Система охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу

Запропонований винахід відноситься до систем охолодження, а конкретно до дросельних мікрокріогенних систем (МКС), призначених для охолодження до кріогенних температур приймачів променистої енергії (ППЕ) оптико-електронних приладів (ОЕП). Відома балонна МКС з автоматичним регулюванням подачі кріоагента для охолодження ППЕ. Стиснутий кріоагент накопичується в балоні високого тиску і в результаті дроселювання і охолодження в мікрохолодильнику (MX) охолоджує об'єкт (ППЕ), розташований в посудині Дьюара, яка служить корпусом мікрохолодильника. При цьому витрата кріоагента регулюється системою управління за сигналом датчика температури, встановленого в холодній зоні мікрохолодильника [див. Романенко Н.Т., Рынковой Ф.Ф. Исследование основных характеристик баллонной микрокриогенной системы с цикличной подачей криоагента. Химическое и нефтяное машиностроение, 1981 г., №5, с. 19-21]. Відома кріостатна система, що працює за принципом адіабатичного розширення попередньо стиснутого газу, до складу якої входять резервуар (балон), соленоїдний клапан, датчик рівня, розширювач, кріостат з детектором та системою управління [див. Ю.А. Иванов, В.В. Тябкин. Инфракрасная техника в военном деле. Изд. "Советское радио", М. 1963 г., с.151-153]. Стиснутий газ під високим тиском надходить з резервуара через соленоїдний клапан (дозатор) датчика, у якого змінюється опір при пониженні рівня охолоджуючої рідини. Недоліком вищезгаданих системи охолодження є нестабільність температури охолодження ППЕ внаслідок зміни тиску в холодній зоні мікрохолодильника при регулюванні витрат кріоагента. Подібними системами неможливо охолоджувати хиткий корпус ППЕ і тому неможливо покращити технічні характеристики ОЕП. Нам відома балонна МКС для охолодження ППЕ [а.с. №377591/СССР/. Микрохолодильник. В.И. Животовский, Л.Д. Корнеенко и Ю.В. Шиганский, Опубл. в Б.И., №18, 1973]. У результаті дроселювання кріоагента в мікрохолодильнику виробляється паро-рідинна суміш кріоагента в секції зрідження (транзитний ряд), яка охолоджує корпус ППЕ за рахунок випаровування рідкої фази кріоагента. Недоліком такої системи охолодження ППЕ є її низька ефективність (економічність) та обмежений час роботи від балона. Необхідно відзначити, що параметри ОЕП погіршуються внаслідок вироблення надлишку рідкої фази кріоагента мікрохолодильником, попадання рідини на деталі карданова підвісу ОЕП та утворення градієнта температур на його елементах. Наприклад, на 50-й секунді роботи системи охолодження на азоті (Р=20МПа) на втулці карданова підвісу градієнт температур між напівосями підвісних підшипників (верхнє та нижнє положення) складає Dt = 160°C . Це приводить до зміни геометричних розмірів деталей, їх форми, деформації деталей внаслідок лінійного розширення, яке створює велике зусилля на елементах конструкції карданова підвісу, що значно знижує точність та надійність ОЕП. Мікрохолодильник за а.с. №377591, працюючий в балонній МКС з автоматичним регулюванням подачі кріоагента для охолодження ППЕ [див. Романенко Н.Т., Рынковой Ф.Ф. Исследование...], найбільш близький до технічного рішення, що заявляється, і який узято за прототип. Періодична (циклічна) подача кріоагента здійснюється за допомогою системи автоматичного регулювання. Її виконавчим органом є електропневмоклапан, розташований перед мікрохолодильником, який періодично перекриває газовий канал високого тиску за сигналом з електронного регулятора, на вхід якого підключено термодатчик. Подача кріоагента здійснюється циклічно: за періодом "підживлення" (клапан відкритий) настає період "вибігу" (клапан закритий). Робочий режим охолодження ППЕ підтримується за рахунок випаровування накопиченої в процесі "підживлення" рідкої фази кріоагента та акумуляції холоду в теплоємних деталях конструкції. До основних недоліків вищезгаданої системи треба віднести те, що в корпусі встановлено термодатчик, який погіршує швидкодію системи, тобто збільшує час виходу на робочий