ИЗЛУЧАЮЩИЙ КРИОГЕННЫЙ ОХЛАДИТЕЛЬ
RADIANT CRYOGENIC COOLER

Изобретение относится к системам охлаждения, в частности, приемников излучения сканирующих радиометров устройств наблюдения за поверхностью Земли с космических аппаратов.
Известен охладитель приемников излучения, включающий в себя плоскую пластину, закрепленную на корпусе космического аппарата (далее КА) или корпусе сканера с помощью тепловых развязок. Пластина имеет плоскую поверхность, излучающую в космическое пространство, обратная сторона пластины имеет теплоизоляцию, как правило, экранно-вакуумную (ЭВТИ), отделяющую пластину от КА или сканера. Минимальные температуры приемников излучения, достигнутые с помощью таких охладителей, составляют не ниже 173 К (Справочник по инфракрасной технике. / Ред. + У. Волф, Г. Цисис. В 4-х т. Т.3. Приборная база ИК-систем. Пер. с англ. - М.: Мир, 1999. - 472 с., ил. (стр.341)).
С целью повышения обнаружительной способности приемников излучения, например, на основе тройной смеси (Ca-Hg-Te), рабочую температуру понижают до 80-90 К. Для этой цели используют двухступенчатые охладители, в которых ступень криогенного каскада размещена в ступени промежуточного каскада.
Известен двухступенчатый охладитель, содержащий корпус, покрытый слоем теплоизоляции, закрепленный внутри корпуса посредством жестких опорных элементов, промежуточный каскад охлаждения, также покрытый слоем теплоизоляции и включающий в себя радиатор и отражатель, а также закрепленный внутри промежуточного каскада посредством жестких элементов, криогенный каскад, при этом криогенный каскад охлаждения включает в себя радиатор с расположенным на нем приемником излучения (Справочник по инфракрасной технике. / Ред. + У. Волф, Г. Цисис, в 4-х т., т.3. Приборная база ИК-систем. Пер. с англ. - М.: Мир, 1999. стр.472, (ил. стр.344)).
Недостатком аналога является большая погрешность установки криогенного каскада относительно корпуса, обусловленная тем, что криогенный каскад охлаждения закреплен внутри промежуточного каскада охлаждения с помощью жестких элементов, положение которых невозможно изменить в процессе сборки и, следовательно, невозможно с высокой точностью обеспечить соосность обоих каскадов. На сканере охладитель устанавливается с посадкой (контактом) с промежуточным каскадом, следовательно, ось приемника излучения может не совпадать с осью оптической системы сканера. Чтобы съюстировать указанные выше оси, сканер снабжают устройством подъюстировки оси оптической системы, причем подъюстировку необходимо проводить при рабочих температурах элементов конструкции охладителя, сканера и приемника излучения, что, в свою очередь, усложняет конструкцию и процесс ее сборки.
Наиболее близким к заявляемому излучающему криогенному охладителю является техническое решение по патенту на полезную модель (патент на полезную модель RU 113566 МПК F25B 23/00 от 07.07.2011, опубликовано 20.02.2012), включающее корпус, систему теплоизоляционных экранов, смонтированный внутри корпуса промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор с закрепленным на нем отражателем, расположенный внутри промежуточного каскада криогенный каскад, включающий радиатор с элементами крепления на нем приемников излучения, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада, включающую в себя обечайку, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке нити-растяжки из полимерного материала. В данном решении вторые концы нитей-растяжек закреплены на длинных кронштейнах, установленных на корпусе охладителя за отражателем, образуя пространственную ферму, причем нити-растяжки пропущены через отверстия указанного отражателя промежуточного каскада и систему теплоизоляционных экранов.
