Исследование и совершенствование оптико-электронного преобразователя для системы дистанционного зондирования Земли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Лавренов, Владимир Александрович

• Лавренов, Владимир Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Лавренов, Владимир Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор систем дистанционного зондирования Земли. Перспективы развития

1.1 Структура и устройство системы дистанционного зондирования Земли

1.2 Оптико-электронная камера в системах дистанционного зондирования Земли

1.3 Развитие космических аппаратов дистанционного зондирования Земли

1.4 Анализ запусков космических аппаратов

1.5 Выводы

ГЛАВА 2. Увеличение полосы захвата оптико-электронной камеры

2.1 Анализ способов увеличения полосы захвата оптико-электронной камеры

2.2 Оценка влияния деформации держателя фотоприборов на функцию передачи модуляции оптико-электронной камеры

2.3 Разработка математической модели деформации держателя фотоприборов

2.4 Численный анализ величины деформации держателя фотоприборов

2.5 Исследование влияния физических и геометрических параметров оптико-электронного преобразователя на величину деформации держателя фотоприборов

2.6 Алгоритм проектирования и изготовления держателя фотоприборов

2.7 Выводы

ГЛАВА 3. Исследование системы охлаждения оптико-электронного преобразователя

3.1 Разработка 3D модели традиционного блока оптико-электронного преобразования

3.2 Разработка математической модели теплообмена в узлах типового оптико-электронного преобразователя

3.3 Исследование системы охлаждения с использованием системы автоматического проектирования Creo Parametric

3.4 Выводы

ГЛАВА 4. Модернизация системы охлаждения оптико-электронного преобразователя

4.1 Обзор способов охлаждения радиоэлектронной аппаратуры

4.2 Выбор способа охлаждения перспективного оптико-электронного преобразователя

4.3 Разработка конструкции системы охлаждения с использованием тепловых труб

4.4 Выбор оптимального количества тепловых труб для системы охлаждения

4.5 Анализ традиционной системы охлаждения оптико-электронного преобразователя с гидротрактом

4.6 Сравнительный анализ традиционной системы охлаждения с системой охлаждения на основе тепловых труб

4.7 Экспериментальная проверка работы системы охлаждения на основе тепловых труб

4.8 Алгоритм проектирования системы охлаждения оптико-электронного преобразователя

4.9 Выводы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1 - Расчёт аксиальных тепловых труб;

Приложение 2 - Программа и методика тепловых испытаний системы охлаждения оптико-электронного преобразователя.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ БКА - большой космический аппарат; ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли; ДФ - держатель фотоприборов; ЖСО - жидкостная система охлаждения; ЖТ - жидкостной теплоноситель; ЗУ - запоминающее устройство; ИСЗ - искусственный спутник Земли; КА - космический аппарат;

КТЛР - коэффициент термического линейного расширения;

МКА - малые космические аппараты;

НПП - научно-производственное предприятие;

ОЭК - оптико-электронная камера;

ОЭП - оптико-электронный преобразователь;

ОС - основание;

ПНИ - плоскость наилучшего изображения; РКЦ - ракетокосмический центр; РН - ракетоноситель;

САПР - система автоматического проектирования; СКА - средний космический аппарат; СО - система охлаждения;

СОТР - система обеспечения терморегулирования;

СФ - система фокусировки;

ТАМ - теплоаккумулирующий материал;

ТЗ - техническое задание;

ТОС - тракт обработки сигнала;

ТП - тактовое питание;

ПУ - предварительное усиление;

ТТ - тепловые трубки;

ФПЗС - фотоприбор с зарядовой связью;

ФП - фотоприбор;

ФПМ - функция передачи модуляции; ЭК - электронный компонент;

Г Дж

с - удельная массовая теплоемкость теплоносителя, I——I;

с1экв - эквивалентный диаметр канала, [м]; f - площадь поперечного сечения канала, [ м 2 ] ;

С - удельная нормальная нагрузка на поверхность соприкосновения, ^ /1ср ! , /1ср 2 - высота шероховатостей контактирующих материалов, [ м ] ; К - коэффициент заполнения профиля волн (шероховатости); N и = К 0 ■ Р г0,4 3 ■ £ с ■ £ I - число Нуссельта, для переходного процесса; Ко - комплексный коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса

- мощность, рассеиваемая держателем фотоприборов, ; Рр - мощность, рассеиваемая рамой, [ В т] ;

Р = 2 ■ 7Г ■ й0 - смоченный периметр канала, [м]; - радиус канала, ;

С

Р г = д ■ - - число Прандтля;

А

<2 о б щ . - общее тепловыделение, [ В т] ;

- тепловыделение ФП, ;

- тепловыделение компонентов ячейки ПУ, ;

- тепловыделение компонентов ячейки ТОС, ;

- тепловыделение компонентов ячейки ТП, ;

- тепло, отводимое естественной конвекцией, ;

- тепло, отводимое за счёт теплопроводности, ; -тепло, отводимое за счёт лучистого теплообмена, ;

<23. / - тепловыделение зоны I, [ В т] ; <2з. II - тепловыделение зоны II, [ В т] ;

й I, й II - термическое сопротивление I и II зоны соответственно, ; й е = о 0 ■ ^^ - Число Рейнольдса;

V

с гм31

о 0 - расход теплоносителя, [—] ;

Д Д ^ - разность температур между тепловыделяющей и теплоотводящей поверхностями в I и II зоне, [ ° С ] ;

£

о0 = ~у - скорость потока теплоносителя, [м/с];

- зависимость, характеризующая форму выступа шероховатости; а = N и ■ ^ - коэффициент конвективной теплоотдачи (получен из граничных условий 3-го

рода), [мк];

а1, а и - тепловая проводимость I и II зоны соответственно, ["Т^];

Г Вт

а j - тепловая проводимость у - го контакта, [;

Г Вт

а с - тепловая проводимость среды,

Г Вт

а м - тепловая проводимость материалов, [^^г];

Яс - коэффициент теплопроводности среды в зоне контакта,

- коэффициент теплопроводности теплоносителя, Я м - коэффициент теплопроводности материала в сечении 5м, Ц^]; Ям - приведенный коэффициент теплопроводности контактирующих материалов, Я м 1, Я м 2 - коэффициенты теплопроводности контактирующих материалов, [-7-];

|_м- Си

- коэффициент динамический вязкости,

V - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, [—];

Гкг]

р - плотность теплоносителя, [ —];

<гв - временное сопротивление разрыву (предел прочности),

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и совершенствование оптико-электронного преобразователя для системы дистанционного зондирования Земли»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

В настоящее время в научно-технической деятельности человека отмечается возросший интерес к высококачественной гео-информации. Такая информация может быть получена с помощью более совершенных спутниковых систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в состав которых входит устройства и узлы различного функционального назначения. Поэтому совершенствование систем ДЗЗ неразрывно связано с научно-техническими достижениями в различных направлениях. Так, например, в области космического телескопостроения, увеличивается апертура проектируемых образцов, улучшается их термостабилизация, применяются новейшие способы автоматической юстировки и фокусировки [1]. С целью улучшения обработки и сжатия информации с минимальными потерями при её передаче проводятся исследования в области программного обеспечения [2]. Уточняются и усложняются математические модели сигналов в оптико-электронных системах для учёта факторов, влияющих на качество получаемой информации [3]. Исследуются методы разработки космических аппаратов (КА) для повышения их стабилизации и манёвренности, обеспечивая качество и оперативность информации [4]. Проектируются экспериментальные оптико-электронные камеры (ОЭК), оптико-электронные преобразователи (ОЭП) в их составе и внедряются новейшие технологии для изготовления составных частей аппаратуры.

Одновременно с этим наблюдается динамичное развитие малых космических аппаратов (МКА) [5,6,7,8]. Ежегодно количество запусков МКА неуклонно растёт [9,10,11], как и их популярность, которой способствует более низкая цена разработки и вывода МКА на орбиту. Это обстоятельство накладывает серьёзные масса-габаритные и энергетические ограничения на перспективные разработки в этом направлении.

Анализ конструктивных и технических решений отечественных и зарубежных ОЭП показывает, что прецизионное базирование и термостатирование фотоприборов в конструкции ОЭП влияет на качество получаемых изображений и является важным условием для функционирования систем ДЗЗ.

Следует отметить, что традиционная система охлаждения отечественного ОЭП не может быть использована в МКА, так как она предназначена для жидкостной системы терморегулирования БКА (реже для средних СКА), которая имеет неприемлемые массогабаритные параметры для МКА.

Успешное решение задачи стабилизации положения фотоприборов ОЭП обеспечит расчётные характеристики системы ДЗЗ и высокие измерительные качества получаемых изображений, а компактная система охлаждения без использования жидкостного теплоносителя позволит использовать ОЭП в различных типах КА (МКА, СКА, БКА), что определяет актуальность этого направления.

Цель диссертационной работы

Исследование и совершенствование эксплуатационных характеристик и системы охлаждения ОЭП для перспективных КА ДЗЗ.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

- определить современные тенденции развития КА для систем ДЗЗ и ОЭП на его борту;

- определить способы модернизации эксплуатационных характеристик ОЭП и критерий унификации системы охлаждения ОЭП;

- разработать математическую модель для оптимизации эксплуатационных характеристик ОЭП;

- разработать конструкцию ОЭП и его унифицированной системы охлаждения;

- провести моделирование и экспериментальное исследование работы системы охлаждения ОЭП;

- предложить алгоритмы проектирования ОЭП и его системы охлаждения, включающие в себя результаты модернизации эксплуатационных характеристик и унификации.

