УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ СТАТИЧЕСКИХ ШИРОКОПОЛЬНЫХ УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ПРИБОРОВ ОРИЕНТАЦИИ ПО ЗЕМЛЕ

Предлагаемая модель-стенд относится к области измерительной техники, а более конкретно - к устройствам для настройки и проверки широкопольных углоизмерительных инфракрасных (ИК) приборов ориентации космических аппаратов (КА) по Земле и предназначена для выявления погрешностей приборов и несоответствия их заданным параметрам.
Известно устройство (аналог) для проверки статических широкоугольных ИК приборов ориентации КА по Земле, содержащее установленные по ходу луча плоские охлаждаемый и подогреваемый излучатели, расположенные в поле зрения прибора, размещаемого в двухстепенном подвесе (см. Федосеев В.И., Колосов М.П., «Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов»: - М.: Логос, 2007. - 247 с., рис. 6.5 на стр. 230).
Данное устройство, обеспечивающее имитацию угловых полей и температурный контраст между Землей и космосом в спектральном диапазоне λΔ=8 мкм … 20 мкм, наиболее оптимально для настройки и проверки статических ИК приборов ориентации по Земле на основе болометрических матричных приемников излучения, имеющих угловые поля порядка нескольких десятков градусов. В этом случае габариты устройства будут достаточно реальными для практической реализации.
В этом устройстве плоский подогреваемый излучатель имитирует излучение Земли, а плоский охлаждаемый излучатель имитирует излучение космоса.
Имитация различных угловых размеров Земли (при неизменном угловом размере имитируемого космоса) может быть обеспечена за счет установки подогреваемых излучателей нужного размера.
В процессе проверки испытуемый прибор устанавливается в двухстепенном подвесе на конечном расстоянии от излучателей. В фокальной плоскости прибора формируется изображение имитируемой Земли и космоса, по которому осуществляется настройка прибора. Проверка точностных характеристик прибора с помощью известного устройства производится путем наклона прибора, установленного в двухстепенном подвесе на фиксируемый (с помощью датчиков угла поворота) угол и сравнения этого угла с угловой координатой вертикали (направление на центр имитируемой Земли), измеренной непосредственно прибором.
К недостаткам этого устройства следует отнести:
- невозможность имитации больших угловых размеров Земли и космоса из-за нереальных линейных размеров плоских излучателей, что не позволяет обеспечить настройку и проверку широкопольных статических приборов ориентации КА, работающих также и на низких высотах;
- попадание в поле зрения прибора элементов конструкции, необходимых для обеспечения подогрева излучателя;
- недостоверность настройки и проверки испытуемого прибора при использовании плоских излучателей для имитации больших угловых размеров Земли, т.к. имеет место значительная неравномерность освещенности во входном зрачке испытуемого прибора для разных точек поля, обусловленная разной удаленностью точек плоского излучателя от зрачка, а также разной энергетической яркостью излучателя для различных углов наклона.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту следует отнести техническое решение по патенту на полезную модель RU №147304, выбранное в качестве прототипа. Рассмотренное в данном патенте устройство для настройки и проверки статических широкопольных углоизмерительных ИК приборов ориентации по Земле содержит подогреваемый и охлаждаемый излучатели, расположенные в поле зрения прибора, размещаемого в многоосном подвесе, выполненные в виде концентрических сферических чаш двухстенной конструкции, полость каждой из которых снабжена терморегулируемой средой, охлаждаемый излучатель, расположенный по ходу луча за подогреваемым излучателем, вогнутой поверхностью обращенный к многоосному подвесу, имеет центральное отверстие, соответствующее угловому размеру имитируемой Земли.
При этом в устройстве подогреваемый и охлаждаемый излучатели выполнены с возможностью их совместного перемещения вдоль оптической оси устройства, в полости подогреваемого излучателя размещена перегородка для разделения терморегулируемых сред, охлаждаемый излучатель выполнен в виде набора сменных излучателей, отличающихся друг от друга размером центрального отверстия, за ним по ходу луча размещена коллимирующая линза, а многоосный подвес имеет три оси вращения.
