Научные основы совершенствования рабочих процессов в микрокриогенных газовых машинах и создание высокоресурсного криогенератора для навигационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, доктор наук Навасардян Екатерина Сергеевна

• Навасардян Екатерина Сергеевна
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Навасардян Екатерина Сергеевна

Список сокращений и обозначений

Введение

Глава 1. Современные микрокриогенные системы криостатирования, применяемые для систем спутникового наблюдения, связи и навигации

1.1. Особенности криостатирования систем спутникового наблюдения, связи и навигации

1.2. Типы криостатирующих устройств для инфракрасных детекторов

1.3. Основные технические требования к микрокриогенным газовым машинам для криостатирования спутниковых систем

1.4. Обратный цикл Стирлинга как базовый цикл микрокриогенных газовых машин для решения задач криостатирования элементов спутниковых систем

1.5. Основные особенности реализация обратного цикла Стирлинга в микрокриогенных газовых машинах

1.6. Особенности конструктивного исполнения современных микрокриогенных газовых машин. Тенденции повышения эффективности

1.6.1. Реализация процессов обратного цикла Стирлинга в конструктивных элементах современных микрокриогенных газовых машин

1.6.2. Современные тенденции повышения эффективности и ресурса микрокриогенных газовых машин

1.7. Выводы по главе

Глава 2. Анализ аналитических методик расчета, моделирования, оптимизации процессов и аппаратов, оценки надежности и ресурса микрокриогенных

газовых машин

2.1. Обзор и анализ методов расчета гидродинамических и теплообменных процессов в аппаратах микрокриогенных газовых машин

2.1.1. Метод Шмидта для расчета идеального цикла Стирлинга

2.1.2. Метод исследования отдельных узлов

2.1.3. Метод исследования криогенной газовой машины, как единой системы

2.2. Современные методы численного моделирования гидродинамических и теплообменных процессов в аппаратах микрокриогенных газовых машин

2.2.1. Одномерные и многомерные модели применительно к отдельным процессам и аппаратам микрокриогенных газовых машин

2.2.2. Сопоставление результатов расчетов микрокриогенных газовых машин по различным моделям

2.2.3. Моделирование процессов гидрогазодинамики и теплообмена в регенераторах микрокриогенных газовых машин

2.3. Современное программное обеспечение для решения задач моделирования процессов в аппаратах микрокриогенных газовых машин

2.3.1. Обзор специализированных и универсальных программных комплексов

2.3.2. Основные проблемы при моделировании процессов в микрокриогенных

газовых машинах с применением специализированных и универсальных программных комплексов

2.4. Особенности выбора критериев оптимальности и эффективности циклов микрокриогенных газовых машин

2.4.1. Критерии эффективности теоретических циклов микрокриогенных газовых машин

2.4.2. Критерии надежности и ресурса действительных микрокриогенных газовых машин

2.5. Оценка вероятности безотказной работы микрокриогенных газовых машин

2.5.1. Показатели и методы оценки надежности

2.5.2. Основные причины отказов и анализ надежности микрокриогенных газовых машин на стадии проектирования

2.5.3. Надежность и ресурс существующих конструкций микрокриогенных

газовых машин

2.6. Выводы по главе 2. Цель и задачи исследования

Глава 3. Объект исследования. Прогнозирование времени безотказной работы микрокриогенных газовых машин на основе многофакторного анализа

3.1. Назначение и структура многофакторного анализа

3.2. Критерии эффективности микрокриогенных газовых машин для многофакторного анализа

3.2.1. Выбор основного критерия эффективности

3.2.2. Факторы, влияющие на критерий эффективности

3.2.3. Анализ основных причин отказов микрокриогенных газовых машин. Сопоставление независимых факторов с причинами отказов

3.3. Структурный анализ конструкции микрокриогенной газовой машины 133 3.3.1. Пример применения структурного анализа для микрокриогенной газовой машины Стирлинга с роторным приводом

3.4. Применение многофакторного дисперсионного анализа для оценки времени безотказной работы

3.5. Выводы по главе

Глава 4. Совершенствование узлов микрокриогенных газовых машин на основе сформулированной концепции минимума энергетических потерь

4.1. Концепция минимума энергетических потерь и основные виды энергетических потерь в узлах микрокриогенных газовых машин

4.2. Энергетические потери при сжатии в компрессорной полости

4.2.1. Особенности оценки энергетических потерь при сжатии

4.2.2. Результаты расчетов удельных затрат энергии на компенсацию мертвого объема

4.2.3. Результаты расчетов затрат работы на компенсацию потерь из-за наличия внутреннего байпаса в компрессорной полости

4.3. Энергетические потери в транспортном канале

4.3.1. Основные расчетные соотношения для определения гидравлического сопротивления транспортного канала

4.3.2. Результаты расчета гидравлического сопротивления и удельных затрат энергии при движении гелия через цилиндрический транспортный канал

4.4. Энергетические потери в регенераторе

4.4.1. Оценка эффективности регенератора

4.4.2. Суммарное производство энтропии в регенераторе

4.4.3. Определение теплопроводности насадки регенератора

4.4.4. Исследование основных составляющих производства энтропии в регенераторе

4.4.5. Разработка регулярных проницаемых пористых структур с заданными значениями пористости и проницаемости

4.5. Энергетические потери в процессе изотермического расширения

4.6. Энергетические потери от теплопритоков через вакуумную изоляцию криостата

4.7. Структуризация и оценка влияния отдельных составляющих энергетических потерь

4.8. Выводы по главе

Глава 5. Численное моделирование процессов гидрогазодинамики и

теплообмена для микрокриогенной газовой машины

5.1. Построение расчетной модели

5.1.1. Описание математической модели структурного аналога микрокриогенной газовой машины

5.1.2. Двухмерная осесимметричная модель

5.1.3. Построение сеточной геометрии

5.2. Постановка численного эксперимента, начальные и граничные условия

5.2.1. Начальные и граничные условия

213

5.2.2. Расчет СББ симуляции

5.3. Результаты численных исследований. Оптимизация основных рабочих параметров микрокриогенной газовой машины

5.3.1. Оптимизация рабочей частоты цикла

5.3.2. Исследование изменения основных характеристик при варьировании давления заправки и обоснование выбора его оптимального значения

5.3.3. Оптимизация геометрических характеристик регенератора

5.4. Выводы по главе

Глава 6. Создание экспериментального образца микрокриогенной газовой машины и методика исследования

6.1. Задачи экспериментальных исследований

6.2. Описание конструкции созданного экспериментального образца

6.2.1. Конструкция основных элементов образца

6.2.2. Электронный контроллер блока управления

6.2.3. Электродвигатель

6.2.4. Уплотнительные элементы и герметичность рабочих полостей

6.2.5. Требования к заполняемому рабочему газу (гелию)

6.3. Методика экспериментальных исследований образца микрокриогенной газовой машины

6.3.1. Основные этапы экспериментальных исследований

6.3.2. Описание и технические характеристики применяемых средств измерения и контроля

6.4. Результаты экспериментальных исследований

6.4.1. Результаты ресурсных испытаний экспериментальных образцов

6.4.2. Результаты гидродинамических испытаний регенератора

6.4.3. Результаты исследования термодинамической эффективности микрокриогенной газовой машины при работе на комбинированных регенераторах с переменной пористостью

6.4.4. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений времени

безотказной работы образцов микрокриогенной газовой машины

6.5. Выводы по главе

Общие выводы по работе

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

Все символы и сокращения поясняются при первом их появлении в тексте диссертации. Ниже приводится лишь перечень наиболее употребляемых сокращений и обозначений.

Основные обозначения

N - потребляемая мощность, Вт; п - частота вращения вала, об/мин; р - давление в цикле, МПа; 3 - число Била;

V - объем, м3;

Я - газовая постоянная, Дж/кг К р - плотность газа, кг/м3;

V - скорость потока, м/с; ? - время, с;

х - осевая координата, м; е - пористость; Т - температура, К; / - фактор трения;

С/ - инерционный коэффициент Форхгеймера; В - коэффициент проницаемости, 1/м2 С - коэффициент инерционности, 1/м;

- гидравлический диаметр; ц - динамическая вязкость, Па. с; Ь - длина регенератора, м; АР - гидросопротивление насадки, Па; О - расход газа, кг/с; Qx - холодопроизводительность, Вт X - теплопроводность, Вт/(м К);

D - диаметр поршня, м

AS - производство энтропии, Дж/(кгК);

Подстрочные индексы О. С. - окружающая среда; г - газ;

ж - жидкость;

ад - адиабатный;

сж - сжатие;

Стир - Стирлинга

МО - мертвый объем;

Расш - расширение;

Не - гелий;

из - изотермический;

ТК - транспортный канал;

пр - проволока;

тр - трения;

Основные сокращения КГМ - криогенная газовая машина МКГМ - микрокриогенная газовая машина БПЛА - беспилотный летательный аппарат

ИК -датчик, устройство охлаждения и система электронного обеспечения ИК-МФПУ

НКУ - нормальные климатические условия КШМ - кривошипно-шатунный механизм ПМ - пористые материалы NPH - число единиц перепада давления; NTU - число единиц переноса

MTBF (Mean Time Before Failure) - среднее время безотказной работы между отказами для ремонто-пригодных машин;

MTTF (Mean Time to First Failure) - среднее время до первого отказа

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы совершенствования рабочих процессов в микрокриогенных газовых машинах и создание высокоресурсного криогенератора для навигационных систем»

ВВЕДЕНИЕ

Первые криогенные газовые машины были созданы фирмой Philips в начале 1950-х годов. Базовым циклом этих машин стал цикл двигателя с внешним сгоранием топлива (патент Роберта Стирлинга 1816 г.). В 1834 году Джон Гершель предположил, что реализация обратного цикла Стирлинга позволит создать эффективный рефрижератор. Первый рефрижератор, работающий по обратному циклу Стирлинга был создан А. Кирком в 1864 году. Однако, во второй половине XIX века рефрижераторные машины, реализующие обратный цикл Стирлинга, из-за более сложной технологии изготовления не смогли конкурировать в области умеренного холода с парокомпрессионными аммиачными холодильными машинами. Их производство было приостановлено, а интерес к развитию данного направления ослаблен.

Отличительной особенностью цикла рефрижератора, работающего по обратному циклу Стирлинга является отсутствие конденсации рабочего вещества, и следовательно, потенциальная возможность получать холод в замкнутом автономном цикле на самых различных температурных уровнях, вплоть до температуры 4,2 К. Именно эта особенность послужила причиной для возобновления исследований и создания нового поколения криогенных газовых криогенных машин (КГМ).

Температурный диапазон работы газовых машин, реализующих обратный цикл Стирлинга можно разбить на три основных интервала: 253-193 К, 193-77 К и 77-4,2 К. Эффективность работы на каждом из интервалов различна.

На современном этапе развития холодильной техники велик интерес к разработке нового поколения газовых машин для умеренного холода, конкурирующих по эффективности с парокомпрессионными, за счет высоких значений степени термодинамического совершенства.

В области температур 193-77 К КГМ Стирлинга применяются в возду-хоразделительных установках малой производительности для производства

жидкого азота и кислорода. Машины с холодопроизводительностью до 500 Вт при температуре 77 К имеют высокую эффективность, небольшие массогаба-ритные характеристики и просты в эксплуатации.