Недостатками прототипа являются:
- смещение (разъюстировка) криогенной ступени относительно корпуса из-за температурных деформаций нитей-растяжек и кронштейнов, вызванных большими размерами (большой длиной) указанных нитей и кронштейнов и различием температуры сборки прибора на заводе-изготовителе и температуры этих элементов в полете;
- смещение (разъюстировка) криогенной ступени относительно корпуса из-за вытягивания нитей-растяжек вследствие их большой длины и вибрации охладителя при приемоподаточных механических испытаниях, а также вибрации ракетоносителя на активном участке полета;
- возможность перетирания нитей-растяжек в отверстиях, через которые они пропущены, из-за вибрации космического аппарата на активном участке полета, а, соответственно, и разъюстировки;
- повышение температуры криогенного каскада (уменьшение хладопроизводительности охладителя), вызванное натеканием тепла по нитям-растяжкам, на концах которых перепад температуры достигает 200 К, т.к. температура корпуса составляет 270-280 К, а кронштейны, на которых они крепятся, смонтированы в корпусе за отражателем;
- повышение температуры криогенного каскада (уменьшение хладопроизводительности охладителя) из-за наличия отверстий для нитей-растяжек в отражателе промежуточного каскада и в системе теплоизоляционных экранов промежуточного каскада вследствие натекания тепла излучением от корпуса.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении погрешности установки криогенного каскада относительно корпуса.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый излучающий криогенный охладитель, как и указанный наиболее близкий к нему известный, содержит корпус, систему теплоизоляционных экранов, смонтированный внутри корпуса промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор с закрепленным на нем отражателем, расположенный внутри промежуточного каскада криогенный каскад, включающий радиатор с элементами крепления на нем приемников излучения, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада, включающую в себя обечайку, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора криогенного каскада, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке нити-растяжки из полимерного материала.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом криогенном охладителе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, система крепления криогенного каскада снабжена второй обечайкой, коаксиально расположенной относительно первой обечайки, при этом внешняя обечайка закреплена на торце отражателя промежуточного каскада, и вторые концы нитей-растяжек соединены с внешней обечайкой системы крепления, а ось системы крепления совпадает с оптической осью криогенного охладителя, кроме того, каждая обечайка системы крепления выполнена с разнесенными по ее высоте двумя рядами узлов крепления нитей-растяжек и оси узлов крепления верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга, при этом через одну нити-растяжки закреплены одними концами в узлах крепления нижнего ряда внутренней обечайки, другими концами в узлах крепления верхнего ряда внешней обечайки, а другие нити-растяжки закреплены одними концами в узлах крепления верхнего ряда внутренней обечайки, другими концами - в узлах крепления нижнего ряда внешней обечайки.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, нити-растяжки имеют небольшую длину, и перепад температур на них не превышает 70 К. Кроме того, отсутствуют кронштейны для крепления вторых концов нитей, закрепленные на корпусе излучающего криогенного охладителя за отражателем промежуточного каскада. В предложенной конструкции вторые концы нитей-растяжек закреплены на дополнительной (внешней) обечайке системы крепления криогенного каскада, которая крепится к торцу отражателя промежуточного каскада, после того как проведена сборка системы крепления криогенного каскада. По этой причине в предлагаемом охладителе уменьшена погрешность установки криогенного каскада относительно корпуса, а также повышена хладопроизводительность охладителя в связи с уменьшением натекания тепла по нитям, а также ликвидировано натекание тепла излучением от корпуса через отверстия для прохождения нитей. Кроме того, поскольку нити-растяжки не проходят через отверстия в отражателе промежуточного каскада и в системе теплоизоляционных экранов, исключается возможность их перетирания из-за вибрации аппарата на активном участке полета, которая в прототипе усугубляется большой длиной нитей и кронштейнов для их крепления.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - общий вид охладителя в случае выполнения отражателя промежуточного каскада в форме усеченного конуса;
- на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1;
- на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1;
- на фиг.4 - общий вид охладителя в случае выполнения отражателя промежуточного каскада в виде усеченной пирамиды;
- на фиг.5 - вид по стрелке В на фиг.4;
- на фиг.6 - сечение Г-Г на фиг.4.
Предлагаемый криогенный охладитель (фиг.1) содержит корпус 1, систему теплоизоляционных экранов 2, смонтированный внутри корпуса 1 посредством опорных элементов 3 промежуточный каскад охлаждения, включающий в себя радиатор 4 с закрепленным на нем отражателем 5. Внутри промежуточного каскада расположен криогенный каскад, включающий радиатор 6 с элементами крепления 7 на нем приемников излучения 8, и систему крепления криогенного каскада внутри промежуточного каскада. Указанная система крепления включает в себя обечайку 9, жестко закрепленную с нижней стороны радиатора 6, и закрепленные одними своими концами на указанной обечайке 9 нити-растяжки 10 из полимерного материала. Система крепления криогенного каскада снабжена второй обечайкой 11, коаксиально расположенной относительно первой обечайки 9, при этом внешняя обечайка 11 закреплена на торце отражателя 5 промежуточного каскада, и вторые концы нитей-растяжек 10 соединены с внешней обечайкой 11 системы крепления, а ось системы крепления совпадает с оптической осью криогенного охладителя. К нижней стороне обечайки 11 крепится крышка 12. Каждая обечайка (9 и 11) системы крепления выполнена с разнесенными по их высоте двумя рядами узлов крепления 13 нитей-растяжек 10 и оси узлов крепления 13 верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга. Нити-растяжки 10 закреплены одними концами в узлах 13 нижнего ряда внутренней обечайки 9, а другими концами - в узлах крепления 13 верхнего ряда внешней обечайки 11 - таким способом нити-растяжки 10 закреплены через одну, а между ними другие нити-растяжки 10 закреплены одними концами в узлах крепления 13 верхнего ряда внутренней обечайки 9, а другими концами в узлах крепления 13 нижнего ряда внешней обечайки 11, образуя пространственную ферму.
