СИСТЕМА ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ВОЛОКОННОГО КОНТУРА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области волоконной оптоэлектроники и системам регулирования температуры и может быть использовано в гироскопическом приборостроении для повышения точности термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа (ВОГ).
Точность работы ВОГ существенно зависит от его теплового режима. При изменении температуры узлов ВОГ возникает дрейф полезного сигнала - отклонение от полезного сигнала нуля в состоянии покоя изделия. Наибольшее влияние на дрейф сигнала ВОГ оказывает катушка волоконного контура (КВК), который, хотя и не имеет собственного тепловыделения, но очень чувствителен к изменениям температуры. При этом градиент и скорость изменения температуры оказывают значительно большее влияние на дрейф полезного сигнала, чем уровень температуры.
Как правило, проблему термостабилизации решают путем максимальной тепловой изоляции КВК от окружающей среды и вынесения из внутреннего объема конструкции всех тепловыделяющих элементов. Кроме того, для поддержания необходимого уровня температур часто используются термоэлектрические модули (ТЭМ), способные как отводить, так и подводить энергию в прибор.
Известна система термостабилизации [патент РФ №140464, С1, 2014.02.14, МПК6 G01С 19/72] волоконно-оптической катушки ВОГ, содержащая поверхностные нагреватели, термодатчики.
Недостатком этого технического решения является то, что при достижении максимально допустимой температуры функционирования гироскопа нагреватели включать нельзя. Для орбитальных космических аппаратов, приборное оборудование которых функционирует в диапазоне от -30°С до 40°С (группа 5.3 ГОСТ РВ 20.39.304-98) данное решение неприемлемо.
Известно устройство, реализующее способ термостатирования гироскопа в проточном термостате [патент № 2282146, С1, 2004.12.22, МПК6 G01С 19/00, G05D 23/00], содержащее термодатчик с введенным в него постоянным подогревом, электронагреватель системы термостабилизации теплоносителя, автоматический регулятор температуры.
Недостаток этого технического решения такой же, как и у указанного выше аналога. Кроме того, наличие системы обдува с вентиляторами усложняет и утяжеляет термостат.
Наиболее близким аналогом предполагаемого изобретения является тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптического гироскопа, описание которых изложено в работе [Громов Д.С. Тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптического гироскопа в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. № 2, 2014, c.90].
Система состоит из следующих элементов: КВК, герметичный термостатирующий объем (ГТО) с рабочим телом, ТЭМ, чувствительные элементы (температурные датчики), теплоизоляция. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что по мере поглощения (отдачи) тепла от КВК вследствие низкой теплоемкости воздуха, используемого в качестве рабочего тела, его температура значительно меняется. Поэтому для обеспечения стабильности температуры волоконного контура требуется наличие мощных вентиляторов, обеспечивающих циркуляцию воздуха в термостатирующем объеме.
Задачей, на решение которой направлено настоящее заявленное техническое решение, является уменьшение массогабаритных характеристик и снижение влияния тепловых воздействий на точность волоконно-оптического гироскопа.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение массы и габаритов системы термостабилизации ВОГ и повышение стабильности поддержания температуры волоконно-оптического контура ВОГ.
Этот результат достигается тем, что система термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа космического аппарата, содержащая катушку волоконного контура, термостатирующий объем с рабочим телом, термоэлектрические модули, температурные датчики, теплоизоляцию, термостатирующий объем с рабочим телом размещен во внутреннем пространстве катушки волоконного контура, выполненного герметичным и заполненным рабочим телом, представляющим собой парокапельную смесь, имеющую давление, при котором температура конденсации парокапельной смеси равна рабочей температуре волоконного контура, при этом катушка покрыта снаружи теплоизоляцией, термоэлектрические модули расположены на торцевых крышках катушки волоконного контура, наружная часть термоэлектрических модулей соединена теплопроводами с посадочной поверхностью волоконно-оптического гироскопа.
Сущность предложения заключается в том, что при понижении температуры внутренней поверхности замкнутого объема катушки на этой поверхности происходит конденсация паров рабочего тела с поглощением теплоты от катушки. При нагреве происходит обратный процесс. Наличие двухфазной среды (пара и капель конденсата) позволяет подводить и отводить теплоту практически изотермически. Таким образом, температура катушки волоконного контура (ВК) будет всегда оставаться близкой к рабочей температуре [Руководство для конструкторов по обеспечению тепловых режимов летательных аппаратов. РДК, т.7. ГОНТИ-1, 2000] в условиях фазового перехода. Жидкая фаза является своеобразным демпфером, сглаживающим колебания температуры. Поскольку катушка выполнена из материала с высокой теплопроводностью, временной градиент температуры, который является источником дрейфа полезного сигнала, будет отсутствовать. Это позволяет отказаться от дополнительных вентиляторов, радиаторов в системе термостабилизации ВОГ, а также обеспечить стабильность поддерживаемой температуры волоконной катушки ВОГ.
На фиг. 1 показана схема системы термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа космического аппарата.
Система содержит катушку волоконного контура 1, торцевую крышку катушки волоконного контура 2, ТЭМ 3, датчики температуры 4, теплопроводы 5, посадочную поверхность 6 ВОГ, термостатирующий объем с рабочим телом 7, теплоизоляцию 8.
ТЭМ 3 установлены на торцевых крышках 2 катушки ВК 1. Корпус волоконного контура выполнен из материала с высокой теплопроводностью, герметичен и заполнен рабочим телом. Тип рабочего тела и его давление выбираются таким, чтобы температура фазового перехода (испарения или конденсации) была равна рабочей температуре ВОГ.
