СИСТЕМА ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ВОЛОКОННОГО КОНТУРА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
THERMAL STABILIZATION SYSTEM OF THE FIBER CIRCUIT OF A FIBER-OPTIC GYROSCOPE OF A SPACE VEHICLE

Изобретение 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) и улучшения его массогабаритных характеристик.
Точность работы ВОГ зависит от его теплового режима. При изменении температуры узлов ВОГ возникает дрейф полезного сигнала -отклонение полезного сигнала от нуля в состоянии покоя изделия. Наибольший вклад в дрейф сигнала ВОГ дает 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, чем температура.
Известна система термостабилизации [1] 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 минус 30 до 40°С (группа 5.3 ГОСТ РВ 20.39.304-98) данное решение неприемлемо.
Известно устройство, реализующее способ термостатирования гироскопа в проточном термостате [2], содержащее термодатчик с введенным в него постоянным подогревом, электронагреватель системы термостабилизации теплоносителя, автоматический регулятор температуры. В качестве теплоносителя используется воздух, циркуляция которого осуществляется вентиляторами.
Недостаток этого технического решения такой же, как и у указанного выше аналога. Кроме того, наличие системы обдува с вентиляторами усложняет и утяжеляет термостат.
Известно устройство «Тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптического гироскопа» (см. работу [3]).
Система состоит из следующих элементов: КВК, герметичный термостатирующий объем с рабочим телом, ТЭМ (термоэлектрические модули), чувствительные элементы (температурные датчики), теплоизоляция. Объектом термостатирования является КВК, расположенная внутри герметичного термостатирующего объема с рабочим телом.
ТЭМ по сигналу от чувствительных элементов работают либо в режиме нагрева или охлаждения. В качестве чувствительных элементов применяются термометры сопротивления, для уменьшения влияния внешних тепловых нагрузок от окружающей прибор среды имеется теплоизоляция. В качестве рабочего тела используется воздух, поглощающий (или отдающий) тепло от КВК.
Недостатком этого устройства является то, по мере поглощения (отдачи) тепла вследствие низкой теплоемкости воздуха, его температура значительно меняется. Поэтому для обеспечения стабильности температуры волоконного контура требуется наличие мощных вентиляторов, обеспечивающих циркуляцию воздуха в термостатирующем объеме. Это недостаток ограничивает применение указанного устройства в космических аппаратах негерметичного исполнения.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является система термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа, содержащая катушку волоконного контура, теплоизоляцию, температурные датчики, термоэлектрические модули [4].
Термостабилизация волоконного контура осуществляется за счет термостатирующего газа. Термостатирующий газ представляет собой парокапельную смесь (влажный пар), имеющую давление, при котором температура конденсации парокапельной смеси (температура насыщения) равна рабочей температуре волоконного контура.
Термостатирующий газ находится внутри герметичного объема цилиндрической формы образованного каркасом катушки волоконного контура (является обечайкой цилиндра) и торцевыми крышками.
Термоэлектрические модули и датчики температуры установлены на наружных поверхностях торцевых крышек герметичного объема.
Наружная часть термоэлектрических модулей соединена теплопроводами с посадочной поверхностью волоконно-оптического гироскопа.
Отсутствие электрических вводов в герметичный объем обеспечивает технологичность и надежность системы.
При понижении температуры внутренней поверхности замкнутого объема катушки на этой поверхности происходит конденсация паров рабочего газа с выделением теплоты. При нагреве происходит обратный процесс с поглощением теплоты от катушки. Наличие двухфазной среды (пара и капель конденсата) позволяет подводить и отводить теплоту практически изотермически. При дальнейшем изменении тепловой нагрузки на ВОГ по команде датчиков температуры включаются термоэлектрических модули, которые работают либо в режиме холодильника при подводе тепла, либо в режиме теплового насоса при отводе. Таким образом обеспечиваются параметры термостатирующей среды на линии насыщения.
Недостаток этого устройства обусловлен низкой интенсивностью процессов переноса (тепло и массообмена) в невесомости. Это может быть проиллюстрировано на примере горения свечи в невесомости: свеча в невесомости горит гораздо дольше, чем в обычных условиях.
Сравнительно большое удаление ТЭМ от КВК приводит к значительной неравномерности распределения температуры по объему газа. При этом большая часть газа, находящегося в герметичном объеме (в частности в его средней части) не задействована в процессе термостабилизации. Тепловое воздействие ТЭМ как бы «размазывается» по всему объему газа, в том числе и пассивной средней части. Вследствие этого увеличивается время отклика системы на температурные возмущения (снижает быстродействие системы) и, следовательно, снижается температурная стабильность волоконно-оптического гироскопа.
