АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ИМИТАТОР "ЗЕМЛЯ-АТМОСФЕРА-КОСМОС" (ИЗАК АСК)

Полезная модель относится к космическому приборостроению и является устройством, которое предназначено для проведения следующих работ:
имитации пространственного расположения Земли в широком диапазоне отклонений по крену и тангажу в диапазоне высот от 140 до 3300 км;
имитации энергетического контраста исходящего излучения, соответствующего переходу Земля - Атмосфера - Космос;
настройки прибора ориентации по Земле (ПОЗ);
проведения калибровки ПОЗ при изменении температуры на посадочном месте изделия ПОЗ;
проверки функционирования ПОЗ в нормальных условиях, а также при пониженной и повышенной температуре посадочного места в условиях вакуума;
проверки предельной суммарной погрешности (ПСП) ПОЗ в нормальных условиях, при пониженной и повышенной температуре посадочного места в условиях вакуума.
Сущность предлагаемого решения заключается в том, что имитатор «Земля-Атмосфера-Космос» содержит плиту, выполненную с возможностью перемещения в вакуумную камеру, на которой закреплены термостабилизированное посадочное место, два узла торических зеркал, два узла излучателя и расположенные на удалении от излучателей подвижные шторки, шторки закреплены на осях, расположенных соосно на подшипниковых узлах и вращение каждой шторки осуществляется от отдельного шагового двигателя, а контроль положения выполняется энкодерами, установленными на валы с закрепленными шторками с погрешностью не более 5 угловых секунд. Конструктивное выполнение узла шторок излучателей позволяет изменять их взаимное расположение, что соответствует имитации пространственного положения Земли в широком диапазоне отклонений по крену и тангажу в диапазоне высот от 140 до 3300 км. А узел термостабилизации позволяет выставить температуру посадочного места с заданной точностью в диапазоне от минус 50°С до плюс 60°С. Это в совокупности позволяет выполнить настройку, проверку и калибровку погрешности ПОЗ секущего типа во всем диапазоне изменения крена, тангажа, высоты полета и температуры посадочного места.
Существующие ИЗАКи разработки ОАО НЛП «Геофизика-Космос» для проверки приборов ориентации по Земле - т.н. построителей местной вертикали, [Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие. - М.: Логос, 2007. - 248 с.], представляют собой коллиматор, состоящий из объектива, излучателя типа «черное тело», диафрагмы с зубчатой кромкой и посадочного места под прибор. Особенности конструкции таких имитаторов [Дубиновский A.M., Панков Э.Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. - 152 с.] Такие ИЗАКи являются либо одновысотными, либо рассчитаны только на некоторые значения нескольких высот и предназначены для проверки приборов ориентации по Земле на одной фиксированной высоте полета. Для проверки на разных высотах необходимо устанавливать механизм перемещения «черного тела» и диафрагмы, или иметь сменные объективы и диафрагмы, или изготавливать дополнительные ИЗАКи, что ведет к усложнению конструкции и значительному удорожанию работ. Кроме того, в ИЗАКах, используемых для проверки построителей местной вертикали, все проверки приборов, установка и контроль температуры производятся вручную.
Объектив такого ИЗАКа представляет собой зеркальный параболический тор. Конструкция ИЗАКа обеспечивает наклон прибора относительно оси I-I только в небольшом диапазоне углов ±5° и разворот прибора в посадочном месте ИЗАКа по азимуту на 360° с фиксацией через 45°. Зубчатая кромка диафрагмы, находящаяся в плоскости наилучшей установки объектива, имитирует переходной слой модели излучения Земли. Диафрагма с зубчатой кромкой имеет форму торической чаши с внутренней излучающей поверхностью. Данная диафрагма имитирует рабочую зону перехода «Земля - Атмосфера-Космос», находящуюся в поле обзора прибора. Температура излучающей поверхности чаши поддерживается при воспроизведении номинального контраста около 16°С, воспроизводя исходящее излучение фона (космоса). Температура излучателя типа «черное тело», воспроизводящего исходящее излучение Земли, поддерживается около 45.57°С (при воспроизведении номинального энергетического контраста). Термостатирование диафрагмы осуществляется путем равномерного омывания ее внутренней полости жидким теплоносителем (водой), которая охлаждается с помощью жидкого азота. Термостатирование «черного тела» осуществляется путем нагрева и перемешивания теплоносителя - машинного масла. Регулировка температуры - автоматическая, с точностью ±0,1°С, контроль осуществляется термометром сопротивления. Повышение (понижение) температуры излучателя типа «черное тело» позволяет в некоторых пределах воспроизводить различные уровни энергетического контраста, отличные от номинального.
