УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОПТИЧЕСКОГО ТРАКТА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

Полезная модель относится к области защиты оптического тракта оптико-электронных приборов и систем от температурных и турбулентных неоднородностей показателя преломления газовой среды и может быть использована во многих областях техники для предохранения внутренних оптических поверхностей от образования на них конденсата (инея) при резком изменении температуры внутри защищаемого объема.
Резкие перепады температуры окружающей среды в процессе эксплуатации устройств обуславливают возможность появления на оптических поверхностях конденсата (инея), а рефракционные отклонения зондирующего луча вдоль трассы распространения могут привести к существенным случайным и (или) систематическим ошибкам измерения.
Это актуально в различных областях техники, например, в лазерной технике при конструировании газовых активных элементов; в ракетных комплексах при их экстренном использовании в условиях резкой смены температуры; в оптико-электронных системах высокоточного определения взаимного разворота разнесенных объектов, требования на условия функционирования которых предусматривают возможность значительных продольных и поперечных температурных градиентов и ветровых потоков газовой среды между контролируемыми объектами, и во многих других областях.
Известно устройство, используемое в самолето- и автомобилестроении для защиты от обледенения внутренней поверхности стекол салонов [см. Пат. РФ, №2248681, МПК H05B 3/84, приор. 22.05.2003 г.], включающее оптический элемент, выполненный со слоем прозрачной токопроводящей пленки, нанесенной на внутреннюю оптическую поверхность. При пропускании тока через пленку происходит нагрев защищаемого узла, что препятствует образованию на нем конденсата. Однако такая конструкция сложна и требует дополнительных энергетических затрат. Кроме того, усиление рефракционных эффектов в приповерхностных газовых слоях вблизи нагреваемых поверхностей препятствует использованию таких решений при высокоточных оптических измерениях.
Известно устройство защиты оптической системы ракетного комплекса, выбранное нами в качестве прототипа, [см. Пат. РФ, №2316833, МПК G12B 7/00, G12B 17/06, приор. 11.05.2006 г.], включающее герметичный, сформированный из однослойного тонкого прозрачного пленочного материала со специально подобранными свойствами корпус, закрепленный в раме специальной конструкции, с оптическими элементами. К сожалению, малые размеры защищаемого пространства не позволяют использовать устройство такой конструкции при значительных дистанциях между узлами оптико-электронных систем.
Нами предложена конструкция высокоэффективного устройства для защиты от температурных и турбулентных неоднородностей показателя преломления газовой среды оптического тракта оптико-электронных приборов и систем в условиях значительных продольных и поперечных температурных градиентов и отсутствия подготовительных операций со стороны оператора по обеспечению работоспособности всей системы.
-4
Такой технический эффект достигнут нами, когда в устройстве защиты оптического тракта оптико-электронной системы, включающем герметичный корпус, снабженный оптическим узлом, новым является то, что корпус выполнен в виде гибкого рукава из твердого материала с теплопроводностью σ не ниже 15 Вт/м.К с трансформируемой формой боковой поверхности постоянной площади и дополнительно снабжен штуцером и последовательно установленными раздвижными экранами: от турбулентных потоков и тепло-, пыле-, влагозащитным экраном, - и демпфирующим устройством, размещенным между корпусом и защитным от турбулентных потоков экраном, оптический узел выполнен в виде установленных на торцах рукава плоскопараллельных окон из оптически прозрачного материала, теплопроводность σ которого выбрана из условия σ<1,5 Вт/м.К, и на поверхностях которых нанесено просветляющее покрытие, окна установлены с возможностью разворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства и заклона друг относительно друга так, что выбранный между осями пластин окон и осью устройства угол исключает попадание бликов на чувствительные элементы оптико-электронной системы, при этом соотношение толщины и диаметра пластины окна выбрано не менее, чем 1 к 12, а корпус устройства заполнен инертным при пониженном давлении газом, точка росы которого не выше -50°C, с теплопроводностью σ, выбранной из условия σ≥0,05 вт/м.К., и с показателем преломления n, удовлетворяющим условию n-1≤10.
Подходы к решению задачи исключения попадания бликов на чувствительные элементы оптической системы известны.
Подходы к решению задачи создания трансформируемой формы поверхности с сохранением ее площади известны, например, гофрированная поверхность.
Подходы к решению задачи установки демпфирующего устройства известны.
Просветляющее покрытие для окон выбирают, исходя из характеристик устройства, на котором они установлены; подходы к выбору покрытий известны.
Для обеспечения оптических измерений при поперечных сдвигах контролируемых узлов в устройстве защиты оптического тракта оптико-электронной системы по крайней мере одно из окон установлено на поворотном узле в виде концевого шарового шарнира, состоящего из вложенных друг в друга сферических сегментов с промежуточными полиамидными вкладышами (см. п. 2 Формулы).