В диапазоне температур 90-77 К принципиально важно выделить в отдельное направление создание микрокриогенных газовых машин (МКГМ), холодопроизводительностью 0,2-0,6 Вт, предназначенных для охлаждения датчиков фотоприемных устройств спутниковых систем наблюдения навигации и связи. Термодинамическая эффективность МКГМ на температурном уровне 80 К составляет ~ 15%, ресурс не превышает 10000 часов (самые передовые разработки). В промышленно развитых странах, а именно в США, Великобритании, Японии, Германии, Швеции, Нидерландах и России ведутся интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по подготовке к серийному производству одно, двух и трех ступенчатых газовых машин Стирлинга, функционирующих в диапазоне температур от 253 до 4,2 К и особое внимание уделяется разработке и совершенствованию технологий создания МКГМ. Производством и исследованием различных модификаций МКГМ на базе обратного цикла Стирлинга в настоящее время занимаются такие зарубежные фирмы, как «Toshiba», «LG Electronic Inc.», «Carrier», «Sanden», «Zexel Corporation», «SOLO STIRLING GmbH», «Stirling Technology Company», «Mitchell Stirling Systems Inc», «AEG AG», «Kubota Corporation», «Stirling Thermal Motors», «Stirling Power Systems» «Sunpower Inc.» и отечественные ОАО «Сибкриотехника», ГУП «НПО «Орион», ОАО МЗ «Сапфир». Интенсивные исследования в данной области начались в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии и ряде других стран.

До 1991 года СССР входил в ведущую пятерку стран мира, где было освоено серийное производство отдельных образцов машин Стирлинга. С 1959 по 1991 гг. в СССР вопросами создания машин Стирлинга занималось более 15 предприятий и научных организаций. Работы, связанные с созданием машин данного цикла проводились в основном в рамках оборонных ведомств и организаций с целью их применения в различных видах военной техники, и

не были в открытом доступе. Производителями холодильного оборудования с криогенными машинами Стирлинга являлись ОАО «М3 «Арсенал», НПО «Ге-лиймаш», ОАО «Сибкриотехника», ГУП «НПО «Орион» и др. На этих предприятиях было организовано производство криогенных машин Стирлинга (КГМ), на основе которых выпускались воздухоразделительные установки «ЗИФ-700», «ЗИФ-1002» и «ЗИФ-2002», а также криогенные машины с поршневыми уплотнениями без смазки, ромбическим приводом КГМ 1500/80 и КГМ 900/80. Научные исследования по тематике создания машин Стирлинга, в том числе и МКГМ проводились в МВТУ им. Баумана, ВНИИГТ, ОмПИ, в Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского и в ряде других технических университетов. Однако, в 1990-1995 гг. серийное производство криогенного оборудования данного типа в России было полностью прекращено, исследования приостановлены.

В настоящее время наиболее сложными аспектами создания высокоэффективных машин Стирлинга продолжают оставаться вопросы расчета и проектирования, комплексного анализа специфики конструктивного исполнения, подбора материалов, состава рабочего вещества и оценка влияния целого комплекса внешних факторов и особенностей технологии производства на время безотказной работы и КПД. Мировой опыт создания современных высокоэффективных машин Стирлинга показывает, что без комплексного математического анализа и моделирования рабочих процессов оптимизация конструкционного исполнения МКГМ фактически невозможна.

Совокупность требований к МКГМ постоянно растет. Современные спутниковые системы навигации и связи нуждаются в ресурсных (более 20000 часов минимум) микрокриогенных генераторах холода (до 0,5 Вт) на температурном уровне 80 К. Задача разработки и создания таких систем является для РФ актуальной, ее решение позволит обеспечить независимость отечественных спутниковых систем навигации и связи от геополитической обстановки и международной ситуации.

Цель работы - совершенствование рабочих процессов в микрокриогенных газовых машинах (МКГМ) на основе многофакторного термогазодинамического анализа и создание высокоресурсного криогенератора систем наблюдения, навигации и связи.

В работе использовались теоретические, модельные и экспериментальные методы исследования. Теоретические и модельные исследования проводились на кафедре «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экспериментальные исследования проведены на базе ОАО «Московский завод «Сапфир» г. Москва. Обработка экспериментальных данных проводилась прямым и косвенным способами анализа с применением методов математической статистики, дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов. Достоверность полученных результатов определяется применением: апробированных методик и методов измерения, сертифицированного современного измерительного оборудования, многократной проверкой повторяемости экспериментальных данных, сходимостью результатов исследований с данными зарубежных и отечественных авторов.

Научная новизна:

1. Сформулирована концепция комплексного моделирования процессов в МКГМ с учетом особенностей конструктивного исполнения составных узлов.

2. Впервые разработан метод структурирования, описания и аналитического определения суммарных энергетических потерь в узлах МКГМ, позволяющий оценить связь конструктивного исполнения узлов МКГМ и значения энергетических потерь в этих узлах.

3. Разработан многофакторный метод анализа рабочих процессов в узлах МКГМ для оценки ресурса на стадии проектирования.

4. Разработана концепция формирования пористой структуры регенератора МКГМ, обеспечивающей оптимальные теплообменные и гидродинамические характеристики. Проведена оценка и получены аналитические данные

о геометрических характеристиках новых регулярных структур с пористостью от 0,2 до 0,9.

5. Экспериментально установлено, что в пористой структуре регенератора МКГМ фактор трения может быть описан корреляцией Эргуна с относительной погрешностью не более 15%.

6. Получены новые экспериментальные результаты о влиянии давления заправки, рабочей частоты, пористости регенератора на время наработки на отказ для МКГМ.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Создан экспериментальный образец МКГМ, реализующей обратный цикл Стирлинга и позволяющий проводить натурные ресурсные испытания с различными сборными конструкциями холодного блока в диапазоне давлений заправки от 2,5 до 3,6 МПа, температур окружающей среды от -40 до +80 0С и полной холодопроизводительности до 0,6 Вт.

2. Определены основные направления и разработаны рекомендации для создания и совершенствования МКГМ, предназначенных для охлаждения датчиков фотоприемных устройств с тепловыделениями на уровне 0,150,25 Вт.

3. Разработан многофакторный метод анализа рабочих процессов в узлах МКГМ для оценки ресурса на стадии проектирования.

4. Предложен новый подход к формированию пористых насадок регенераторов с заданными характеристиками (пористостью и проницаемостью) на основе современных технологий порошковой трехмерной печати. Изготовлены образцы новых перспективных пористых структур для регенераторов МКГМ.

5. Результаты работы внедрены на предприятии ГУП «НПО «Орион» и ОАО «Московский завод «Сапфир» г. Москва при разработке и мелкосерийном производстве модельного ряда МКГМ для охлаждения и термостатирова-ния датчиков фотоприемных устройств, а так же в учебном процессе кафедры «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и

жизнеобеспечения» Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана.

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые разработан метод структурирования, описания и аналитического определения суммарных энергетических потерь в узлах МКГМ, позволяющий оценить связь конструктивного исполнения узлов МКГМ и значения энергетических потерь в этих узлах.

2. Методика комплексного моделирования процессов в МКГМ, с учетом особенностей конструктивного исполнения составных элементов МКГМ.

3. Многофакторный метод анализа рабочих процессов в узлах МКГМ для оценки ресурса МКГМ на стадии проектирования.

4. Результаты экспериментальных исследований МКГМ в диапазоне давлений заправки от 2,5 до 3,6 МПа, температур окружающей среды от -40 до +80 0С, температурой термостатирования на уровне 77 К и полной холодо-производительностью от 0 до 0,6 Вт.

5. Концепция формирования пористой насадки микрокриогенных регенераторов с заданными характеристиками (пористостью и удельной поверхностью) на основе современных технологий порошковой трехмерной печати.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на заседаниях и научных семинарах кафедры «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

Научно-практической конференции «Криоген-Экспо 2014» (Москва, 2014); Международной научно-практической конференции «Криоген-Экспо 2015» (Москва, 2015); Международной научно-практической конференции «Криоген-Экспо 2016» (Москва, 2016); Международной конференции «CRYOGENICS 2017 Conference & Exhibition», проводимой Международным институтом холода в г. Дрезден (Германия), VIII Международной научно-

технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». - СПб.: Университет ИТМО - 2017 г.

Публикации. Основные результаты научных исследований, методологические положения, описание методик моделирования и концепций разработки МКГМ, выполненные в соавторстве или под руководством автора изложены в 25 научных работах, в том числе 10 - в ведущих научных рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации для опубликования результатов диссертационных исследований, 8 - в докладах на международных конференциях и 5 в журналах системы «Scopus».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и заключения. Работа содержит 288 страниц, в том числе 254 страницы основного текста, 130 рисунков, 22 таблицы и 226 наименований литературных источников.

Глава 1. Современные микрокриогенные системы криостатирования, применяемые для систем спутникового наблюдения, связи и навигации

1.1. Особенности криостатирования систем спутникового наблюдения, связи

и навигации

Современный уровень развития тепловизионной аппаратуры ИК-диапазона предполагает использование миниатюрных глубокоохлаждаемых фотоприемников (ФП) с линейным и матричным расположением чувствительных элементов в комплекте с высокоэффективными криостатирующими системами. Фотоприемные устройства, работающие в инфракрасном (ИК) диапазоне, используются для датчиков: авиационных и спутниковых систем типа «forward looking infrared-FLIR», систем обнаружения стартовых комплексов, малогабаритных переносных (портативных) тепловизионных камер и т. д. [11].

Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 0,75 до 1000 мкм, превышающими длины волн видимого спектра, но более короткими, чем микроволновое излучение. Из-за атмосферного поглощения ИК-излучения реальный диапазон, пригодный для детектирования, ограничивается приблизительно 30 мкм. ИК-детекторы используют, как правило, длины волн, лежащие в окнах прозрачности атмосферы — в диапазоне 3-5 мкм и 8-14 мкм. Инфракрасные камеры воссоздают образ теплого объекта по сигналам от первичных преобразователей — датчиков теплового излучения. Выделяются два наиболее широких класса тепловых камер: с охлаждаемыми и неохлаждаемыми детекторами. Также ИК- детекторы делятся на фотонные, или квантовые, и тепловые приемники. Тепловые детекторы используют инфракрасную энергию в виде тепла и их фото-чувствительность не зависит от длины волны. Тепловые датчики не требуют охлаждения, но имеют существенные недостатки: длительное время отклика и низкую разрешающую способность. В отличие от тепловых датчиков квантовые детекторы

обеспечивают более высокую эффективность обнаружения и более высокую скорость отклика, хотя их фото чувствительность зависит от длины волны [8, 10, 11, 79]. Для обеспечения точности измерения квантовые детекторы должны охлаждаться, за исключением детекторов, используемых в ближней ИК-области. Рабочие температуры материалов фотонных детекторов на основе силицида платины Р1Б1, 1и8Ь, 1пЛб, теллуридов кадмия и ртути Б^СёТе или СёБ^Те (КРТ), сульфидно-свинцовые РЬБ, селенидно-свинцовые РЬБе с указанием рабочих температур, по данным фирмы Башаша1Би (Япония) представлены в Таблице 1.

