КРИОСТАТИРОВАННАЯ ФОТОПРИЕМНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВНЕАТМОСФЕРНОЙ АСТРОНОМИИ, КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ Российский патент 2003 года по МПК F25B9/14 

Изобретение относится к созданию телевизионной аппаратуры для космических телескопов, космических аппаратов (КА) с трехосной стабилизацией, выполняющих исследования в дальнем космосе, и дистанционного зондирования Земли с различным космических орбит.

Известны криостатированные фотоприемные системы для космических исследований с разных орбит на основе криостатированных фотоприемных систем, работающих в различных диапазонах спектра длин волн (см., например, Сагдеев Р. З., Аванесов Г.А., Зиман Я.Л., Тарнопольский В.И., Формозов Б.Н. и др., Телевизионная съемка кометы Галлея, Москва, Наука, 1989; Хадсон Р. Инфракрасные системы. Москва, Мир, 1972, 1972; Ллойд Дж. Системы тепловидения, Москва, Мир, 1978).

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является криостатированная фотоприемная система для внеатмосферной астрономии, космических исследований и дистанционного зондирования Земли, содержащая охладитель Стирлинга и хладопровод с расположенным на нем твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем (см. Грезин А.К., Зиновьев В.С., Микрокриогенная техника, Москва, Машиностроение, 1977, с. 8-10).

На фиг.1 представлено устройство двухступенчатого охладителя Стирлинга, а на фиг.2 - схема гелиевой системы на базе ГКМ, известные из книги Грезина А.К. и Зиновьева В.С. На фиг.2:
1 - двухступенчатый охладитель с отводом теплоты на уровнях (50-70) К и (14-16) К;
2, 3, 5, 6, 7 - теплообменники для газообразного гелия;
4 - компрессор;
8 - дроссель;
9 - теплообменник для охлаждения ТТФЭП.

Недостатками прототипа являются следующие факторы:
1. Нагрузочный ТТФЭП располагается непосредственно на холодильной головке ГКМ (поз.17 на рис.1) и получает вибрации с амплитудой до 20-25 мкм, что недопустимо для ТТФЭП.

2. Ограниченный моторесурс ГКМ (не более 500-10000 часов) не позволяет обеспечить получение ресурса работы космической телевизионной аппаратуры в 3-5 лет, что является необходимым требованием для всех КА, работающих в дальнем космосе.

3. При длительной работе ТТФЭП в космосе его фоточувствительная поверхность покрывается слоем криоосадков (в основном пленкой водяного льда), выделяющихся при полете из КА и приводящих к полной потере работоспособности ТТФЭП. Единственным способом борьбы с криоосадками является периодическое отепление ТТФЭП, приводящее к испарению слоя криоосадков в открытый космос. Но в конструкции прототипа это возможно сделать только путем полной остановки ГКМ, что приводит к полному отеплению всей системы и к снижению и без того малого значения моторесурса ГКМ при последующих пусках.

Техническим результатом настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа и создание криостатированной фотоприемной системы, обеспечивающей непрерывную работу ТТФЭП в составе космической телевизионной аппаратуры в течение не менее 3-5 лет с периодическим кратковременным отключением ТТФЭП от криостатирующего устройства для устранения криоосадков.

Технический результат достигается тем, что криостатированная фотоприемная система для внеатмосферной астрономии, космических исследований и дистанционного зондирования Земли, содержащая охладитель Стирлинга и хладопровод с расположенным на нем твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем, согласно изобретению снабжена тепловым экраном, контейнером с плавящимся криогенным веществом, закрепленным на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолированным от охладителя с помощью капилляров с низким значением коэффициента теплопроводности, циркуляционным теплообменным контуром с криогенной жидкостью, имеющей температуру тройной точки значительно ниже соответствующей температуры плавления плавящегося криогенного вещества, а температуру нормального кипения значительно выше температуры тройной точки плавящегося криогенного вещества, а также двухклапанным сильфонным мембранным насосом с приводом, совершающим возвратно-поступательное движение, причем хладопровод с твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем также закреплен на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолирован от контейнера с плавящимся криогенным веществом с помощью капилляров из материала с низкой теплопроводностью.

Чертеж общего вида предлагаемой криостатированной фотоприемной системы представлен на фиг.3 в разрезе в статике. Она организована следующим образом.

Двухступенчатый охладитель Стирлинга 1 приводит к охлаждению холодильной головки второй ступени 2 до температуры 14-16 К. Все низкотемпературные части системы экранированы от теплового излучения наружного вакуумного кожуха 9 с помощью экрана 3, имеющего температуру 50-70 К, охлаждаясь от первой ступени 1 охладителя. Наружный вакуумный кожух 9 имеет входное оптическое окно 8 и охлаждаемый фильтр с блендой 7. Внутри экрана 3 с помощью низкотеплопроводных опор 16 закреплен контейнер 4 с плавящимся криогенным веществом. Внутри контейнера 4 расположен теплообменник циркуляционного теплообменного контура 14, охлаждаемого до температуры 50-70 К от первой ступени охладителя 1 и до 14-16 К от второй ступени 2.