Как было сказано выше, указанные ИЗАКи являются одновысотными и оттого имеют ряд недостатков, не позволяющих использовать их при настройке и проверке ПОЗ сканирующего типа с большим полем обзора:
невозможность производить сканирование полем зрения ПОЗ в радиальном направлении, в диапазоне углов более чем несколько градусов. Данный недостаток связан с ограниченным размером светового диаметра параболического тора;
невозможность проверки одновременно двух каналов ПОЗ. Данный недостаток обусловлен тем, что указанные ИЗАКи спроектированы специально для проверки исключительно одноканальных приборов кругового типа сканирования.
Требуемый ИЗАК должен обладать комплексом следующих характеристик:
2
обеспечивать получение энергетического контраста между высокотемпературным излучателем («телом») и низкотемпературным излучателями («фоном») от 27,6 до 110,4 Вт/м⋅ср.
обеспечивать имитацию угловых размеров Земли, соответствующих высотам орбит от 140 до 3300 км.
термостабилизированное посадочное место должно обеспечивать температуру корпуса изделия от минус 50°С до плюс 50°С.
высокотемпературный излучатель должен обеспечивать рабочий диапазон температур от 32°С до 80°С с точностью поддержания ±0,5°С, а также обеспечивать нагрев излучающей поверхности в двух режимах: равномерном и неравномерном.
Исходя из предъявленных требований и анализа конструкции существующих ИЗАКов, предлагается схема контроля на ИЗАКе АСК со статическим положением ПОЗ и двумя излучателями с подвижными шторками. Конструкция ИЗАКа АСК показана на фиг. 1 и фиг. 2.
ИЗАК АСК конструктивно состоит из:
-6
собственно имитатора «Земля-Атмосфера-Космос» (ИЗАК), помещаемого в вакуумную камеру, создающей пониженное давление до 10 мм. рт. ст.;
рабочего места оператора, включающего стол, ПК с программой «АСК ПОЗ» и электронным блоком управления. Напряжение питания на ИЗАК поступает через электронный блок управления.
ИЗАК смонтирован на плите поз. 6. Плита оснащена четырьмя роликами поз. 4 для возможности перемещения в вакуумную камеру для проведения настройки и испытаний ПОЗ и наружу для проведения настройки и аттестации самого ИЗАКа. Для фиксации ИЗАКа при проведении настройки и аттестации, на плите имеется три выдвижных опоры поз. 3.
На плите закреплены:
а) два узла зеркала торического поз. 1;
б) два узла излучателя поз. 2;
в) место посадочное термостабилизированное поз. 5.
В состав узла зеркала торического входит тороидальное сферическое зеркало, закрепленное на кронштейнах. Конструкция узла зеркала торического позволяет при помощи котировочных винтов и прокладок обеспечить подвижку по трем осям и установку оси зеркала соосно оси вращения ПОЗ, помещенного на посадочное место.
Оптическая схема ИЗАКа АСК представлена на фиг. 3.
В обратном ходе лучей, пучки, исходящие от входных зрачков оптических каналов ПОЗ, отражаются от поверхностей тороидальных сферических зеркал поз. 8(1), 8(2) и фокусируются на кромках неохлаждаемых подвижных шторок (диафрагм) поз. 9(1), 9(2), 10(1), 10(2), имитирующих фоновое (космическое) излучение. Подвижные шторки (диафрагмы) могут поворачиваться вокруг оси имитатора на заданные углы.
Излучатели тепловые поз. 7(1), 7(2) имитируют исходящее излучение Земли, работая в заданном диапазоне температур. Неохлаждаемые шторки (диафрагмы) воспроизводят фоновое излучение Космоса и работают при фактической температуре окружающей среды.
При вращении зеркал, находящихся на оси сканирования ПОЗ, поля зрения оптических каналов сканируют поверхности тепловых излучателей и неохлаждаемых шторок (диафрагм), пересекая при этом кромки данных диафрагм. При пересечении указанных кромок в полях зрения оптических каналов ПОЗ формируются изображения температурных контрастов между излучателями, имитирующие пересечение границы изображения Земля-Космос и Космос-Земля в ИК-диапазоне. При этом вращающиеся неохлаждаемые шторки (диафрагмы) обеспечивают возможность имитации ИК-границ перехода для случаев работы ПОЗ на разных высотах и при разных углах отклонения от центра изображения Земли по крену и тангажу. Каждый излучатель тепловой имеет несколько нагревателей, при помощи которых можно обеспечить различную температуру на поверхности. В результате этого обеспечивается режим имитации неравнояркой модели исходящего излучения, когда поля зрения ПОЗ визируют зоны перехода из Земли в Космос с различной температурой поверхности Земли.
Излучатели ИЗАКа должны воспроизводить энергетический контраст между излучением Земли и Космосом, соответствующий модели А Земли.
Величина указанного контраста составляет:
-2
-1
В=К⋅69⋅Вт⋅м⋅ср.