Для многих из этих материалов характерна относительно узкая спектральная полоса срабатывания, не позволяющая детектировать длинноволновый ИК-диапазон (1,5-5,2 мкм для РЬБе, 1-5 мкм для Р1Бц для сравнения, БgCdTe характеризуется чувствительностью в диапазоне 2-25 мкм), и пиковая спектральная чувствительность к определенной длине волны, зависящая от состава материала. Быстродействие и чувствительность этих датчиков высоки, но детекторы датчиков требуют охлаждения для снижения влияния тепловых шумов [55, 59] в зависимости от материала детектора от 4,2 до 110 К. На постоянную времени приемника и уровень его шумов влияет величина внутреннего сопротивления приемника (для фоторезисторов в качестве параметра, как правило, рассматривается темновое сопротивление Ят — сопротивление приемника в случае отсутствия его засветки). Обычно внутреннее сопротивление ИК-приемника увеличивается при снижении температуры чувствительного слоя (Рисунок 1.1), при этом улучшается пороговая чувствительность приемника (уменьшаются тепловые и избыточные шумы). У приемников на тройных соединениях CdБgTe при охлаждении на 30 К величина О* увеличивается в 100 раз (Рисунок 1.2), одновременно изменяется и наклон кривой, характеризующей степень преобразования приемника [65]. При охлаждении приемников от температуры О.С. ~ 300 К до температуры 78 К обнаружительная способность фоторезистора РЬБе повышается более чем в 10 раз, а более длинноволнового ТиБЬ — почти в 100 раз (Рисунок 1.3).

Таблица 1.

Типы инфракрасных детекторов и их характеристики [104]

Тип Детектор Детектируемый спектральный Рабочая температура, К D*, смГц1/2/Вт

Тепловые: термопары и термопили PZT, TGS, LiTaO3 Зависит от материала обзорного стекла 300 D*(^,10,1) = 6х108

болометры 300 D*(^,10,1) = 1х108

пневмо-ячейки 300 D*(^,10,1) = 1х109

пироэлектри-ки 300 D*(^,10,1) = 2х108

Квантовые: Внутренняя проводимость фотопроводящие PbS, 1 до 3,6 300 D*(500,600,1) = 1х108

PbSe, 1,5 до 5,8 300 D*(500,600,1) = 1х109

InSb, 2 до 6 213 D*(500,1200,1) = 2х109

HgCdTe 2 до 16 77 D*(500,1000,1) = 2х1010

фото-элек-триче-ские Ge 0,8 до 1,8 300 D*(Aр) = 1х1011

InGaAs Ex. 0,7 до 1,7 300 D*(Aр) = 5х1012

InGaAs 1,2 до 2,55 253 D*(Aр) = 2х1011

InAs 1 до 3,1 77 D*(500,1200,1) = 1х1010

InSb 1 до 5,5 77 D*(500,1200,1) = 2х1010

HgCdTe 2 до 16 77 D*(500,1000,1) = 1х1010

Внешняя фотопроводимость Ge : Au 1 до 10 77 D*(500,900,1) = 1х1011

Ge : Щ 2 до 14 4,2 D*(500,900,1) = 8х109

Ge : Cu 2 до 30 4,2 D*(500,900,1) = 5х109

Ge : Zn 2 до 40 4,2 D*(500,900,1) = 5х109

Si : Ga 1 до 17 4,2 D*(500,900,1) = 5х109

Si : As 1 до 23 4,2 D*(500,900,1) = 5х109

Рисунок 1.1. Зависимость Ят фоторезистора РЬБ от температуры чувствительного слоя [10, 11, 65]:

л*

103 102 101 1

20 30 40 50 60 Т, К

Рисунок 1.2. Зависимость удельной обнаружительной способности О* от температуры приемника, материал фоторезистора [10,11, 65]: 1 - GeБg; 2 - CdБgTe

Для систем, использующихся в специальных спутниковых системах навигации понижение температуры и снижение времени выхода на рабочий режим осо-

бенно значимо. При этом мощность потребления для аккумуляторных систем не должна превышать 10 Вт.

О* 10"

10Ю

109

10»

107

- Без охлаждения С охлаждением до 78 К

\ \ >

V

У

У Гч'

Л Л

8 X, мкм

Рисунок 1.3. Зависимости удельной способности обнаружения О*от длины волны для разных материалов фоторезистора [10, 11 , 65]: 1 - РЬБ; 2 - РЬБе; 3 - ТиБЬ; 4 - CdБgTe.

Габаритные размеры и масса таких камер в основном зависят от конструкций фотоприемника и сопрягаемой с ним микрокриогенной системы. При этом многократно возрастают требования к микрокриогенной технике по массогабаритным, энергетическим, вибрационным, акустическим и ресурсным характеристикам, а также предъявляются дополнительные и повышенные требования к удобству монтажа в составе тепловизионной аппаратуры и уровню воздействия электромагнитных наводок от работающей МКС на криостатиру-емый объект.

Обнаружительная способность фотонных приемников примерно на два по рядка выше, чем у тепловых. У детекторов фотонного типа лучше соотношение сигнал/шум и высокое быстродействие. Вместе с тем они требуют охлаждения до криогенных температур, и это приводит к усложнению конструкции, увеличению ее геометрических размеров, веса и большому энергопотреблению. Кроме того, если ресурс работы самой фотоприемной матрицы фотонного детектора может определяться десятилетиями, то ресурс криогенного модуля-охладителя зависит от типа и принципа его работы. Именно время безотказной работы криогенного охладителя определяет длительность эксплуатации фотонного приемника. Это приводит к удорожанию сенсоров данного типа по сравнению с тепловыми детекторами, а также к увеличению стоимости их эксплуатации. Однако, ценовой критерий, как правило, не является определяющим в спутниковых системах, где применяются в основном приемники фотонного типа. На Рисунке 1.4 представлена круговая диаграмма востребованности МКГМ, обеспечивающих температуры криостатирования в диапазоне от 4,2 до 80 К, построенная автором на основе проведенного обзора.

Рисунок 1.4. Процентное соотношение востребованности МКГМ по значению температуры криостатирования

В настоящее время рабочая температура более 60% современных фотонных приемников близка к 80 К, а современные разработки детекторов ведутся в направлении поиска эффективных материалов для увеличения разрешающей способности датчиков при температурах выше 4,2 К и переходу от гелиевых температур криостатирования к азотным.

1.2. Типы криостатирующих устройств для инфракрасных детекторов

Для охлаждение инфракрасных детекторов и поддержания элемента детектора при постоянной температуре существуют четыре основных способа охлаждения:

- погружением в криогенный сосуд Дьюара (погружные системы) с использованием запасов хладагента в зависимости от необходимой температуры криостатирования (жидкий азот при 77 К, твердая углекислота - «сухой лёд» при 196 К);

- термоэлектрические охладители;

- рефрижераторы высокого давления, реализующие простой цикл дросселирования (эффект Джоуля-Томсона);

- микрокриогенные газовые машины.

Погружные системы с сосудом Дьюара. В погружных системах охлаждения ИК - детектор размещается внутри специализированной вакуумной емкости - сосуда Дьюара с встроенным обзорным стеклом. Как правило, такой детектор может работать на запасе хладагента в течение примерно 8 часов. Температура криостатирования регулируется давлением паров над зеркалом жидкости (Рисунок 1.5) [104].

Особенности применения погружного способа криостатирования: 1) Прозрачные сосуды Дьюара из стекла хрупкие и требуют специализированного закрепления и фиксации с целью максимального снижения механических нагрузок на корпус;

2) Использование сосудов Дьюара из непрозрачных материалов возможно только при условии фиксации обзорного стекла для ИК-датчика в корпусе Дьюара и применения для этого специальных технологий, особенно в области криогенных температур;

3) Охлаждение с помощью льда СО2 возможно только при приготовлении шуги - СО2 на основе спирта и заправки этого раствора в сосуд Дьюара;

4) Хранение заправленной системы «сосуд Дьюара - ИК-датчик» до момента применения необходимо производить при температуре паров хладагента для обеспечения оптимальных условий хранения и соответственно максимального времени рабочего процесса.

Температура,

а) б)

Рисунок 1.5. Криостатирование ИК- датчика погружным способом:

а) общий вид вакуумной емкости с ИК-датчиком;

б) зависимость давления насыщенных паров от температуры ИК датчика и вида хладагента.

Охлаждение термоэлектрическими элементами Пельтье. Термоэлектрические криостатирующие устройства для ИК-детекторов используют одно, двух- или трех- каскадные схемы включения термоэлементов (Рисунок 1.6) [104].

Соответствующие разницы температур между охлаждающим элементом и основанием первого каскада 50, 70 и 100 градусов.

Ос

Охлаждение Тс

I. [

□ [

N

Нагрев

ти

011

а)

ДТ

25

О 20

о

сЗ 15

И

я

V 10

<и

е,

■Г) 5

СЗ

Он 0

н

л

Он

и

С

1) -10

н

-15

-20

То.с. = 25 °С

Недо етато* 1НЫЙ гепло сьем

-

/

Эфф ек'гив НЫЙ 1 енлос Ы'М

.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Сила тока на элементе, А

б)

Рисунок 1.6. Термоэлектрический охладитель:

а) схема;

б) зависимость температуры термоэлемента от силы тока и эффективности теплосъема от поверхности радиатора.

Особенности применения термоэлектрических охладителей: 1) Необходимость в обеспечении максимального теплового контакта между термоэлементом и охлаждаемым датчиком, при этом, полезная холодопро-изводительность непосредственно зависит от эффективности (термического КПД) используемого теплообменника-радиатора (теплообменника, от-

водящего теплоту от теплого каскада). На рисунке 1.6 (б) показана зависимость температуры холодного каскада от силы тока для двух вариантов теплосъема с радиатора.

2) Следует учитывать, что внезапный перегрев ИК-датчика приводит к повреждению его структуры.

3) Необходимым условием работы является наличие источника питания с низким уровнем пульсаций, поскольку, если ток выше заданного значения (1,5 А для однокаскадного и 1,0 А для двухкаскадного и трехкаскадного термоэлектрического охладителя), инфракрасный детектор может перегреваться за счет выделения собственной Джоулевой теплоты.

4) Зависимость температуры криостатирования от температуры О.С.

Рефрижераторы высокого давления, реализующие простой цикл дросселирования (эффект Джоуля-Томсона). Применение баллонных рефрижераторов [18, 19] на запасах сухого воздуха, аргона, азота или гелия под высоким давлением (~150 бар), реализующих дроссельный цикл с регенерацией теплоты для охлаждения ИК - датчиков - классический и до недавнего времени единственный надежный способ обеспечения необходимых криогенных температур от 90 до 4,2 К Рисунок 1.7, Рисунок 1.8.

Разработчиками таких систем сегодня являются ОАО «Сибкриотехника» и ОАО «Московский завод «Сапфир»». Особенности работы и основные элементы конструктивного исполнения подробно описаны в [16, 17]. Время выхода на режим от 1,5 до 3,0 мин, длительность непрерывной работы от 120 до 540 мин, при массе системы от 2 до 35 кг.

Способ не подходит для использования в течение длительного периода времени, поскольку по мере использования из-за снижения давление газа в баллоне холодопроизводительность системы снижается, а температура крио-статирования начинает увеличиваться. Кроме того, такие системы имеют значительные вес и габариты, поскольку в их состав входит баллон высокого давления с запасом рабочего вещества.

