Криогенно-вакуумная установка
CRYOGENIC-VACUUM PLANT

Заявленное изобретение относится к оптико-электронной, оптико-механической и криогенно-вакуумной технике и предназначено для точной радиометрической калибровки, исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств (аппаратуры), а также систем радиационного захолаживания (например, радиационных холодильников) в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство с учетом влияния солнечного излучения.
Из уровня техники известны принципы построения вакуумных установок для калибровки, контроля характеристик и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств. Существует два основных типа построения рассматриваемых установок.
Известные установки первого типа [1], включают в себя герметичный корпус, откачные системы и систему управления, однако имеют назначение только для проведения испытаний в условиях, имитирующих космическое пространство, не предполагая возможность проведения точной радиометрической калибровки, абсолютных измерений потоков спектрозонального и интегрального оптического излучения и испытаний радиационных систем захолаживания.
В известные установки второго типа [2, 3, 4, 5] заложена возможность проведения радиометрической калибровки, измерений потоков спектрозонального и интегрального оптического излучения, однако данные технические решения существенно отличаются как по способу калибровки и обеспечения параметров рабочего пространства, так и по конструктивным особенностям от предлагаемых технических решений.
В качестве наиболее близкого аналога выбран принцип построения установки второго типа, описанный в работах [2, 3].
Недостатком известной криогенно-вакуумной установки [2, 3] является то, что она не обеспечивает позиционирование образцовой модели абсолютно черного тела (АЧТ) протяженного типа и других, необходимых для проведения калибровки, образцовых излучателей, в нужной конфигурации относительно входного окна испытуемого крупногабаритного оптико-электронного устройства, т.к. данные модели АЧТ жестко встроены в торцевую дверь вакуумной камеры, которая при открывании перемещается вдоль горизонтальной оси цилиндрического корпуса камеры. При этом испытуемое крупногабаритное оптико-электронное устройство (аппаратуру), как правило, невозможно перемещать и располагать внутри камеры в необходимых позициях относительно образцовой модели АЧТ, т.к. это перемещение ограничено размерами рабочего внутреннего пространства камеры.
Вторым недостатком большинства известных крупногабаритных вакуумных установок аналогичного назначения, включая описанную в работах [2, 3, 4, 5], является конструкция корпуса, имеющая вид цилиндра с круглым сечением, которая предполагает завышенные внешние габариты и необходимость оборудования внутри камеры плоского пола, уменьшающего размеры рабочего внутреннего пространства. Предлагаемое техническое решение конструкции корпуса камеры имеет вид параллелепипеда с прямоугольным сечением и ребра жесткости на стенках корпуса, обеспечивающие необходимую прочность.
Третьим недостатком установки-прототипа является наличие вакуумной арматуры в виде трубопроводов, соединяющих объем камеры с входом высоковакуумных насосов. Указанные вакуумные трубопроводы снижают эффективность и скорость откачки из-за ограничения проводимости потока газа в зависимости от их длины и диаметра сечения. При этом предлагаемое техническое решение конструкции камеры позволяет исключить трубопроводы, установив высокопроизводительные турбомолекулярные (на магнитных подвесах) и криогенные насосы, которые не являются источником механических возмущений для измерительных систем установки, непосредственно на боковой стенке вакуумной камеры через вакуумные фланцы.
Недостатком откачных систем аналогов также является отсутствие комбинации криогенных и турбомолекулярных насосов, которая позволяет значительно сократить время выхода на рабочий режим по вакууму и обеспечить как можно более раннее начало захолаживания криогенных экранов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности радиометрической калибровки и контроля характеристик аппаратуры, расширение видов измерительных режимов и испытаний, а также повышение эффективности процессов изготовления вакуумной камеры и создания условий высокого вакуума, низких фоновых тепловых излучений и условий, имитирующих космическое пространство за счет особенностей конструкции, сокращения времени рабочих процессов, экономии жидкого азота при проведении исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств, а также систем радиационного захолаживания.
