Вакуумно-криогенный стенд



Вакуумно-криогенный стенд
Вакуумно-криогенный стенд
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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и касается многофункциональной оптико-электронной испытательной станции. Испытательная станция выполняется мобильной и включает в себя шину для подключения испытуемой оптико-электронной системы, блок выносных измерительных эталонов, блок выносных источников оптических помех, блок выносных метеорологических приборов, контрольно-измерительную аппаратуру (КИА), соединенную через вводно-выводное устройство с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) обработки сигналов и управления испытанием.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и датчика для измерения температуры и механических напряжений. Измерения осуществляются датчиком, который содержит первый путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть измерены; второй путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть измерены; третий путь распространения оптического излучения.

Изобретение относится к области контроля герметичности изделий. Способ масс-спектрометрического контроля герметичности моноблочных газовых лазеров включает создание замкнутых объемов с обеих сторон контролируемой оболочки лазера, откачку внутреннего объема вместе с анализатором пробного газа до высокого вакуума, накопление в контролируемой оболочке, соединенной с анализатором, пробного газа путем прекращения откачки пробного газа при откачке остальных газов и регистрацию изменения фоновой величины пика пробного газа за контрольное время Tк, выбираемое при выходе на линейный участок нарастания величины пика пробного газа, которое определяется до тех пор, пока зависимость интенсивности фонового потока пробного газа от времени при соседних измерениях не будет совпадать по крутизне и интенсивности с точностью до 10%, но не менее 3 раз.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ контроля герметичности отсоединенных от вакуумного поста моноблочных газовых лазеров включает использование для оценки герметичности пробного газа, выбор аналитических пар спектральных линий пробного и рабочего газов, для оценки концентрации пробного газа, построение калибровочной зависимости относительной интенсивности выбранной аналитической пары от концентрации пробного газа, регистрацию спектра излучения тлеющего разряда контролируемого лазера, определение по калибровочной зависимости концентрации пробного газа, создание замкнутого объема вокруг контролируемой оболочки лазера, заполнение указанного замкнутого объема пробным газом, накопление в контролируемом лазере пробного газа, регистрацию линий пробного газа в спектре излучения тлеющего разряда после хранения в среде пробного газа, определение по калибровочной зависимости концентрации пробного газа и оценку герметичности изделия по разности измеренных концентраций пробных газов до и после контрольного времени хранения.

Изобретение может использоваться для работы с приборами, работающими в различных спектральных диапазонах. Устройство содержит коллиматор с установленным в его фокальной плоскости широкополосным излучателем со спектральным диапазоном в видимой и ИК-областях спектра, оптическую систему переноса изображения, оснащенную поворотным механизмом, позволяющим направлять излучение от коллиматора в каналы контролируемого прибора без изменения положения коллиматора, и механизм регулировки положения излучателя в фокальной плоскости коллиматора относительно его оптической оси.

Изобретение относится к способам оценки состояния контролируемого объекта, а именно к проектированию систем диагностики опасных объектов (ОО), подвергающихся аварийным воздействиям в процессе эксплуатации.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения фактора шума микроканальной пластины. Способ включает снятие сигнала со всей площади люминесцентного экрана, который осуществляется в процессе изготовления МКП, регистрацию сигнала каждого импульса с выхода МКП, его усиление и подачу на многоканальный амплитудный анализатор импульсов.
Изобретение относится к области оптической техники, в частности к оптотехническим измерениям. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для юстировки и выверки осей многоканальных оптико-электронных систем. .
Тренажер для отработки комплекса задач по исследованию астрономического объекта участниками космической экспедиции содержит рабочее место оператора, средства имитации и визуализации реальных условий проведения исследований, графическую станцию, джойстики интерактивного управления объектами, соединенные определенным образом.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании стендов для наземных испытаний трансформируемых конструкций космических аппаратов, раскрывающихся в двух плоскостях, типа батареи солнечной (БС), с максимальным приближением к условиям невесомости.

Изобретение относится к области космической техники. Устройство для тепловакуумных испытаний содержит стационарный цилиндрический криогенный экран, расположенный в вакуумной камере, пространственно позиционируемый экран (ППКЭ) с размероизменяемым кронштейном и приводом трехмерной дислокации.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к наземной отработке теплового режима космических аппаратов. Способ тепловакуумных испытаний космического аппарата заключается в вакуумировании камеры с размещенным в ней КА до давления, исключающего конвективный теплообмен в камере, и воздействии на КА натурных тепловых потоков с помощью имитатора внешних тепловых потоков.

Изобретение относится к экспериментальной технике и может быть использовано для теплопрочностных статических испытаний конструкций летательных аппаратов, в частности к средствам, обеспечивающим воспроизведение нестационарных температурных полей в испытываемых конструкциях воздушно-космических самолетов (ВКС).

Изобретение относится к наземным испытаниям, в т.ч. при изготовлении космических аппаратов (КА).

Изобретение относится к тепловым имитационным стендам для испытаний аппаратуры космических аппаратов, выводимых на околоземную орбиту. Стенд содержит малогабаритную вакуумную камеру (ВК) с криогенным и соосным ему дополнительным экранами.

Изобретение относится к учебным пособиям для наглядной имитации движения природных и искусственных небесных тел. Устройство содержит стальной шар (1), имитирующий астероид, круговой желоб (2) и подвижное основание (4), имитирующее космический аппарат (КА).

Изобретение относится преимущественно к наземным испытаниям и отработке системы терморегулирования (СТР) космического аппарата. Согласно изобретению, заблаговременно определяют недостающее количество теплоносителя в системе, состоящей из имитатора СТР и модуля полезной нагрузки (ПН).

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для изготовления космического аппарата (КА). Изготавливают комплектующие, собирают КА из системы электропитания с солнечными и аккумуляторными батареями (САБ), стабилизированным преобразователем с зарядным и разрядным преобразователями, модуля служебных систем, полезной нагрузки, проводят электрические испытания КА на функционирование, термовакуумные, заключительные с применением имитаторов САБ, подключенных к промышленной сети через систему гарантированного электроснабжения с блокированием работы зарядных преобразователей стабилизированного преобразователя напряжения системы электропитания наземными средствами либо работающих по зарядному интерфейсу без рекуперации энергии заряда в промышленную сеть, проводят испытания на воздействие механических нагрузок и на контроль стыковки солнечных и аккумуляторных батарей с применением штатных аккумуляторных и солнечных батарей.
Наверх