Способ радиометрической калибровки, контроля характеристик и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств и криогенно-вакуумная установка, реализующая этот способ Российский патент 2020 года по МПК G01N25/58 B64G7/00 G01N25/72 G01M11/00 

Заявленная группа изобретений относится к оптико-электронной, оптико-механической и криогенно-вакуумной технике и предназначено для точной радиометрической калибровки, исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств, а также систем радиационного захолаживания в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство.

Из уровня техники известны способы и принципы построения вакуумных установок для калибровки, контроля характеристик и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств. Существует два основных типа построения рассматриваемых установок.

Известные установки первого типа [1], включают в себя герметичный корпус, откачные системы и систему управления, однако имеют назначение только для проведения испытаний в условиях, имитирующих космическое пространство, не предполагая возможность проведения точной радиометрической калибровки, абсолютных измерений потоков спектрозонального и интегрального оптического излучения, и испытаний радиационных систем захолаживания.

В известные установки второго типа [2, 3, 4, 5] заложена возможность проведения радиометрической калибровки, измерений потоков спектрозонального и интегрального оптического излучения, однако данные технические решения существенно отличаются как по способу калибровки и обеспечения параметров рабочего пространства, так и по конструктивным особенностям от предлагаемых технических решений.

В качестве прототипа выбран принцип построения установки второго типа, описанный в работах [2, 3].

Недостатком известной криогенно-вакуумной установки [2, 3] является то, что она не обеспечивает позиционирование образцовой модели абсолютно черного тела (АЧТ) протяженного типа и других, необходимых для проведения калибровки, образцовых излучателей, в нужной конфигурации относительно входного окна крупногабаритного оптико-электронного устройства, т.к. данные модели АЧТ жестко встроены в торцевую дверь вакуумной камеры, которая при открывании перемещается вдоль горизонтальной оси цилиндрического корпуса камеры. При этом само крупногабаритное оптико-электронное устройство, как правило, невозможно перемещать и располагать внутри камеры в необходимых позициях относительно образцовой модели АЧТ, т.к. это перемещение ограничено размерами рабочего внутреннего пространства камеры. Кроме того рассматриваемый прототип не обеспечивает возможность калибровки других моделей АЧТ, т.к. это требует демонтажа образцовой модели АЧТ и установки вместо нее калибруемой модели АЧТ через вакуумный фланец.

Вторым недостатком большинства известных крупногабаритных вакуумных установок аналогичного назначения, включая описанную в работах [2, 3, 4, 5], является конструкция корпуса, имеющая вид цилиндра с круглым сечением, которая предполагает завышенные внешние габариты и необходимость оборудования внутри камеры плоского пола, уменьшающего размеры рабочего внутреннего пространства. Предлагаемое техническое решение конструкции корпуса камеры имеет вид параллелепипеда с прямоугольным сечением и ребра жесткости на стенках корпуса, обеспечивающие необходимую прочность.

Недостатком откачных систем аналогов также является отсутствие комбинации криогенных и турбомолекулярных насосов, которое позволяет значительно сократить время выхода на рабочий режим по вакууму и обеспечить как можно более раннее начало захолаживания криогенных экранов. Предлагаемое техническое решение предполагает использование комбинации турбомолекулярных (на магнитных подвесах) и криогенных насосов, а также высоковакуумных затворов, отделяющих объем камеры и входной фланец каждого насоса, и обеспечивает включение на начальном этапе процесса откачки в первую очередь турбомолекулярных насосов для обеспечения одновременной подготовительной высоковакуумной откачки и выхода на режим путем предварительного охлаждения криоконденсационных насосов до охлаждения криогенных экранов, а также первоочередное их выключение в процессе разогрева при окончании процедуры испытаний.

Техническим результатом изобретения является повышение точности радиометрической калибровки и контроля характеристик аппаратуры, расширение видов измерительных режимов и испытаний, а также повышение эффективности процессов изготовления вакуумной камеры и создания условий высокого вакуума, низких фоновых тепловых излучений и условий, имитирующих космическое пространство за счет особенностей конструкции, сокращения времени рабочих процессов, экономии жидкого азота при проведении исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств, а также систем радиационного захолаживания.