Технический результат достигается за счет создания  криогенно-вакуумной установки, содержащей вакуумную камеру с криогенными радиационными экранами, безмасляную систему вакуумной откачки, контрольно-измерительные приборы и централизованную систему управления оборудованием, при этом образцовые излучатели, зеркальные проецирующие системы и системы их пространственного позиционирования, размещены внутри камеры; корпус вакуумной камеры выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами жесткости на стенках корпуса, обеспечивающими необходимую прочность; безмасляная система вакуумной откачки представляет собой высоковакуумную двухуровневую систему, снабженную турбомолекулярными насосами на магнитных подвесах и криогенными насосами, установленными непосредственно на боковой стенке вакуумной камеры, а также высоковакуумными затворами, отделяющими объем камеры и входной фланец каждого насоса, конструкция вакуумной камеры обеспечивает размещение внутри неё возвратной системы поворота испытуемой аппаратуры вокруг вертикальной оси в виде подвеса или стола, которая осуществляет поворот аппаратуры на 360° и обратно с заданной скоростью, имитирующей её суточный ход относительно солнца, также камера снабжена устройством, имитирующим воздействие солнечного излучения на аппаратуру в рабочем диапазоне спектра, герметичную пристыковку которого к камере обеспечивает вакуумный фланец в боковой стенке вакуумной камеры.
В частном случае выполнения передняя и/или задняя торцевая дверь вакуумной камеры снабжена системой линейного перемещения, которая обеспечивает линейное перемещение двери вдоль установленной на полу направляющей в боковую сторону относительно входа в камеру, открытие/герметичное закрытие двери/дверей и доступ во внутреннее пространство вакуумной камеры.
В частном случае выполнения конструкция корпуса вакуумной камеры выполнена в виде нескольких секций, которые стыкуются в горизонтальном направлении и соединяются через вакуумные уплотнители при сборке по месту эксплуатации камеры, что обеспечивает удобство изготовления, транспортировки и монтажа.
В частном случае выполнения внутри рабочего объема вакуумной камеры размещены горизонтально и/или вертикально ориентированные криогенные панели, имитирующие дальний космос (температура охлаждения порядка 5-30К при максимально возможном значении коэффициента излучения поверхности панели), предназначенные для испытаний и исследований космических систем радиационного захолаживания (например, радиационных холодильников), а также для имитации излучения космоса (например, при использовании соответствующей радиометрической калибровки аппаратуры по космосу).
Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:
Фиг. 1 - схема устройства предлагаемой криогенно-вакуумной установки, поясняющая ее работу.
Фиг.2 - схема внутреннего устройства предлагаемой криогенно-вакуумной установки (вид сверху).
Фиг. 3 - схема компоновки предлагаемой криогенно-вакуумной камеры в разборе.
Фиг. 4- схема предлагаемой конструкции вакуумной камеры (вид сверху), которая обеспечивает герметичную пристыковку устройства, имитирующего воздействие солнечного излучения на аппаратуру в рабочем диапазоне спектра.
Позиции на фигурах обозначают следующее:
1- централизованная система управления оборудованием;
2-  корпус вакуумной камеры в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами жесткости на стенках корпуса;
3-   форвакуумные насосы;
4-  турбомолекулярные насосы на магнитных подвесах;
5- криогенные насосы;
6-  высоковакуумные затворы;
7- дверь вакуумной камеры;
8- система линейного перемещения;
9- направляющая для линейного перемещения двери;
10-  внутреннее пространство вакуумной камеры;
11- криогенные радиационные экраны;
12-  зона установки испытуемой аппаратуры;
13- зона размещения образцовых излучателей, зеркальных проецирующих систем и систем их пространственного перемещения и позиционирования;
14-  входное окно испытуемой оптико-электронной аппаратуры;
15-  отдельные секции камеры;
16-  вакуумные уплотнители;
17-  внутренний тепловой экран;
18-  криогенные боковые экраны;
19- криогенные торцевые экраны;
20-  задняя дверь;
21-  вакуумные фланцы;
22- испытуемая аппаратура;
23- вертикальная ось вращения системы поворота испытуемой аппаратуры;
24- вакуумный фланец камеры для герметичной пристыковки имитатора солнца;
25- устройство, имитирующее солнечное излучение.