Подходы к выбору полиамидного материала для сухой смазки известны.
На фигуре представлена общая схема заявленного устройства, где герметичный корпус 1 со штуцером 2, плоскопараллельные окна 3, раздвижной защитный от турбулентных потоков экран 4, раздвижной тепло-, пыле-, влагозащитный экран (чехол) 5, демпфирующее устройство 6, заполненное инертным газом пространство 7, шаровой шарнир фланца из вложенных друг в друга сферических сегментов 8 и вкладышей 9 из полиамида.
Работа устройства защиты оптического тракта оптико-электронной системы (далее светопровод) описана на примере конкретного исполнения заявленного устройства в организации ОАО «НИИ ОЭП».
Корпус 1 выполнен герметичным из стальных сильфонных сборок, содержащих последовательно соединенные с возможностью сближения и раздвижения мембран, профилированных концентрическими кольцевыми участками. Каждая из мембран соединена с одной из соседних внешним, а с другой внутренним сварным швом. Гофра составных мембран выполнена в форме одной полной волны.
Гофрированный корпус испытан на соосность крепежных отверстий и на циклопрочность сильфонов до 1500 циклов сжатия-разжатия, сварные швы - на герметичность гелиевым течеискателем. Внутренняя полость 7 корпуса заполнена инертным газом неоном, газом имеющим низкий коэффициент преломления n, высокий коэффициент теплопроводности σ и низкую текучесть.
Наполнение объема устройства и смена газа при проведении регламентных работах осуществляется через штуцер 2, установленный во фланцевом узле на торце корпуса.
2
2
Окна 3 выполнены из оптического стекла К-8 в виде плоскопараллельных пластин с клиновидностью до 10”, отношение толщины к диаметру - 1/11. На поверхности пластин нанесено просветляющее покрытие В.010 ОСТ 3-1901-95, состоящее из слоев окиси циркония ZrO и окиси кремния SiO, которое обеспечивает минимальный спектральный коэффициент отражения, не более 0,5%, имеет 1 группу по влагостойкости и механической прочности, прочно к органическим растворителям, децинормальным растворам уксусной кислоты и щелочи, выдерживает нагрев до 250°C и термический удар ±60°C. Пластины окон установлены на герметике и дополнительно закреплены разрезным кольцом. Пластины окон в исходном состоянии наклонены навстречу друг другу на угол 2° 30'.
Для обеспечения оптических измерений при поперечных сдвигах контролируемых узлов, в состав устройства входят поворотные узлы из концевых шаровых шарниров, выполненных в виде вложенных друг в друга сферических сегментов 8 с промежуточными вкладышами 9 из полиамида ПА6 блочного марки А ТУ 6-05-988-87 для обеспечения сухой смазки (см. п. 2 Формулы).
Экран 4 (оградительный кожух) защищает корпус устройства от турбулентных потоков и от механических повреждений и раскачивания, а экран 5 предотвращает попадание прямых солнечных лучей, влаги и загрязнений различного происхождения на поверхность устройства. Оградительный раздвижной кожух состоит из 5 секций, в свою очередь, содержащих 4 обечайки, изготовленные из стали толщиной 1 мм, и каждая секция соединена с корпусом и с соседней секцией с помощью карданного подвеса.
Демпфирующее устройство 6 состоит из 30 цилиндрических пружин сжатия длиной 90 мм, расположенных по образующей нижней части устройства между гибким корпусом и защитным экраном. Тепло-, пыле- и влагозащитный экран 5 выполнен из парусины.
Устройство работает следующим образом. Корпус устройства изготовлен из тонкой гофрированной стали с высокой теплопроводностью. Стеклянные окна имеют относительно большую толщину. При сравнимых коэффициентах теплоемкости стали и стекла (~0,5÷0,7 кДж/кг·К) эти материалы обладают существенно различными коэффициентами теплопроводности (~15÷30 Вт/м·К и ~1 Вт/м·К, соответственно). Любой технический газ, используемый для заполнения светопровода, содержит некоторое количество паров воды, существенно изменяющих параметры светопропускания и светорассеяния среды при опускании температуры газа ниже точки росы. Как правило, объемная доля водяного пара в реальной конструкции светопровода составляет ~0,1÷0,01%, что соответствует температуре точки росы ~-20÷50°C. При опускании температуры ниже этих значений на внутренней поверхности светопровода возможно появление изморози, приводящее к эффекту «загрязнения» окон.