Технический результат достигается за счет создания способа радиометрической калибровки оптико-механических устройств в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство, включающего загрузку испытуемой аппаратуры внутрь криогенно-вакуумной камеры, откачку до высокого вакуума с помощью безмасляной системы откачки, захолаживание криогенных экранов и последующее проведение процедур радиометрической калибровки, контроля характеристик и испытаний, при этом основные образцовые излучатели, зеркальные проецирующие системы и системы их позиционирования изначально устанавливают внутри камеры, что обеспечивает создание единого измерительного комплекса и проведение радиометрической калибровки аппаратуры по одному или нескольким из режимов: режим радиометрической калибровки аппаратуры по абсолютной спектральной чувствительности, режим измерения спектральных характеристик аппаратуры, режим измерения пространственно-частотных характеристик аппаратуры, а также режим калибровки и метрологической аттестации образцовых излучателей методом компарирования; для откачки внутреннего объема криогенно-вакуумной установки до высокого вакуума используют комбинацию турбомолекулярных насосов на магнитных подвесах и криогенных насосов следующим образом: производят включение на начальном этапе процесса откачки в первую очередь турбомолекулярных насосов для обеспечения одновременной подготовительной высоковакуумной откачки объема камеры и выхода на режим путем охлаждения криогенных насосов при закрытых высоковакуумных затворах на них, после достижения рабочей температуры на криогенных насосах открывают соответствующие высоковакуумные затворы и при достижении рабочего вакуума охлаждают криогенные экраны; при окончании процедуры испытаний в процессе нагревания внутреннего объема камеры обеспечивают первоочередное выключение криогенных насосов.

Технический результат достигается также посредством создания криогенно-вакуумной установки, реализующей вышеуказанный способ и содержащей вакуумную камеру с криогенными радиационными экранами, безмасляную систему вакуумной откачки, контрольно-измерительные приборы и централизованную систему управления оборудованием, при этом образцовые излучатели, зеркальные проецирующие системы и системы их пространственного позиционирования, размещены внутри камеры; корпус вакуумной камеры выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами жесткости на стенках корпуса, обеспечивающими необходимую прочность; безмасляная система вакуумной откачки представляет собой высоковакуумную двухуровневую систему, снабженную турбомолекулярными насосами на магнитных подвесах и криогенными насосами, установленными непосредственно на боковой стенке вакуумной камеры, а также высоковакуумными затворами, отделяющими объем камеры и входной фланец каждого насоса.

Заявленная группа изобретений проиллюстрирована следующим чертежом:

Фиг. 1 - схема устройства предлагаемой криогенно-вакуумной установки, поясняющая ее работу.

Где:

1 - централизованная система управления оборудованием

2 - корпус вакуумной камеры в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами жесткости на стенках корпуса

3 - форвакуумные насосы

4 - турбомолекулярные насосы на магнитных подвесах

5 - криогенные насосы

6 - высоковакуумные затворы

7 - дверь вакуумной камеры

8 - система линейного перемещения

9 - направляющая для линейного перемещения двери

10 - внутреннее пространство вакуумной камеры

Криогенно-вакуумная установка имеет следующую конструкцию. На фиг. 1 показана схема устройства и общий вид предлагаемой криогенно-вакуумной установки, реализующей предлагаемый способ радиометрической калибровки, контроля характеристик и испытаний оптико-электронных устройств, оптико-механических устройств, а также систем радиационного захолаживания, которая содержит контрольно-измерительные приборы и централизованную систему управления оборудованием (1), корпус вакуумной камеры выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами жесткости на стенках корпуса (2), обеспечивающими необходимую прочность; безмасляная система вакуумной откачки представляет собой высоковакуумную двухуровневую систему, снабженную форвакуумными насосами (3), а также турбомолекулярными насосами на магнитных подвесах (4) и криогенными насосами (5), установленными непосредственно на боковой стенке вакуумной камеры. Высоковакуумные затворы (6), отделяют объем камеры и входной фланец каждого насоса и при подаче соответствующей команды открываются. Передняя и/или задняя торцевая дверь вакуумной камеры (7) снабжена системой линейного перемещения (8), которая обеспечивает линейное перемещение двери вдоль установленной на полу направляющей (9) в боковую сторону относительно входа в камеру, открытие/герметичное закрытие двери/дверей и доступ во внутреннее пространство вакуумной камеры (10).