Криогенно-вакуумная установка имеет следующую конструкцию. На фиг.1 показана схема устройства и общий вид предлагаемой криогенно-вакуумной установки, которая содержит контрольно-измерительные приборы и централизованную систему управления оборудованием (1). Корпус вакуумной камеры (2) выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами жесткости на стенках корпуса, обеспечивающими необходимую прочность; безмасляная система вакуумной откачки представляет собой высоковакуумную двухуровневую систему, снабженную форвакуумными насосами (3), а также турбомолекулярными насосами (4) на магнитных подвесах и криогенными насосами (5), установленными непосредственно на боковой стенке вакуумной камеры. Высоковакуумные затворы (6), отделяют объем камеры и входной фланец каждого насоса и при подаче соответствующей команды открываются. Передняя и/или задняя торцевая дверь вакуумной камеры (7) снабжена системой линейного перемещения (8), которая обеспечивает линейное перемещение двери вдоль установленной на полу направляющей (9) в боковую сторону относительно входа в камеру, открытие/герметичное закрытие двери/дверей и доступ во внутреннее пространство вакуумной камеры (10).
На фиг. 2 показана схема внутреннего устройства предлагаемой криогенно-вакуумной установки (вид сверху), где показаны внешний корпус (2), криогенные радиационные экраны (11), торцевые двери (7), зона установки испытуемой аппаратуры (12), зона размещения образцовых излучателей, зеркальных проецирующих систем и систем их пространственного перемещения и позиционирования (13), входное окно испытуемой оптико-электронной аппаратуры (14).
На фиг. 3 показана схема компоновки и предлагаемой криогенно-вакуумной камеры в разборе, поясняющая стыковку секций камеры (15) в горизонтальном направлении через вакуумные уплотнители (16) при сборке по месту её эксплуатации, что обеспечивает удобство изготовления, транспортировки и монтажа. На схеме также показаны: внутренний тепловой экран (17), криогенные экраны боковые (18), криогенные экраны торцевые (19), двери передняя (7) и задняя (20), вакуумные фланцы (21), необходимые для установки высоковакуумных насосов, а также обеспечения герметичных соединений электрических кабелей, подвода жидких теплоносителей внутрь камеры, установки окон, прозрачных в рабочем диапазоне длин волн, для ввода/вывода измерительных потоков излучения.
На фиг. 4 показана схема предлагаемой конструкции вакуумной камеры (вид сверху), которая обеспечивает размещение внутри неё возвратной системы поворота испытуемой аппаратуры (22) с входным окном (23) вокруг вертикальной оси (24) в виде подвеса или стола, которая осуществляет поворот на 360° и обратно с задаваемой скоростью, имитирующей суточный ход аппаратуры относительно солнца, а также вакуумный фланец (25) в боковой стенке вакуумной камеры  для герметичной пристыковки к нему устройства (26), имитирующего солнечное излучение в рабочем диапазоне спектра. На схеме также показаны внешний корпус камеры (2), торцевые двери (7), криогенные радиационные экраны (11), зона размещения образцовых излучателей, зеркальных проецирующих систем и систем их пространственного перемещения и позиционирования (13).