а)

б)

II

< .V, кДж/кгК

Рисунок 1.7. Работа дроссельных систем охлаждения [18, 19]:

а) рабочий процесс в Т - Б диаграмме;

б) - схемы дроссельных систем охлаждения: I - обычная баллонная система; II - система с универсальным баллоном; Б -баллон; В - запорный вентиль; Д - дроссельный вентиль; И -теплоизоляция; С - сосуд (термос); УБ - универсальный баллон, Т- теплообменник

а) в)

Рисунок 1.8. Микрорефрижератор высокого давления:

а) элементы конструкции;

б), в) баллонный рефрижератор - общий вид.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Навасардян Екатерина Сергеевна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Архаров А.М., Антонов А.Н., Буткевич И.А. Машины низкотемпературной техники. Криогенные машины и инструменты: Учебник для вузов. (Изд. 2-е, перераб. и доп.). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 г. 584 с.

2. Архаров А.М. Низкотемпературные газовые машины. М.: Машиностроение, 1969. 233 с.

3. Архаров А.М. Машины низкотемпературной техники. Криогенные машины и инструменты: Учебник для вузов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 582 с.

4. Архаров И.А. Процессы переноса теплоты и массы в криогенных аппаратах нового поколения газоразделительных установок: Дис. ... д-ра тех. наук: 05.04.03. Москва. 2006. 365 с.

5. Архаров И. А., Навасардян Е.С. Моделирование процессов тепло. массопе-редачи на регулярных насадках колонн дистилляционных установок // Криогенная техника: Материалы 3-его Международного специализированного салона (19-21 марта 2008 г). М.: Криогенэкспо, 2008. С.56-58.

6. Архаров И.А., Навасардян Е.С., Антонов Е.А. Моделирование работы микрокриогенной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2014. № 6. С.107 - 115.

7. Архаров, И.А., Навасардян Е.С., Глухарев А.С. Интенсификация теплообмена в аппаратах холодильных и криогенных установок // Инженерный журнал: наука и инновации. ЭЛ № ФС 77-3654 (от 9 июня 2000 г). 2017. №5. URL: http://engjournal.ru/cata.../pmce/mdpr/1618.html.

8. Архаров И.А., Навасардян Е.С., Симаков М.В. Микрокриогенные газовые машины в стратегических системах спутниковой навигации, наблюдения и связи // Химическое и нефтяное машиностроение. 2015. № 11. С. 27-30.

9. Байгалиев Б.Е. Особенности применения закона Дарси при исследовании и разработках лопаток гибридного двигателя для перспективного воздушно-

космического самолета // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. №5 (47). Часть 4. С.41-49

10. Бараночников М.Л. Приемники и детекторы излучений: Справочник. М.: ДМК Пресс, 2012. 640 с.

11. Бараночников М.Л. Приемники инфракрасного излучения: Состояние разработок и промышленного выпуска, перспективы развития и прогнозы: аналитический обзор. М.: Радио и связь, 1985. 94 с.

12. Баррон Р.Ф. Криогенные системы. (2-е изд.). М.: Энергоатомиздат, 1989. 408 с.

13. Белозерцев В.Н., Горшкалев А.А., Некрасова С.О. Методы расчета и экспериментальные исследования тепловых машин Стирлинга: Учебное пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2015. 76 с.

14. Бурлаков И.Д. Болтарь К.О., Патрашин А.И. Методы ускоренных испытаний надежности матричных // Прикладная физика. 2009. №4. С.119-123

15. Гороховский, Г.А. Газовые криогенные машины: Учебное пособие. Омск: ОмПИ, 1980. 70 с.

16. Грезин А.К. ОАО «Сибкриотехника». 40 лет в криогенике. Реальность и перспективы криогенных технологий // Криогенное и холодильное оборудование и технологии: Сборник научных трудов, МАХ, ОАО «Сибкриотехника». Омск. 1999. С.3-14

17. Грезин А.К., Зиновьев В.С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977. 232 с.

18. Довгялло А.И., Логашкин А.П., Сармин Д.В. Анализ работы баллонного микроохладителя при использовании азота с околокритическими параметрами // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2009. №3(19). С. 328-333.

19. Довгялло А.И. Логашкин А.П., Сармин Д.В. Дроссельная бортовая система охлаждения на базе баллона с криогенной // Прикладная физика. 2008. Вып. 6. С.75-78.

20. Ермолаев И.А. Математические модели и методы исследования конвективных потоков жидкостей и газов в системах охлаждения устройств радиоэлектроники: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 05.13.18. Саратов, 2013. 284 с.

21. Ефремов Л.В. Практика вероятностного анализа надежности техники с применением компьютерных технологий. СПб.: Наука, 2008. 216 с.

22. Ефремов Л.В. Проблемы прогнозирования усталостной долговечности деталей машин в вероятностном аспекте // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. № 5. С. 84-89.

23. Зайцев Д.К. Численное решение задач гидрогазодинамики и теплообмена с использованием блочно-структурированных сеток. Программный комплекс БШГ: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 05.13.18. Санкт-Петербург, 2016. 261 с.

24. Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П. К оценке теплогидравлических характеристик пористых структур // 5-ая Российская национальная конференция по теплообмену: Труды конференции. М.: МЭИ, 2010. Т. 5. С.172-175.

25. Каштанов В.А., Медведев А.И. Теория надежности сложных систем. (2-е изд., перераб.). М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 608 с.

26. Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А. , Башкирцев Г.В. Теплообмен и сопротивление при течении однофазного теплоносителя в высокопористой вставке // 5-ая Российская национальная конференция по теплообмену: Труды конференции. М.:МЭИ, 2010. Т.5. С.176-179.

27. Клепиков С.И., Румановский И.Г., Пяткова Г.И. Анализ надежности механических систем на стадии проектирования // Вестник ТОГУ. 2010. №2 (17). С. 85-96

28. Коротких А.Г. Теплопроводность материалов: Учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 97 с.

29. Кузнецов В.А. Математическое моделирование физических явлений в твердотельных структурах с неоднородным распределением внутренних параметров для разработки приборов с улучшенными характеристиками: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 05.13.18. Саратов, 2015. 358 с.

30. Лавров Н.А. Многоуровневая система моделирования нестационарных и меняющихся режимов работы низкотемпературных установок: Дис. ... д-ра тех. наук: 05.04.03. М., 2014. 293 с.

31. Липин М.В., Филиппов В.П., Левшакова Н.Н. Создание МКС Стирлинга холодопроизводительностью 3,2 Вт на 80К с ресурсом 5000 // Криогенное и холодильное оборудование и технологии: Сборник научных трудов, МАХ, ОАО «Сибкриотехника». Омск. 1997. С.69-73.

32. Мартыненко С.И. Многосеточная технология для математического моделирования тепловых и гидродинамических процессов: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук : 05.13.18. Москва, 2013. 268 с.

33. Медведева А.В., Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Классификация методов контроля пористости // Вестник ТГТУ. 2012. Том 18. №3. С.749-754. URL http://vestnik.tstu.ru/rus/t_18/pdf/18_3_034.pdf. (Дата обращения 20.12.2017).

34. Мусакаев Н. Г. Двухфазные течения с физико-химическими превращениями в каналах и пористых средах в задачах нефтегазовой механики: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.02.05. Тюмень, 2012. 241 с.

35. Навасардян Е.С., Архаров И.А. Математическая модель процесса конденсации на наружной поверхности трубы с продольными ребрами // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №11. С.9-13.

36. Навасардян Е.С., Архаров И.А. Моделирование процессов в микрокриогенной газовой машине // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2015. №10. С. 3-7.

37. Навасардян Е.С., Архаров И.А. Моделирование Процессов тепло-массопередачи на регулярных насадках колонн дистилляционных установок // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №9. С.22-25.

38. Навасардян Е.С., Архаров И.А., Нагимов Р.Р. Задачи и развитие методов динамического моделирования криогенных систем // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 7. С. 24-27.

39. Навасардян Е.С., Паркин А.Н., Кулик В.В. Обработка методики численного моделирования элементов микрокриогенных газовых машин с примене-

нием программного комплекса ANSYS FLUENT на примере вязкого течения в канале малого диаметра с теплоотдачей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 8. С. 14-19.

40. Навасардян Е.С., Паркин А.Н., Кулик В.В. Опыт применения современных систем инженерного анализа для прогнозирования характеристик основных рабочих элементов микрокриогенных газовых холодильных машин в процессе их проектирования // Двенадцатая Международная научно-практическая конференция «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития»: Материалы конференции (27-28 октября 2015 года). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. С. 7 - 9.

41. Навасардян Е.С., Паркин А.Н., Кулик В.В. Численное моделирование пористой насадки регенератора микрокриогенных газовых // Инженерный журнал: наука и инновации. ЭЛ № ФС 77-3654 (от 9 июня 2000 г). 2017. № 8. URL: http://engjournal.ru/cata.../pmce/mdpr/1646.htm.

42. Некрасова С.О., Сармин Д.В., Угланов Д.А. Численное и экспериментальное исследование термоакустического охладителя на пульсационной трубе // Известия Самарского научного центра РАН, 2015. Т.17. №6 (2). С. 505-513.

43. Новотельнов В.Н., Суслов А.Д. Криогенные машины. СПб.: Политехни-ка,1991. 335 с.

44. Пелевин Ф.В. Гидравлическое сопротивление пористых металлов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016. № 2. С.42-52

45. Полесский А.В., Самвелов А.В., Семенченко Н.А. Исследование влияния работы микрокриогенной системы интегрального типа на характеристики оптико-электронных // Прикладная физика, 2014. №5. С.183-87.

46. Белов С.В., Витязь П.А., Шелег В.К. Пористые проницаемые материалы: Справочник . М. : Металлургия, 1987. 332 с.

47. Прилуцкий А.И. Развитие теории, методов расчета и оптимального проектирования поршневых компрессорных и расширительных машин: Дис. ... д-ра тех. наук: 05.04.03. Санкт-Петербург, 2015. 454 с.

48. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986. 464 с.

49. Самвелов А.В., Сысоев А.Д., Оганесян Н.Н. Исследование зависимостей основных характеристик матричного фотоприёмного устройства от давления криоагента микрокриогенной системы // Прикладная физика. 2015. №1. С. 72-75.

50. Самвелов А.В. Развитие и реализация методов повышения надёжности бортовой микрокриогенной системы: Дис. ... канд. тех. наук: 05.04.03. Санкт-Петербург, 2017. 142 с.

51. Самвелов А.В., Широков Д.А., Сысоев Д.А. Совершенствование технологических операций подготовки к заполнению микрокриогенных систем криоагентом // XXII Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения: Тезисы доклада (22-25 мая 2012 года). Москва, 2012. С. 68.

52. Самвелов А.В., Медведков И.С., Широков Д.А. Создание газодинамического измерителя зазоров цилиндрово-поршневых пар в микрокриогенных системах охлаждения фотоприёмных устройств // XXI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения: Материалы конференции (22-25 мая 2012 года). Москва. 2012. С.56.

53. Себер Д. Линейный регрессионный анализ. М.: Мир, 1980. 456 с.

54. Семенов В.Ю. Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа: Дис. ... д-ра тех. наук: 05.04.03. Москва. 2016. 323 с.

55. Смук С., Кочанов Ю., Петрошенко М. Инфракрасные датчики длинноволнового диапазона на квантовых ямах компании // Компоненты и технологии. 2014. №1. С.152-157.

56. Способ замера теплопритоков охлаждаемых ИК-фотоприемников: пат. RU 2332647 / И.Д. Бурлаков, М.В Дерюгин, А.М. Колесников: Заявитель и патентообладатель - Федеральное государственное унитарное предприятие «НПО «Орион». Заявл. 19.01.2007. (опубл. 27.08.2008). URL

http://www.sibpatent.ru/patent.asp?nPubl=2332647&mpkcls=G01K&ptncls=G0 1K017/00&page=2&sort=2. (Дата обращения 10.05.2017).

