Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор систем дистанционного зондирования Земли. Перспективы развития . 15
1.1 Структура и устройство системы дистанционного зондирования Земли 16
1.2 Оптико-электронная камера в системах дистанционного зондирования Земли 21
1.3 Развитие космических аппаратов дистанционного зондирования Земли 36
1.4 Анализ запусков космических аппаратов 41
1.5 Выводы 43
ГЛАВА 2. Увеличение полосы захвата оптико-электронной камеры 44
2.1 Анализ способов увеличения полосы захвата оптико-электронной камеры 44
2.2 Оценка влияния деформации держателя фотоприборов на функцию передачи модуляции оптико-электронной камеры 47
2.3 Разработка математической модели деформации держателя фотоприборов 51
2.4 Численный анализ величины деформации держателя фотоприборов 56
2.5 Исследование влияния физических и геометрических параметров оптико-электронного преобразователя на величину деформации держателя фотоприборов 60
2.6 Алгоритм проектирования и изготовления держателя фотоприборов 67
2.7 Выводы 69
ГЛАВА 3. Исследование системы охлаждения оптико-электронного преобразователя 70
3.1 Разработка 3D модели традиционного блока оптико-электронного преобразования 72
3.2 Разработка математической модели теплообмена в узлах типового оптико-электронного преобразователя 74
3.3 Исследование системы охлаждения с использованием системы автоматического проектирования Creo Parametric 85
3.4 Выводы 89
ГЛАВА 4. Модернизация системы охлаждения оптико-электронного преобразователя 90
4.1 Обзор способов охлаждения радиоэлектронной аппаратуры 90
4.2 Выбор способа охлаждения перспективного оптико-электронного преобразователя 100
4.3 Разработка конструкции системы охлаждения с использованием тепловых труб 102
4.4 Выбор оптимального количества тепловых труб для системы охлаждения 104
4.5 Анализ традиционной системы охлаждения оптико-электронного преобразователя с гидротрактом 110
4.6 Сравнительный анализ традиционной системы охлаждения с системой охлаждения на основе тепловых труб 115
4.7 Экспериментальная проверка работы системы охлаждения на основе тепловых труб 116
4.8 Алгоритм проектирования системы охлаждения оптико-электронного преобразователя 118
4.9 Выводы 119
Основные результаты и выводы 120
Список литературы
- Развитие космических аппаратов дистанционного зондирования Земли
- Оценка влияния деформации держателя фотоприборов на функцию передачи модуляции оптико-электронной камеры
- Исследование системы охлаждения с использованием системы автоматического проектирования Creo Parametric
- Выбор оптимального количества тепловых труб для системы охлаждения
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в научно-технической деятельности человека отмечается возросший интерес к высококачественной гео-информации. Такая информация может быть получена с помощью более совершенных спутниковых систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в состав которых входят устройства и узлы различного функционального назначения. Поэтому совершенствование систем ДЗЗ неразрывно связано с научно-техническими достижениями в различных направлениях. В области космического телескопостроения увеличивается апертура проектируемых образцов, улучшается их термостабилизация, применяются новейшие способы автоматической юстировки и фокусировки. С целью улучшения обработки и сжатия информации с минимальными потерями при её передаче проводятся исследования в области программного обеспечения. Уточняются и усложняются математические модели сигналов в оптико-электронных системах для учёта факторов, влияющих на качество получаемой информации. Исследуются методы разработки космических аппаратов (КА) для повышения их стабилизации и манёвренности, обеспечивая качество и оперативность информации. Проектируются экспериментальные оптико-электронные камеры (ОЭК), оптико-электронные преобразователи (ОЭП) в их составе и внедряются новейшие технологии для изготовления составных частей аппаратуры.
Одновременно с этим наблюдается динамичное развитие малых космических аппаратов (МКА). Этому способствует более низкая цена разработки и вывода их на орбиту, что обеспечивает быстрый рост популярности МКА. Это обстоятельство накладывает серьёзные массогабаритные и энергетические ограничения на перспективные разработки в этом направлении.
