное зеркало;
19 - второе плоское ломающее зеркало;
20 - плоское поворотное зеркало;
21 - проточная криопанель;
22 - форвакуумный безмаслянный насос;
23 - криогенераторный высоковакуумный насос;
24, 25, 31, 32, 33, 34 - вакуумный затвор;
26 - жидкостной криоконденсационно-сорбционный вакуумный насос;
27 - полупрозрачное поворотное плоское зеркало;
28 - радиационные экраны;
29 - криовводы в модули и внутри камерные устройства.
В модуле блока источников излучения 1 (см. фиг. 2) два излучателя: один - источник универсального излучения 14, т.е. излучатель как интегрального потока света в заданной инфракрасной (ИК) области спектра, так и спектрального с использованием фильтров или монохроматора. В его состав входит модель абсолютно черного тела (АЧТ) 14, турель с диафрагмами а, модулятор б, оптические фильтры в. Другой излучатель - источник динамического излучения 15, который имеет широкополосный излучатель г и узел подвижных диафрагм и щелей д. Излучение от АЧТ 14, пройдя через диафрагму, модулятор и фильтры, направляется зеркалами 17 и 19 к коллиматорному зеркалу 18 и далее, отразившись от поворотного зеркала 20, в объектив исследуемого прибора 30.
Модуль коллиматора 2 содержит внеосевое асферическое зеркало 18, преобразующее расходящийся пучок света в параллельный пучок с малой степенью расходимости без центрального экранирования.
Модуль 3 поворотного зеркала 2, которое выставлено относительно оси коллимированного пучка коллиматора 20 на угол 45 градусов с возможностью высокоточного углового отклонения в пределах ±5 градусов. Теплоотвод при его охлаждении осуществляется через гибкие кондуктивные элементы, равномерно размещенные на его тыльной поверхности, соединяющие его с проточной криопанелью 21. Криоагент поступает к теплообменнику криопанели по спиральным трубкам, навитым свободно соосно с осью поворотной стойки, на которой установлено зеркало с криопанелью. Стойка имеет возможность углового и линейного перемещения вдоль оптической оси коллиматора и перпендикулярно ей.
Модуль 4 - это модуль герметично пристыкованного к камере испытуемого прибора 30. Пристыковывается к секции вакуумной камеры, относящейся к модулю поворотного зеркала 20, рабочее излучение от которого, как было отмечено выше, освещает объектив прибора 30.
Модули криорадиометра 5 и крио-Фурье-спектрометра 6 могут быть пристыкованы к модулю 3 поворотного зеркала 20 в период востребованности или постоянно вместе с вакуумными затворами, аналогичными таковым на позиции 24 у секции вакуумной камеры. Поворот последнего на 90° позволяет ввести коллимированный пучок с помощью зеркала 13 в криорадиометр 5 или крио-Фурье-спектрометр 6 для его энергетической и спектральной диагностики перед засветкой криообъектива испытуемого прибора 30 в модуле 4.
Модуль канала оптического фона 7 содержит переменный по яркости протяженный излучатель с механическими устройствами перемещения точечных диафрагм и щелей с заданной скоростью в поле зрения прибора
Модуль интерферометра сдвига 8 и 9 позволяет осуществлять периодический контроль сохраняемости качества оптики стенда при периодическом охлаждении от комнатных до криогенных рабочих температур с перепадом до 280 K и при ее отогреве. Оптическая связь интерферометра сдвига осуществляется при помощи полупрозрачного зеркала 27, относящегося к схеме канала фона. Поворотом этого зеркала на 90° можно осуществлять контроль стабильности качества оптики как со стороны источников излучения, так и со стороны поворотного зеркала 20.
Система вакуумирования с устройствами предварительной высоковакуумной откачки выполнена на основе машинных агрегатов безмаслянной откачки, а именно на основе безмаслянного форвакуумного 22 и криогенераторного высоковакуумного 23 насосов. После достижения разряжения в камере, имитирующего условия эксплуатации испытуемого прибора, машинные агрегаты отключаются при помощи вакуумного затвора 24, и давление в камере поддерживает жидкостной криоконденсационно-сорбционный высоковакуумный насос 26, который сообщается с камерой через открытый вакуумный затвор 25. При этом машинные агрегаты останавливаются, чтобы исключить влияние механических воздействий на оптическую систему, а введенный в работу жидкостной насос, во-первых, не является источником вибраций и, во-вторых, не требует посменного дежурства оператора в период многосуточной работы стенда.
Система криообеспечения 10 в виде криогенератора с замкнутым рефрижераторным циклом выполнена для создания двух уровней охлаждения: первый из них до температуры жидкого азота, например, радиационных экранов каждого из модулей. Источником криоагента является централизованная система азотного (80±3) K обеспечения. Второй уровень охлаждения низкотемпературных экранов, внутрикамерной оптики и оптико-механических узлов обеспечивает уровень температуры, близкой к гелиевой, достигает температуры, близкой к гелиевому уровню (15±3) K. Источником криоагента (паров гелия) может служить гелиевая установка Standart 1 фирмы Linde (Германия), действующая в замкнутом рефрижераторном режиме.