Научная новизна работы

1. Предложено учитывать в функции передачи модуляции (ФПМ) системы фокусировки ОЭК деформацию держателя фотоприборов ОЭП, что позволило повысить точность определения результирующей ФПМ ОЭК.

2. Разработана математическая модель напряжённо-деформированного состояния держателя фотоприборов, на базе методов механики твёрдого тела, которая позволила установить рациональное соотношение параметров держателя и повысить стабильность положения фотоприборов в процессе работы ОЭП.

3. Разработана унифицированная система охлаждения ОЭП с применением аксиальных тепловых труб, которая позволила использовать ОЭК не только на борту СКА и БКА, но и на МКА.

Практическая значимость полученных в работе результатов

1. Разработана конструкция и комплект документации ОЭП с увеличенной фоточувствительной поверхностью, которая способна обеспечить полосу захвата ОЭК более 68км для КА класса «Ресурс-П».

2. Разработана конструкция и комплект документации унифицированной системы охлаждения ОЭП, которая способна расширить область применения ОЭК (патент на изобретение №2584722).

3. Разработан и внедрён алгоритм проектирования ОЭП, учитывающий рациональное соотношение параметров держателя фотоприборов.

4. Разработан и внедрён алгоритм проектирования системы охлаждения ОЭП, учитывающий унификацию её конструкции.

5. Разработан макетный образец ОЭП, на котором проведено экспериментальное исследование работы системы охлаждения и полученные результаты сопоставлены с результатами моделирования.

Методы исследования

В диссертационной работе активно применяется пакет программ Creo Simulate и Ansys, которые позволяют значительно сократить трудоёмкость вычислений температурного поля в ОЭП. Основной принцип решения - метод конечных элементов. В зависимости от шага

разбиения, 3D-модель разбивается на трёхмерные элементы (тетраэдр, октаэдр и т.д.). Для каждого элемента составляется уравнение теплового баланса. Программы вычисляют систему алгебраических уравнений и представляет результат в графическом виде (вектора, графики, интерференционная модель и т.д.).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Одним из оптимальных способов увеличения длины полосы захвата ОЭК является увеличение длины фоточувствительной поверхности ОЭП.

2. Для увеличения ФПМ системы фокусировки ОЭК необходимо минимизировать деформацию фоточувствительной поверхности ОЭП.

3. Величина деформации фоточувствительной поверхности ОЭП зависит от температурного режима держателя фотоприборов и его геометрических размеров (длина, высота).

4. Применение аксиальных тепловых труб в системе охлаждения обеспечивает рабочий температурный режим ОЭП и позволяет исключить жидкостной тракт из конструкции прибора.

5. Адекватность модели системы охлаждения ОЭП, построенной с помощью метода конечных элементов, подтверждается экспериментальным исследованием.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается:

- комплексом исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования;

- экспериментальной проверкой результатов моделирования;

- обсуждениями на научно-технических конференциях и публикациями в периодических рецензируемых научных изданиях;

- экспертизой заявки на изобретение.

Реализация результатов работы

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы:

- в производственной деятельности филиала АО «РКЦ» ПРОГРЕСС» - НПП «ОПТЭКС» при выполнении ОКР «Прибор-ОЭК-СППИ» по договору № ОП-471 от 30.07.2010г. и ОКР «Аист-2» по договору № 02.G36.31.001 от 12.02.2013г., что подтверждено актом внедрения;

- при выполнении прикладных научных исследований по Соглашению №14.575.21.0069 (уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57514X0069), проводимых в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», что подтверждено актом внедрения.

Апробация работы

Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Лавренов В.А. Влияние термических факторов на точностные характеристики датчика астроориентации / В.А. Лавренов, П.Н. Разживалов // Известия ВУЗов. Электроника. -2013. - №2 (100). С.91-92.

2. Лавренов В.А. Влияние оптических параметров системы ДЗЗ на требования к установочной поверхности матриц ФПЗС блока ОЭП / В.А. Лавренов, Самойликов В.К. // «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России» - 2014. - №3 (123). - С.46-49.

3. Лавренов В.А. Влияние оптико-электронного преобразователя на систему фокусировки оптико-электронной камеры дистанционного зондирования земли / В.А. Лавренов, Самойликов В.К. // «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России» - 2015. - №2 (126). С.68-70.

4. Лавренов, В.А. Выбор и оптимизация конструкции держателя фотоприборов оптико-электронного преобразователя с учётом его геометрических и эксплуатационных параметров / В.А. Лавренов // «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России» - М. - 2016. - №4. - С.48-52.

Материалы международных конференций:

-Second International Conference «Heat Pipes for Space Application» (2HPSA), 15-19 сентября 2014, г. Москва.

- Международная научно-практическая конференция «Современный взгляд на будущее науки», 28 октября 2015, г. Челябинск.

- Международная научно-техническая конференция «Новые задачи технических наук и пути их решения», декабрь 2015, г. Челябинск. 192с.

- 22-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 25-26 февраля 2016, г. Москва.

Авторские свидетельства и патенты:

- Патент на изобретение №2584722 «Многоканальный блок оптико-электронного преобразования».

Статьи:

- VII Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, сен.2010г, стр.173-178.

- II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», Самара, сен.2011г, стр.341-347.

- IX Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, сен.2012г, стр.132-136.

- Молодёжная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», Звёздный городок, ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина», 26 июня 2013, г. Москва.

- Х Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, сен.2013г, стр.188-194.

- Х Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, сен.2013г, стр.203-212.

- XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, сен.2016г, стр.88-117.

- XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, сен.2016г, стр.301-309.

Материалы конференций и семинаров:

- «Вторая окружная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов», Москва, Зеленоград, фев.2010г, с.27.

- «Вторая окружная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов», Москва, Зеленоград, фев.2010г, с.36.

- 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», МИЭТ, апр.2010г, с.242.

- 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012», МИЭТ, апр.2012г, с.74.

- 23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2016» МИЭТ, 2016. -380 с.

Публикации по теме диссертации составляют 21 печатных работ, включая 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, и 6 публикации тезисов и докладов. Получен патент на изобретение "Многоканальный блок оптико-электронного преобразования" №2584722.

ГЛАВА 1. Обзор систем дистанционного зондирования Земли. Перспективы развития.

Первые космические снимки земной поверхности были получены в 1945 г. при помощи фотоаппарата, установленного на баллистической ракете "Fau-2", запущенной с американского испытательного полигона "White Sands". Это была фотоплёночная система с возвращаемой на Землю капсулой.

Первая телевизионная система, осуществляющая систематический обзор поверхности Земли в метеорологических целях, была установлена на американском космическом аппарате

"Tiros-1" (рис.1.1), запущенном

1 апреля 1960 г. Первый отечественный ИСЗ аналогичного назначения "Космос-122" был выведен на орбиту 25 июня 1966 г.

С этого момента телевизионные системы наблюдения Земли из космоса получили широчайшее распространение. Сформировалось целое направление научно-технической деятельности, которое получило название - Дистанционное Зондирование Земли (ДЗЗ), по-английски Earth Remote Sensing [12].

Рисунок 1.1 - Первое телевизионное изображение Земли из космоса, полученное американским спутником "TIROS-I"

1.1 Структура и устройство системы дистанционного зондирования Земли

Существующие системы ДЗЗ из космоса позволяют получать широкий спектр информации о поверхности земли и океана или о состоянии земной атмосферы. Такие системы строятся на основе различных научных измерительных приборов, камер, сканеров, видеоспектрометров и т.п. Среди них можно выделить основные элементы, присущие практически всем космическим телевизионным системам наблюдения.

На рисунке 1.2 показана типичная структура космической системы наблюдения. Она включает в себя бортовую и наземную части [12,13].

Рисунок 1.2 - Структура космической системы наблюдения. В наземный сегмент входят:

- центр управления полётом, где формируются полётные задания и анализируется вся информация о работе космического аппарата (КА) и бортовой аппаратуры;

- станции приёма информации от аппаратуры КА;

- рабочие станции первичной и вторичной обработки поступающей видеоинформации.

Бортовой сегмент включает в себя:

- оптическую систему;

- систему приёма и преобразования информации;

- систему накопления информации;

- передающую радиосистему;

- аппаратуру астронавигации;

- аппаратуру радионавигации;

- систему управления съёмочной аппаратурой.

Цель диссертационной работы напрямую связана с бортовым сегментом. Рассмотрим его подробнее:

1. Оптическая система - включает в себя объектив, светозащитное устройство, крышку защиты от загрязнения и попадания прямого солнечного излучения, а также элементы системы фокусировки объектива в полете. В состав оптической системы, как правило, также входят элементы системы терморегулирования, которые обеспечивают стабильную температуру оптической системы. Параметры конкретной оптической системы зависят от решаемых задач и облика аппаратуры.

В космических телевизионных системах используются линзовые, зеркально-линзовые и полностью зеркальные объективы. Зеркальные объективы обычно применяют в системах высокого разрешения, а также работающих в широком спектральном диапазоне, от ультрафиолетового до дальнего ИК. Линзовые объективы, по сравнению с зеркальными, позволяют получать большие поля наблюдения, недоступные зеркальным системам, но при этом имеют значительно большую массу. Зеркально-линзовые объективы - компромиссный вариант. В системах, работающих только в ИК диапазоне, часто применяются линзовые объективы на основе германия и кремния, которые прозрачны в ИК диапазоне.