57. Суслов А.Д., Фролова Н.И. Анализ рабочего процесса газовой холодильной машины // Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1967. Выпуск 124. С. 139 -144.

58. Сутягин О.В. Научные основы инженерных методов проектирования три-ботехнических систем с твердосмазочными покрытиями: Дис. ... д-ра тех. наук: 05.02.04. Тверь, 2016. 412 c.

59. Сысоева А. Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности // Компоненты и технологии. 2006. №11. С.34-44

60. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. М.: Машиностроение. 1985. 408 с.

61. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. М.: Энергия. 1978. 152 с.

62. Фандеев В.П., Самохина К.С. Методы исследования пористых структур // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ», 2015. Том 7. №4. URL http://naukovedenie.ru / PDF/34TVN415.pdf. . (Дата обращения 15.11.2017).

63. Фастовский В.Г., Петровский Ю.В., Ровинский А.Е. Криогенная техника. (Изд. 2-е, перераб. и доп.). М.: Энергия. 1974. 496 с.

64. Федотов А.В., Скабкин Н.Г. Основы теории надежности и технической диагностики: Конспект лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2010. 64 с.

65. Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом иинфракрасном диапазонах: Учебное пособие. СПб.: СПбГУАП. 2002.120с.

66. Хусаинов И.Г. Динамика акустических возмущений и фильтрационных полей в насыщенных пористых средах и перфорированных скважинах: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.02.05. Уфа, 2016. 262 с.

67. Чебоксаров А.Н. Основы теории надежности и диагностика: Курс лекций. Омск: СибАДИ, 2012. 76 с.

68. Чернюк А. Анализ методов моделирования структурно-геометрических форм проводящих пористых сред // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. 2015. №1 (132). С. 46-53

69. Шерыхалина Н.М. Математическое моделирование технических объектов и процессов на основе методов многокомпонентного анализа результатов вычислительного эксперимента: Дис. ... д-ра тех. наук: 05.13.18. Уфа, 2012. 376 с.

70. Abu-Ghannam B.J., Shaw J. Natural Transition of Boundary Layers The Effects of Turbulence, Pressure Gradient, and Flow // Mech. Engineering Science. 1980. V.22 (No.5). Р.213-228.

71. Ackermann R.A. Cryogenic Regenerative Heat Exchangers // New York: Plenum Press. 1997. 225 p.

72. Akhavan R., Kamm R.D., Shapiro A.H. An Investigation of Transition to Turbulence in Bounded Oscillatory Stokes Flows. Experiments (Part 1.) // J. Fluid Mech. 1991. V. 225. Р.395-422.

73. Anovitz L.M., Cole D.R. Characterization and analysis of porosity and pre structures // Rev. Mineral. Geochem. 2015.V.80. P.61-164

74. Arairo W., Prunier F., Djeran-Maigre I. On the use of effective stress in three-dimensional hydro-mechanical coupled model // Computers and Geotechnics. 2014. V. 58. P.56-68.

75. Arkharov I.A., Navasardyan E.S. Modelling heat/mass transfer processes on regular packings of distillation plants // IIR International Conference Cryogenics. Prague, 2008. P.173-179.

76. Arkharov I.A., Navasardyan E.S., Simakov M.V. Microcryogenic Gas Machines in Strategic Satellite Navigation, Surveillance, and Communications Systems // Chemical and Petroleum Engineering. 2016. V. 51 (Issue 11). P.765 - 770.

77. Ashwin T.R., Narasimham G.S., Subhash J. CFD analysis of high frequency miniature pulse tube refrigerators for space applications with thermal non-equilibrium model // Applied Thermal Engineering. 2010. V.30. P.152-166.

78. A simple regenerator test apparatus for testing regenerator for miniature cryocoolers / H.L. Chhatwal [et. al ] // Cryocoolers. Indian J. of Pure and Applied Physics. 1992. V. 30. P.414-413.

79. Babushkin A.V., Sokolkin Yu.V, Chekalkin A.A. Fatigue resistance of structurally inhomogeneous powdered materials in a complex stress-strain state // Mechanics of Composite Materials. 2014. V. 50 (№ 1). P.1-8.

80. Baek S.H., Jeong E.S., Jeong S. Two-dimensional model for tapered pulse tubes. Part 1: theoretical modeling and net enthalpy flow // Cryogenics. 2000. V.40. P.379-385.

81. Baek S.H., Jeong E.S., Jeong S. Two-dimensional model for tapered pulse tubes. Part 2: Mass streaming and streaming-driven enthalpy flow loss // Cryogenics. 2000. V. 40. P.387-392.

82. Baik J.H., Chang H.M. An exact solution for shuttle heat transfer // Cryogenics. 1994. V.35 (№1). P.9-13.

83. Bauwen B.F. Adiabatic losses in Stirling cryocoolers: a stratified flow model // Cryogenics. 1994. V. 34 (№8). P.627-633.

84. Bauwen B.F. Near isothermal regenerator: A perturbation analysis // Thermo-physics and Heat transfer. 1995. V.9. P.749-756.

85. Bauwen B.F. Stirling cryocooler model with stratified cylinders and quasi-steady heat exchangers // Thermophysics and Heat Transfer. 1995. V.9. P.129-135.

86. Beg O.A., Bakier A.Y., Prasad V.R. Numerical study of magnetohydrodynamic heat and mass transfer from a stretching surface to a porous medium with Soret and Dufour effects // Comput. Mater. Sci. 2009. V. 46. P.57-65.

87. Bejan A. Entropy generation through heat and fluid flow. Wiley Interscience. 1982. 248 p.

88. Berchowitz D.M. Design and testing of a 40 W free piston Stirling cycle cooling unit // 20th Int. congress on refrigeration, IIR/IIF Sydney. 1999. P.1-7.

89. Berchowitz D.M. Maximized performance of Stirling cycle refrigerators // IIR Conference-Natural Working fluids. Oslo. Norway. 1998. P.1-8.

90. Boroujerdi A.A., Esmaeili M. Characterization of the frictional losses and heat transfer of oscillatory viscous flow through wire-mesh regenerators // Alexandria Engineering Journal. 2015. V.54. P.787-794.

91. Bowman L. Microminiature Stirling cycle cryocoolers and engines. Patent US5941079 A. 1999.

92. Bowman L., Berchowitz D.M. Microminiature Stirling cycle cryocoolers and engines. Patent US5457956 A. 1995.

93. Brake H.J.M., Wiegerinck G.F.M. Low-power cryocooler survey // Cryogenics. 2002. V. 42. P.705-718.

94. Brück E., Tegus O., Thanh D.T. A review on Mn based materials for magnetic refrigeration: structure and properties // Int. J. Refrig. 2008. V.31. P.763-770.

95. Brück E., Trung N., Ou Z. Enhanced magnetocaloric effects and tunable thermal hysteresis in transition metal pnictides // Scripta Mater. 2012. V.67. P.590-593.

96. Cantelmi F.J. Measurement and modeling of in-cylinder heat transfer with inflow-produced turbulence // MS Thesis. Virginia Polytechnic Institute and State University. 1995. P.87-93.

97. Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. Oxford at the Clarendon Press. 1959. 510 р.

98. Caughley A., Sellier M., Tucker A. CFD Modelling of a diaphragm Stirling cryocooler. URL http://aut.researchgateway.ac.nz/bitstream/handle/10292/ 4956/cfdmodellingofadiaphragmStirling_t03-4-icc17caughleya.pdf?sequence=2. (Дата обращения 8.11.2017).

99. CFD simulation of a multi-mesh pulse tube regenerator / В. Mousavi [et. al.]// International Journal of Engineering. 2015. V. 28(1). Р.121-129

100. Cha J.S. Hydrodynamic parameters of micro porous media for steady and oscillatory flow: application to cryocooler regenerators. Doctoral Thesis, Georgia Institute of Technology. Atlanta. 2007.170 р.

101. Cha J.S. , Ghiaasiaan S.M., Desai P.V. Multi-dimensional flow effects in pulse tube refrigerators // Cryogenics. 2006. V. 46. P.658-665.

102. Cha J.S., Ghiaasiaan S.M., Kirkconnell C.S. Longitudinal hydraulic resistance parameters of cryocooler and Stirling regenerators in periodic flow // Advances in Cryogenic Engineering. 2008. V. 52. Р.259-266.

103. Chang H.M., Park D.J., Jeong J. Effect of gap flow on shuttle heat transfer// Cryogenics. 2000. V. 40. Р.159-166.

104. Characteristics and use of infrared detectors / Hamamatsu photonics. 2011. URL: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ ssd/infrared_kird9001e.pdf.. (Дата обращения 08.11.2017).

105. Chen X.P., Xia M., Wang L.Y. The reliability development of miniature Stirling cryocoolers // Cryocoolers 18 International Cryocooler Conference, Inc., Boulder, CO. 2014. Р.601-607. URL: http://cryocooler.org/ proceedings/paper-flies/C18papers/075.pdf. (Дата обращения 08.11.2017).

106. Cyclic simulation of Stirling cryocoolers / E. Atray [et. al.] // Cryogenics. 1990. V.30. P. 341-347.

107. Linear miniature motor driven integral type Stirling cooler for laboratory use/ H.L. Chhatwal [et. al.] // Indian J. of Pure and Applied Physics. 1992. V.30. Р.771-772.

108. Childers E.P., Wang M.O., Becker M.L. 3D printing of resorbable poly (propylene fumarate) tissue engineering scaffolds // MRS Bull. 2015. V. 40(02). Р.119-126.

109. Clearman W. M., Cha J. S., Ghiaasiaan S.M. Anisotropic steady. flow hydrody-namic parameters of microporous media applied to pulse tube and Stirling cryocooler regenerators // Cryogenics. 2008. V.48. Р.112-121.

110. Conrad T.J., Landrum E.C., Ghiaasiaan S.M. Anisotropic hydrodynamic parameters of regenerator materials suitable for miniature cryocoolers // Cryocool-ers. (15 International Cryocooler conference, Inc, Boulder). 2009. Р.343-351.

111. Copage J.E. , London A.L. Heat transfer and flow friction characteristics of porous media // Chemical Engineering Progress. 1956. V. 52(2). Р. 57-63.

112. Costa S.C., Barrutia H., Esnaola J.A. Numerical study of the heat transfer in wound woven wire matrix of a Stirling regenerator // Energy Conversion and Management. 2014. V.79. Р.255-264.

113. Costa S.C., Barreno I., Tutar M. The thermal non-equilibrium porous media modeling for CFD study of woven wire matrix of a Stirling regenerator // Energy Conversion and Management. 2015. V.89. P.473-483.

114. Dang H.Z. Development of high performance moving-coil linear compressors for space Stirling-type pulse tube cryocoolers // Cryogenics. 2015. V.68(1). P.18.

115. Dang H.Z. High-capacity 60 K single-stage coaxial pulse tube cryocoolers// Cryogenics. 2012. V.52. P.11

116. Davis T., Abhyankar N.S. Long life cryocoolers for space applications, a database update // Cryocoolers 13. Kluwer Academic Plenum Publishers, New York. 2005. Р.599-608.

