ИЗЛУЧАТЕЛЬ НАВЕСНОЙ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИБОРА ОРИЕНТАЦИИ НА ЗЕМЛЮ

Полезная модель относится к области измерительной аппаратуры для космического приборостроения и предназначена для имитации энергетического контраста, подобного реальному контрасту Космос-Земля и Космос-Солнце.
Сущность предлагаемого решения состоит в том, что излучатель обеспечивает управление нагревательными элементами, которые имитируют положение Земли относительно космического аппарата и попадание Солнца в поле обзора прибора ориентации по Земле (ПОЗ), что позволяет проверить функционирование ПОЗ с измерением значений углов крена (К) и тангажа (Т) и работу в условиях помехи от Солнца.
В технике известны имитаторы абсолютно черного тела от фирмы Mikron, предназначенные для проверки датчиков ИК-излучения в устройствах различного назначения: в системах формирования инфракрасного изображения, в оборудовании для авиационной картографии и наблюдения за воздушным пространством, для спектрофотометров с длинным путем луча. Один из таких имитаторов модели М310 пригоден и для использования в качестве источника излучения для ПОЗ, поскольку имеет компактные размеры, а температура источника излучения контролируется с точностью ±0,2°С при помощи внутреннего датчика температуры и ПИД-регулятора, отчего он был выбран в качестве прототипа.
Прототип обладает следующим недостатком: он имеет равномерно нагреваемую сферическую полость, в которую помещается испытываемый датчик, но для задачи космической ориентации необходимо предусмотреть облучение лишь с одной стороны, поскольку небесные тела всегда находятся на значительном удалении от датчика.
Техническим результатом является возможность проводить воздействие ИК-излучением на фотоприемник ПОЗ с достаточно близкого расстояния, имитируя излучение в реальных условиях космического пространства.
Технический результат достигается за счет того, что излучатель навесной (ИН), состоящий из корпуса, нагревателей, датчиков температуры и контроллера для управления нагревом, фильтров напряжения питания, стабилизатора напряжения, генератора тактовых импульсов, преобразователя уровней для согласования линий подключения между контроллером и интерфейсом RS-485 и соединителя для подключения к блоку электронному контрольно-проверочной аппаратуры (КПА), содержит в своей конструкции коническую зеркальную поверхность, пригодную для высокоточной фокусировки инфракрасных лучей в пределах траектории сканирования ПОЗ.
В центральной части ИН находятся нагреватели 6, расположенные с двух сторон и имитирующие излучение Земли. На нагревателях через термоизолирующие прокладки закреплены шторки 5, имитирующие излучение космоса. Наличие термоизолирующих прокладок обеспечивает достижение разности температуры между нагревателем и шторками и получения четырех точек контраста, необходимых для проверки функционирования ПОЗ. Применение отклоняющего конического зеркала 1 позволяет значительно уменьшить размеры ИН (сопоставимы с размерами ПОЗ) и обеспечить имитацию ИК-излучения в реальных условиях космического пространства.
При установке ИН на корпус ПОЗ в соответствии с приборной системой координат возможна проверка функционирования ПОЗ, соответствующие повороту ПОЗ относительно Земли +К и +Т. При развороте ИН на 180° относительно оси Y имитируются значения -К и -Т. Использование дополнительного ИН с имитацией значения +К и -Т и проверкой с поворотом на 180° обеспечивают проверку функционирования ПО3 -К и +Т во всех квадрантах поля зрения:
Наличие двух имитаторов Солнца 7 позволяет проводить проверку функционирования ПОЗ при попадании помехи от Солнца перед прохождением земной поверхности по каждому измерительному каналу ПОЗ, а разворот на 180° имитирует положение Солнца по траектории сканирования после прохождения земной поверхности.
Функциональная схема излучателя навесного представлена на фигуре 1. На функциональной схеме ИН отображены следующие элементы:
1) соединитель X1 для подключения к блоку электронному КПА. Через данный соединитель производится прием управляющих команд, выдача информации, подача электропитания и других необходимых напряжений для функционирования ИН;
2) преобразователь уровней D1 выполняет функцию согласования линий подключения между контроллером D2 и интерфейсом RS-485 (для возможности надежной передачи на большие расстояния);
3) фильтры А1 предназначаются для фильтрации напряжения питания составных частей (узлов) ИН и выполнены в виде П-образных LC-фильтров;
4) стабилизатор напряжения А2 предназначается для формирования стабилизированных напряжений постоянного тока для питания контроллера D2, преобразователя уровней D1, датчиков В1-В4, коммутатора A3 и узла нагревателей А4;
5) коммутатор A3 управляется контроллером D2 и предназначен для включения (выключения) нагревателей имитаторов Солнца, для формирования ШИМ-управления питания основных нагревателей (имитаторов Земли) узла нагревателей А4;
6) высокостабильный кварцевый генератор D3 предназначен для формирования тактовых импульсов для контроллера D2;
7) датчики В1-В4 выполняют функцию контроля температуры нагреваемых и «холодных» элементов конструкции узла нагревателей А4 и передают данные о температуре в контроллер D2;
8) контроллер D2 выполняет главную функцию - управление узлом нагревателей А4.