Анализ конструктивных и технических решений отечественных и зарубежных ОЭП, показывает, что прецизионное базирование и термостатирование фотоприборов в конструкции ОЭП влияет на качество получаемых изображений и является важным условием для функционирования систем ДЗЗ. Следует отметить, что традиционная (жидкостная) система охлаждения отечественного ОЭП не может быть использована в МКА, так как она предназначена для жидкостной системы обеспечения теплового режима (СОТР) больших КА (БКА) (реже для средних КА (СКА)), которая имеет неприемлемые для МКА массогабаритные параметры.
Успешное решение задачи стабилизации положения фотоприборов ОЭП обеспечит расчётные характеристики системы ДЗЗ и высокое метрологическое качество получаемых изображений, а компактная система охлаждения без жидкостного теплоносителя позволит использовать ОЭП в различных типах КА (МКА, СКА, БКА), что определяет актуальность этого направления.
Цель и задачи диссертационной работы
Цель диссертационной работы: исследование и совершенствование эксплуатационных характеристик и системы охлаждения ОЭП для перспективных КА ДЗЗ.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
определить современные тенденции развития КА для систем ДЗЗ и ОЭП на его борту;
определить способы модернизации эксплуатационных характеристик ОЭП и критерий унификации системы охлаждения ОЭП;
разработать модель для оптимизации эксплуатационных характеристик ОЭП;
разработать конструкцию ОЭП с унифицированной системой охлаждения;
провести моделирование и исследование работы системы охлаждения ОЭП;
предложить алгоритмы проектирования ОЭП и его системы охлаждения, включающие в себя результаты модернизации эксплуатационных характеристик и унификации.
Научная новизна работы
-
Предложено учитывать в функции передачи модуляции (ФПМ) системы фокусировки ОЭК деформацию держателя фотоприборов ОЭП, что позволило повысить точность определения результирующей ФПМ ОЭК.
-
Разработана модель напряжённо-деформированного состояния держателя фотоприборов на базе методов механики твёрдого тела, которая позволила установить рациональное соотношение параметров держателя и повысить стабильность положения фотоприборов в процессе работы ОЭП.
-
Разработана унифицированная система охлаждения ОЭП с применением аксиальных тепловых труб, которая позволила использовать ОЭК не только на борту СКА и БКА, но и на МКА.
Практическая значимость работы
-
Разработана конструкция и комплект документации ОЭП с увеличенной фоточувствительной поверхностью, которая способна обеспечить полосу захвата ОЭК около 68км для КА класса «Ресурс -П».
-
Разработана конструкция и комплект документации унифицированной системы охлаждения ОЭП, которая способна расширить область применения ОЭК (патент на изобретение №2584722).
-
Разработан и внедрён алгоритм проектирования ОЭП, учитывающий рациональное соотношение параметров держателя фотоприборов.
-
Разработан и внедрён алгоритм проектирования системы охлаждения ОЭП, учитывающий унификацию её конструкции.
-
Разработан макетный образец ОЭП, на котором проведено экспериментальное исследование работы системы охлаждения, и полученные результаты сопоставлены с результатами моделирования.
Реализация результатов работы
Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы:
в производственной деятельности филиала АО «РКЦ» ПРОГРЕСС» - НПП «ОПТЭКС» при выполнении ОКР «Прибор-ОЭК-СППИ» по договору № ОП-471 от 30.07.2010г. и ОКР «Аист-2» по договору № 02.G36.31.001 от 12.02.2013г., что подтверждено актом внедрения;
при выполнении прикладных научных исследований по Соглашению №14.575.21.0069 (уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57514X0069), проводимых в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», что подтверждено актом внедрения.
Методы исследования
В диссертационной работе активно применяется пакет программ Creo Simulate и Ansys, которые позволяют значительно сократить трудоёмкость вычислений температурного поля в ОЭП. Основной принцип решения - метод конечных элементов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Одним из оптимальных способов увеличения полосы захвата ОЭК является увеличение длины фоточувствительной поверхности ОЭП.
-
Для увеличения ФПМ системы фокусировки ОЭК необходимо минимизировать деформацию фоточувствительной поверхности ОЭП.