2. Оптико-электронный преобразователь, это устройство на основе линеек или матриц ФПЗС (далее фотоприборы, ФП) [14], в котором оптическое излучение преобразуется в аналоговый электрический сигнал, затем этот усиливается, а потом преобразуется в цифровой. Разрядность цифрового сигнала зависит от вида аппаратуры и решаемых задач. В оптико-электронном преобразователе может использоваться несколько фотоприборов, каждый из которых может иметь одно или несколько выходных устройств. Соответственно цифровая обработка и выдача информации из блока будет осуществляться по нескольким каналам одновременно. Количество этих каналов и величина информационного потока определяется конкретными параметрами аппаратуры. В высокопроизводительных системах высокого разрешения информационный поток на выходе оптико-электронного блока может составлять несколько Гбит в секунду.

3. Устройство цифровой обработки видеоинформации - принимает информацию от оптико-электронного преобразователя и (в зависимости от решаемой задачи) осуществляет её цифровую обработку. Для систем космического наблюдения, как правило, основным видом обработки является 2,5 - 8 кратное сжатие видеоинформации. Это связано с требованиями минимального искажения передаваемой видеоинформации. После сжатия видеоинформация в сопровождении служебной информации передаётся в систему накопления информации.

4. Система накопления информации - осуществляет запоминание, долговременное хранение и выдачу цифровой информации от оптико-электронных камер, а также от других устройств, которые могут входить в состав космического аппарата. Система накопления осуществляет многоканальный приём цифровой информации и запись в запоминающее устройство (ЗУ). В зависимости от решаемых, задач ёмкость ЗУ может изменяться в широких пределах. Наибольшая ёмкость ЗУ необходима для оптико-электронной аппаратуры наблюдения высокого разрешения. Типичным значением ёмкости бортовых цифровых накопителей является 100 - 200 Гбит. В последнее время, в связи с ростом информационных потоков, передаваемых по радио каналу на Землю, ёмкость бортовых ЗУ существенно выросла и доходит до 2 Тбит.

В некоторых телевизионных системах наблюдения бортовые ЗУ вообще не используются, а цифровая информация от оптико-электронной аппаратуры поступает напрямую в радиоканал для передачи на наземные приёмные пункты.

5. Передающая радиосистема - обеспечивает формирование "радиокадра" из поступающей от запоминающего устройства цифровой информации и передачу её по

радиоканалу. При "подготовке" к передаче информации она подвергается помехоустойчивому кодированию, из-за чего объём информации увеличивается на 20 - 30%. Максимальные пропускные способности радиоканалов, используемых в космических системах наблюдения, составляют 256 - 370 Мбит в секунду. Такие каналы используются для передачи информации высокого и высокодетального разрешения. Обычно же пропускная способность радиоканалов 120 Мбит/с и ниже. Во вновь создаваемых высокодетальных коммерческих системах наблюдения (разрешение около 0,5 м) пропускная способность радиоканалов будет составлять 600 - 700 Мбит/с.

6. Система управления - обеспечивает управление всеми бортовыми системами, задействованными при работе съёмочной аппаратуры. Она принимает полётное задание, поступающее из центра управления по специальному радиоканалу. Контролирует исправность отдельных систем и устройств, управляет резервами аппаратуры, задаёт конкретную конфигурацию системы с учётом исправных и неисправных зарезервированных устройств, осуществляет сбор и анализ информации оперативного контроля устройств и формирует воздействия для парирования отказов. С учётом показаний бортовой шкалы времени разворачивает циклограммы работы отдельных приборов и формирует им конкретные задания на режимы работы с учётом конкретных изменяемых параметров управления режимами.

Комплекс бортовой аппаратуры системы наблюдения кроме внутреннего взаимодействия, направленного на решение целевой задачи - съёмки поверхности Земли, должен взаимодействовать и с другими системами КА:

- с системой электроснабжения;

- с бортовым вычислительным комплексом;

- с командно-информационной системой;

- с системой телеметрических измерений;

- с передающей радиосистемой.

С системы электроснабжения КА поступает напряжение питания на аппаратуру радионавигации, систему накопления информации, систему управления, аппаратуру астронавигации, систему приёма и преобразования информации, систему накопления информации и передающую радиосистему.

Телеметрическая информация и информация оперативного контроля составных частей оптико-электронной системы наблюдения передаётся в телеметрическую систему КА, а затем на Землю по специальному телеметрическому радиоканалу с невысокой пропускной способностью 1 - 9 Кбит/с.

Все перечисленные системы, тем или иным образом, выполняют основную задачу -съёмка заданных участков, районов Земли с координатной привязкой получаемых изображений к географической системе координат. Следует отметить, что оптическая система и оптико-электронный преобразователь образуют оптико-электронную камеру (ОЭК), которая является основным инструментом, обеспечивающим проведение съёмки.

1.2 Оптико-электронная камера в системах дистанционного зондирования Земли Современные КА ДЗЗ делятся на 4 класса [12,15,16]:

- Массой 2000 ^ 2500 кг и предельным разрешением 0,25 ^ 0,5 м;

- Массой 800 ^ 1000 кг и предельным разрешением 0,5 ^ 1,0 м;

- Массой 300 ^ 350 кг и предельным разрешением 2,0 ^ 3,0 м;

- Массой 100 ^ 150 кг и предельным разрешением 10 ^ 20 м.

Рассмотрим системы высокого и сверхвысокого разрешения, разрешения которых находятся в диапазоне 0,25-1м начиная с 2000 года запуска. К таким аппаратам относятся:

- Pleiades (Франция);

- KOMPSAT-2 (Корея);

- Ikonos (США);

- WorldView-I, II, III (США);

- GeoEye-1 (США);

- Quickbird-2 (США);

- Eros-B (Израиль);

- Ресурс-ДК-1 (Россия);

- Ресурс-П (Россия).

Обратим внимание на ОЭК в их составе и приведём их обобщённые характеристики для дальнейшего анализа, который позволит определить перспективные направления развития ОЭП в данной отрасли.

1) КА Pleiades (рис. 1.3) разработан в Франции и выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 693 км, в 2009г (второй КА был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 678 км, 1 декабря 2012г).

Рисунок 1.3 - Внешний вид КА Pleiades

При апертуре главного зеркала в 0,65 м, имеет разрешающую способность в панхроме 0,7 м, а в мультиспектре 2,8 м. Масса КА составляет 970 кг [17]. Конструкция ОЭК представлена на рисунке 1.4. Объектив ОЭК установлен на РСНК КА, на котором, вне оптической оси объектива, крепится ОЭП. Конструкция фокальной плоскости показана на рисунке 1.5. Световой поток делится призмой и попадает на фотоприборы, которые находятся во взаимно-перпендикулярных плоскостях с перекрытием. Основываясь на приведённых фотографиях можно сделать вывод, что держатель фотоприборов изготовлен из магниевого или алюминиевого сплава. Хорошая теплопроводность сплавов позволяет сузить рабочий температурный режим, что в свою очередь обеспечивает размеростабильность конструкции.

Рисунок 1.4 - Конструкция ОЭК КА Pleiades

Основные характеристики ОЭК КА Pleiades приведены в таблице 1.1. Данные таблицы, содержащие информацию о габаритных размерах фотоприборов и их пикселов, относятся к ОЭП, и в дальнейшем понадобятся для определения длины фоточувствительной сборки и сравнении ее с аналогами.

Таблица 1.1 - Основные характеристики ОЭК КА Pleiades [17]

Диаметр оптики 0,65 м Полоса захвата 20 км

Высота орбиты 693 км Длина ПХ строки 30000 пикселей

Фокусное расстояние 12,905 м Размер ПХ пиксела 13х13 мкм

Разрешение ПХ 0,7 м Длина МС строки 7500 пикселей

Разрешение МС 2,8 м Размер МС пиксела 52х52 мкм

Рисунок 1. 5 - Конструкция ОЭП КА Pleiades

2) КА GeoEye-1 (рис. 1.6) разработан в США и выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 681 км 6 сентября 2008 года.

Рисунок 1.6 - Внешний вид КА GeoEye-1

При апертуре главного зеркала в 1,1 м, имеет разрешающую способность в панхроме 0,41 м, а в мультиспектре 1,64 м. Масса КА составляет 1955 кг [18]. Конструкция оптико-электронной камеры представлена на рисунке 1.7. Объектив ОЭК установлен на РСНК КА, на котором, вдоль оптической оси через компенсационные стержни, крепится ОЭП.

Рисунок 1.7 - Конструкция ОЭК КА GeoEye-1

ОЭП представляет собой объёмную конструкцию, занимающую всю плоскость изображения, которую формирует объектив (рис. 1.8). Формирование фоточувствительной поверхности аналогично ОЭП на КА Pleiades, световой поток разделяется призмой и попадает на фотоприборы, которые находятся во взаимно-перпендикулярных плоскостях с перекрытием.

Рисунок

1.8 - ОЭП GeoEye-1

Так как в основной идеологии конструкция ОЭП КА GeoEye-1 совпадает с ОЭП КА Pleiades, проблема охлаждения и размеростабильности решаются аналогично. Основные характеристики ОЭК КА GeoEye-1 приведены в таблице 1.1

Таблица 1.2 - Основные характеристики КА GeoEye-1 [18]

Диаметр оптики 1,1 м Полоса захвата 15,2 км

Высота орбиты 684 км Длина ПХ строки 35000 пикселей

Фокусное расстояние 13.3м Размер ПХ пиксела 8х8мкм

Разрешение ПХ 0,41 м Длина МС строки 9300 пикселей

Разрешение МС 1,64 м Размер МС пиксела 32х32мкм

3) КА WorldView-2 (рис. 1.9) разработан в США и выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 770 км 8 октября 2009г.