Способ радиометрической калибровки оптико-электронных устройств, оптико-механических устройств, а также систем радиационного захолаживания, заключается в том, что осуществляют загрузку испытуемой аппаратуры внутрь криогенно-вакуумной камеры, затем осуществляют откачку до высокого вакуума с помощью безмасляной системы откачки, захолаживание криогенных экранов и затем проводят процедуры радиометрической калибровки, контроля характеристик и испытаний. Основные образцовые излучатели, зеркальные проецирующие системы и системы их позиционирования изначально устанавливают внутри камеры, что обеспечивает создание единого измерительного комплекса и проведение радиометрической калибровки аппаратуры по одному или нескольким из режимов: режим радиометрической калибровки аппаратуры по абсолютной спектральной чувствительности, режим измерения спектральных характеристик аппаратуры, режим измерения пространственно-частотных характеристик аппаратуры, а также режим калибровки и метрологической аттестации образцовых излучателей методом компарирования. Для откачки внутреннего объема криогенно-вакуумной установки до высокого вакуума используют комбинацию турбомолекулярных насосов на магнитных подвесах и криогенных насосов следующим образом: производят включение на начальном этапе процесса откачки в первую очередь турбомолекулярных насосов для обеспечения одновременной подготовительной высоковакуумной откачки объема камеры и выхода на режим путем охлаждения криогенных насосов при закрытых высоковакуумных затворах на них, после достижения рабочей температуры на криогенных насосах открывают соответствующие высоковакуумные затворы и при достижении рабочего вакуума охлаждают криогенные экраны; при окончании процедуры испытаний в процессе нагревания внутреннего объема камеры обеспечивают первоочередное выключение криогенных насосов.

Использование предлагаемого технического решения дает следующие положительные результаты:

- увеличение достоверности радиометрической калибровки, исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств (аппаратуры), а также систем радиационного захолаживания (например, радиационных холодильников) в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство;

- снижение погрешностей радиометрической калибровки оптико-электронной аппаратуры, особенно инфракрасного диапазона (в части единства и точности воспроизведения и передачи абсолютных величин потока спектрозонального и интегрального оптического излучения);

- расширение видов измерительных режимов и испытаний аппаратуры;

- повышение эффективности процессов изготовления вакуумной камеры и ее размещения в рабочем помещении;

- экономия хладагента (например, жидкого азота), используемого при захолаживании криогенного экрана и электроэнергии, расходуемой на питание криогенно-вакуумной установки, сокращение времени на подготовку к проведению измерений и испытаний.

Предлагаемое техническое решение целесообразно использовать и в других отраслях промышленности, где требуются радиометрическая калибровка, исследования и испытания изделий и приборов, в указанных условиях.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Стенд для тепловых испытаний космических объектов стенд [Текст]: пат. №2172709 Рос. Федерация: B64G 7/00 (2000.01) / Звездов Ю.П., Зяблов В.А., Соловьев М.М. // заявитель и патентообладатель: Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева». - №99120326/28; заявл. 23.09.1999; опубл. 27.08.2001 г. Бюл. №24.

2. Morozova S.P., Katysheva A.A., Panfilov A.S., Krutikov V.N., Lisyansky В.Е., Sapritsky V.I., Parfentyev N.A., Makolkin Е.V., Mitrofanov В.D., Preflight Spectral Radiance Infrared Calibration Facility // International Journal of Thermophysics. July 2014, Vol. 35, Issue 6-7, pp 1330-1340.

3. Панфилов A.C., Гаврилов B.P., Иванов B.C., Крутиков B.H., Лисянский Б.Е., Морозова С.П. и др., Новая эталонная база России для радиометрической калибровки оптической аппаратуры наблюдения Земли и оценка возможных уровней точности получаемых радиометрических данных // «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2011 г., т. 8, №2, с. 303-309.