Как будет показано ниже, этот недостаток ограничивает применение этой системы в условиях быстро меняющейся внешней тепловой нагрузки, в частности при полете космического аппарата на низкой околоземной орбите (НОО).
Другим недостатком этого устройства является то что избыточный герметичный объем внутри катушки не может использоваться для размещения элементов ВОГ. Это уменьшает компактность ВОГ, т.к. внутри катушки обычно размещается ряд элементов (источник излучения, фотоприемное устройство, интегрально-оптический модуль, плата управления излучателем и др.).
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение быстродействия системы, температурной стабильности катушки волоконно-оптического гироскопа, а также улучшение массогабаритных характеристик ВОГ.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение стабильности поддержания температуры волоконно-оптического контура ВОГ и снижение массы и габаритов системы термостабилизации ВОГ.
Этот результат достигается за счет более рациональной формы и размеров герметичного объема и расположения ТЭМ.
Герметичный объем, заполненный термостатирующим газом образован двумя концентрическими цилиндрическими обечайками. В качестве наружной обечайки используется каркас КВК. Диаметр внутренней обечайки составляет около 4/5 (80%) от диаметра наружной. При этом из процесса тепломассопреноса в термостатирующем газе исключается средняя часть объема, которая ухудшает работу системы.
Обечайки выполнены из материала с высокой теплопроводностью. Торцевые поверхности кольцевого объема образованного обечайками заглушены крышками. На внутренней поверхности внутренней обечайки (вне герметичного объема) установлены термоэлектрические модули и датчики температуры. Наружная часть термоэлектрических модулей соединена теплопроводами с посадочной поверхностью волоконно-оптического гироскопа. Катушка покрыта снаружи теплоизоляцией. Термостатирующий газ представляющим собой парокапельную смесь, имеющую давление, при котором температура конденсации парокапельной смеси равна рабочей температуре волоконного контура.
За счет кольцевой конфигурации герметичного термостатирующего объема теплообмен между стенками осуществляется в сравнительно тонкой прослойке, при этом достигается более равномерное температурное поле термостатирующего газа. Некоторое уменьшение этого объема не оказывает влияния на работу системы, так как из работы исключается его центральная пассивная часть.
1
1
0
0
2
При диаметре внутренней обечайки 4/5 диаметра наружной (каркаса КВК) объем кольцевой полости V составит (1-(d-d))=0,36 V,
1
0
где d - диаметр внутренней обечайки, do - диаметр наружной обечайки, V - объем цилиндрической полости.
Т.е. объем кольцевой полости составит почти 40% от объема цилиндрической.
На Фиг. 1 показана схема системы термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа космического аппарата.
Система содержит следующие основные элементы: катушку волоконного контура 1, каркас катушки 2, внутреннюю обечайку 3, герметичный объем с термостатирующим газом 4, теплоизолирующее покрытие 5, торцевые крышки герметичного объема 6, термоэлектрические модули (ТЭМ) 7, датчики температуры 8, теплопроводы 9, посадочную поверхность ВОГ 10.
Термоэлектрические модули, представляют собой холодильники (тепловые насосы), работа которых основана на эффекте Пельтье. Внутренняя сторона ТЭМ охлаждает или нагревает газ внутри катушки, а противоположная отводит (в случае охлаждения) или подводит (в случае нагрева) это тепло по теплопроводам 9 к посадочным местам ВОГ 10.
Система термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа космического аппарата работает следующим образом.
При возникновении внешней теплой нагрузки на катушку волоконного контура жидкая фаза термостатирующего газа начинает поглощать это тепло - влажный пар становится сухим, происходит отклонение температуры от точки насыщения. По команде датчиков температуры 8 включаются термоэлектрические модули 7 в режиме холодильника. При отводе тепла от катушки волоконного контура в термостатирующем объеме происходит процесс конденсации с выделением теплоты, который ослабляет внешнее тепловое воздействие. При снижении температуры среды ниже рабочей температуры КВК по команде датчика температуры ТЭМ включается в режиме теплового насоса
Наличие двухфазной среды (пара и капель конденсата) позволяет подводить и отводить теплоту практически изотермически. Таким образом, в условиях фазового перехода температура катушки волоконного контура (КВК) будет всегда оставаться близкой к рабочей температуре [5]. Двухфазная среда является своеобразным демпфером, сглаживающим колебания температуры. За счет того, что процесс тепломассопереноса происходят в тонкой прослойке, образованной концентрическими обечайками, обеспечивается равномерность температурного поля в этой прослойке. Тепловое воздействие ТЭМ на весь объем двухфазной среды происходит с минимальной задержкой, что обеспечивает высокую степень термостабилизации КВК в условиях переменной внешней тепловой нагрузки.