Недостатком конструкции прототипа является невозможность стабилизации задаваемого теплового режима терморегулируемых сред излучателей из-за колебаний температурных показателей, что приводит к возникновению дополнительной погрешности при настройке и проверке (паспортизации) параметров углоизмерительных приборов ориентации КА и соответствующему снижению их эксплуатационных характеристик в условиях открытого космоса.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства, конструктивно простого и надежного в работе, обеспечивающего поддержание заданной температуры регулируемой среды и формирование равномерного температурного поля в ее рабочем объеме.
Технический результат, на получение которого направлена полезная модель, заключается в повышении устойчивости терморегуляции, обеспечивающей постоянство задаваемой температуры, максимально приближенной к реальным условиям эксплуатации проверяемых приборов.
Указанный результат достигается с помощью устройства для проверки статических широкопольных инфракрасных приборов ориентации по Земле, содержащего подогреваемый и охлаждаемый излучатели, расположенные в поле зрения прибора, размещаемого в многоосном подвесе, выполненные в виде концентрических сферических чаш двухстенной конструкции, полость каждой из которых заполнена соответствующей терморегулируемой средой, при этом охлаждаемый излучатель расположен по ходу луча за подогреваемым излучателем таким образом, что его вогнутая поверхность обращена к прибору и имеет центральное отверстие, соответствующее угловому размеру имитируемой Земли, причем выпуклые поверхности подогреваемого и охлаждаемого излучателей снабжены плотно прилегающим эластичным теплоизоляционным материалом, а каждая из полостей, заполненная терморегулируемой средой, подключена к соответствующему криотермостату с образованием замкнутого контура, обеспечивающего автоматическое поддержание заданного температурного режима.
Поддержание заданной температуры и однородности температурного поля обеспечивают снижение общей погрешности измерений при настройке и проверке (паспортизации) параметров приборов ориентации КА благодаря нанесению на наружные (выпуклые) поверхности излучателей слоя вспененного полиэтилена (пенополиэтилена), обладающего высокими теплоизоляционными свойствами, и использованию криотермостатов, позволяющих контролировать и автоматически поддерживать заданную температуру с помощью одновременного нагрева и охлаждения термостатируемой жидкости (теплоносителя), обеспечивая тем самым равномерное распределение температурного поля при нахождении устройства в рабочем режиме.
Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями, позволяющими получить новый положительный эффект.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, представляющим структурно-функциональную схему предлагаемого устройства. В его состав входят подогреваемый излучатель 1 и охлаждаемый излучатель 2 с центральным отверстием 3, выполненные в виде концентрических сферических чаш двухстенной конструкции, а также трехосный подвес с осями I, II, III для установки в нем проверяемого прибора. Центр зрачка прибора расположен на пересечении осей подвеса. Вогнутые сферические поверхности излучателей 1, 2 обращены к подвесу, при этом центры их кривизны расположены вблизи центра зрачка прибора. В полости подогреваемого излучателя может быть размещена перегородка 4 для разделения терморегулируемых сред, чтобы сформировать излучение части Земли. Полость каждого из излучателей, снабженная терморегулируемой средой, подключена к соответствующему ей криотермостату с образованием замкнутого контура, обеспечивающего автоматическое поддержание заданной температуры, кроме того, для поддержания постоянной температуры в этих полостях, а также создания равномерного распределения температурного поля внутри ее объема, на наружные (выпуклые) поверхности полостей нанесен теплоизолирующий слой 5.
Излучатели имеют возможность совместного перемещения вдоль оптической оси. Данное устройство обеспечивает имитацию угловых полей и температурный контраст между Землей и космосом в спектральном диапазоне λΔ=8 мкм … 20 мкм, что позволяет проводить настройку и проверку испытуемых приборов в режиме эксплуатации.