При опускании наружной температуры режим остывания стенок корпуса предложенного устройства значительно отличается от режима остывания окон: опускание температуры внутренней поверхности окна «запаздывает» относительно падения температуры стенок как за счет разницы приведенных к единице поверхности теплоемкостей, так и за счет разных коэффициентов теплопроводности стали и стекла. В результате, при падении температуры газа внутри корпуса ниже точки росы на боковой гофрированной поверхности стенок начинает выпадать изморозь при одновременном уменьшении остаточных паров влаги в общем объеме. Т.е., при понижении температуры одновременно происходит сдвиг (в сторону уменьшения) температуры точки росы паров в газе. В итоге, при полной релаксации температуры внутренней поверхности окна, температура точки росы остаточных паров влаги в объеме устройства оказывается всегда ниже реально достигнутой температуры, и поверхность окна остается чистой. При смене направления изменения температуры воздуха (от отрицательной к положительной) температура внутренней поверхности окна опережает температуру точки росы как за счет инерционности процесса испарения, так и вследствие неизбежных затрат энергии, идущих на плавление и испарение изморози (воды), приводящих к выравниванию температурных режимов нагрева стенок корпуса и окон.
Газовый состав для наполнения устройства выбирают из условия обеспечения наименьших оптических искажений. При наличии температурных градиентов наименьшие оптические искажения будут иметь место при использовании газа с минимальным коэффициентом преломления n и максимальным коэффициентом теплопроводности σ. Исключая из потенциально используемых газов водород (n=1,000139; σ=0,183 Вт/м·К) вследствие его взрывоопасности, наилучшими указанными характеристиками обладает инертный газ гелий (n=1,000035; σ=0,152 Вт/м·К), однако чрезвычайная текучесть этого газа усложняет условия сохранности параметров устройства при его длительной эксплуатации. Поэтому разумным компромиссом является использование для наполнения устройства инертного газа неона (n=1,000067; σ=0,049 Вт/м·К). Для сравнения, широко используемый в технических газонаполненных системах азот имеет следующие параметры: n=1,000297; σ=0,026 Вт/м·К.
Для контроля состояния газовой среды устройства в корпус через штуцер могут быть встроены датчики температуры и точки росы.
Устройство с наполненным газом корпусом хранится и транспортируется в сложенном состоянии. Его длина при этом составляет 993 мм.
В процессе работы устройство устанавливается между сопрягаемыми узлами оптической системы, при этом фланцы корпуса крепятся неподвижно с помощью фиксирующих приспособлений. Вследствие гибкости корпуса длина его может увеличиваться и обеспечивать защиту оптического тракта при расстоянии между сопрягаемыми узлами до 2500 мм, а также компенсировать несоосность оптических осей сопрягаемых узлов до ±26 мм в линейной мере и 20' - в угловой. При увеличении длины корпуса происходит осевое смещение обечаек защитного кожуха, что обеспечивает защиту от попадания прямых солнечных лучей на поверхность корпуса по всей длине. Одновременно увеличивается и длина чехла. Благодаря указанным мерам, удается свести к минимуму потоки из-за градиента температур на поверхности кожуха и их влияние на точность измерений.
По окончании измерений фиксирующие приспособления освобождают фланцы устройства, вследствие чего происходит резкое сокращение длины корпуса и защитного кожуха. Демпфирующее устройство позволяет компенсировать возникающий при этом удар и защитить детали изделия от поломки.
На опытном образце устройства, изготовленном в соответствии с настоящим описанием, были успешно проведены испытания и проверки, приведенные в таблице.
Таблица
№ п/п
Наименование испытаний и проверок
Достигнутые значения характеристик
1.
Проверка интегрального коэффициента пропускания в рабочем спектральном диапазоне
Не менее 0,95
2.
Проверка отклонения выходящих лучей от направления лучей, входящих в устройство
Не более 5”
3.
Проверка предела разрешения в рабочем спектральном диапазоне
Не хуже 2,4”
4.
Проверка на прочность к воздействии пониженной предельной температуры окружающей среды
-50°C
5.
Проверка на прочность к воздействии повышенной предельной температуры окружающей среды
+50°C
6.
Проверка на прочность к воздействии повышенной влажности окружающей среды
98% при 25°C
7.
Проверка на прочность к воздействии изменения температуры окружающей среды
Три термоцикла от -50°C до +50°C
8.
Испытания на воздействие атмосферных конденсированных осадков - инея и росы
Контроль конденсации при нагреве после охлаждения до -20°C
9.
Испытания на воздействие неравномерного нагрева, вызванного воздействием солнечного излучения и других источников теплового излучения
Плотность потока, не менее, Вт/м<sup>2</sup> - интегральная 250; - энергетическая экспозиция за сутки 2,72·10 дж/м<sup>2</sup>
Таким образом, разработанная конструкция устройства обеспечивает эффективную защиту внутренних поверхностей окон от появления на них конденсата (инея) при резких перепадах температуры наружного воздуха, отклонение выходящих лучей от направления лучей, входящих в устройство, не более 5”, а также разрешение в рабочем спектральном диапазоне - не хуже 2,4”.