Рисунок 1.9 - Внешний вид КА WorldView-2

При апертуре главного зеркала в 1,1 м, имеет разрешающую способность в панхроме 0,46 м, а в мультиспектре 1,84 м. Масса КА составляет 2800 кг [19]. Более подробной информации о конструкции КА в открытых источниках нет. Исходя из имеющихся данных [19]

объектив оптико-электронной камеры установлен на РСНК, на котором, вдоль оптической оси через компенсационные стержни, крепится ОЭП.

Такое конструктивное исполнение наиболее близко архитектуре актуальных отечественных разработок. Предположительно ОЭП выполнен в виде моноблока, объединяющего в себе мультиспектральные фотоприборы и панхроматические. Панхроматические и мультиспектральные фотоприборы, работающие в режиме ВЗН, составлены шахматным порядком. При этом, одна мультиспектральная сборка инвертирована относительно другой. Такое конструктивное исполнения предполагает использование держателя фотоприборов под каждую сборку. Стабилизация положения фотоприборов относительно ПНИ предположительно обеспечивается размеростабильностью сплава, из которого изготовлены держатели. В дополнение к этому, таблица 1.3 содержит основные характеристики ОЭК КА WorldView-2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лавренов, Владимир Александрович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Савицкий, А. М. Принципы построения оптических систем термостабилизированных телескопов ДЗЗ [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.11.07) / Савицкий Александр Михайлович; - С-П, 2012, 24с.

2. Клюйков, Д.А. Полная модель сигналов ОЭС оптического дистанционного зондирования атмосферы из космоса [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.11.07) / Клюйков Дмитрий Александрович; Мос. Энергет. Ин-т. - Москва, 2011, 20с.

3. Меламед, О.П. Математическая модель сигналов в оптико-электронных системах при ДЗЗ поверхности из космоса [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.11.07) / Меламед Ольга Петровна; Мос. Энергет. Ин-т. - Москва, 2007, 23с.

4. Горбунов, А.В. Методы разработки космических аппаратов для обеспечения качества информации ДЗЗ [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.13.01) / Горбунов Александр Викторович; Науч.-исслед. Ин-т электромех. - Москва, 2002, 19с.

5. Федеральное космическое агентство [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.federalspace.ru, 2016.

6. Государственная корпорация по космической деятельности «РОСКОСМОС» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.roscosmos.ru, 2016.

7. Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.khrunichev.ru, 2016.

8. Горбунов, А.В. Малые космические аппараты - новые средства дистанционного зондирования Земли из космоса [Текст] / А.В. Горбунов // Журнал «Труды ВНИИЭМ». - 2001. - С.18-42.

9. Алифанов, О.М. Малые космические аппараты как эволюционная ступень перехода к микро и наноспутникам [Текст] / О.М. Алифанов, А.А. Медведев, В.П. Соколов // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2011. - №49. - С.1-8.

10. Исследование рынка малых космических аппаратов в ретроспективе 20022013 гг. и с прогнозом до 2020 г [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.o2consulting.ru, 2014.

11. Максимовский, В. Малые космические аппараты для больших оборонных задач [Текст] / В. Максимовский // Журнал «Арсенал Отечества». - 2015. - №4.

12. Бакланов, А.И. Системы наблюдения и мониторинга [Текст] / А.И. Бакланов // «Бином. Лаборатория знаний» - М. - 2009. - 231С.

13. Гарбук, С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли [Текст] / С.В. Гарбук // Издательство А и Б - М. - 1997.

14. Пресс, Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью [Текст] / Ф.П. Пресс // Радио и связь - М. - 1991.

15. Савиных, В.П., Оптико - электронные системы дистанционного зондирования [Текст] / В.П. Савиных, В.А. Соломатин // Недра - М. - 1995.

16. Борисов, К.В. Состояние и перспективы развития космических средств дистанционного зондирования Земли [Текст] / К.В. Борисов // Материалы Х научно-технической конференции "Системы наблюдения, мониторинга и ДЗЗ" - М. - 2013.

17. Earth Observation Portal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://direct0ry.e0p0rtal.0rg/web/e0p0rtal/satellite-missi0ns/p/pleiades, 2016.

18. Earth Observati0n P0rtal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://direct0ry.e0p0rtal.0rg/web/e0p0rtal/satellte-missi0ns/g/ge0eye-1, 2016.

19. Earth Observati0n P0rtal. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://direct0ry.e0p0rtal.0rg/web/e0p0rtal/satellite-missi0ns/v-w-x-y-z/w0rldview-2, 2016.

20. Earth Observati0n P0rtal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://direct0ry.e0p0rtal.0rg/web/e0p0rtal/satellite-missi0ns/i/ik0n0s-2, 2016.

21. Earth Observati0n P0rtal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://direct0ry.e0p0rtal.0rg/web/e0p0rtal/satellite-missi0ns/e/er0s-b, 2016.

22. Гомозов, О.А. «Ресурс-ДК1» — достижения и упущенные возможности по обработке и использованию данных ДЗЗ [Текст] / О.А. Гомозов, А.Е. Кузнецов // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциация. — 2009, №2.

23. Архипов, С.А. Гиперспектральная аппаратура для КА «Ресурс-П» и перспективы её модернизации [Текст] / С.А. Архипов, В.М. Линько, А.И. Бакланов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социальном развитии общества». Самара. —2009. — С. 186.

24. Earth Observati0n P0rtal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://e0p0rtal.0rg/web/e0p0rtal/satellite-missi0ns/v-w-x-y-z/w0rldview-3, 2016.

25. Макриденко, Л.А. Микроспутники. Тенденция развития. Особенности рынка и социальное значение [Текст] / Л.А. Макриденко, К.А. Боярчук // - Труды НПП ВНИИЭМ. - 2005. - С. 12-29.

26. Макриденко, Л.А. Концептуальные вопросы создания и применения малых космических аппаратов [Текст] / Л.А. Макриденко, С.Н. Волков, В.П. Ходненко, С.А.

Золотой // Журнал «Вопросы электромеханики», Труды ВНИИЭМ. - Т. 114. - 2010. -С.15-26.

27. Севастьянов, Н.Н. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли [Текст] / Н.Н. Севастьянов, В.Н. Бранец, В.А. Панченко, Н.В. Казинский, Т.В. Кондранин, С.С. Негодяев // Журнал «Труды МФТИ». - 2009. - Т.1. - №3. - С.14-22.

28. Зинченко, О.Н. Малые оптические спутники ДЗЗ. - Режим доступа: http://www.racurs.ru, 2016.

29. Иллюстративные материалы к результатам сравнительного анализа характеристики материалов наблюдения российского КК ДЗЗ «Ресурс-П» №1 и зарубежных аналогов с использованием системы валидации [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.federalspace.ru/media/files/docs/2014/resurs_p.pdf, 2015.

30. Гаджиев, Э.В. Пути построения малогабаритных, не выступающих бортовых антенно-фидерных систем космических аппаратов [Текст] / Э.В. Гаджиев, В.С. Бочаров, А.Г. Генералов // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2014. - №76. - С.1-20.

31. Власенков, Е.В. Проектный облик перспективного малого космического аппарата с маршевой электроракетной двигательной установкой [Текст] / Е.В. Власенков, Т.Ш. Комбаев, А.М. Крайнов, П.С. Черников, А.Е. Шаханов. // Электронный журнал «Труды МАИ». - 2013. - №68. - С.1-20.

32. Гершензон, В. Малые спутники - провокация или перспективное направление? [Текст] / В. Гершензон, С. Карпенко // Журнал «Экология и жизнь». - 2011. - С.50-57.

33. «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.iss-reshetnev.ru, 2014.

34. «Научно-производственный центр «Малые космические аппараты» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.npc-mka.ru, 2014.

35. «ГлавКосмос» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.glavkosmos.ru, 2015.

36. Кирилин, А.Н. Космическое аппаратостроение: Научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» [Текст] / А.Н. Кирилин, Г.П. Аншаков, Р.Н. Ахметов, Д.А. Сторож // Под ред. д.т.н. А.Н. Кирилина. -Самара: Издательский дом «АГНИ», 2011. - 280с.

37. Кирилин, А.Н. Космический аппарат «Ресурс-П» [Текст] / А.Н. Кирилин, Р.Н. Ахметов, Н.Р. Стратилатов, А.И. Бакланов, В.М. Федоров, М.В. Новиков // Журнал «ГЕОМАТИКА». - 2010. - №4. - С.24-26.

38. Мельканович, А.Ф. К вопросу о синтезе аэрофотографической системы. М.: Научная и прикладная фотография и кинематография [Текст] / А.Ф. Мельконович, Д.А. Янутш // - 1979. - №1. - С.24-32.

39. Ребрин, Ю.К. Оптико-электронное разведывательное оборудование летательных аппаратов [Текст] / Ю.К. Ребрин // Киевское ВВАИУ, - Киев. -1988. - 452С.

40. Веселов, Ю. Г. Математическая модель цифровой инфракрасной системы дистанционного зондирования Земли [Текст] / Ю.Г. Веселов, С.П. Гулевич [и др.] // Наука и образование. - 2012. - №6. С.149-180.