Двухстенная конструкция излучателя может быть изготовлена путем выдавливания двух сферических поверхностей и последующей их сварки друг с другом с зазором для формирования полости, например, из сплава АМг6, имеющего высокий коэффициент теплопроводности. Острая кромка по периметру отверстия в охлаждаемом излучателе (для формирования границы Земля-космос) может быть выполнена в виде отдельной вставки также из сплава АМг6, приваренной к излучателю. Перегородка в подогреваемом излучателе может быть выполнена в виде сварной конструкции. Терморегулируемая среда представляет собой жидкость необходимой температуры (вода, тосол и т.п.), размещаемую в полости излучателей. Проток жидкости в замкнутом контуре системы терморегулирования осуществляется и регулируется автоматически с помощью криотермостатов и клапанов 6. В качестве материала теплоизолирующего слоя 5 может быть использован вспененный полиэтилен (пенополиэтилен), представляющий собой упругое эластичное полотно, имеющее закрытую структуру ячеек, выпускаемое в рулонах, листах, в виде скорлуп и жгутов. Материал получил широкое применение в разных отраслях промышленности благодаря высоким тепло- и звукоизоляционным качествам, прочностным характеристикам, простоте монтажа и относительно невысокой стоимости. Таким образом, предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.
Устройство работает следующим образом.
Испытуемый прибор устанавливается в трехстепенном подвесе с осями I, II, III на конечном расстоянии от излучателей. Входной зрачок прибора расположен в центре кривизны поверхностей излучателей 1 и 2 на пересечении осей вращения I, II, III. Сферический охлаждаемый излучатель 2 имитирует излучение космоса, а сферический подогреваемый излучатель 1 через центральное отверстие излучателя 2 имитирует излучение Земли. Острая кромка по периметру отверстия 3 в охлаждаемом излучателе 2 формирует имитацию границу Земля-космос. В фокальной плоскости прибора формируется изображение имитируемой Земли, по которому производится настройка прибора. Задатчиком температуры в криотермостате устанавливают заданный температурный режим. В нем же включают систему циркуляции терморегулируемой среды (теплоносителя) по замкнутым трактам криотермостат - выходной клапан 6 - полость соответствующего излучателя - входной клапан 6 - криотермостат. Автоматический выход излучателей на заданный температурный режим осуществляют также с помощью криотермостатов. Регулировка потока жидкости в замкнутом контуре системы терморегулирования осуществляется при помощи автоматического изменения температуры в криотермостатах, при работе которых текущая температура рабочей жидкости, измеряемая встроенным датчиком температуры, сравнивается с заданной температурой, до которой устройство должно нагреть или охладить рабочий теплоноситель, и переключения входных и выходных клапанов. При необходимости устройство может работать в ручном режиме, для чего предусмотрена возможность его перевода в режим ручного управления.
Проверка точности прибора, производится так же, как и в прототипе, путем наклона прибора в подвесе на фиксируемый с помощью датчиков угла поворота угол и его сравнения с угловой координатой вертикали (направление на центр имитируемой Земли), измеренной непосредственно прибором.
Наличие перегородки 4 в подогреваемом излучателе 1 позволяет, при необходимости, получить разную температуру в его полости и создать температурный контраст на противоположных сторонах имитируемой Земли.
Нанесение на наружные (выпуклые) поверхности полостей соответствующих излучателей теплоизолирующего слоя 5, выполненного из вспененного полиэтилена (пенополиэтилена), обеспечивает теплоизоляцию внутреннего объема излучателей, необходимую для создания заданного распределения температурного поля при нахождении устройства в рабочем режиме.
Введение в контур управления системы терморегулирования криотермостатов позволяет контролировать температуру подогреваемого и охлаждаемого излучателей и равномерность распределения температурного поля во внутреннем объеме излучателей.
Использование впускных и выпускных клапанов 6 позволяет осуществлять регулировку потока жидкости в замкнутом контуре системы терморегулирования для обеспечения заданных условий проведения настройки и проверки испытуемых приборов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает автоматическую температурную регулировку теплоносителя, что позволяет проводить настройку и проверку статических широкопольных углоизмерительных ИК приборов ориентации КА по Земле с высокой точностью.