режим ППЕ. Крім того, при такому регулюванні відбувається часте включення клапана, тому що електронний регулятор миттєво реагує на зміну температури шару корпусу ППЕ і тому рідкий кріоагент не встигає накопичуватись в корпусі ППЕ. При цьому система охолодження працює неекономічне, особливо в пусковому періоді і, як наслідок, зменшується тривалість роботи від балона. Слід особливо відзначити, що в хитких конструкціях ППЕ дуже важко встановити термодатчик, тому що характеристики ОЕП різко погіршуються при збільшенні кількості виводів ППЕ через появу додаткового відхиляючого моменту. В основу винаходу поставлено завдання по створенню економічної системи охолодження ППЕ, яка б дозволила: - скоротити час виходу на режим ППЕ; - збільшити час підтримування робочої температури ППЕ в автономному режимі; - збільшити час, відведений на настроювання ОЕП при роботі з кріоагентом; - підвищити надійність та стабілізувати параметри ОЕП при роботі з кріоагентом. У системі охолодження ППЕ ОЕП були зроблені зміни, які дозволили покращити її характеристики і вирішити поставлені завдання. Для вирішення поставлених завдань у системі охолодження ППЕ оптико-електронного приладу, до складу якого входить джерело живлення кріоагента, яке послідовно з'єднано трубопроводом з електропневмоклапаном (ЕПК) і мікрохолодильником, схема регулювання подачі кріоагента, приймач променистої енергії послідовно з'єднано з перетворювачем струм-напруга, буферним каскадом, схемою фіксації виходу на режим приймача променистої енергії, схемою разової подачі кріоагента, з першим входом схеми запуску, а її вихід підключено до першого входу підсилювача потужності, вихід якого з'єднано з електропневмоклапаном, а вихід буферного каскаду послідовно з'єднано зі схемою фіксації сходу з режиму приймача променистої енергії, схемою формування імпульсу подачі кріоагента, вихід якої з'єднано з другим входом підсилювача потужності. Використання вищезгаданих технічних рішень дозволяє: - використовувати ППЕ (фотодіод) як датчик температури для управління регулювальним електропневмоклапаном системи охолодження і підтримання температури ППЕ; - скоротити час виходу на робочий режим ППЕ за рахунок зменшення маси, яка охолоджується (термодатчик в корпус ППЕ не установлюється); - збільшити час підтримання робочої температури ППЕ в автономному режимі за рахунок зменшення маси, яка охолоджується, та зменшення теплоприпливу з оточуючого середовища; - підвищити економічність системи охолодження ППЕ за рахунок економії кріоагента (газоподібний азот) приблизно у 10 разів; - збільшити час, виділений на настроювання ОЕП при роботі з кріоагентом, за рахунок усунення переохолодження деталей карданова підвісу; - зменшити вартість ОЕП. Сутність винаходу пояснюється кресленням, де наведено блок-схему системи охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу, в якому: 1 - джерело живлення кріоагента; 2 - трубопровід (газовий тракт високого тиску); 3 - електропневмоклапан (ЕПК); 4 - двосекційний мікрохолодильник (MX) або мікрохолодильник рефрижераторного типу; 5 - ППЕ з корпусом накопичувача рідкого кріоагента; 6 - перетворювач струм-напруга; 7 - буферний каскад; 8 - схема фіксації виходу на режим ППЕ; 9 - схема разової подачі кріоагента; 10 - схема запуску; 11 - підсилювач потужності; 12 - схема фіксації сходу з режиму ППЕ; 13 - схема формування імпульсу подачі кріоагента; 14 - основний тракт ОЕП; 15-кнопка "Пуск" системи охолодження. Система охолодження ППЕ ОЕП працює таким чином. При натисканні кнопки "Пуск" схема запуску 10 формує сигнал на відкриття клапана, який у вигляді напруги постійного струму надходить на підсилювач потужності 11, де він підсилюється і подається на обмотку привода ЕПК 3, який відкривається. Із джерела живлення 1 кріоагент по трубопроводам 2 через ЕПК 3 надходить у двосекційний мікрохолодильник 4. У MX 4 кріоагент (азот) високого тиску дроселюється в секціях попереднього охолодження і зрідження. Крім того, в секціях MX 4 відбувається теплообмін між потоками