41. Лавренов, В.А. Влияние оптических параметров системы ДЗЗ на требования к установочной поверхности матриц ФПЗС блока ОЭП [Текст] / В.А. Лавренов, В.К. Самойликов // Журнал «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России» -М. - 2014. - №3. - С.46-49.

42. Лавренов, В.А. Влияние оптико-электронного преобразователя на систему фокусировки оптико-электронной камеры дистанционного зондирования земли [Текст] / В.А. Лавренов, В.К. Самойликов // Журнал «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России» - М. - 2015. - №2. - С.68-70.

43. Лавренов, В.А. Выбор и оптимизация конструкции держателя фотоприборов оптико-электронного преобразователя с учётом его геометрических и эксплуатационных параметров [Текст] / В.А. Лавренов // Журнал «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России» - М. - 2016. - №4. - С.48-52.

44. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник в 3х томах, Том 1 [Текст] / Под редакцией И.А. Биргера, Я.Г. Пановко // Машиностроение - М. -1968. - 832С.

45. Тимошенко, С.П. Сопротивление материалов. В 2х томах. [Текст] / С.П. Тимошенко // Наука - М. - 1965. - 480С.

46. Лившиц, Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов, изд.2 [Текст] / Б.Г. Лившиц, В.С. Крапошин, Л.Я. Линецкий // «Металлургия» - М. - 1980. - 317С.

47. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя [Текст] / В.И. Анурьев // "Машиностроение" - М. - 2001.

48. Краткий справочник машиностроителя [Текст] / Под редакцией С.А. Чернавского // "Машиностроение" -М. - 1966.

49. Кузнецов, О.А. Прочность элементов микро-электронной аппаратуры [Текст] / О.А. Кузнецов, А.И. Погалов, В.С, Сергеев // Радио и связь - М. - 1990. - 144С.

50. Биргер, И.А. Расчёт на прочность деталей машин. Справочник [Текст] / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иоселевич // Машиностроение - М. - 1979. - 704С.

51. Серенсен, С.В. Несущая способность и расчёты деталей машин на прочность [Текст] / С.В. Серенсен, В.П. Когаев, Р.М. Шнейдерович // Машгиз - М. - 1963.

52. Гущин, В.Н. Основы устройства космических аппаратов [Текст] / В.Н. Гущин // Машиностроение - М. -2003. - 272С.

53. Королев, С.И. Системы обеспечения теплового режима космических аппаратов: учебное пособие [Текст] / С.И. Королев // - С.-Пб., - 2006. - 100с.

54. Цаплин, С.В. Система обеспечения теплового режима экспериментальной модели оптико-телескопического комплекса космического аппарата [Текст] / С.В. Цаплин, С.А. Болычев // Вестник СамГУ, - 2013. - №9. - С.236-243.

55. Довыденко, Е.А. Расчёт системы термостатирования электронной аппаратуры малого космического аппарата [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.scienceforum.ru/2014/discus/343/829, 2014.

56. Марущенко, Д. Печатные платы с металлическим основанием [Текст] / Д. Марущенко // Электроника - М. - 2009. С.100-101.

57. Боярчук, К.А. Проект «Вулкан». Перспективы развития [Текст] / К.А. Боярчук // Журнал «Разработка космических аппаратов малой размерности» - 2004. -С.49-65.

58. Бирюк, В.В. Результаты экспериментального исследования контурной тепловой трубы [Текст] / В.В. Бирюк, А.И. Китаев // Журнал «Вестник СамГУ» - Самара. - 2008. - №3. - С.27-31.

59. Болгарский, А.В. Термодинамика и теплопередача. Учебн. Для вузов [Текст] / А.В. Болгарский, Г.А. Мухачев, В.К. Щуки // Высшая школа 2-е изд., перераб. и доп. -М. - 1975. - 495С.

60. Лобасова, М.С. Тепломассообмен [Электронный ресурс]: курс лекций / М.С. Лобасова, К.А. Финников, Т.А. Миловидова и др. // - Электрон. дан. (4 Мб). - Красноярск : ИПК СФУ, 2009. - (Тепломассообмен: УМКД № 1536-2008 / рук. творч. коллектива М.С. Лобасова). - 1 электрон. опт. диск (DVD).

61. Дульнев, Г.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры [Текст]: Учебное пособие для студентов высших технических заведений / Г.Н. Дульнев, Н.Н. Тарновский // Энергия - М. - 1971. - 248С.

62. Михеев, М.А. Основы теплопередачи [Текст] / М.А. Михеев, И.М. Михеева // Энергия Изд. 2-е, стереотип. - М. - 1977. - 344С.

63. Дульнев, Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре [Текст]: Учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры» / Г.Н. Дульнев // Высшая школа - М. - 1984. - 247С.

64. Лыков, А.В. Теория теплопроводности [Текст] / А.В. Лыков // Высшая школа - М. - 1967. - 599С.

65. Парселл, Э. Берклеевский курс физики [Текст] / Э. Парсел // Наука Издание 3-е, исправленное - М. - 1983. - 439С.

66. Джанколи, Д. Физика [текст]: В 2-х т. Т.2: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. -

672с.

67. Попов, В.М. Теплообмен в зоне контакта разъёмных и неразъёмных соединений / В.М. Попов // Энергия - М. - 1971. - 216С.

68. Исаченко, В.П. Теплопередача [Текст] / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел // Энергия 3-е изд., перераб. и доп. - М. - 1975. - 488С.

69. Шлыков, Ю.П. Контактное термическое сопротивление [Текст] / Ю.П. Шлыков, Е.А. Ганин, С.Н. Царевский // Энергия - М. - 1977. - 328С.

70. Мартыненко, О.Г. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т.2. [Текст] / Пер. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова // Энергоатомиздат - М. -1987. - 352С.

71. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел [Текст] / Г. Карслоу, Д. Егер // Наука - М. - 1964. - 488С.

72. ГОСТ 1491-80. Винты с цилиндрической головкой классов точности А и В. Конструкция и размеры [Текст]. - Взамен ГОСТ 1491-72; введён 01.01.82.

73. ОСТ 1 00017-89. Моменты затяжек болтов, винтов и шпилек. Общие требования [Текст]. - введён 01.01.90.

74. ОСТ4 Г0.019.200 Соединения резьбовые. Способы и виды предохранения от самоотвинчивания [Текст].

75. PTC [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ptc.com, 2016.

76. Румянцев, А.В. Метод конечных элементов в задачах теплопроводности [Текст] / А.В. Румянцев // - Калининград - 1995. - 170С.

77. Розин, Л.А. Метод конечных элементов [Текст] / Л.А. Розин // Соросовский образовательный журнал. - 2000. - Т.6. - №4. - С.120-127.

78. Темирханов, Т.Г. Численное моделирование термического сопротивления тепловых трубок в системе охлаждения блока радиоэлектронной аппаратуры [Текст] / Т.Г. Темирханов // Электронный журнал «Молодёжный научно-технический вестник» - 2015. - С.1-16.

79. Вихарев, Л. Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе, или кратко о методах и средствах охлаждения РЭА [Текст] / Л. Вихарев // Журнал «Силовая электроника» - 2005. - №4. - С.54-59.

80. Карих, А. Охлаждение блоков обработки сигналов и информации [Текст] / А. Карих // Журнал «Современная электроника» - 2012. - №2. - С.46-51.

81. Мартыненко, О.Г. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т.1. [Текст] / Пер. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова // Энергоатомиздат - М. - 1987.

82. Вихарев, Л. Вентиляторы для радиоэлектронной аппаратуры [Текст] / Л. Вихарев. // Журнал «Современная электроника» - 2006. - №5. - С.32-38.

83. Меркульев, А. Ю. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий [Текст] / А. Ю. Меркульев, Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Журнал «Молодой учёный» - 2013. - №11. - С.143-145.

84. Алмаметов, В. Б. и др. Моделирование нестационарных тепловых полей электрорадиоэлементов [Текст] / В.Б. Алмаметов, А.В. Авдеев, А.А. Затылкин, В.Г. Таньков, Н.К. Юрков, В.Я. Банов // НиКа. - 2010. - 4С.

85. Полетаев, Б.И. Проектирование систем обеспечения теплового режима КА [Текст]: учеб. пос. / Б.И. Полетаев // БГТУ - С.-Пб. - 2008. - 37С.

86. Бирюк, В. В. Применение тепловых труб для охлаждения РЭА [Текст] / В.В. Бирюк, А. И. Китаев // Журнал «Вестник СамГУ» - 2009. - №3. - С.342- 345.

87. Китаев, А. И. Тепловые трубы повышенной тепловой проводимости - как базовые элементы системы терморегулирования в аэрокосмической технике [Текст] / А.И. Китаев, А.Л. Лукс, А.В. Порядин // Журнал «Вестник СамГУ» - 2009. - №3. - С.98-101.

88. Лукс, А.Л. Анализ основных расчётных и экспериментальных теплофизических характеристик аммиачных тепловых труб повышенной тепловой проводимости из алюминиевых сплавов [Текст] / А.Л. Лукс, А.Г. Матвеев // Журнал «Вестник СамГУ» - 2008. - №3. - С.331-357.

89. Шпильрайн, Э.Э. Тепловые трубы [Текст] / Э.Э. Шпильрайн // Мир - М. -1972. - 420с.

90. Лукьянов, А.В. Аккумуляторы тепловой энергии на основе фазового перехода [Текст] / А.В. Лукьянов // Вестник ДНАСиА. - 2010. - №86. - С.64-68.