-
Величина деформации фоточувствительной поверхности ОЭП зависит от температурного режима держателя фото приборов и его геометрических размеров (длина, высота).
-
Применение аксиальных тепловых труб в системе охлаждения обеспечивает рабочий температурный режим ОЭП и позволяет исключить жидкостной тракт из конструкции прибора.
-
Адекватность модели системы охлаждения ОЭП, построенной с помощью метода конечных элементов, подтверждается экспериментальным исследованием.
Достоверность результатов работы подтверждается:
комплексом исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования;
экспериментальной проверкой результатов моделирования;
обсуждениями на научно-технических конференциях и публикациями в периодических рецензируемых научных изданиях;
- экспертизой заявки на изобретение.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
-
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, 2016г.
-
23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2016», МИЭТ, 2016г.
-
Международная научно-практическая конференция «Современный взгляд на будущее науки», Челябинск, 2015г.
-
Second International Conference «Heat Pipes for Space Application» (2HPSA), Москва, 2014г.
-
X Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, 2013 г.
-
Молодёжная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», Звёздный городок, ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина», Москва, 2012г.
-
IX Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, 2012г.
-
19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012», МИЭТ, 2012г.
-
II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», Самара, 2011г.
-
VII Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Москва, 2010г.
-
«Вторая окружная научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов», Москва, Зеленоград, 2010г.
-
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», МИЭТ, 2010г.
Публикации по работе
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 21 печатной работе, в том числе 4 публикации, входящих в список журналов, утверждённый ВАК, и 6 публикаций тезисов и докладов.
Получен патент на изобретение "Многоканальный блок оптико-электронного преобразования" №2584722 от 26.04.16, приоритет от 14.05.14.
Личный вклад
Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из списка используемых сокращений и условных обозначений, введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и двух приложений. Объем работы составляет 128 страниц, включая 77 рисунков, 19 таблиц и библиографию из 102 наименований. Объем приложения 1 составляет 15 страниц, включая 6 рисунков и 4 таблицы. Объем приложения 2 составляет 28 страниц, включая 21 рисунок и 1 таблицу.
Развитие космических аппаратов дистанционного зондирования Земли
В космических телевизионных системах используются линзовые, зеркально-линзовые и полностью зеркальные объективы. Зеркальные объективы обычно применяют в системах высокого разрешения, а также работающих в широком спектральном диапазоне, от ультрафиолетового до дальнего ИК. Линзовые объективы, по сравнению с зеркальными, позволяют получать большие поля наблюдения, недоступные зеркальным системам, но при этом имеют значительно большую массу. Зеркально-линзовые объективы – компромиссный вариант. В системах, работающих только в ИК диапазоне, часто применяются линзовые объективы на основе германия и кремния, которые прозрачны в ИК диапазоне. 2. Оптико-электронный преобразователь, это устройство на основе линеек или матриц ФПЗС (далее фотоприборы, ФП) [14], в котором оптическое излучение преобразуется в аналоговый электрический сигнал, затем этот усиливается, а потом преобразуется в цифровой. Разрядность цифрового сигнала зависит от вида аппаратуры и решаемых задач. В оптико-электронном преобразователе может использоваться несколько фотоприборов, каждый из которых может иметь одно или несколько выходных устройств. Соответственно цифровая обработка и выдача информации из блока будет осуществляться по нескольким каналам одновременно. Количество этих каналов и величина информационного потока определяется конкретными параметрами аппаратуры. В высокопроизводительных системах высокого разрешения информационный поток на выходе оптико-электронного блока может составлять несколько Гбит в секунду.
3. Устройство цифровой обработки видеоинформации – принимает информацию от оптико-электронного преобразователя и (в зависимости от решаемой задачи) осуществляет её цифровую обработку. Для систем космического наблюдения, как правило, основным видом обработки является 2,5 – 8 кратное сжатие видеоинформации. Это связано с требованиями минимального искажения передаваемой видеоинформации. После сжатия видеоинформация в сопровождении служебной информации передаётся в систему накопления информации.