В контейнере 4 также расположен теплообменник второго теплообменного контура 10 между хладопроводом 5, на котором расположен ТИТФЭП 6, и контейнером 4 с плавящим криогенным веществом. Теплообменный контур 10 соединен с двухклапанным насосом 13, имеющим ресивер 11, заполненный криогенной жидкостью, и механическим приводом 12, обеспечивающим возвратно-поступательное движение сильфонной мембраны насоса 13. Все охлаждаемые части системы закреплены в частях с более высокой температурой с помощью низкотемпературных опор 16, изготовленных из стеклотекстолита с коэффициентом теплопроводности не выше 3•10^-3 Вт/см•К, т.е. практически полностью теплоизолированы. Вторая ступень охладителя 2 и теплообменник в контейнере 4, а также теплообменники циркуляционного контура 10 между контейнером 4 и хладопроводом 5 соединены длинными тонкими металлическими капиллярами из нержавеющей стали Х18Н9Т с коэффициентом теплопроводности 2•10^-1 Вт/см•К, т.е. тоже теплоизолированы между собой.

На второй ступени охладителя 2 расположен крионасос 17 на основе березового активированного угля БАУ.

Для того чтобы не загромождать чертеж на фиг.3, на нем не показаны электрические выводы питания и формирования видеосигнала с ТТФЭП, а также располагающаяся на вакуумном кожухе система вакуумно-плотных разъемов типа РСГС-50 для подключения фотоприемной системы к телевизионному тракту.

Теплообменный контур 14 соединен с компрессором 15. На кожухе имеется вентиль 18 с пиропатроном для открытия на космос.

Система работает следующим образом.

При работе охладителя Стирлинга 1, 2 и компрессора 15 происходит охлаждение неона в контейнере 4 до его отверждения, после чего и охладитель 1, 2, и компрессор 15 выключаются. При этом вся криогенная жидкость скапливается в ресивере 11. При работе привода 12 и мембранного сильфонного насоса 13 жидкость забирается порциями из ресивера 11 и циркулирует, нагреваясь в теплообменнике хладопровода 5, от которого криостатируется ТТФЭП, и охлаждаясь в теплообменнике, расположенном в контейнере 4 с плавящимся криогенным веществом.

В наземных условиях после откачки вакуумной полости до давления 1•10^-2 Торр и после выхода охладителя 1, 2 на режим высокий вакуум в полости поддерживается за счет крионасоса 17 (1•10^-4-5•10^-5 Торр).

В открытом космосе полость может быть соединена с вакуумом открытого космического пространства после отстрела пиропатрона на вентиле 18.

Полная механическая развязка ТТФЭП от работающего охладителя 1, 2 исключает появление вибраций ТТФЭП.

При выключенных охладителе 1, 2 и компрессоре 15 криостатирование ТТФЭП производится за счет скрытой теплоты плавления плавящегося криогенного вещества в контейнере 4 и циркуляции теплообменной криогенной жидкости по контуру 10 при работающем приводе 12.

При остановке привода 12 вся криогенная жидкость скапливается в ресивере 11, и хладопровод 5 с ТТФЭП 6 оказываются теплоизолированными от контейнера 4 с плавящимся криогенным веществом. Происходит отогрев ТТФЭП за счет конструктивного теплопритока к хладопроводу 5, в результате чего все образовавшиеся на фоточувствительной поверхности криоосадки испаряются в открытый космос.

Ресурс непрерывной работы системы в 3-5 лет обеспечивается при моторесурсе охладителя Стирлинга всего в 5000-10000 часов за счет включения его всего на 2-3 часа в сутки для отверждения расплавившегося криогенного вещества в контейнере 4 и в аккумуляторе холода на экране 3 (твердый пропан С₃Н₈ с Т_т.т=85,45 К).

Криостатированная фотоприемная система содержит охладитель Стирлинга, хладопровод с расположенным на нем твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем, циркуляционный теплообменный контур и двухклапанный сильфонный мембранный насос с приводом, совершающим возвратно-поступательное движение. Контейнер с плавящимся криогенным веществом закреплен на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолирован от охладителя с помощью капилляров с низким значением коэффициента теплопроводности. Криогенная жидкость циркуляционного теплообменного контура имеет температуру тройной точки значительно ниже соответствующей температуры плавления плавящегося криогенного вещества, а температуру нормального кипения значительно выше температуры тройной точки плавящегося криогенного вещества. Хладопровод с твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем также закреплен на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолирован от контейнера с плавящимся криогенным веществом с помощью капилляров из материала с низкой теплопроводностью. Использование изобретения позволит обеспечить непрерывную работу твердотельного телевизионного фотоэлектрического преобразователя в течение 3-5 лет. 3 ил.

Криостатированная фотоприемная система для внеатмосферной астрономии, космических исследований и дистанционного зондирования Земли, содержащая охладитель Стирлинга и хладопровод с расположенным на нем твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем, отличающаяся тем, что система снабжена тепловым экраном, контейнером с плавящимся криогенным веществом, закрепленным на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолированным от охладителя с помощью капилляров с низким значением коэффициента теплопроводности, циркуляционным теплообменным контуром с криогенной жидкостью, имеющей температуру тройной точки значительно ниже соответствующей температуры плавления плавящегося криогенного вещества, а температуру нормального кипения значительно выше температуры тройной точки плавящегося криогенного вещества, а также двухклапанным сильфонным мембранным насосом с приводом, совершающим возвратно-поступательное движение, причем хладопровод с твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем также закреплен на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолирован от контейнера с плавящимся криогенным веществом с помощью капилляров из материала с низкой теплопроводностью.