91. Осташенков, А.П. Аккумулятор теплоты на фазовых переходах со шнековым теплообменником [Текст] / А.П. Осташенков, Е.М. Онучин, А.А. Медяков // Научный журнал КубГАУ - 2013. - №91. - С.1-12.

92. Авдуевский, В.С. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике [Текст]: Учебник для авиационных специальностей вузов / В.С. Авдуевский // Машиностроение 2-е изд., перераб. и доп. - М. - 1992. - 528С.

93. Ганенко, С.А. Особенности системы терморегулирования малого космического аппарата «Юбилейный-2» [Текст] / С.А. Ганенко, В.В. Басынин, З.А. Казанцев // Журнал «Исследование Наукограда» - 2012. - №2. - С.17-19.

94. Лукс, А.Л. Исследование высокоэффективных аммиачных тепловых труб энергосберегающих систем терморегулирования крупногабаритных конструкций космического аппарата [Текст] / А.Л. Лукс, А.Г. Матвеев // Журнал «Вестник СамГУ» -2007. - №6. - С.401-418.

95. Гончаров, К.А. Опыт разработки и применения тепловых труб для космических аппаратов в научно-производственном объединении имени С.А. Лавочкина [Текст] / К.А. Гончаров, В.В. Двирный // Журнал «Вестник СибГАУ имени академика М.Ф. Решетнева» - 2008. - С.123-127.

96. Бухмиров В.В. Расчёт коэффициента конвективной теплоотдачи (основные критериальные уравнения) [Текст]: Методические указания к выполнению практических и лабораторных занятий / В.В. Бухмиров // ИГЭУ им. Ленина - Иваново. - 2007. - 39С.

97. Морковин, А.В. Теплоносители для внутренних контуров систем терморегулирования пилотируемых космических аппаратов [Текст] / А.В. Морковин, А.Д. Плотников, Т.Б. Бориченко // Журнал «Космическая техника и технологии» - 2013. - №1. - С.79-87.

98. Морковин, А.В. Теплоносители для тепловых труб и наружных гидравлических контуров систем терморегулирования автоматических и пилотируемых космических аппаратов [Текст] / А.В. Морковин, А.Д. Плотников, Т.Б. Бориченко // Журнал «Космическая техника и технологии» - 2015. - №3. - С.89-99.

99. Тимошенков, С.П. Методика определения угловой погрешности звёздного датчика с жидкостным охлаждением [Текст] / С.П. Тимошенков, В.В. Калугин, П.Н. Разживалов // ФГУП «ВИМИ», межотраслевой научно-технический журнал «ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС - научно-техническому прогрессу России» - 2014. - №3. -С.54-59.

100. Спутник RapidEye [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rapideye-satellite.ru/satellites.html, 2016.

101. Российское Космическое Агентство [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.federalspace.ru, 2013.

102. «Ракурс» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.racurs.ru, 2014.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 РАСЧЕТ АКСИАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

CОДEРЖAНИE

1. ЦЕЛЬ РAСЧETA.................................................................................................................................3

2. TEПЛОВЫE TРУБЫ В КОНСТРУКЦИИ СОTР............................................................................4

3. ИСХОДНЫЕ ДAННЫE ДЛЯ РAСЧETA.........................................................................................5

4. РEЗУЛЬTATЫ РAСЧETA.................................................................................................................9

5. РAСЧET МAССЫ ЗAПРAВKИ ATT..............................................................................................13

6. ВЫВОДЫ И РEKОМEНДAЦИИ....................................................................................................14

ЛИTEРATУРA......................................................................................................................................15

1. ЦЕЛЬ РАСЧЕТА

Настоящий расчёт выполнен специалистами ООО НПП «ТАИС» в рамках ОКР под руководством автора диссертации с целью определения соответствия характеристик труб тепловых ОЭП: ТС-5124-10, ТС-5124-20, ТС-5124-30, ТС-5124-40 требованиям исходных данных. (ред.: расчёт представлен в авторском оформлении и поясняет основные параметры ТТ, которые использовались в диссертационной работе при расчётах системы охлаждения)

2. ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ В КОНСТРУКЦИИ СОТР

Аксиальные тепловые трубы (АТТ) в составе системы обеспечения терморегулирования (СОТР) космического аппарата (КА) применяются в качестве коллекторных труб, соединяющих элементы конструкции КА и выравнивающих температуру между ними.

Тепловые трубы с аксиальными канавками производятся из алюминиевого профиля, получаемого экструзией (горячим прессованием), что позволяет не только максимально полно учитывать конструктивные требования, но и получать профили с абсолютно воспроизводимой геометрией капиллярной структуры.

АТТ ОЭК изготовлены на основе профиля алюминиевого 206110, наружный диаметр которого составляет 6 мм (рис. 1). На АТТ ОЭК1 и ОЭК2 (ТС-5124-10, ТС-5124-20) в зонах подвода и отвода тепла устанавливаются разъёмные основания. На АТТ ОЭК3 и ОЭК4 (ТС-5124-30, ТС-5124-40) основания ставятся только в зоне отвода тепла (рис. 2). Основания ставятся на теплопроводный клей-герметик Эласил 137-182 ТУ 6-02-1-015-89. Толщина слоя клея не превышает 0,05 мм.

Рисунок 1 - Поперечное сечение профиля 206110.

Профиль 206110

Основание

137-182 ТЧ 6-02-1-015-89

Рисунок 2 - Сечение профиля 206110 с установленным основанием.

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Тепловые трубы ОЭК должны нормально функционировать в рабочем диапазоне температур от плюс 15 до плюс 35 °С, с перепадом не более 10 °С при заданной передаваемой мощности. Передаваемая мощность определяется общем тепловыделением зоны I и количеством ТТ в системе охлаждения ОЭП. В нашем случае передаваемая мощность одной ТТ должна быть не менее 6,5 Вт.

Исходные данные для расчёта АТТ представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные для расчёта АТТ

Номер АТТ Длина АТТ, м Длина зоны Длина зоны Передаваемая

нагрева, м конденсации, м мощность, Вт

ТС-5124-10 0,24 0,033 0,025 6,5

ТС-5124-20 0,24 0,033 0,025 6,5

ТС-5124-30 0,2 0,034 0,025 6,5

ТС-5124-40 0,22 0,034 0,025 6,5

Расчёт АТТ ОЭК состоит из двух частей - расчёт характеристик АТТ по теплоносителю, используя пакет прикладных программ для расчёта характеристик тепловых труб с аксиальными канавками «GROOVE 1.0», и расчёт перепада температур между корпусом АТТ и установленным на него основанием, используя пакет программ «ANSYS 11.0».

В основу пакета прикладных программ для расчёта характеристик тепловых труб с аксиальными канавками «GROOVE 1.0» положена одномерная модель гидродинамики и тепломассопереноса без учёта сил тяжести.

Модель содержит уравнения сплошности (1) и (3), уравнения движения (2) и (4) для пара и жидкости в канавках, уравнение теплопроводности стенки (5):

du" _ q 4 dx r p"ndi

(1)

dp" c p" u"2 du" .. .

- +-p u

dx d" 2 dx

йп' ^ 4

йх пг р'

ф'

йх

с р па йп' . .

— --+—р п

й' 2 йх

(4)

2 ^ _

™ йх2

(5)

где: х - продольная координата; u - скорость; p - давление; t - температура; р -плотность; г - удельная теплота парообразования; с - коэффициент сопротивления; X -коэффициент теплопроводности; п - число жидкостных канавок; de - эквивалентный диаметр; индексы: " - пар, ' - жидкость, w - стенка.

Граничные условия к уравнениям (1) - (5) приняты следующие:

п

х=0

= п"х=о = рх=о = ря Ю; р"х=0 = р+

4а

V йх J х=о

= 0;

V йх J х=1

= 0;

(6)

а также, для предельной тепловой нагрузки:

п\=1 = 0;

(7)

Р" х=1 = р+

2а

17

(8)

Алгоритм решения сводится к нахождению температуры насыщения ^ и максимального теплового потока Qmax , удовлетворяющих граничным условиям (7) и (8), при этом при каждой итерации решается система уравнений (1) - (5) с граничными условиями (6).

В программу «GROOVE 1.0» в качестве исходных данных вводятся: вид теплоносителя, геометрические параметры АТТ, рабочая температура и коэффициенты теплоотдачи в зонах подвода и отвода тепла. В результате расчёта определяется максимальная, для заданной рабочей температуры, мощность АТТ, термическое сопротивление в зонах подвода и отвода тепла и другие параметры.

На панели результатов размещаются числовые значения определяемых величин, а также графики распределения вдоль тепловой трубы давления и температуры (рис. 3).

Рисунок 3 - Вид панели исходных данных и панели результата расчёта.

Тепловой расчёт АТТ с установленным основанием производился в программе «АКБУБ 11.0». Для решения поставленной задачи была разработана двухмерная модель (рис. 4). Для модели были заданы тепловые характеристики материалов (таблица 2), температурный режим АТТ и подводимая мощность, определённые исходными данными.

Таблица 2 - Тепловые характеристики материалов [3].