3
Например, может использоваться фреон 142b, который при давлении 2,9 бар имеет температуру конденсации 20°С, плотность пара фреона около 13 кг/м. На фиг. 2 представлен график термодинамических характеристик фреона 142 b на линии насыщения [Электронный справочник по свойствам веществ, используемых в теплоэнергетике. ОИВТ РАН, табл. 5.23].
При внутреннем объеме катушки волоконного контура около 0,2 л для его заправки потребуется менее 3 г фреона. Для более точного определения количества заправляемого фреона потребуется настройка системы заправки через технологическую трубку, которая после настройки герметично запаивается.
В качестве ТЭМ можно использовать термоэлектрические модули, аналогичные используемым в прототипе, работа которых основана на использовании эффекта Пельтье. Внутренняя сторона ТЭМ охлаждает или нагревает пар внутри катушки, а противоположная отводит (в случае охлаждения) или подводит (в случае нагрева) это тепло по теплопроводам к посадочному месту ВОГ. Теплопроводы связывают наружную часть ТЭМ с посадочной поверхностью ВОГ 6.
Потребная холодопроизводительность ТЭМ может быть определена расчетным путем исходя из теплоемкости катушки ВК и скорости изменения ее температуры.
В расчете принят наиболее тяжелый с точки зрения обеспечения теплового режима случай: период обращения космического аппарата (КА) вокруг Земли 90 мин, изменение температуры при движении КА по орбите составляет от -30°С до 40°С. В качестве примера рассмотрен одноосный ВОГ «ОИУС-1000» с длиной волоконного контура 500 м [Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., Прилуцкий В.Е., Пономарев В.Г., Марчук В.Г., Морев И.В., Кострицкий С.М., Падерин Е.М. Волоконно-оптический гироскоп навигационного класса точности. Гироскопия и навигация, №1 (60), 2008. с. 71-81]. Теплоемкость материала корпуса катушки (алюминий) - 1000 Дж/(кг×К), плотность 2,7 кг/куб. дм, масса корпуса (диаметр 70 мм, высота 30 мм, толщина стенки около 3 мм) составит не более 0,1 кг. Массовая теплоемкость корпуса составит при этом около 100 Дж/К. Скорость изменения температуры по витку равна (перепад 70 К делим на половину периода), примерно, 1,6 К/мин≈0,027 К/с. При теплоемкости 100 Дж/К мощность, необходимая для термостабилизации такого объекта, составит менее 3 Вт.
2
-6
-1
-1
-6
-1
-1
-3
-1
Если в качестве материала n-ветви ТЭМ использовать материал РbТе, легированный добавлением 0,03% РbI, имеющий коэффициент термоЭДС α≈160⋅10 В/К, коэффициент электропроводности σ≈1500 Ом⋅см, коэффициент теплопроводности λ≈0,028 Вт/(см⋅К), а в качестве материала р-ветви - сплав висмута Bi(86,7%) с сурьмой (8,6%), у которого α≈150⋅10 В/К, σ≈4200 Ом⋅см и λ≈0,047 Вт/(см⋅К), то для такой р-n пары коэффициент добротности при температуре 300 К - типичном рабочем температурном уровне оптоволоконного контура - будет иметь значение порядка z≈1,5⋅10 К.
Расчеты массогабаритных и энергетических характеристик подобного ТЭМ [Винокуров Д.К., Копяткевич P.M., Лелюшкин Н.В., Мишин Г.С., Морозов А.С. «Использование термоэлектрического холодильника для термостабилизации фотоприемных устройств бортовых инфракрасных приборов космических аппаратов», журнал «Космонавтика и ракетостроение», №5(90), 2016, стр. 116-123] при холодопроизводительности 3 Вт и поддержании температурного напора менее 2 К показали, что холодильный коэффициент такого устройства составит около 1,13. В таком случае ТЭМ потребляют около 3,35 Вт электроэнергии. Масса ТЭМ менее 0,075 кг при габаритных размерах ≈32×32×7 мм (для одного модуля).
Включение ТЭМ в режиме нагрева или охлаждения осуществляется по команде датчиков температуры 4. В качестве датчиков температуры можно использовать термометры сопротивления, а для уменьшения влияния внешних тепловых нагрузок от окружающей среды - теплоизоляцию, аналогичные, используемым в прототипе.
Отвод (подвод) тепла осуществляется по теплопроводам 5. В качестве теплопроводов можно использовать тепловые трубы, жгуты из материалов с высокой теплопроводностью, а также, поскольку отводимая мощность тепла мала, теплопроводные детали корпуса ВОГ. В качестве источника тепла или холода можно использовать посадочные поверхности ВОГ 6 или космического аппарата.
Система термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа космического аппарата работает следующим образом.
При перегреве корпуса катушки выше рабочей температуры ВК по команде датчика температуры 4 включается ТЭМ 3 в режиме холодильника - происходит охлаждение газа внутри герметичного объема катушки ВК. При достижении температуры конденсации происходит конденсация газа на внутренней поверхности ТЭМ - давление и температура газа падают.
При понижении температуры газа ниже рабочей температуры ВК по команде датчика температуры 4 включается ТЭМ 3 в режиме нагревателя - происходит испарение конденсата с поверхности ТЭМ-давление и температура газа внутри катушки увеличиваются.
Таким образом, при осуществлении заявленной полезной модели достигается снижение массы системы термостабилизации и обеспечивается равномерность температурного поля и стабильность поддержания температуры во времени в волоконно-оптическом контуре ВОГ.