Криогенно-вакуумная установка работает следующим образом.  Испытуемую аппаратуру загружают внутрь криогенно-вакуумной камеры, далее производят откачку до высокого вакуума с помощью безмасляной системы откачки, захолаживание криогенных экранов и последующее проведение процедур радиометрической калибровки, контроля характеристик и испытаний. Основные образцовые излучатели, зеркальные проецирующие системы и системы их позиционирования изначально устанавливают внутри камеры, что обеспечивает создание единого измерительного комплекса и проведение радиометрической калибровки аппаратуры по одному или нескольким из режимов: режим радиометрической калибровки аппаратуры по абсолютной спектральной чувствительности, режим измерения спектральных характеристик аппаратуры, режим измерения пространственно-частотных характеристик аппаратуры, а также режим калибровки и метрологической аттестации образцовых излучателей методом компарирования. Для откачки внутреннего объема криогенно-вакуумной установки до высокого вакуума используют комбинацию турбомолекулярных насосов на магнитных подвесах и криогенных насосов следующим образом: производят включение на начальном этапе процесса откачки в первую очередь турбомолекулярных насосов для обеспечения одновременной подготовительной высоковакуумной откачки объема камеры и выхода на режим путем охлаждения криогенных насосов при закрытых высоковакуумных затворах на них, после достижения рабочей температуры на криогенных насосах открывают соответствующие  высоковакуумные затворы и при достижении рабочего вакуума охлаждают криогенные экраны; при окончании процедуры испытаний в процессе нагревания внутреннего объема камеры обеспечивают первоочередное выключение криогенных насосов.
Размещенная внутри вакуумной камеры возвратная система поворота испытуемой аппаратуры вокруг вертикальной оси в виде подвеса или стола осуществляет поворот аппаратуры на 360є и обратно с заданной скоростью, имитирующей её суточный ход относительно солнца. Устройство, имитирующее солнечное излучение в рабочем диапазоне спектра, герметично пристыкованное к вакуумному фланцу в боковой стенке вакуумной камеры, позволяет производить испытания целевой аппаратуры космических аппаратов путем генерации потока излучения, имитирующего воздействие солнечного излучения на аппаратуру в рабочем диапазоне спектра. При этом возможны следующие режимы испытаний: имитация воздействия солнечного излучения на аппаратуру при её вращении относительно излучателя с заданной скоростью, имитирующей суточный ход аппаратуры относительно солнца, а также режим калибровки аппаратуры и радиометрических измерений, при которых аппаратура неподвижна, но установлена под определенным углом относительно излучателя, имитирующего солнечное излучение.
Для открытия, а также для герметичного закрытия торцевых дверей двери/дверей и доступа во внутреннее пространство вакуумной камеры передняя и/или задняя торцевая дверь вакуумной камеры снабжена системой линейного перемещения. При загрузке в камеру испытуемой аппаратуры торцевая дверь линейно перемещается в боковую сторону относительно входа в камеру по направляющей, которая установлена на полу.
Для удобства изготовления, транспортировки и монтажа конструкция корпуса вакуумной камеры выполнена в виде нескольких секций, которые стыкуются в горизонтальном направлении и соединяются через вакуумные уплотнители при сборке по месту эксплуатации камеры.
Для расширения возможностей установки в части испытаний, исследований и калибровки бортовой целевой аппаратуры при штатной эксплуатации в космосе, внутри рабочего объема вакуумной камеры размещены горизонтально и/или вертикально ориентированные криогенные панели, имитирующие дальний космос (температура охлаждения порядка5-30 К при максимально возможном значении коэффициента излучения поверхности панели), предназначенные для испытаний и исследований космических систем радиационного захолаживания (например, радиационных холодильников), а также для имитации излучения космоса (например, при использовании соответствующей радиометрической калибровки аппаратуры по космосу).
Предлагаемое техническое решение целесообразно использовать и в других отраслях промышленности, где требуются радиометрическая калибровка, исследования и испытания изделий и приборов, в указанных условиях.
Дальнейшее развитие космических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) связано с повышением чувствительности и точности абсолютных радиометрических измерений благодаря применению на космических аппаратах (КА) в качестве приемников излучений, особенно в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, оптико-электронных устройств, охлаждаемых до криогенных температур. При разработке и изготовлении оптико-электронной аппаратуры ДЗЗ, которая эксплуатируется в космосе, для снижения погрешностей ее измерительных каналов (в части единства и точности воспроизведения и передачи абсолютных величин потока спектрозонального и интегрального оптического излучения) необходимо проведение точной радиометрической калибровки, исследований и испытаний аппаратуры, а также систем радиационного захолаживания в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство при штатной эксплуатации КА с учетом влияния солнечного излучения.