Вид материала Применение Теплопроводность X, Вт/(мК)

Сплав АД31 Т5 ГОСТ 8617-81 Корпус АТТ 188

Сплав АВ ГОСТ 21488-97 Основание 176

Клей-герметик Эласил 137-182 ТУ 6-02-1-015-89 Обеспечение контакта АТТ с основанием 1,7

Рисунок 4 - Модель АТТ, с установленным основанием разбитая на конечные элементы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

В таблице 3 и на рисунке 5 представлены результаты расчёта АТТ ОЭК. Результатом расчёта является предельное значение передаваемой АТТ мощности, термическое сопротивление и перепад температуры в испарителе и конденсаторе тепловых труб. Из рисунка 5 следует, что предельная мощность имеет меньшее значение на верхней границе рабочего диапазона температур (35 °С). Следует учесть то, что программа «GROOVE 1.0» определяет максимальную передаваемую мощность, исходя из гидродинамического предела работы тепловой трубы. Поэтому представленная на рисунке 5 зависимость Qmax от рабочей температуры даёт только качественный характер этой величины.

В экстремуме все АТТ имеют значение предельной мощности равное 190-200 Вт, определённое на основе вычислений по программе «GROOVE 1.0». В данном случае учитывая только гидродинамический предел работы АТТ.

Более существенным фактором, чем гидродинамический предел работы АТТ, ограничивающим максимальную передаваемую мощность, является предельная плотность теплового потока в зоне подвода тепла [2], величина которого относится к поверхности парового канала. Величина плотности теплового потока, по экспериментальным данным, составляет не более 2,5 Вт/см .

Поэтому предельное значение передаваемой мощности (таблица 3) откорректировано исходя из этого ограничивающего фактора.

Максимальная передаваемая АТТ мощность:

Qmax _ Гисп • Опк

•nq ; (9)

где: Qmax - искомая максимальная передаваемая мощность тепловой трубы; Ьисп - длина участка испарения; q - плотность теплового потока (~2,5 Вт/см ); Бпк - диаметр парового канала.

Диаметр парового канала (Бпк) для профиля 206110 составляет 3,6 мм.

Перепад температуры в испарителе и конденсаторе тепловой трубы по теплоносителю:

ЛТисп.тн Rисп.тн•Q;

(10)

ЛТконд.тн RKOHД.TH • Q.

(11)

где: Rисп.тн - термическое сопротивление в испарителе по теплоносителю;

Я,

конд.тн

термическое сопротивление в конденсаторе по теплоносителю;

Q - мощность, определённая исходными данными (6,5 Вт).

Рисунок 5. Влияние рабочей температуры на параметры АТТ.

Результат проведения теплового расчёта в программе «АКБУБ 11.0» показывает, что минимальная температура корпуса АТТ составляет 22,2 °С. Максимальная температура основания равна 23,8 °С. Результаты получены при заданной температуре внутри АТТ 20 °С и коэффициенте теплоотдачи аммиака а = 6000 Вт/(м К). Результаты расчёта представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Распределение температур по поверхности АТТ и основания.

Максимальный перепад температуры в испарителе и конденсаторе между АТТ и основанием:

ЛТосн Тосн.макс. " " Татт мин.,

(12)

где: Тоснмакс. - максимальная температура поверхности основания;

ТАТТ мин. - минимальная температура поверхности корпуса АТТ.

Таблица 3. Результаты расчёта АТТ.

Номер АТТ Qmax, Вт К-исп.тш град/В т ЛТ ЛТ исп.тн, °С ЛТ ЛТ осш °С -^конд.тш град/Вт ЛТ ЛТ конд.тш °С ЛТ ЛТосн, °С ЛТАТЪ °С

ТС-5124-10 9,3 0,43 2,8 1,6 0,04 0,26 1,6 6,2

ТС-5124-20 9,3 0,43 2,8 1,6 0,04 0,26 1,6 6,2

ТС-5124-30 9,6 0,4 2,6 - 0,04 0,26 1,6 4,6

ТС-5124-40 9,6 0,4 2,6 - 0,04 0,26 1,6 4,6

П р и м е ч а н и е - Температурный перепад АТТ получен для мощности 6,5 Вт, что определено исходными данными.

Результаты расчёта показывают, что все АТТ имеют запас по передаваемой мощности (3 Вт), а температурный перепад не превышает допустимый (согласно исходным данным, не более 10 °С).

5. РАСЧЕТ МАССЫ ЗАПРАВКИ АТТ

Расчёт количества теплоносителя (аммиак), заправляемого в тепловые трубы, ведётся по формуле [1]:

G = L • [ n • рж • ( Еж - п • a2 • / 16 ) + рп • ( Fn + n • п • a2 • / 16 ) ], (13)

где: G - искомая масса теплоносителя;

L - длина АТТ;

рЖ, рП - плотность жидкостной и парообразной фаз теплоносителя:

Рж, Fn - площади поперечного сечения продольной канавки и парового канала соответственно;

a - ширина щели продольной канавки;

n - количество продольных канавок.

Размеры внутренних элементов профиля определены с помощью микроскопа ИМЦЛ 150х50,6 при увеличении х30.

Результаты расчёта приведены в таблице 4.

П р и м е ч а н и я - 1. Тепловые свойства аммиака взяты из программы «GROOVE

1.0».

2. Расчёт проведён для рабочей температуры 20 °С.

Таблица 4. Масса заправки.

Номер АТТ M запр, гр

ТС-5124-10 0,9

ТС-5124-20 0,9

ТС-5124-30 0,7

ТС-5124-40 0,8

6. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведённый тепловой расчёт подтверждает соответствие тепловых характеристик АТТ ОЭК (ТС-5124-10, ТС-5124-20, ТС-5124-30, ТС-5124-40) требованиям исходных данных.

Анализ результатов расчёта, представленных в таблице 3, показывает, что все АТТ ОЭК имеют запас по передаваемой мощности (более 3 Вт). Температурный перепад АТТ ОЭК также не превышает заданных значений (согласно исходным данным, не более 10 °С).

Рассмотренная в данном тепловом расчёте конструкция тепловых труб (профиль 206110) со съёмными основаниями рекомендуются к использованию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Schlitt K.R. Parametric performance of extruded axial grooved heat pipes from 100 to 300 / Brennan P.J., K. Kirkpatrick J.P. AIAA Paper-724-74, pp.1-9.

2. Чи С. «Тепловые трубы. Теория и практика», 1981 г.

3. Кишкина С.И., Фридляндер И.Н. Справочник «Авиационные материалы» том 4, часть 1, Москва, изд. Онти, 1982 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ОЭП

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие положения...............................................................................................................................3

2. Общие требования к условиям, обеспечению и проведению испытаний.....................................5

3. Требования безопасности ................................................................................................................... 9

4. Определяемые показатели и точность их измерения....................................................................10

5. Отчётность.........................................................................................................................................14

Перечень принятых сокращений .........................................................................................................15

Протокол о проведении тепловых испытаний системы охлаждения блока ОЭП..........................16

1. Общие положения

1.1 Наименование и обозначение изделия в соответствии с основным конструкторским документом

Рама является несущей конструкцией блока ОЭП. На рисунке 1 представлен её внешний вид. Для проведения испытаний также используются: крышки, резисторы С5-47, имитирующие ячейки ТОС, ТП и фотоприборы, радиатор и теплообменник, показанный на рисунке 2.

Рисунок 1 - Рама, внешний вид

Рисунок 2 - Теплообменник, внешний вид

1.2 Цель испытаний

Цель испытаний - подтвердить работоспособность и эффективность системы охлаждения, температурный режим работы, представленный в диссертационной работе.

1.3 Виды испытаний

Изделие подвергают тепловым испытаниям, включающим в себя имитацию работы электронных компонентов.

2. Общие требования к условиям, обеспечению и проведению испытаний

2.1 Место проведения испытаний

Испытания проводятся в цеховом помещении, имеющем специальное оборудование для их проведения:

- рабочее место должно обеспечивать свободное расположение аппаратуры;

- общеобменную приточно-вытяжную вентиляцию в помещениях кратностью не менее

трех.

2.2 Средства проведения испытаний

Для проведения испытаний необходимо применять следующие средства измерения:

- ПК с программным обеспечением и платой МКО РС имеющей интерфейс RS485;

- термодат - 29М1;

- источник питания Б5-71;

- мультиметр DT 832;

- термопары ТМК;

- тепловизор Fluke Ti25;

- теплоизоляционный материал.

2.3 Условия проведения испытаний

Испытания проводятся в нормальных климатических условиях. Для уменьшения конвективного теплообмена по корпусу, макет помещается в теплоизоляционный материал (имитация вакуума). Открытым остаётся только теплообменник.

2.4 Подготовка изделия к испытаниям

Для проведения испытаний необходимо в раме установить резисторы С5-47 согласно схемам, представленным на рисунках 3, 4, 6. Расположение резисторов соответствует расположению наиболее тепловыделяющих электронных компонентов в штатном блоке ОЭП. Установку резисторов проводить с помощью теплопроводной пасты КПТ. Монтаж цепей вести проводом МГТФ 0,35.

Рисунок 3 - Схема подключения резисторов С5-47 согласно таблице 1

Таблица 1

Наименование Примечание

Резистор С5-47-25-100 Ом ОЖО.467.531 ТУ RL..R9, R13...R2L

Резистор С5-47-25-180 Ом ОЖО.467.531 ТУ Ю0...Ю2, Я22.Я24.

