СИСТЕМА ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА ИНФРАКРАСНОГО ПРИБОРА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ С ЦИКЛИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ

Предложение относится к космической технике, в частности к системам термостабилизации фотоприемных устройств (ФПУ) инфракрасных (ИК) приборов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) с циклическим режимом работы с большой скважностью.
Известна система термостабилизации ФПУ ИК прибора КА ДЗЗ с циклическим режимом работы (см. Карагусов В.И., Галдин В. Д. «Орбитальные криогенные системы охлаждения фотоприемных устройств», Омский научный вестник, №3 (123), 2013 г, стр. 182, рис. 1), содержащая охладитель на базе газовой криогенной машины (ГКМ) Стирлинга или пульсационной трубы, отводящий тепло от ФПУ.
Недостатком такой системы термостабилизации является наличие вибраций в конструкции, которые передаются ФПУ, что значительно ухудшает его характеристики.
Известна система термостабилизации ФПУ ИК приборов для ДЗЗ с циклическим режимом работы (см. патент RU 149197, U1, 2014.02.14, МПК B64G 1/50), содержащая ФПУ, соединенное с аккумулятором холода (АХ), который при помощи диодной тепловой трубы (ДТТ) соединен с РТО, обеспечивающим отвод тепла в космическое пространство от АХ. Указанная система термостабилизации выбрана в качестве прототипа к заявленному предложению.
Недостатком такой системы термостабилизации является нестабильность температуры АХ - по мере поглощения теплоты его температура растет. Причем этот недостаток присущ как однофазным АХ, так и (в меньшей степени) АХ, в которых в рабочем веществе происходит фазовый переход (плавление). Рост температуры в таком АХ обусловлен увеличением толщины расплавленного слоя между корпусом АХ и границей фаз по мере плавления рабочего вещества.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является обеспечение стабильности охлаждения фоточувствительного элемента.
Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение стабильности рабочей температуры фоточувствительного элемента.
Этот результат достигается тем, что в известной СОТР ФПУ, выбранной в качестве прототипа, и содержащей криогенный АХ, на который установлено ФПУ, РТО, обеспечивающий отвод тепла от АХ в космос при помощи ДТТ, между ФПУ и криогенным АХ установлен твердотельный холодильник.
Сущность предложения заключается в том, что в рабочем режиме (во время съемки) охлаждение ФПУ осуществляется за счет отвода от него тепла при помощи твердотельного холодильника, на который установлено ФПУ, а твердотельный холодильник, в свою очередь, отводит тепло в криогенный АХ. В дежурном режиме происходит регенерация АХ. Твердотельный холодильник позволяет обеспечить стабильность рабочей температуры фоточувствительного элемента независимо от температуры криогенного АХ.
На фиг. 1 показана система термостабилизации фотоприемного устройства ИК прибора КА ДЗЗ с циклическим режимом работы. Система охлаждения содержит ФПУ 1, твердотельный холодильник 2, криогенный АХ 3, ДТТ 4 и РТО 5.
Система термостабилизации работает следующим образом. В рабочем режиме тепло от ФПУ 1 отводится через твердотельный холодильник 2 в криогенный АХ 3. При этом происходит расходование запаса холода в АХ. За счет работы твердотельного холодильника обеспечивается постоянство температуры ФПУ. В дежурном режиме тепло от АХ через диодную тепловую трубу 4 отводится в РТО 5 и от него - в космическое пространство.
В качестве твердотельного холодильника можно использовать термоэлектрический холодильник (ТЭХ), работающий на эффекте Пельтье. При криогенных температурах некоторые полупроводниковые сплавы n-типа имеют аномальные термоэлектрические свойства - при снижении температуры их коэффициент добротности повышается, что увеличивает эффект охлаждения (см. Е.А. Коленко. Термоэлектрические охлаждающие приборы. 2-е изд., перераб. и доп.: Наука, Ленинградское отделение, 1967).
1-x
x
2
3
-3
-1
Если в качестве материала n-ветви ТЭХ использовать сплав висмут-сурьма BiSb (где 0<x≤0,2), а в качестве материала p-ветви - теллурид висмута BiTe, то для такой р-n пары коэффициент добротности при температуре 60 К - типичной для ФПУ ИК прибора КА ДЗЗ в режиме съемки - будет иметь значение около 2,1·10K. Приближенные расчеты показывают, что в режиме максимального КПД подобное устройство способно отводить характерный для ФПУ тепловой поток мощностью 1 Вт, имеющего тепловой контакт с холодным спаем ТЭХ, температура которого составляет 60 К и при температуре горячего спая ТЭХ 63 К, имеющего тепловой контакт с АХ. Холодильный коэффициент ТЭХ при данных условиях составляет 0,14 - следовательно, ТЭХ обеспечивает необходимый холодильный эффект и работоспособен в предлагаемой системе охлаждения.
0
1
На фиг. 2 показаны графики теоретической зависимости холодильного коэффициента ε от коэффициента добротности при температуре горячего спая T=63 К и при варьировании температуры холодного спая T. Графики показывают, что при более строгой выборке материалов ветвей можно увеличить КПД ТЭХ, а также создаваемый перепад температур. Для заявленной системы охлаждения нужна небольшая разность температур (менее 3÷5 К), поэтому возможности ТЭХ позволяют обеспечить необходимые для ФПУ условия.