Использование предлагаемого технического решения дает следующие положительные результаты:
- увеличение достоверности радиометрической калибровки, исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств (аппаратуры), а также систем радиационного захолаживания (например, радиационных холодильников) в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство с учетом влияния солнечного излучения;
- снижение погрешностей радиометрической калибровки оптико-электронной аппаратуры, особенно инфракрасного диапазона (в части единства и точности воспроизведения и передачи абсолютных величин потока спектрозонального и интегрального оптического излучения);
- расширение видов измерительных режимов и испытаний аппаратуры, включающих возможность размещения внутри неё возвратной системы поворота испытуемой аппаратуры с заданной скоростью, имитирующей её суточный ход относительно солнца, возможность имитации воздействия на аппаратуру солнечного излучения в рабочем диапазоне спектра, герметичную пристыковку которого к камере обеспечивает вакуумный фланец, выполненный в боковой стенке вакуумной камеры, а также благодаря размещению внутри камеры криогенных панелей, имитирующих излучательные свойства дальнего космоса, предназначенные для испытаний и исследований космических систем радиационного захолаживания (например, радиационных холодильников), а также при использовании соответствующей радиометрической калибровки аппаратуры по космосу;
- повышение эффективности процессов изготовления вакуумной камеры, выполненной в виде нескольких секций, которые стыкуются в горизонтальном направлении и соединяются через вакуумные уплотнители при сборке по месту эксплуатации камеры, что обеспечивает удобство изготовления, транспортировки и монтажа;
- экономия хладагента (например, жидкого азота), используемого при захолаживании криогенного экрана и электроэнергии, расходуемой на питание криогенно-вакуумной установки.
Предлагаемая криогенно-вакуумная установка может иметь широкое практическое применение как для радиометрической калибровки, так и для получения экспериментальных данных при решении проблем, связанных с обеспечением тепловакуумных режимов аппаратуры, работающей в открытом космическом пространстве.
Источники информации:
1. Стенд для тепловых испытаний космических объектов стенд [Текст]: пат. № 2172709 Рос. Федерация: B64G 7/00 (2000.01) / Звездов Ю.П., Зяблов В.А., Соловьев М.М. // заявитель и патентообладатель: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева". - № 99120326/28; заявл. 23.09.1999; опубл. 27.08.2001 г. Бюл. № 24.
2. Morozova S. P., Katysheva A. A., Panfilov A. S., Krutikov V. N., Lisyansky B. E., Sapritsky V. I., Parfentyev N. A., Makolkin E. V., Mitrofanov B. D., Preflight Spectral Radiance Infrared Calibration Facility // International Journal of Thermophysics. July 2014, Vol. 35, Issue 6-7, pp 1330-1340.
3. Панфилов А.С., Гаврилов В.Р., Иванов В.С., Крутиков В.Н., Лисянский Б.Е.,Морозова С.П. и др., Новая эталонная база России для радиометрической калибровки оптической аппаратуры наблюдения Земли и оценка возможных уровней точности получаемых радиометрических данных // «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2011 г., т.8, №2, с. 303-309.
4. Вакуумно-криогенный стенд [Текст]: пат. № 2591737 Рос. Федерация: B64G 7/00 (2006.01), G01M 11/00 (2006.01) / Боровков Д.А., Бурец Г.А., Денисов Р.Н., Захаренков В.Ф., Пуйша А.Э., Олейников Л.Ш., Фомин Г.Н. // заявитель и патентообладатель: Акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "ГОИ им. С.И. Вавилова"). - № 2014147584/28; заявл. 25.11.2014; опубл. 10.06.2016 г. Бюл. № 20.
5. Беднов С.М., Головин Ю.М., Завелевич Ф.С., Мацицкий Ю.П., Огарев С.А., Панфилов А.С., Самойлов М.Л., Саприцкий В.И., Хлевной Б.Б., Вопросы создания объединенного метрологического центра коллективного пользования для калибровки ИК аппаратуры ДЗЗ //  Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2006 г., В. 3, Т. 1, с. 163-169.