117. Development of cost-effective cryocoolers for space / R. Arts [et. al.] // Cryocoolers. 2018. V.18. P.595-600.

118. Development of the miniature flexure bearing cryocooler SF070 / M. Mai [et. al.] // Cryocoolers 15. ICC Press. Boulder, CO. 2009. P.133-138.

119. Developments in advanced cooler drive electronics / D. Willems [et. al.] // Cryocoolers. 2014. V.18. P.359-366.

120. De Waele A., Liang W. Basic dynamics of split Stirling refrigerators // Cryogenics. 2008. V.48. P.417-425.

121. De Waele A., Steijaert P., Gijzen J. Thermodynamical aspects of pulse tubes // Cryogenics. 1997. V. 37.P.313-324.

122. De Waele A., Steijaert P., Gijzen J. Thermodynamically aspects of pulse tubes II // Cryogenics. 1998. V.38. P. 329-335.

123. Dyson R.W., Geng S.M., Tew R.C. Towards fully three-dimensional virtual Stirling convertors for multi-physics analysis and optimization // Engineering application of computational fluid mechanics. 2008. V.2 (1). P.95-118.

124. Dyson, R., Wilson S., Tew R.C. Fast whole-engine Stirling analysis URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20050238448.pdf. (Дата обращения 16.10.2017).

125. Eckert E.R.G., Drake R.M. Analysis of heat mass transfer. McGraw Hill. 1972. 670 p.

126. Edwards D.K., Catton I. Prediction of heat transfer by natural convection in closed cylinders heated from below // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1969. V.12. P.23-30.

127. Experimental assessment of the thermal-hydraulic performance of packed-sphere oscillating-flow regenerators using water / P. Trevizoli [et. al.] // Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. V.57. P. 324-334.

128. Experimental study on permeability of coal sample subjected to triaxial stresses/ K. Zeng [et. al.] // Procedia Engineering. 2011. V. 26. P.1051-1057.

129. Felske J.D. Approximate radiation shape factors between two spheres // ASME Journal of Heat Transfer. 1978. V.100. P.547-548.

130. Filis A., Haim Z.B., Havatzelet T. RICOR's rotary cryocoolers development and optimization for hot IR detectors. URL: http://www.ricor.com/wp-content/uploads/file/RIC0Rs%20Rotary%20Cryogenic%20Coolers%20for %20H0T%20IR%20detectors.pdf. (Дата обращения 08.11.2017).

131. Filis A., Haim Z. Microminiature Stirling cryocooler for compact, lightweight and low power thermal imaging systems. SPIE conference. 2009. Web site: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/7298/ 729818/ Microminiature-rotary-Stirling-cryocooler-for-compact-lightweight-and-low-power/10.1117/12.818427. short? S S0=1. (Дата обращения 11.08.2017).

132. Flake B., Razani A. Modeling pulse tube cryocooler with CFD // Adv. in Cry Engg. 2004. V. 49. P.1493-1499.

133. Fluent 6.3 user's guide. URL http://www.fluentusers.com. (Дата обращения 14.11.2017).

134. Formosa F. Nonlinear dynamics analysis of a membrane Stirling engine: Starting and stable operation // Journal of Sound and Vibration. 2009. V.326. P.794-808.

135. Gary J., Radebaugh R. An improved numerical model for calculation of regenerator performance (REGEN 3.1) // Proc. of the Fourth Interagency Meeting on Cryocoolers. No. DTRC-91/003. David Taylor Research Center. Bethesda. MD. 1991. P.165-176.

136. Gedeon D. Sage user's guide. Gedeon Associates. 2016. 456p.

137. Gheisari R., Jafarian A., Ansari M.A. Analytical investigation of compressible oscillating flow in a porous media: A Second-order successive approximation technique // Int. J. Refrigeration. 2012. V.35. P.1789 -1799.

138. Groep W., Weijden H., Benschop T. Update on MTTF figures for linear and rotary coolers of Thales cryogenics. URL: http://www.thales-cryogenics. com/wp-content/uploads/2012/05/Update-on-MTTF-figures-for-linear-and-rotary-coolers-of-Thales-Cryogenics_SPIE-2012 .pdf. (Дата обращения 14.11.2017).

139. He Y.L., Tao Y.B., Gao F.A new computational model for entire pulse tube refrigerators: Model description and numerical validation // Cryogenics. 2009. V.49. P.84-93.

140. Hirata K. Schmidt theory for Stirling engines. 1997. P. 1-9. URL: https://ru.scribd. com/document/ 59828791/schmidt-e. (Дата обращения 14.11.2017).

141. Hozumi Y., Murakami M. Numerical study of gas dynamics inside of a pulse tube refrigerator // Advances in Cryogenic Engineering. 2000. V. 45. P.167-174.

142. Hydrodynamic parameters of mesh fillers relevant to miniature regenerative / E.C. Landrum [et. al.] // Cryocoolers. 2010. V.50. P. 373-380.

143. Ibrahim M.B., Zhang Z., Gedeon D. A 2-d CFD model of oscillatory flow with jets impinging on a random wire regenerator matrix // In Energy Conversion Engineering Conference. IECEC '02. 2002. 37th Intersociety. 2002. P. 511-517.

144. Ibrahim M.B., Tew R.C. Multi-D CFD modeling of free-piston Stirling conver-tor at NASA GRC. 2004. URL: https://engagedscholarship.csuohio. edu/enme_facpub/280. (Дата обращения 08.11.2017).

145. Improvements and extensions in Thales Cryogenics product portfolio / D. Willems [et. al.] // SPIE. 2009. URL: http://www.thales-cryogenics. com/publications. (Дата обращения 08.11.2017).

146. Imura J., Iwata N. Optimization of regenerator in high capacity Stirling type pulse tube cryocooler // Physic. Superconductivity. 2008. V.468. P.2178-2180.

147. Integration of IDCA coolers. URL: www.thales-cryogenics.com. (Дата обращения 22.09.2017).

148. Jayaraman B. Design and Optimization of Cryogenic Regenerators // A Review Indian Journal of Science and Technology. 2017. V.10(24). P.1-10.

149. Ju Y.L. Wang C., Zhou Y. Numerical simulation and experimental verification of the oscillating flow in pulse tube refrigerator // Cryogenics. 1998. V.38. P.169-176.

150. Kaviany M. Principles of heat transfer in porous media // Mechanical Engineering Series. Springer-Verlag. New York Inc. 1991. 709 p.

151. Kays A. Compact heat exchangers. W. London. McGraw Hill. 1984. 335 р.

152. Kirk A. On the mechanical production of cold // Proc. Inst. Civil Engr. 1974. V.37. Р. 244-315.

153. Knauf S., Nellis G., Klein S. Experimental determination of flow and heat transfer correlations for passive regenerators. International Refrigeration and Air Conditioning // Conference Purdue University. 2010. URL: https://docs.lib.purdue.edu/iracc/1038. (Дата обращения 12.12.2017).

154. Kohler J.V. The gas refrigerating machine and its position in cryogenic technique // Progress in Cryogenics. 1960. Р.41-67.

155. Kongtragool B., Wongwises S. Thermodynamic analysis of a Stirling engine including dead volumes of hot space, cold space and regenerator // Renewable Energy. 2006. V.31. P.345-359.

156. Kumar K., Biju T. Performance enhancement of a miniature Stirling cryocooler with a multi mesh regenerator design // Journal of Engineering Science and Technology. 2017. V. 2 (6). P.1514-1524

157. Kumar K., Biju T. Investigation on hydrodynamic parameters of regenerator of a miniature Stirling cryocooler. URL: http://icec26-icmc2016.org/downloads/9-P2-143.pdf. (Дата обращения 15.01.2018).

158. Kuo D.T., Lody T.D., Yuan S.W.K. BAE's life test results on various linear coolers and their correlation with a first order life estimation method. URL: http://www.yutopian.net/Yuan/ papers/00Life.PDF. (Дата обращения 15.01.2018).

159. Lewis M., Radebaugh R. Measurement of heat conduction through metal spheres // Cryocoolers. 2001. V.11. P.419-425.

160. Liu J., Song R., Zhao J. Numerical simulation research on seepage mechanism in Pore-scale deformable porous media // Disaster Advances. 2013. V.6. P.49-58.

161. Macdonald I.F., El-sayed M.S., Mow K . Flow through porous media the Ergun equation revisited // Int. Eng. Chem. Fundament. 1979. V.18. P.199-208.

162. Mahkamov K. Design improvements to a biomass Stirling engine using mathematical analysis and 3d CFD modeling // ASME J. Energy Resour. Technol. 2006. V.128. P.203-215.

163. Martini W. Stirling Engine Design Manual. Second Editions. Martini Engineering. Harris, Washington, USA. 1982. 72 p.

164. Meeks W., Perez J. A survey on classical minimal surface theory University Lecture Series. URL: http://www.ugr.es/ ~jperez/papers/monograph-book2.pdf. (Дата обращения 12.12.2017).

165. Mikulin E.I., Tarasov A.A., Shkrebyonock M.P. Low temperature expansion pulse tubes //Advances in Cryogenic Engineering. 1984. V.29. P.629-637.

166. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering / S.C. Kapfer [et. al.] // Biomaterials. 2011. V.32(29). P.6875-6682.

167. Multiphysics modeling of a micro-scale Stirling refrigeration system / D. Guo [et. al.] // International Journal of Thermal Sciences. 2013.V.74. P.44- 52.

168. Nachman I., Veprik A., Pundak N. Life test result of Ricor K529N 1Watt linear cryocooler. URL: http://www.ricor.com/wp-content/uploads/file/Life% 20test%20result%20of%20Ricor%20K529N%201Watt%20linear%20Cryocoole r.pdf. (Дата обращения 08.11.2017).

169. Navasardyan E.S., Arkharov I.A., Antonov E.A. Modeling of processes in mi-crocryogenic gas cooler // Chemical and Petroleum Engineering. 2016. V.51(9). P.649-655.

170. Navasardyan E.S., Arkharov I.A., Nagimov R.R. Problems and development of methods of dynamic simulation of cryogenic systems // Chemical and Petroleum Engineering. 2016. V.52 (7). P.476 -480.

171. Navasardyan E.S., Arkharov I.A., Parkin A.N. Modeling and investigation of heat exchange of high temperature superconductive conductors in liquid nitrogen medium // Proceedings of the 23rd IIR International Congress of Refrigeration. Prague. 2011. URL: http://www.iifiir.org/medias/medias.aspx?instance= EXPL0ITATI0N&SETLANGUAGE=EN.

172. Navasardyan E.S., Arkharov I.A., Parkin A.N. Numerical modeling of porous nozzles for regenerator of Stirling cryocooler // Proceedings of the 14th IIR International Conference: Dresden, Germany. 2017. URL: http://www.iifiir.org/ medias/medias.aspx?instance= EXPL0ITATI0N&SETLANGUAGE=EN.

173. Navasardyan E.S., Parkin A.N., Kulik V.V. Numerical modeling procedure for micromachined cryogenic cooler elements using ANSYS fluent software and viscous flow in a small-diameter channel with heat transfer as an Example // Chemical and Petroleum Engineering. 2016.V. 52(7). P.531-538

174. Numerical analysis on pressure drop and heat transfer performance of mesh regenerators used in cryocoolers / Y.B. Tao [et. al.] // Cryogenics. 2009. V.49(9). P.497-503.

175. Numerical simulation of pulse-tube refrigerators / I.A. Lyulina [et. al.] // International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation. 2004. V. 5(1). P.79-88.