ном
Номинальная величина энергетического контраста соответствует коэффициенту К=1.0. Согласно модели А Земли диапазон энергетического контраста, в котором ПОЗ должен определять угловые координаты вектора направления от геометрического центра Земли составляет от Кmin=0.4 до Кmax=1.6. Значения коэффициентов устанавливаются оператором АСК.
Для воспроизведения требуемого энергетического контраста между тепловыми излучателями и диафрагмами ИЗАКа ПОЗ, необходимо рассчитать их радиационные температуры, измеряемые с помощью радиометра. Радиационная температура неохлаждаемой диафрагмы, воспроизводящей исходящее излучение Космоса (фоновое излучение), соответствует температуре окружающей среды. Поэтому температура теплового излучателя, воспроизводящего исходящее излучение Земли, определяется из соотношения:
где:
д
t, °С - текущая радиационная температура диафрагмы (шторки);
В - текущее значение энергетической яркости, соответствующее выставляемому контрасту;
-8
-2
-4
σ - постоянная Стефана-Больцмана (σ=5.67⋅10 Вт⋅м⋅К).
Конструкция указанного узла приведена на фиг. 4. Шторки поз. 9, 10 закреплены на осях расположенных соосно на подшипниковых узлах в корпусе поз. 13. Вращение каждой шторки осуществляется от отдельного шагового двигателя с редуктором поз. 11, через червячную передачу. Контроль положения выполняется энкодерами поз. 12, установленными на валы с закрепленными шторками. Для обеспечения требуемой точности имитации работы ПОЗ на разных высотах и при разных углах отклонения от центра изображения Земли по крену и тангажу, погрешность энкодеров составляет не более 5 угловых секунд.
Узел излучателя установлен на подставке поз. 14. Конструкция узла излучателя позволяет при помощи котировочных винтов и прокладок обеспечить подвижку по трем осям и установку оси вращения соосно оси вращения ПОЗ, помещенного на посадочное место.
Управление перемещением шторок ведется через электронный блок АСК и ПК с программой «АСК ПОЗ». Установка положения шторок для имитации работы ПОЗ на разных высотах и при разных углах отклонения от центра изображения Земли по крену и тангажу производится по алгоритму, заложенному в ПО «АСК ПОЗ».
Излучатель тепловой поз. 7 состоит из алюминиевого корпуса, внутри которого установлены ленточные нагревательные элементы для равномерного нагрева и резисторы для получения неравномерного нагрева поверхности корпуса. Корпус излучателя теплового имеет температурную развязку от корпуса узла излучателя. Контроль температуры ведется по датчикам, установленным на корпусе. Управление температурой излучателя теплового через электронный блок АСК и ПК с программой «АСК ПОЗ».
Расположение шторок на удалении от излучателя теплового позволяет получить заданный контраст температуры между излучателем (Земля) и шторками (космос) без дополнительного охлаждения шторок. После включения нагрева и достижения температуры поверхности излучателя теплового до заданного контраста через достаточно быстрое время достигается тепловое равновесие системы излучатель - шторки. Дальнейшее поддержание контрастности обеспечивается автоматически изменением температуры излучателя теплового. Дополнительное охлаждение шторок в данной конструкции не требуется, что значительно упрощает конструкцию ИЗАКа.
Конструкция места посадочного термостабилизированного приведена на фиг. 5. Узел термостабилизации поз. 15 является посадочным местом для ПОЗ и позволяет обеспечить температуры во всем диапазоне требований ТЗ от минус 50°С до плюс 60°С.
Нагрев посадочного места обеспечивается мощными резисторами, установленными на корпусе. Охлаждение осуществляется жидким азотом, подаваемым во внутреннюю полость. Контроль температуры обеспечивает датчик температуры, установленный на корпусе посадочного места. Автоматическую установку и поддержание температуры обеспечивает электронный блок АСК и ПК с программой «АСК ПОЗ». Посадочное место имеет тепловую развязку (пластина поз. 16 из стеклотекстолита) от подставки поз. 17.
Рабочее место оператора включает в себя стол с персональным компьютером, на который установлено программное обеспечение «АСК ПОЗ», блоком бесперебойного питания, лазерный принтер и электронный блок управления ИЗАКом.
Управление работой ИЗАКа АСК осуществляется с помощью ПО «АСК ПОЗ» через блок управления.
С помощью программы «АСК ПОЗ» оператор АСК может также задавать следующие параметры:
а) высоту полета КА во всем диапазоне от 140 до 3300 км;
б) угловые координаты вектора направления от геометрического центра Земли в диапазоне, обеспечивающем проверку точностных характеристик прибора во всех зонах ориентирования поля обзора;
в) коэффициент энергетического контраста между излучением Земли и Космосом;
д) установку значения и автоматическое поддержание температуры посадочного места;
е) размеры поля зрения и скорость изменения угловых координат вектора направления от геометрического центра Земли при автоматической проверке функционирования и ПСП ПОЗ.
Разработана рабочая документация и изготовлен действующий образец ИЗАК АСК.