Гелиоустановка для испытания материалов
SOLAR INSTALLATION FOR TESTING MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике, в частности к оборудованию для испытаний материалов и элементов на стойкость к воздействию светового излучения с помощью сконцентрированного солнечного излучения.
Оно может быть использовано в экспериментах, связанных с воздействием светового излучения на материалы и элементы, применяемые в современной технике, а также при исследовании поражающего действия светового излучения ядерных взрывов на современные и перспективные оптические и оптико-электронные приборы военного назначения. Это устройство также может найти применение при оценке эффективности средств защиты органа зрения экипажей боевых машин от оптического излучения высокоинтенсивных источников света природного (молнии, взрывы метеоритов) и техногенного происхождения (световое излучение ядерных взрывов, взрывов ударно-световых боеприпасов, светолучевых средств воздействия и т.д.).
Наиболее близким по технической сути и достигаемому положительному эффекту к заявленному изобретению следует считать устройство «Гелиоустановка для облучения образцов» [1], выбранное в качестве прототипа.
Гелиоустановка содержит концентратор солнечного излучения с плоскими фацетами, стенд для испытываемых материалов, расположенный в фокальной плоскости концентратора. Концентратор гелиоустановки состоит из металлического каркаса с параболоидными образующими, и установленных на них в отъюстированным положении плоских фацет с отражающими алюминиевыми пленками на специальных подложках.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства относятся:
- используются плоские фацеты, которые не концентрируют солнечную энергию;
- отсутствует устройство регулирования плотности потока излучения;
- отсутствует система воспроизведения требуемых временных характеристик изменения плотности потока солнечного излучения;
- отсутствует устройство (система) регулирования угла схождения излучения.
Сущность изобретения заключается в следующем. Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение плотности и равномерности теплового потока на испытываемом образце, изменения его угловых и временных характеристик в соответствии с изменением указанных параметров светового излучения во второй фазе развития светящейся области ядерного взрыва.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предлагаемое устройство содержит концентратор, состоящий из металлического каркаса с параболоидными образующими, и установленных на них в отъюстированном положении фацет с отражающими алюминиевыми пленками, стенд для крепления испытываемых материалов, новым является то, что, в концентраторе выполнено технологическое отверстие, а фацеты изготовлены из стекла с двумя сферическими поверхностями, причем сферические поверхности фацет имеют разную кривизну, каждая фацета имеет шестигранную форму, дополнительно устройство содержит следующие элементы: гелиостат, регулирующие жалюзи, установленные на пути распространения отраженного от гелиостата к концентратору солнечного излучения, ламельный затвор, управляемый программным устройством и установленный за регулирующими жалюзи и по ходу распространения отраженного от гелиостата к концентратору солнечного излучения, гиперболическое зеркало, являющееся элементом системы Кассегрена и установленное в формирующей зоне концентратора, управляемую ирисовую диафрагму, размещенную в рабочей зоне гиперболического зеркала по ходу распространения сходящихся пучков излучения, положительную линзу, обеспечивающую формирование квазипараллельного пучка концентрированного излучения, установленную за ирисовой диафрагмой, расположенной перед технологическим отверстием концентратора, полупрозрачное зеркало, установленное за концентратором, при этом центр полупрозрачного зеркала находится на оси квазипараллельного концентрированного пучка излучения.
Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, которому присущи все признаки изобретения, выраженного формулой, предложенной заявителем и характеризующийся признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
• дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
• замена какой-либо части известного средства другой, известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
• исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
• увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
• выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
• создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи либо, изменении ее вида. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
На чертежах представлено: на фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 изображена схема возможной трансформации формирующей системы при необходимости испытаний материалов с повышенной стойкостью к воздействию светового излучения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства. Гелиостат (1) служит для направления потока солнечного излучения на концентратор. Он состоит из металлического каркаса, установленного на подвижную платформу, которая связана с механическим приводом и системой автоматического слежения за солнцем (2). На металлическом каркасе установлены плоские стеклянные зеркала с поверхностным алюминированием, которые защищены от атмосферных осадков пленкой из двуокиси кремния. Регулирующие жалюзи (3) предназначены для регулирования плотности лучистого потока солнечного излучения на концентраторе и состоят из каркаса, на котором вертикально установлены регулирующие ламели из алюминиевого сплава, которые покрашены черной матовой краской. Регулирующие ламели связаны между собой и электрическим приводом (4) с помощью кулисного механизма, обеспечивающего их одновременное и синхронное открытие (закрытие) на одинаковый угол. Регулирование потока осуществляется путем частичного перекрытия пути для распространения солнечного излучения, отраженного от гелиостата.
Ламельный затвор (5) предназначен для воспроизведения временных характеристик светового излучения и состоит из каркаса, выполненного из металлических труб квадратного сечения, на котором установлены секции ламельного затвора с электрическими приводами, которые электрически соединены с подсистемой управления затвором (6), соединенного с ПЭВМ.