Рисунок 4 - Схема расположения резисторов С5-47, вид справа

Рисунок 5 - Схема расположения термопар на держателе фотоприборов

Рисунок 6 - Схема расположения резисторов С5-47, вид слева

Рисунок 7 - Схема расположения термопар в зоне расположения электронных ячеек блока

3. Требования безопасности

3.1 Для работы допускаются следующие лица обслуживающего персонала:

- не моложе 18 лет;

- прошедшие инструктаж и аттестацию на знание ПТЭ и ПТБ электроустановок до 1000 В и мер защиты от статического электричества, в соответствии с требованиями ОСТ 92-1615-74;

- лица, имеющие опыт и необходимые знания аппаратуры для проведения экспериментов;

- изучившие в полном объёме настоящую ПМ.

3.2 При использовании легковоспламеняющихся материалов соблюдать меры для предупреждения пожаро- и взрывоопасности:

- специальные помещения для хранения и разлива легковоспламеняющихся жидкостей, оборудованные приточно-вытяжной вентиляцией с кратностью объема воздуха не менее трех;

- тару для хранения легковоспламеняющихся жидкостей, предотвращающую возможность их интенсивного испарения. Тара и её детали должны быть изготовлены из материалов, не образующих при соприкосновении или соударениях искру и не обладающих способностью накапливать статические электрические заряды.

- выполнение руководства «Типовые правила пожарной безопасности для промышленных предприятий», утвержденного МВД СССР 26.08.70 г.;

- противопожарный инвентарь на рабочих местах или в производственных помещениях.

3.3 Для предупреждения опасности отравления, помещение должно иметь:

- общеобменную приточно-вытяжную вентиляцию в помещениях кратностью не менее

трех;

4. Определяемые показатели и точность их измерения

4.1 Перечень определяемых показателей с указанием наименования, обозначения, единицы измерения:

а) равномерность температурного поля установочной поверхности держателя фотоприборов. Выражается графиком температур вдоль держателя.

б) средняя температура держателя фотоприборов. Выражается средним арифметическим значением всех термопар, расположенных на держателе. Измеряется в градусах Цельсия;

в) средняя температура установочной поверхности для электронных ячеек блока. Выражается средним арифметическим значением всех термопар, расположенных на раме. Измеряется в градусах Цельсия;

г) термическое сопротивление системы охлаждения между установочной поверхностью для фотоприборов на держателе и поверхностью теплосъёма системы терморегулирования КА. Выражается разностью температур этих поверхностей и тепловым потоком между ними. Измеряется в К*м2/Вт;

д) эффективность экранирования двух контуров системы охлаждения. Оценивается влияние контура охлаждения электронных ячеек блока на контур охлаждения фотоприборов. Выражается в разности средних температур контура охлаждения фотоприборов без включения имитаторов зоны ячеек и с включением имитаторов. Измеряется в градусах Цельсия;

е) эффективность тепловых труб. Определение термического сопротивления системы охлаждения по п.г) с демонтированными тепловыми трубами. Измеряется в К*м2/Вт.

После получения всех экспериментальных данных определяется допустимый температурный диапазон для работы блока ОЭП и формулируются рекомендации к эксплуатации блока.

4.2 Указания, на каких видах и на каких этапах видов испытаний определяются показатели

Блок ОЭП располагается горизонтально на теплоизоляционной прокладке для минимизации теплообмена между корпусом и столом. Резисторы расположены согласно схемам, представленным на рисунках 4 и 6, а подключены согласно схеме, указанной на

рисунке 3. Термопары расположены согласно схемам, представленным на рисунках 5 и 7. Блок ОЭП защищён теплоизоляционным материалом для минимизации теплообмена естественной конвекцией с окружающей средой. Установка радиатора проводится с использованием термопасты. Температура в помещении от плюс 15 до плюс 25°С.

Испытания проводятся поэтапно:

Этап 1.

Включение только первой группы резисторов, имитирующих работу фотоприборов. Регистрация изменения температуры по всему блоку. Ожидание установившейся температуры. Фиксация графиков (температуры от времени) каждой наблюдаемой точки.

Этап 2.

Включение только второй группы резисторов, имитирующих электронные ячейки блока. Регистрация изменения температуры по всему блоку. Ожидание установившейся температуры. Фиксация графиков (температуры от времени) каждой наблюдаемой точки.

Этап 3.

Включение первой и второй группы резисторов. Регистрация изменения температуры по всему блоку. Ожидание установившейся температуры. Фиксация графиков (температуры от времени) каждой наблюдаемой точки.

Этап 4.

Отсоединение радиатора. Включение первой и второй группы резисторов. Регистрация изменения температуры по всему блоку. Ожидание температуры в 80°С, после которой немедленно выключается питание блока. Фиксация графиков (температуры от времени) каждой наблюдаемой точки.

Этап 5.

Радиатор присоединён. Демонтаж тепловых труб, либо выполнение процедур, которые имитируют эффект, подобный демонтажу. Включение первой и второй группы резисторов. Регистрация изменения температуры по всему блоку. Ожидание установившейся температуры. Фиксация графиков (температуры от времени) каждой наблюдаемой точки.

Выполнив все этапы и получив экспериментальные данные, становится возможным определить:

а) равномерность температурного поля установочной поверхности на держателе фотоприборов для фотоприборов определяется на первом и третьем этапе температурного исследования;

б) среднюю температуру держателя фотоприборов (определяется на первом и третьем этапе температурного исследования);

в) температурное поле установочной поверхности электронных ячеек блока и ее среднюю температуру (определяется на втором и третьем этапе температурного исследования);

г) тепловое сопротивление системы охлаждения между установочной поверхностью фотоприборов и поверхностью теплосъёма системы терморегулирования КА (определяется на первом этапе температурного исследования);

д) степень экранирования двух контуров системы охлаждения (проводится после выполнения первых трех этапов температурного исследования);

е) степень эффективности тепловых труб (проводится после выполнения пятого этапа температурного исследования);

ж) рабочий температурный диапазон для блока ОЭП (определяется после завершения всех этапов температурного исследования).

4.3 Допускаемая погрешность измерения определяемых показателей:

- допустимая погрешность измерения температуры 0,5°С;

- допустимая погрешность измерения расстояния 0,1мм;

- допустимая погрешность измерения площади 1мм2.

4.4 Формулы расчёта для определения показателей, которые не могут быть определены прямым или косвенным измерением.

4.4.1 Определение средней температуры

£ =-

1сР п

где: 11, 12 ... 1п - значения термодатчиков в плоскости установки фотоприборов; п -количество термодатчиков.

4.4.2 Определение термического сопротивления системы охлаждения между установочной поверхностью фотоприборов и поверхностью теплосъёма

Д = дм

С?отв.

где: Д1 - разница температур между установочной поверхностью фотоприборов и поверхностью отведения тепла; 0отв. - отведённое тепло, равняется суммарной мощности работающих имитаторов при температурах вышедших на режим; £ - площадь теплосъёмной поверхности.

Термическое сопротивление системы охлаждения позволяет провести сравнение с материалами, использующимися для изготовления радиаторов и др. элементов теплоотвода (алюминиевые сплавы, медь).

4.4.3 Влияние контура охлаждения электронных ячеек блока на контур охлаждения фотоприборов, выражается формулой

^^ср ^ср1 ^ср2'

где: 1ср1 - средняя температура установочной поверхности для фотоприборов, с включёнными имитаторами зоны ячеек; 1ср2 - средняя температура установочной поверхности для фотоприборов, с выключенными имитаторами зоны ячеек.

4.4.4 Определение эффективности тепловых труб, используемых в системе охлаждения, заключается в сравнении термических сопротивлений. Первое сопротивление получают с установленными тепловыми трубами, а второе с демонтированными. При получении сопротивлений работают все группы имитаторов.

5 Отчётность

Результаты измерений, согласно этапам подраздела 4.2 настоящей методики, должны иметь вид графиков (температуры от времени) и оформляться в электронном виде с помощью специализированных программ. Правила оформления к таким графикам не предъявляются. Результаты должны быть читаемы.

Результатом измерений является протокол, к которому прикреплены все измерения в виде приложения. Правила оформления к протоколу не предъявляются. Протокол должен содержать общие выводы об эффективности системы охлаждения и общие рекомендации к режиму работы аппаратуры.

Перечень принятых сокращений

ОЭП - оптико-электронный преобразователь

ПМ - программа методика

КА - космический аппарат

ТСО - термо-стабилизированное основание

СППИ - система приема и передачи изображения

Протокол о проведении тепловых испытаний системы охлаждения блока ОЭП

Введение.

Тепловые испытания системы охлаждения перспективного блока ОЭП проводились в соответствии с программой и методикой, представленной выше (далее ПМ).

Цель испытаний - подтвердить работоспособность, эффективность системы охлаждения и температурный режим работы ОЭП.

В разделах приведены результаты испытаний и их анализ. Мощность тепловыделения фотозоны составляет 26 Вт, суммарная мощность тепловыделения электронных ячеек блока составляет 174 Вт. Схема расположения нагревательных элементов, термодатчиков и их наименования представлены в ПМ, а также в приложении к данному отчёту.

Испытания проводились в два этапа. В первом разделе отчёта представлены результаты испытаний при установившихся температурах (1 этап). Во втором разделе показаны результаты испытаний при циклической работе аппаратуры, 15 минут работы и 75 минут простоя (2 этап). В третьем разделе приведены расчёты по методике, приведённой в ПМ и выводы.

Раздел 1. Установившиеся температуры.

°С

80

75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15

Блок ОЭП без ТТ, установившиеся температуры

ТД1

ТД2

ТД3

ТД4

ТД5

ТД6

ТД7

ТД8

ТД9

ТД10

ТД11

ТД12

ТД13

ТД14

ТД15

ТД16

ТД17

ТД18