Таким образом, при осуществлении заявленного устройства обеспечивается высокая стабильность поддержания температуры в волоконно-оптическом контуре ВОГ, достигается снижение массы ВОГ.
Можно показать, что в условиях орбитального значительная часть объема замкнутого объема катушки прототипа не участвует в процессе термостабилизации ВОГ. Ниже приводится приближенная оценка влияния изменения внешней тепловой нагрузки на систему термостабилизации ВОГ.
Рассматривается наиболее напряженный с точки зрения теплового режима полет КА (космического аппарата) на НОО (низкой околоземной орбите) с периодом обращения около 90 минут и длительностью освещенного участка около 60 минут. Допустимое изменение температуры приборного оборудования при движении космического аппарата по орбите (ГОСТ РВ 20.39.304-98) составляет от минус 3°С до 40°С, то есть возможная скорость изменения температуры при этом составит около 1°С в минуту.
При определении неоднородности температурного поля в объеме термостатирующего газа принимается характерное время (длительность переходного процесса) одна минута.
В условиях невесомости для грубой оценки теплового состояния учитываем только передачу тепла теплопроводностью [6] (газ рассматривается как твердое тело).
В упрощенной одномерной постановке объем газа рассматривается как плоская пластина с граничными условия первого рода на одной стороне (задана температура) и граничными условия второго рода на другой стороне (пластина теплоизолирована).
0
Считаем, что тепловая нагрузка прилагается с поверхности, на которой установлен ТЭМ (температура ступенчато изменяется на величину ΔТ. Определяется температура газа со стороны, противоположной приложению тепловой нагрузки противоположной поверхности (в данном случае внешней обечайки - каркаса КВК).
0
0
В качестве параметра, характеризующего распределение температуры принята величина ΔТ/ΔТ, где ΔТ - изменение температуры в месте приложения тепловой нагрузки (место контакта ТЭМ с внутренней обечайкой), ΔT - изменение температуры в искомой точке.
Определяется число Фурье (Fo), которое характеризует соотношение между скоростью изменения тепловых условий на границе термостатирующего объема и скоростью перестройки температурного поля внутри этого объема.
0
2
Fo=at/L,
2
где а - коэффициент температуропроводности, м/с,
t - характерное время изменения внешних условий, с,
L - характерный линейный размер тела, м.
В качестве термостатирующего газа принимается фреон R 22, который имеет давление насыщенного пара около одного МПа при температуре 20 градусов Цельсия [7].
Принимаются следующие исходные данные:
-6
2
а=0,343 10 м/с (для фреона R 22),
t=60 с,
0
Диаметр катушки d принимается как для ВОГ «ОИУС-1000» 70 мм [8], тогда диаметр внутренней обечайки составит 56 мм (0,8 от диаметра наружной).
Характерный размер:
0
- для прототипа L=d/2=0,035 м,
0
1
- для предлагаемой системы - кольцевой зазор между обечайками L=(d - d)/2=0,007 м.
-6
2
-2
Число Фурье (Fo) для прототипа при приведенных исходных данных составляет 0,343 10 60/(0,035)=1,7 10.
-6
Для предлагаемой системы число Фурье составляет 0,343 10 60/(0,007)=0,42.
-2
0
0
Распределение температуры определяется по графику 16-1 [9], стр. 197. При значении Fo=1,7 10 (для прототипа) относительная температура в точке приложения теплового потока ΔТ/ΔТ≈1 (т.е Т=Тп), на противоположной поверхности ΔТ/ΔТ ≈ 0, температура наружной обечайки практически не изменилась Т=То, тепло от ТЭМ не достигает каркаса КВК. Таким образом, в прототипе наблюдается неравномерное распределение температуры по объему газа. Тепловой поток от ТЭМ достигает противоположной поверхности с опозданием, что снижает точность термостабилизации в условиях быстроменяющихся тепловых нагрузок. Это ограничивает применение системы в космических аппаратах, функционирующих на низкой околоземной орбите.
В предлагаемой системе наблюдается значительно более равномерное распределение температуры в кольцевой прослойке.
0
0
При значении числа Фурье Fo=0,42 температура в точке приложения теплового потока также ΔТ/ΔТ ≈ 1, на противоположной поверхности ΔТ/ΔТ ≈ 0,5 - прирост температуры в этой точке составляет около 50% от прироста температуры в точке приложения нагрузки, т.е. распределение значительно равномернее.