Концентратор (7), общий вид которого приведен на фиг.3, предназначен для концентрации солнечной энергии путем формирования сходящегося потока излучения и состоит из металлического каркаса с параболоидными образующими, на которых установлены стеклянные шестигранные сферические фацеты (8) с разной кривизной, на лицевую поверхность которых нанесен алюминиевый отражающий слой, защищенный от воздействия окружающей среды прозрачной защитной пленкой из двуокиси кремния. За счет кривизны фацет обеспечивается дополнительная концентрация солнечной энергии (см. фиг.4), а за счет ее разной величины улучшается равномерность плотности потока излучения в испытательной зоне гелиоустановки.
Гиперболическое зеркало (9) является элементом формирующей системы Кассегрена, представляет собой зеркало с поверхностным алюминированием. Благодаря особой форме формирует поток излучения и обеспечивает передачу сходящегося пучка излучения на ирисовую диафрагму (10), которая связана механически с подсистемой воспроизведения требуемых угловых характеристик излучения (11). Разный раскрыв ирисовой диафрагмы, обеспечивает разные углы схождения излучения в испытательной зоне гелиоустановки. Положительная линза (12) обеспечивает формирование квазипараллельного пучка концентрированного излучения на полупрозрачном зеркале (13) и испытательном образце (14). Полупрозрачное зеркало (13) направляет часть пучка концентрированного излучения на контрольный калориметр (15), соединенный электрически с измерительной установкой (16).
Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем.
м
Включаются подсистемы управления гелиостатом (2), регулирующими жалюзи (4), ламельным затвором (6), ирисовой диафрагмой (11) и измерения параметров излучения (16). При этом гелиостат (1) направляет поток солнечного излучения на регулирующие жалюзи (3), которые в зависимости от угла поворота регулирующих ламелей, пропускают часть излучения (0…100%) к ламельному затвору (5). При включении в работу подсистемы воспроизведения временных характеристик светового излучения (6) секции ламельного затвора открываются в соответствии с заданной программой и пропускают солнечное излучение к концентратору, который направляет сходящиеся пучки солнечного излучения на гиперболическое зеркало (9), ирисовую диафрагму (10), положительную линзу (12). Квазипараллельные пучки излучения подаются на полупрозрачное зеркало (13) и испытываемый объект (14). Примерно 5% энергии излучения падает на контрольный калориметр (15). По мере открытия секций ламельного затвора плотность потока излучения на испытываемом объекте растет в соответствии с заданной программой, достигая максимального значения ε, которое определяется углом открытия регулирующих жалюзи и диаметром отверстия ирисовой диафрагмы. После этого, в соответствии с заданной программой, секции ламельного затвора начинают закрываться, ступенчато снижая плотность лучистого потока в испытательной зоне до нуля.
В результате работы подсистемы воспроизведения требуемых временных характеристик на испытываемом образце формируется импульс светового излучения с заданными параметрами. Типовая форма импульса воздействующего излучения и выраженная в относительных единицах [2] приведена на фиг.5.
Сформированный таким образом импульс светового излучения воздействует на испытываемый объект (образец) (14), вызывая его нагрев, который, при определенных условиях, может вызывать воспламенение (горение), деформацию или разрушение испытываемого образца. Характер воздействия светового излучения на испытываемые материалы (элементы) зависит от амплитудно-временных параметров воздействующего излучения, теплофизических свойств материала и наличия лакокрасочного покрытия, которое определяет степень поглощения светового излучения облучаемой поверхностью испытываемого образца.
После закрытия последней секции ламельного затвора процесс облучения образца и цикл работы гелиоустановки завершается. После этого испытываемый образец вынимается из объектодержателя и осматривается. При этом осуществляется визуальный контроль результатов воздействия, и проводиться оценка степени его поражения (не поражения).
Контрольный калориметр преобразует плотность энергии воздействующего теплового потока в пропорциональный электрический сигнал, который регистрируется измерительной установкой (16). По показаниям контрольного калориметра определяют плотность энергии излучения, воздействующего на испытываемый образец (14).
2
Для испытаний конструкционных материалов с повышенной тепловой стойкостью (стекло и углепластики, керамика, жаропрочные стали и т.д.) формирующая система гелиоустановки трансформируется в соответствии с фиг.2. При этом диаметр пятна облучения гелиоустановки уменьшается до 50 мм, а максимальная плотность потока излучения в испытательной зоне возрастает до 600…1000 Вт/см в зависимости от угла поворота ламелей регулирующих жалюзи.
Источники информации
1. Гелиоустановка для облучения образцов, патент 1993 года по МПК F24J 2/42, J2/40 SU 1800243А1.
2. Григорьев Б.А. Нагрев тел излучениями / Б.А. Григорьев. - М.: Наука, 1974. - с. 153.