Криоагент низкотемпературного контура (пары гелия) поступает в распределитель-коллектор 11, а оттуда направляется в каждый из модулей через сеть трубопроводов и криовводы 29. Обратный поток паров гелия возвращается в коллектор и из него в схему гелиевой установки. Наружная разводка криоагента в замкнутой системе позволяет сохранить штатный температурный режим гелиевой установки, в то время как ввод парожидкостной смеси азота для радиационных экранов тоже по секциям с последующим выбросом паров этого криоагента вовне не нарушает режим работы высокотемпературного контура охлаждения экранов. Наружная разводка криоагента позволяет отключать при необходимости, например, в случае ремонта, от системы криообеспечения отдельные модули, такие, как криорадиометр, крио-Фурье-спектрометр, канал фона, испытуемый прибор, и тем самым сократить энергопотребление на работу системы криообеспечения, наиболее энергозатратной части стенда.
Информационный и программно-управляющий блок 12 обеспечивает дистанционное управление пусковыми операциями стенда, установление методически последовательных сюжетов в поле зрения испытуемого прибора по яркости, спектру и динамике перемещения визируемых объектов, уровней фоновых засветок входного зрачка прибора, а также регистрацию пороговых характеристик прибора в зависимости от условий эксперимента в соответствии с методикой и программой испытаний.
Использование предлагаемого технического решения дает следующие положительные результаты. В прототипе для откачки и глубокого охлаждения вакуумной камеры диаметром 4 метра и длиной 12 метров и для размещения сервисного оборудования необходима площадь около 9000 м2, мощность электроэнергии 960 кВт, численность персонала 80 человек и т.д. Предлагаемому вакуумно-криогенному стенду, имеющему объем общей камеры 24 м3 и собранному по модульной схеме, потребуется площадь 220 м2, мощность электропотребления 160 кВт, численность персонала 6 человек. В процессе эксплуатации стенда не все системы могут быть востребованы. Отсоединив их, можно уменьшить эксплуатационные издержки. Кроме этого, ремонтноспособность стенда упрощается за счет доступности к отдельным модулям.
Криогенно-оптический стенд для исследования и испытания оптико-электронных систем и приборов в инфракрасном интервале спектра, содержащий, вакуумно-криогенную камеру с герметично пристыкованным к ней испытуемым оптико-электронным прибором, выполненным на основе охлаждаемой оптики, и размещенными в ней охлаждаемыми радиационными экранами и функциональными оптико-механическими устройствами в виде охлаждаемых универсального источника излучения, сложного динамического источника излучения, коллиматора на основе силового зеркала и ломающих плоских зеркал, плоского поворотного охлаждаемого зеркала, направляющего параллельный пучок коллиматора в испытуемый прибор, охлаждаемый спектрорадиометр, систему криогенного обеспечения в виде криогенератора с замкнутым рефрижираторным циклом, систему вакуумирования с устройствами предварительной и высоковакуумной откачки, отличающийся тем, что в нем охлаждаемые внутрикамерные функциональные оптико-механические устройства выполнены в виде отдельных модулей, установленных в собственных секциях вакуумно-криогенной камеры, имеющих свои охлаждаемые экраны и собирающихся по мере предметной востребованности в единый функционирующий имитационно-испытательный блок, при этом источник сложного динамического излучения снабжен плоским зеркалом, линейно перемещающимся и перекрывающим при необходимости световой поток от универсального источника излучения, направленный в сторону силового асферического криоколлиматоного зеркала через первое и второе плоские ломающие зеркала, при этом:
имитационная оптическая схема стенда снабжена модулем канала оптического фона, содержащим широкопольный источник излучения и подвижную полупрозрачную пластину, введенную в каналы источников универсального и сложного динамического излучения;
- стенд оснащен модулем интерферометра сдвига, частью контрольной схемы которого служит подвижная полупрозрачная пластина от модуля канала фона, выполненная с возможностью поворота на прямой угол для контроля качества оптической схемы коллиматора как до источников излучения, так и качества оптической схемы коллиматора до плоского поворотного зеркала, выставляемого перпендикулярно оси коллимированного пучка;
- поворотное плоское зеркало снабжено проточной криопанелью, установленной с тыльной стороны и соединенной с ним гибкими кондуктивными элементами и с подводящими трубопроводами в виде спиралей, ось намотки которых совмещена с осью поворотной стойкиоснования этого зеркала и свободно охватывающими ее по длине;
- система криообеспечения снабжена блоком распределителя-коллектора, связывающего контуры охлаждения отдельных модулей в собственных секциях внекамерными трубопроводами для прямого и обратного потоков криогенной среды, поступающей от криогенератора;
- в систему вакуумирования введена третья ступень высоковакуумной откачки в виде жидкостного криокондесционносорбированного насоса, не являющегося источником механических возмущений для оптической системы стенда.