На фиг.1, 2 и 3 представлен криогенный охладитель, в котором отражатель 5 промежуточного каскада выполнен в виде усеченного конуса, а обечайки 9 и 11 системы крепления криогенного каскада имеют форму цилиндров, причем диаметр внешней обечайки 11 равен меньшему диаметру усеченного конуса отражателя 5. Каждая обечайка (9 и 11) системы крепления выполнена с разнесенными по их высоте двумя рядами узлов крепления 13 нитей-растяжек 10, при этом узлы крепления 13 равномерно расположены по окружностям каждой из обечаек 9, 11, и оси узлов крепления 13 верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга на 5-7 мм (данный размер установлен в процессе проведения испытаний и обеспечивает исключение контакта нитей и их перетирание из-за вибрации космического аппарата на активном участке полета), а нити 10 расположены в плоскостях, проходящих через ось охладителя.
На фиг.4, 5 и 6 представлен криогенный охладитель, в котором отражатель 5 выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды, при этом внешняя обечайка 11 системы крепления по форме и размерам совпадает с меньшим торцем отражателя 5, а внутренняя обечайка 9 системы крепления повторяет форму внешней обечайки 11. Каждая обечайка (9 и 11) системы крепления выполнена с разнесенными по их высоте двумя рядами узлов крепления 13 нитей-растяжек 10, при этом узлы крепления 13 равномерно расположены по периметру внутренней обечайки 9 и оси узлов крепления 13 верхнего и нижнего рядов смещены относительно друг друга на 5-7 мм (данный размер установлен в процессе проведения испытаний и обеспечивает исключение контакта нитей и их перетирание из-за вибрации космического аппарата на активном участке полета), а нити-растяжки 10 расположены в плоскостях, параллельных оси охладителя и перпендикулярных граням обечаек 9 и 11.
Высокая точность совмещения осей каскадов достигается следующим образом. В специальном приспособлении, изготовленном с высокой точностью, закрепляются радиатор 6 криогенного каскада с закрепленной на нем внутренней обечайкой 9 системы крепления и внешняя обечайка 11 указанной системы. Нити одним своим концом закрепляются в узлах крепления 13 на обечайке 9 и протягиваются через узлы крепления 13 в обечайке 11. На концах нитей 10 подвешиваются грузы массой 3-5 кг и дается выдержка в течение 2-3 суток. После выдержки нити 10 закрепляются в узлах крепления 13 обечайки 11. Затем нити обрезаются, а получившаяся сборка снимается с приспособления для снятия карты замеров.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Место крепления к телескопу, как правило, имеет температуру около 300 К. Теплота от места крепления поступает на корпус 1 теплопроводностью и через систему теплоизоляционных экранов 2. Далее кондуктивным путем через опорные элементы 3 и лучеиспусканием от экрана к экрану системы 2 поступает на промежуточный каскад охладителя. Часть этой теплоты излучается радиатором 4 промежуточного каскада в космическое пространство, а вторая часть через систему теплоизоляционных экранов 2 и нити-растяжки 10 системы крепления теплопроводностью поступает на криогенный каскад. Эта теплота радиатором 6 криогенного каскада лучеиспусканием сбрасывается в космическое пространство. Обычно температура промежуточного каскада составляет 105-150 К в зависимости от орбиты и конструктивных особенностей, а температура криогенного каскада находится в диапазоне 75-105 К.
В связи с большими перепадами температуры элементов конструкции в процессе сборки и эксплуатации возникают температурные деформации, которые могут привести к смещению посадочного места фотоприемника относительно оси оптической системы телескопа. С целью уменьшения этого смещения в данном изобретении предлагается закрепить криогенный каскад в промежуточном с помощью множества нитей-растяжек 10, предварительно нагруженных при сборке охладителя. Именно таким путем достигается поставленная цель уменьшения смещения оси фотоприемника относительно оптической оси телескопа при изменении температуры криогенного каскада от 300 К в процессе сборки до 75-105 К в полете.
Кроме того, в предлагаемом техническом решении нити-растяжки имеют небольшую длину, перепад температур на нитях не превышает 70 К, а также отсутствуют кронштейны для крепления вторых концов нитей, закрепленные за отражателем промежуточного каскада на корпусе излучающего криогенного охладителя. В предложенной конструкции вторые концы нитей закреплены на дополнительной (внешней) обечайке 11 системы крепления криогенного каскада, которая, в свою очередь, крепится к торцу отражателя 5. По этой причине в предлагаемом охладителе уменьшена погрешность установки криогенного каскада относительно корпуса 1, а также повышена хладопроизводительность охладителя в связи с уменьшением натекания тепла по нитям 10. Кроме того, в отличие от прототипа, ликвидировано натекание тепла излучением от корпуса 1 через отверстия для прохождения нитей. Кроме того, поскольку нити-растяжки 10 не проходят через внешнюю обечайку 11 и отверстия в системе теплоизоляционных экранов, а закрепляются в узлах крепления 13 (в прототипе они пропущены через отверстия в отражателе промежуточного каскада и систему теплоизоляционных экранов), исключается возможность их перетирания из-за вибрации аппарата на активном участке полета, которая в прототипе усугубляется большими размерами нитей и кронштейнов для их крепления. Предложенное крепление нитей между обечайками позволяет создать прочную пространственную конструкцию, способную выдержать нагрузки на активном участке полета, не допуская смещения осей каскадов.