4. Вакуумно-криогенный стенд [Текст]: пат. №2591737 Рос. Федерация: B64G 7/00 (2006.01), G01M 11/00 (2006.01) / Боровков Д.А., Бурец Г.А., Денисов Р.Н., Захаренков В.Ф., Пуйша А.Э., Олейников Л.Ш., Фомин Г.Н. // заявитель и патентообладатель: Акционерное общество «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова» (АО «ГОИ им. С.И. Вавилова»). - №2014147584/28; заявл. 25.11.2014; опубл. 10.06.2016 г. Бюл. №20.

5. Беднов С.М., Головин Ю.М., Завелевич Ф.С., Мацицкий Ю.П., Огарев С.А., Панфилов А.С., Самойлов М.Л., Саприцкий В.И., Хлевной Б.Б., Вопросы создания объединенного метрологического центра коллективного пользования для калибровки ИК аппаратуры ДЗЗ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2006 г., В. 3, Т. 1, с. 163-169.

Заявленная группа изобретений относится к оптико-электронной, оптико-механической и криогенно-вакуумной технике и предназначено для точной радиометрической калибровки, исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств, а также систем радиационного захолаживания в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство. Изобретение относится к оптико-электронной, оптико-механической и криогенно-вакуумной технике и предназначено для точной радиометрической калибровки, исследований и испытаний оптико-электронных и оптико-механических устройств в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство. Технический результат - повышение точности радиометрической калибровки и контроля характеристик аппаратуры, расширение видов измерительных режимов и испытаний, а также повышение эффективности процессов изготовления вакуумной камеры и создание условий высокого вакуума, низких фоновых тепловых излучений и условий, имитирующих космическое пространство за счет особенностей конструкции, сокращения времени рабочих процессов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ радиометрической калибровки оптико-электронных и оптико-механических устройств в условиях вакуума, низких фоновых тепловых излучений и в условиях, имитирующих космическое пространство, включающий загрузку испытуемой аппаратуры внутрь криогенно-вакуумной камеры, откачку до высокого вакуума с помощью безмасляной системы откачки, захолаживание криогенных экранов и последующее проведение процедур радиометрической калибровки, контроля характеристик и испытаний, отличающийся тем, что основные образцовые излучатели, зеркальные проецирующие системы и системы их позиционирования изначально устанавливают внутри камеры, что обеспечивает создание единого измерительного комплекса и проведение радиометрической калибровки аппаратуры по одному или нескольким из режимов: режим радиометрической калибровки аппаратуры по абсолютной спектральной чувствительности, режим измерения спектральных характеристик аппаратуры, режим измерения пространственно-частотных характеристик аппаратуры, а также режим калибровки и метрологической аттестации образцовых излучателей методом компарирования; для откачки внутреннего объема криогенно-вакуумной установки до высокого вакуума используют комбинацию турбомолекулярных насосов на магнитных подвесах и криогенных насосов следующим образом: производят включение на начальном этапе процесса откачки в первую очередь турбомолекулярных насосов для обеспечения одновременной подготовительной высоковакуумной откачки объема камеры и выхода на режим путем охлаждения криогенных насосов при закрытых высоковакуумных затворах на них, после достижения рабочей температуры на криогенных насосах открывают соответствующие высоковакуумные затворы и при достижении рабочего вакуума охлаждают криогенные экраны; при окончании процедуры испытаний в процессе нагревания внутреннего объема камеры обеспечивают первоочередное выключение криогенных насосов.

2. Криогенно-вакуумная установка, реализующая способ по п. 1, содержащая вакуумную камеру с криогенными радиационными экранами, безмасляную систему вакуумной откачки, контрольно-измерительные приборы и централизованную систему управления оборудованием, отличающаяся тем, что образцовые излучатели, зеркальные проецирующие системы и системы их пространственного позиционирования размещены внутри камеры; корпус вакуумной камеры выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с ребрами жесткости на стенках корпуса, обеспечивающими необходимую прочность; безмасляная система вакуумной откачки представляет собой высоковакуумную двухуровневую систему, снабженную турбомолекулярными насосами на магнитных подвесах и криогенными насосами, установленными непосредственно на боковой стенке вакуумной камеры, а также высоковакуумными затворами, отделяющими объем камеры и входной фланец каждого насоса.