Приведенные выше расчеты носят качественный характер, но тем не менее, они показывают, что в предлагаемой системе распределение температуры в объеме термостатирующего газа более равномерное, что обеспечит высокую степень термостабилизации при быстро меняющейся внешней нагрузке, в частности при полете космического аппарата на низкой околоземной орбите.
1
0
0
1
0
Можно обосновать рациональное соотношение диаметра внутренней обечайки к диаметру наружной d/d. Число Фурье и распределение температуры ΔТ/ΔТ в зависимости от d/d. определялось по методике, приведенной выше.
В качестве примера рассмотрен ВОГ «ОИУС-1000» [8]. Результаты расчетов представлены на рисунке Фиг. 2
1
0
0
1
0
Из графика видно, что малых значениях d/d, распределение температуры по объему газа крайне неравномерное. Приемлемые значения ΔТ/ΔТ (около 0,5) достигаются при d/d≥0,8.
С другой стороны, дальнейшее увеличение диаметра внутренней обечайки нецелесообразно по соображениям технологичности - малый зазор между внутренней и внешней обечайками, да и объем термостатирующего газа заметно снижается (менее 1/3 по сравнению с прототипом).
Кроме степени равномерности распределения температуры по объему термостатирующего газа, важным показателем предлагаемой системы является соотношение мощности внешней тепловой нагрузки и тепловой емкости термостатирующего газа. Этот показатель характеризует способность термостатирующего газа демпфировать внешнюю нагрузку на катушку ВОГ.
В качестве примера рассматривается ВОГ «ОИУС-1000». 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 0,05 кг. Массовая теплоемкость корпуса составит при этом около 50 Дж/К. При скорости изменения температуры около 0,017 К в секунду мощность теплового потока поглощаемого (отдаваемая при охлаждении) составит 50×0,017=0,85 Дж/сек (Вт).
При отношении диаметров внутренней и внешние обечаек 0,8, объем кольцевой полости около 0,1 л. При плотности фреона R 22 при 20°С 38 г/л, его масса составит 0,4 г. Это при степени сухости равной нулю. Поскольку термостатирующий объем заполнен влажным паром, то при степени сухости влажного пара равной 0,9, масса капель составит 0,04 г, а количество тепла выделившегося (при испарении поглощенного) этих капель составит 7,5 Дж. (удельная теплота испарения 187 Дж/г)
Степень сухости пара (х) - отношение массы сухого насыщенного пара, содержащегося во влажном паре, к общей массе влажного пара. Обратная величина степени сухости (1-х) - степень влажности.
Сравнивая мощность внешней тепловой нагрузки (0,85 Дж/сек) и тепловую емкость термостатирующего газа (7,5 Дж), можно отметить, что для фазового перехода капель жидкости потребуется время около 9 секунд.
Укрупнено оценим время реакции системы на внешнюю тепловую нагрузку как сумму времени реакции датчика температуры и ТЭМ.
Для термопар время реакции составляет около одной секунды (Руководство по эксплуатации преобразователя термоэлектрического ДТП, выпускаемого по ТУ 4211-022-46526536-2009, docs.owen.ru).
Термоэлектрические модули обладают малой тепловой инерцией и способны охлаждать/нагревать контролируемые объекты со скоростью до 10К/с (Термоэлектрические модули, системы термостабилизации. ecogenthermoelectric.com). С учетом того, что температура термостатирующего газа постоянно поддерживается вблизи рабочей температуры ВОГ, термостатирующий газ с большим запасом способен поглотить внешнюю тепловую нагрузку на катушку ВОГ за время выхода на режим ТЭМ.
Источники информации
1. Патент РФ№140464, C1,2014.02.14, MTIK6 G01C 19/72
2. Патент РФ №2282146, С1, 2004.12.22, MTIK6 G01C 19/00, G05D 23/00
3. 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.
4. Патент на полезную модель №171674. МПК G01C 19/00, G05D 23/00. Система термостабилизации волоконного контура волоконно-оптического гироскопа космического аппарата.
5. Руководство для конструкторов по обеспечению тепловых режимов летательных аппаратов. РДК том 7. ГОНТИ-1, 2000.
6. С.Д. Гришин, Л.В. Лесков, В.В. Савичев. Космическая технология и производство. Серия «Космонавтика, астрономия» №4, 1978 г. Издательство «Знание». Москва, 1978.
7. Богданов С.Н. и др. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. Справочник. СПб. ГАХПГ, 1999 г.
8. Коркишко Ю.Н, Федоров В.А., Пономарев В.Г. и др. Волоконно-оптический гироскоп навигационного класса точности. Гироскопия и навигация, №1 (60), 2008. с. 71-81.
9. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел Л.: Энергия, 1976. - 350 с.