азоту високого і низького тиску. Азот низького тиску рухається по теплообміннику MX 4 в зворотному напрямку після дроселювання. Відбувається рекуперація холоду, яка приводить до зниження температури азоту перед дросельними отворами обох секцій MX 4. Виходячи з трубки секції зрідження MX 4, охолоджений азот у вигляді паро-рідинної суміші надходить в корпус ППЕ 5 для його охолодження та накопичення рідкого азоту у внутрішньому об'ємі корпусу ППЕ 5. При наближенні температури ППЕ 5 до робочої негативна напруга постійного струму на виході перетворювача струм-напруга 6 зменшується, а на виході схеми фіксації виходу на режим 8 ППЕ напруга постійного струму змінює свій знак на протилежний. Незважаючи на це, подача азоту триває ще деякий час, визначений схемою разової подачі кріоагента 9, за який відбувається накопичення рідкої фази кріоагента в корпусі ППЕ 5. Після цього схема разової подачі кріоагента 9 відключається і не впливає на подальшу роботу системи. Слід відзначити, що схема фіксації виходу на режим 8 ППЕ дозволяє враховувати роботу системи охолодження в широкому діапазоні зміни температури оточуючого середовища та зміни параметрів кріоагента (температури, тиску). Схема разової подачі кріоагента 9 призначена для оптимального накопичення рідкого азоту в корпусі ППЕ 5 та усунення переливу рідкого азоту з корпусу ППЕ 5 в початковому періоді роботи системи охолодження. Після закінчення подачі азоту в мікрохолодильник 4 робоча температура ППЕ 5 підтримується за рахунок випаровування рідкої фази азоту в корпусі ППЕ 5. Після випаровування усієї рідини, накопиченої в корпусі ППЕ 5, температура шару ППЕ 5 підвищується і струм ППЕ 5 збільшується, а на виході перетворювача струм-напруга 6 наростає негативна напруга постійного струму, яка через буферний каскад 7 надходить на схему фіксації сходу з режиму 12 ППЕ, яка видає команду на схему формування імпульсу подачі кріоагента 13 сформувати імпульс напруги заданої тривалості, який надходить на другий вхід підсилювача потужності 11, в ньому підсилюється і надходить на обмотку електропневмоклапана 3. При цьому ЕПК 3 відкривається і азот через проточну камеру ЕПК 3 по трубопроводу 2 надходить в мікрохолодильник 4, де він зріджується, охолоджує ППЕ 5 до робочої температури і одночасно накопичується в корпусі ППЕ 5 протягом заданого інтервалу часу. Далі, після випаровування рідкого азоту, накопиченого в корпусі ППЕ 5, процес підтримування робочої температури ППЕ 5 оптико-електронного приладу повторюється. Слід відзначити, що для виключення перешкод, які виникають в основному тракті ОЕП при спрацьовуванні силових кіл системи охолодження, здійснюється електричне розв'язання сигналу регулювання системи охолодження від сигналу в основному тракті ОЕП (інформаційного сигналу ОЕП) за рахунок введення буферного каскаду 7. Використання запропонованої системи охолодження ППЕ оптико-електронного приладу при порівнянні з прототипом (див. а.с. №377591/СССР) дозволяє: - підвищити надійність виробу за рахунок усунення градієнта температур на елементах карданова підвісу, а також за рахунок зменшення кількості проводів, які підводяться до ППЕ; - зменшити вартість ОЕП, збільшивши час виділений на настроювання та зменшення витрат кріоагента; - зберегти конструкцію ОЕП з підвищеними технічними характеристиками без змін; - підвищити характеристики ОЕП, пов'язані з точністю, за рахунок зменшення відхиляючого моменту при хиткому корпусі ППЕ; - покращити умови праці робітників за рахунок зменшення загазованості азотом цехових приміщень. Слід відзначити, що досвід експлуатації з випуску оптико-електронних приладів довів, що запропонована система охолодження дозволила: - збільшити час, виділений на настроювання (приблизно у 20 разів) та забезпечити стабільність параметрів ОЕП під час роботи системи охолодження; - зменшити (приблизно у 10 разів) витрати кріоагента при настроюванні ОЕП; - зменшити кількість спрацьовувань ЕПК ( приблизно у 3-5 разів ) в початковому періоді роботи системи охолодження.