176. Nun U., Sanchez J.P., Lei X. Ruggedized integrated detector cooler assembly. Patent US 0079838. 2012.

177. Olson J.R., Champagne P., Roth E. Microcryocooler for tactical and space applications // Adv. Cryog. Eng. 2014. V.59. P.357-364.

178. Oscillatory flow anisotropic hydrodynamic parameters of microporous media applied in pulse tube and Stirling cryocooler regenerators / J.S. Cha [et. al.]// Exp. Thermal Fluid Science. 2008. V. 32. Р. 1264-1278.

179. Panzacchi P., Zygourakis K., Davies C.A. New approaches to measuring biochar density and porosity // Biomass Bioenergy. 2014. V.66. P.176-185.

180. Pathak M.G., Mulcahey T.I., Ghiaasiaan S.M. Conjugate heat transfer during oscillatory laminar flow in porous media // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. V.66. P.23-30.

181. Peterson R.B., Al Hazmy M. Size limits for Stirling cycle refrigerators and cry-ocoolers // Adv. Cryog. Eng. 1998. V.43. P.997-1002.

182. Power efficiency diagram for performance evaluation of cryocoolers / A. Razani [et. al.] // Adv. in Cryogenic Engineering, Amer. Institute of Physics, Melville, NY. 2004. V.49(B). P.1527-1535.

183. Radebaugh R. Cryocoolers: the state of the art and recent developments // Journal of Physics. Condens. Matter. 2009. V. 21. P.1-9.

184. Radebaugh R., Louie B ., Simple A. First step to the optimization of regenerator geometry // Proc. of the 3-rd Cryocooler Conf. NBS Special Publication 698/ Boulder, CO. 1985. P.177-198.

185. Razani A., Flake B., Yarbrough S. Exergy flow in pulse tube refrigerators and their performance evaluation based on exergy analysis // Advances in Cryogenic Engineering. 2004. V.49. P.1508-1518.

186. Razani A., Roberts T., Flake B. The second-law based thermodynamic optimization criteria for pulse tube refrigerators // Cryocoolers 14. International Cry-ocooler Conference, Inc., Boulder, CO. 2007. P.285-292

187. Release for production for the most compact microcooler in the Thales Cryogenics rotary monobloc range / Jean-Yves Martina [et. al.] // URL: http: www.thales-cryogenics.com/wp-content/uploads/2015/11/2011-spie-release-for-production-for-the-most-compact-microcooler-in-the-thales-cryogenics-rotary-monobloc-range.pdf. (Дата обращения 08.05.2017).

188. Ricor's K508n highly reliable integral rotary cryogenic cooler / M. Barak [et. al.] // URL: http://www.ricor.com/wp-content/uploads/file/K508N%20HIG HLY%20RELIABLE%20CRY0GENIC%20C00LER.pdf. (Дата обращения 08.05.2017).

189. Robbert A. Cryogenic regenerative heat exchangers // New York: Plenum Press. 1997. P. 48-54.

190. Roberts T., Razani A. Multistage Stirling cycle refrigeration performance mapping of the Ball SB235 cryocooler // Cryocoolers 14. International Cryocooler Conference, Inc., Boulder, CO. 2007. P.57-63. URL: http://cryocooler.org/proceedings/paper-flies/C14papers/008.pdf. (Дата обращения 08.05.2017).

191. Rogdakis E.D. , Bormpilas N.A., Koniakos I.K. A thermodynamic study for the optimization of stable operation of free piston Stirling engines // Energy Conversion and Management. 2004. V.45(4). P.575-593.

192. Ross R.G. Cryocoolers for space applications. URL: https://www.jlab.org/IR/ Cryocooler_Fundamentals_Course_Notes/CEC-RGR_2_200dpi-final.pdf. (Дата обращения 08.05.2017).

193. Ross R.G. Cryocooler reliability and redundancy considerations for long-life space missions // Cryocoolers 11. Kluwer Academic Plenum Publishers, New York. 2001. P.637-648.

194. Saad A., El- Sayed Gomaa M. Experimental investigation of heat transfer characteristics and heat recovery efficiency in wire rope regenerator // Journal of

Multidisciplinary Engineering Science and Technology. 2015. V.2. Issue 5. P.919-923

195. Schock A. Nodal analysis of Stirling cycle devices. URL: https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/1033399. (Дата обращения 12.12.2017).

196. Shad M., Kamran M.A. Investigation of the thermal performance of cryogenic regenerator as a porous structure // Journal of Thermal Engineering. 2016. V.2(6). P.962-970.

197. Shamsi K., Gandjalikhan M., Nassab S.A. Investigation of entropy generation in a 3D laminar forced convection flow over a backward facing step with bleeding // IJE Transactions A: Basics. 2012. V. 25(4). P.379-388.

198. Shire J.M., Mujezinovic A., Phelan P.E. Investigation of microscale cryocool-ers// Cryocoolers. 1999. V.10. P.663-770.

199. Six sigma method applied to cryogenic coolers assembly line / J.M. Ventre [et. al.] // SPIE. 2009. URL: http://www.thales-cryogenics.com/publications. (Дата обращения 12.12.2017).

200. Smith W.R. One-dimensional models for heat and mass transfer in pulse tube refrigerators // Cryogenics. 2001. V.41. P.573-582.

201. Song R., Mengmeng C., Jianjun L. A correlation for heat transfer and flow friction characteristics of the offset strip fin heat exchanger // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. V.115. P.695-705

202. Space cryocooler contamination lessons learned and recommended control procedures / S. Castles [et. al.] // Cryocoolers. (Kluwer Academi. Plenum Publishers). 2001. V.11. P. 649-657.

203. Space micro pulse tube cooler / T. Nguyen [et. al.] // Cryocoolers. 2011. V.16. P.101.

204. Stetson N.B. Miniature integral Stirling cryocooler. Patent US4858442 A. 1988.

205. Suppression of cryocooler-induced microphonics in infrared imagers /A.Veprik [et. al.] // Cryogenics. 2009. V.49(8). P.449-454.

206. Taghilou M., Ghadimi B., Seyyedvalilu M.H. Optimization of double pipe fin-pin heat exchanger using entropy generation // International Journal of Engineering. 2014. V. 27(9). P.1431-1438.

207. Taghilou M., Rahimian M.H. Investigation of two phase flow in porous media using lattice Boltzmann method // Computers & Mathematics with Applications. 2014. V.67(2). P.424-436.

208. Tatsuya H., Ikegami K. Experimental study on the Stirling-Cycle cryocooler // Proceeding of 7th International Conference on STIRLING Cycle Machines. 1995. P.501-506.

209. Tew R.C., Ibrahim M.B. Two-dimensional compressible non-acoustic modeling of Stirling machine-type components // J. of Prop. and Power. V.19 (5). 2003. P.115-118

210. The development of a new generation of miniature long-life linear coolers / W. Groep [et. al.] // Cryocoolers. 2011. V.16. P.111-119.

211. Thombare D.G., Verma S.K. Technological development in the Stirling cycle engines // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2008. V.12. P.1-38.

212. Tkachev V.G. Disjoint minimal graphs // Annals of Global Analysis and Geometry. 2009. V. 35(2). P.139-155.

213. Traizet M. On the genus of triply periodic minimal surfaces // J. Differential Geom. 2008. V.79. P.243-275.

214. Vanapalli S., Lewis M., Grossman G. Modeling and experiments on fast cool down of a 120 Hz pulse tube cryocooler // Adv. Cryog. Eng. 2008. V.53. P.1429-1436.

215. Vitale N.G. Stirling free piston cryocoolers. Patent US 5022229 A. 1991.

216. Walker J.M, Bodamer E. Design and mechanical characterization of solid and highly porous 3D printed polypropylene fumarate scaffolds // Prog. Addit. Man-uf. 2017. V.2. P.99-108.

217. Wang C., Wu P., Chen Z. Numerical modelling of an orifice pulse tube refrigerator // Cryogenics. 1992. V.32. P.785-790.

218. Willems D.W.J., Dam J.A.M. Three-dimensional pulse tube simulations // Advances in Cryogenic Engineering. 2001. V.47. P.934-941.

219. Yadav C.O., Joshi U.V., Patel L.N. CFD assisted prediction of hydrodynamic parameters for regenerator of cryocooler // Procedia Technology. 2014. V.14. P.328-335.

220. Yang S., Xin-guang L., Yi-nong W. The lifetime prediction model of Stirling cryocooler for infrared detector assembly // International Symposium on Photoe-lectronic Detection and Imaging: Infrared Imaging and Applications (11 September). 2013. URL: http://dx.doi.org/10.1117/12.2035196. (Дата обращения

12.12.2017).

221. Yarbrough A., Flake B.A., Razani A. Computational fluid dynamic modeling of pressure drop through wire mesh // Adv. in CryoEngg. 2004. V.49. P.1338-1345

222. Yoo D. Heterogeneous minimal surface porous scaffold design using the distance field and radial basis functions // Med Eng Phys. 2012. V. 34(5). P.625-639.

223. Zhang Z. , Ibrahim M. Development of CFD model for Stirling engine and its components. // 2nd International Energy Conversion Engineering Conference (Providence, Rhode Island, August 16-19). 2004. URL: https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2004-5674. (Дата обращения

15.01.2018).

224. Zhao Y., Dai W., Chen Y. Numerical analysis of the 4 K regenerator in a pulse tube cryocooler // International Cryocooler Conference. Cryocoolers 18, Inc., Boulder. 2014. P.283-289

225. Zhao Y., Dang H. CFD simulation of a miniature coaxial Stirling-type pulse tube cryocooler operating at 128 Hz // Cryogenics. 2016. V. 73. P.53-59

226. 3D characterization and analysis of pore structure of packed ore particle beds based on computed tomography images / B. Yang [et. al.]// Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2014. V.24. P.833-838.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

П.1. Структура матрицы компонентов, матрицы отказов и матрицы «Компонент - Отказ»для структурного анализа микрокриогенной газовой машины

Таблица П1.1.