В зависимости от принятых значений датчиков температуры В1-В4 контроллер производит регулировку мощности нагрева элементов узла нагревателей с помощью коммутатора A3. Одновременно с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) контроллера производится контроль тока потребления нагревателей, по которому производится оценка целостности цепей и работоспособности узла нагревателей А4. При получении команды на имитацию Солнца в поле обзора ПОЗ контроллер производит включение с помощью коммутатора A3 питания для проволочных спиралей. Аналогично с нагревательными элементами контроллер производит оценку целостности цепей имитаторов Солнца. Всю необходимую информацию для оценки готовности и исправности навесного излучателя контроллер передает по линии обмена в БЭ КПА через преобразователь уровней D1.
Учитывая большое поле обзора по каждой траектории сканирования ПОЗ, а также необходимость сравнительно малых габаритов и массы портативных излучателей, наиболее адекватным вариантом фокусирующего оптического элемента в данном случае является поверхность, выполненная в виде полукольцевого зеркального тора, охватывающего всю траекторию сканирования ПОЗ. Фокусирующую поверхность целесообразнее всего выбрать в форме конуса. Преимущества конусной поверхности видны в следующем:
- значительно упрощается и удешевляется технологическая задача изготовления такой оптической поверхности по сравнению со сферическими, а тем более асферическими;
- выполненная под определенным углом конусная поверхность позволяет отражать фокусирующийся пучок лучей в требуемую сторону, что позволяет решить вопрос конструктивного размещения излучателей в имеющихся ограниченных габаритах.
Основным недостатком конусной поверхности является низкая степень фокусировки пучка лучей в нужной плоскости. Однако в случае использования данной фокусирующей поверхности в излучателе КПА ПОЗ, к которому предъявляются довольно низкие требования по точности (обычно не менее нескольких угловых градусов), то указанный недостаток может являться вполне допустимым.
вх.зр.
Для оценки возможности применения указанной поверхности в излучателе КПА ПОЗ был произведен расчет обратного хода лучей в оптической системе одного из каналов ПОЗ через тестовую оптическую систему с помощью пакета программ оптических расчетов «Zemax». Указанная тестовая система включает круглый входной зрачок диаметром D=24 мм, лучи от которого расходятся под углом в 3°, по 1.5° в каждую сторону от осевого пучка, а также отражательную конусную поверхность, расположенную под углом 62.5°. На расстоянии около 39 мм от входного зрачка расположена плоскость изображений. Упрощенная схема хода лучей показана на фигуре 2, где 1 - отражающее коническое зеркало, 2 - входной зрачок, 3 - отраженный пучок лучей, 4 - плоскость изображений. Положение плоскости изображений выбрано, исходя из конструктивной целесообразности разместить нагревательные элементы КПА ПОЗ (которые формируют инфракрасную границу перехода «Космос-Земля» в поле зрения прибора) в едином блоке, около плоскости симметрии прибора.
Дальнейший расчет изображения пятна рассеяния от пучка лучей, попавших на указанную плоскость изображений, дает картину, показанную на фигуре 3. Измерения наибольшей ширины пятна рассеяния, показанного на фигуре 3, дают результат, не превышающий 11 мм, что является вполне допустимым для оптических систем такого класса.
Для возможности оценки качества изготовления указанного конусного зеркала была рассчитана форма и размеры линии рассеяния, вычисленные для параллельного пучка лучей диаметром 24 мм в плоскости наилучшей установки. Результаты этих вычислений приведены на фигуре 4.
Основа тороидального конусного зеркала изготавливается из алюминиево-магниевого сплава АМг-6. Зеркальная поверхность формируется за счет электрогальванического осаждения слоя никеля (Ni), который после этого подвергается обработке - шлифованию и полированию для придания требуемой формы и качества оптической поверхности. Данная технология освоена отечественной оптико-механической промышленностью и дает возможность изготовить указанный отражающий зеркальный конус для КПА ПОЗ. Эскиз профиля отражающего конуса из состава оптической системы КПА ПОЗ в разрезе приведен на фигуре 5.