Матрица компонентов МКГМ (вектор «С»)

Индекс компонента (вектор С) Наименование по спецификации Количество

С1 Гильза (СБ) 1

С2 Статор (СБ) 1

С3 Кожух(СБ) 1

С4 Ротор (СБ) 1

С5 Вытеснитель (СБ) 1

С6 Шатун (СБ) 1

С7 Шатун (СБ) 1

С8 Корпус компрессора (Д) 1

С9 Гильза(Д) 1

С10 Кольцо (Д) 1

С11 Диск (Д) 1

С12 Кольцо (Д) 1

С13 Пружина (Д)

С14 Крышка (Д) 1

С15 Клапан (Д) 1

С16 КоРпУс (д) 1

С17 Фланец (Д) 1

С18 Кольцо (Д)

С19 Гильза(Д) 1

С20 Винт (Д) 1

С21 Прокладка(Д) 1

С22 Прокладка(Д) 1

С23 Прокладка(Д) 1

С24 Прокладка(Д) 1

Индекс компонента (вектор С) Наименование по спецификации Количество

С25 Прокладка(Д) 1

С26 Прокладка(Д) 1

С27 Прокладка(Д) 1

С28 Прокладка(Д) 1

С29 Прокладка(Д) 1

С30 Прокладка(Д) 1

С31 Прокладка(Д) 2

С32 Винт М4-6§х8 ГОСТ 11738-84 (СТИ) 12

С33 Винт М4-6§х10 ГОСТ 17475-80 (СТИ) 1

С34 Подшипник 80025 ГОСТ 7242-82 (СТИ) 1

С35 Подшипник 618/9 ББК (СТИ) 2

(Д) - индекс детали; (СБ) - индекс сборочной единицы; (СТИ) - индекс стандартного изделия

Матрица отказов в элементах МКГМ (вектор «Г»)

Индекс отказа (вектор Г) Отказы в рабочих образцах отечественных и зарубежных МКГМ

Б1 Механическое разрушение

Б2 Коррозия

Б3 Усталость

Б4 Трещина

Б5 Фреттинг

Б6 Заклинивание и задиры

Б7 Внутренние перетечки рабочего вещества по полостям машины

Б8 Разрушение вследствие напряжённого состояния

Б9 Термический шок

Б10 Износ

Б11 Критический рост потребляемой мощности

Б12 Критический рост гидросопротивления регенератора

Б13 Критические значения вибрации

Б14 Рост температуры криостатирования

Б15 Утечка рабочего вещества

Б16 Потери на дросселирование рабочего вещества при последовательном прохождении смежных полостей

Матрица «Компонент - Отказ» для МКГМ

Индекс компонента (вектор С) Показатель Разрушение Коррозия Усталость Трещина Фреттинг Заклинивание и задиры Человеческий фактор Разрушение вследствие напряжённого состояния Термический шок Износ Критический рост потребляемой мощности Критический рост гидросопротивления регенератора Критические значения вибрации Рост температуры криостати-рования Утечка рабочего вещества

Компонент / Отказ Б2 Б3 Б4 Б5 Б6 Б7 Б8 Б9 Б10 П1 Б12 Б13 Б14 Б15

С1 Гильза (СБ) 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1

С2 Статор (СБ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С3 Кожух(СБ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С4 Ротор (СБ) 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0

С5 Вытеснитель (СБ) 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С6 Шатун (СБ) 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

С7 Шатун (СБ) 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

С8 Корпус компрессора (Д) 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С9 Гильза (Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С10 Кольцо (Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С11 Диск(Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С12 Кольцо(Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С13 Пружина (Д) 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Продолжение таблицы П1.3

Индекс компонента (вектор С) Показатель Разрушение Коррозия Усталость Трещина Фреттинг Заклинивание и задиры Человеческий фактор Разрушение вследствие напряжённого состояния Термический шок Износ Критический рост потребляемой мощности Критический рост гидросопротивления регенератора Критические значения вибрации Рост температуры криостати-рования Утечка рабочего вещества

Компонент/Отказ Б2 Б3 Б4 Б5 Б6 Б7 Б8 Б9 Б10 П1 Б12 Б13 Б14 Б15

С14 Крышка (Д) 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С15 Клапан (Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С16 Корпус(Д) 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С17 Фланец (Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С18 Кольцо (Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С19 Гильза (Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С20 Винт (Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С21 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С22 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С23 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

Индекс компонента (вектор С) Показатель Разрушение Коррозия Усталость Трещина Фреттинг Заклинивание и задиры Человеческий фактор Разрушение вследствие напряжённого состояния Термический шок Износ Критический рост потребляемой мощности Критический рост гидросопротивления регенератора Критические значения вибрации Рост температуры криостатиро-вания Утечка рабочего вещества

Компонент/Отказ Б2 Б3 Б4 Б5 Б6 Б7 Б8 Б9 Б10 П1 Б12 Б13 Б14 Б15

С24 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С25 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С26 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С27 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С28 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С29 Прокладка(Д) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С30 Прокладка(Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С31 Прокладка(Д) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

С32 Винт М4^х8 ГОСТ 11738-84 (СТИ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С33 Винт М4-6gx10 ГОСТ 17475-80 (СТИ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С34 Подшипник 80025 ГОСТ 7242-82 (СТИ) 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0

С35 Подшипник 618/9 8БК (СТИ) 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0

Экспериментальные значение температуры Тх (0С) на холодном конце вытеснителя МКГМ, сгруппированные для многофакторного дисперсионного анализа

Давление заправки, Температура О.С., 0С Конструктивное исполнение: длина регенератора

бар ¡1 = 50 мм ¡2 = 30 мм

Пористость

81 = 0,675 82 = 0,782 81 = 0,675 82 = 0,782

78,5; 79,0; 82,0; 79,0; 85,0; 82,0; 78,5; 85,0;

79,2; 77,0; 79,5; 78,0; 79,2; 83,2; 80,2; 82,0;

35 + 23 76,0; 76,5; 82,0; 83,0; 80,0; 83,5; 88,0; 86,5;

78,1; 77,0; 78,1; 77,0; 82,1; 80,0; 83,1; 84,0;

75,0; 76,0 80,0; 79,7 84,0; 84,2 82,0; 78,7

70,3; 68,0; 72,5; 73,0; 73,0; 74,0; 73,1; 74,8;

67,2; 68,5; 75,2; 70,0; 73,5; 72,0; 75,2; 75,0;

50 - 40 69,0; 69,2; 73,0; 73,8; 73,0; 73,8; 75,3; 74,1;

78,1; 81,0; 74,1; 68,0; 74,1; 71,0; 76,1; 77,0;

71,0; 77,0 67,3; 70,0 72,5; 71,0 76,5; 73,4

Экспериментальные значение температуры на холодном конце вытеснителя получены при значении полезной холодопроизводительности Qх = 0Вт; контрольное время измерения температуры 300 секунд с момента пуска двигателя МКГМ._

Multiple-Variable Analysis (Tx)

Correlations

Pzapr To.c. Konstr isp Poristost Tx

Pzapr 1,0000 0,0000 0,0000 -0,7786

(80) (80) (80) (80)

0,0000 1,0000 1,0000 0,0000

To.c. 1,0000 0,0000 0,0000 -0,7786

(80) (80) (80) (80)

0,0000 1,0000 1,0000 0,0000

Konstr isp 0,0000 0,0000 0,0000 0,3470

(80) (80) (80) (80)

1,0000 1,0000 1,0000 0,0016

Poristost 0,0000 0,0000 0,0000 0,1216

(80) (80) (80) (80)

1,0000 1,0000 1,0000 0,2826

Tx -0,7786 -0,7786 0,3470 0,1216

(80) (80) (80) (80)

0,0000 0,0000 0,0016 0,2826

Correlation (Sample Size)

P-Value

The StatAdvisor

This table shows Pearson product moment correlations between each pair of variables. These correlation coefficients range between -1 and +1 and measure the strength of the linear relationship between the variables. Also shown in parentheses is the number of pairs of data values used to compute each coefficient. The third number in each location of the table is a P-value which tests the statistical significance of the estimated correlations. P-values below 0,05 indicate statistically significant non-zero correlations at the 95,0% confidence level. The following pairs of variables have P-values below 0,05: Pzapr and To.c. Pzapr and Tx To.c. and Tx Konstr isp and Tx

I

Рисунок П1.1. Результаты расчета «P-значения» при оценке влияния независимых факторов (давление заправки, температуры О. С., конструктивного исполнения и пористости) на Тх (Скриншот рабочего окна программы STATGRAPHICS® Centurion XVI)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

П.2 Начальные и граничные условия для математической модели микрокриогенной газовой машины. Результаты проверки расчетной сетки

Таблица П2.1.

Основные условия, постановка начальных и граничных условий

№ шага Выбираемый параметр Действие в Ansys Fluent 14

1 Режим расчета процессов течения рабочего тела - неустановившийся [General] - (Solver) - Time: Transient

Расчетная сетка - осесимметричная [General] - (Solver) - 2D Space: Ax-isymmetric

Режим расчета - с учетом уравнения энергии [Models] - (Models) - Energy - Edit... - Energy Equation: [V] - OK

Модель турбулентности - k-epsilon [Models] - (Models) - Viscous - Edit. - (Model) - k-epsilon (2 eqn) - OK

2 Материалы, используемые в расчете: - материал всех стенок и регенератора сталь 12Х18Н10Т; - рабочее вещества газ-гелий [Materials] - (Materials) - Solid - Create/Edit. - FLUENT Database - Material type: solid - FLUENT Fluid Materials: steel - Copy - Close -Change/Create - Close [Materials] - (Materials) - Fluid - Create/Edit. - FLUENT Database - Material type: fluid - FLUENT Fluid Materials: helium (he) - Copy - Close -Change/Create - Close

3 Условия на границах рабочих полостей: - для стенки полости сжатия (wall-compressor): стенка принимается адиабатной, материал - сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - wall-compressor - Edit. - <Thermal> -Thermal Conditions: Heat Flux - Heat Flux: 0 - Material Name: steel

- для стенки пористого концевого холодильника (wall-aftercooler): стенка принимается изотермической при температуре 300 К, материал -сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - wall-aftercooler - Edit. - <Thermal> -Thermal Conditions: Temperature -Temperature: 300 K - Material Name: steel

- для стенки соединительного канала (wall-transferline): стенка принимается адиабатной, материал - сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - walltransferline - Edit. - <Thermal> -Thermal Conditions: Heat Flux - Heat Flux: 0 - Material Name: steel

№ шага Выбираемый параметр Действие в Ansys Fluent 14

3 - для стенки теплого объема (wallhotspace): стенка принимается изотермической при температуре 300 К, материал - сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - wallhotspace - Edit... - <Thermal> -Thermal Conditions: Temperature -Temperature: 300 K - Material Name: steel

- для стенки регенератора (wallregenerator): стенка принимается адиабатной, материал - сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - wallregenerator - Edit. - <Thermal> -Thermal Conditions: Heat Flux - Heat Flux: 0 - Material Name: steel

- для стенки холодного объема (wall-coldspace). Стенка принимается адиабатной, материал - сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - wall-coldspace - Edit. - <Thermal> -Thermal Conditions: Heat Flux - Heat Flux: 0 - Material Name: steel

- для компрессорного поршня (подвижной стенки полости сжатия) (piston). Стенка принимается адиабатной, материал - сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - piston - Edit. - <Thermal> - Thermal Conditions: Heat Flux - Heat Flux: 0 -Material Name: steel

- для вытеснителя (подвижной стенки холодного объема) (displacer). Стенка принимается адиабатной, материал - сталь; [Boundary Conditions] - (Zone) - displacer - Edit. - <Thermal> - Thermal Conditions: Heat Flux - Heat Flux: 0 -Material Name: steel

4 Содержимое рабочих полостей: - Все свободные рабочие полости КГМ заполнены гелием, пористые области (регенератор и концевой охладитель) выполнены из стали и заполнены гелием. Содержимое ячеек сетки рабочих полостей задается для следующих областей:

- Содержимое ячеек полости сжатия (compressor) - гелий; [Cell Zone Conditions] - (Zone) -compressor - Edit. - Material Name: helium;

- Содержимое ячеек концевого охладителя (aftercooler) - пористая сталь и гелий; [Cell Zone Conditions] - (Zone) - aftercooler - Edit. - Material Name: helium - Porous Zone: [V] - <Porous Zone> - (Viscous Resistance) - Direc-tion-1: 9.4e+09 - Direction-2: 9.4e+09 - (Inertial Resistance) - Direction-1: 76090 - Direction-2: 76090 - (Fluid Porosity) - Porosity: 0.7 - (Heat Transfer Settings) - Solid Material Name: steel

- Содержимое ячеек соединительного канала (transferline) - гелий; [Cell Zone Conditions] - (Zone) -transferline - Edit. - Material Name: helium

№ шага Выбираемый параметр Действие в Ansys Fluent 14