4. Система накопления информации – осуществляет запоминание, долговременное хранение и выдачу цифровой информации от оптико-электронных камер, а также от других устройств, которые могут входить в состав космического аппарата. Система накопления осуществляет многоканальный приём цифровой информации и запись в запоминающее устройство (ЗУ). В зависимости от решаемых, задач ёмкость ЗУ может изменяться в широких пределах. Наибольшая ёмкость ЗУ необходима для оптико-электронной аппаратуры наблюдения высокого разрешения. Типичным значением ёмкости бортовых цифровых накопителей является 100 – 200 Гбит. В последнее время, в связи с ростом информационных потоков, передаваемых по радио каналу на Землю, ёмкость бортовых ЗУ существенно выросла и доходит до 2 Тбит.
В некоторых телевизионных системах наблюдения бортовые ЗУ вообще не используются, а цифровая информация от оптико-электронной аппаратуры поступает напрямую в радиоканал для передачи на наземные приёмные пункты.
5. Передающая радиосистема – обеспечивает формирование "радиокадра" из поступающей от запоминающего устройства цифровой информации и передачу её по радиоканалу. При "подготовке" к передаче информации она подвергается помехоустойчивому кодированию, из-за чего объём информации увеличивается на 20 - 30%. Максимальные пропускные способности радиоканалов, используемых в космических системах наблюдения, составляют 256 – 370 Мбит в секунду. Такие каналы используются для передачи информации высокого и высокодетального разрешения. Обычно же пропускная способность радиоканалов 120 Мбит/с и ниже. Во вновь создаваемых высокодетальных коммерческих системах наблюдения (разрешение около 0,5 м) пропускная способность радиоканалов будет составлять 600 - 700 Мбит/с.
6. Система управления – обеспечивает управление всеми бортовыми системами, задействованными при работе съёмочной аппаратуры. Она принимает полётное задание, поступающее из центра управления по специальному радиоканалу. Контролирует исправность отдельных систем и устройств, управляет резервами аппаратуры, задаёт конкретную конфигурацию системы с учётом исправных и неисправных зарезервированных устройств, осуществляет сбор и анализ информации оперативного контроля устройств и формирует воздействия для парирования отказов. С учётом показаний бортовой шкалы времени разворачивает циклограммы работы отдельных приборов и формирует им конкретные задания на режимы работы с учётом конкретных изменяемых параметров управления режимами.
Комплекс бортовой аппаратуры системы наблюдения кроме внутреннего взаимодействия, направленного на решение целевой задачи – съёмки поверхности Земли, должен взаимодействовать и с другими системами КА: - с системой электроснабжения; - с бортовым вычислительным комплексом; - с командно-информационной системой; - с системой телеметрических измерений; - с передающей радиосистемой. С системы электроснабжения КА поступает напряжение питания на аппаратуру радионавигации, систему накопления информации, систему управления, аппаратуру астронавигации, систему приёма и преобразования информации, систему накопления информации и передающую радиосистему. Телеметрическая информация и информация оперативного контроля составных частей оптико-электронной системы наблюдения передаётся в телеметрическую систему КА, а затем на Землю по специальному телеметрическому радиоканалу с невысокой пропускной способностью 1 - 9 Кбит/с.
Все перечисленные системы, тем или иным образом, выполняют основную задачу – съёмка заданных участков, районов Земли с координатной привязкой получаемых изображений к географической системе координат. Следует отметить, что оптическая система и оптико-электронный преобразователь образуют оптико-электронную камеру (ОЭК), которая является основным инструментом, обеспечивающим проведение съёмки.
Оценка влияния деформации держателя фотоприборов на функцию передачи модуляции оптико-электронной камеры
Качество работы ОЭК определяется значением её функции передачи модуляции (ФПМ) – WОЭК во всех пространственных частотах. WОЭК зависит от значений оптических передаточных функций каждого звена, входящих в состав ОЭК [38] и может быть представлена произведением функций всех передаточных звеньев [12]: где: – ФПМ атмосферы; ФПМ вибрации фотоприбора (смаз); ФПМ фотоприбора. ФПМ дифракционного объектива; ФПМ системы фокусировки (СФ); В процессе работы ОЭП требуется высокая стабильность положения фотоприборов [12,38,39]. Для обеспечения требуемой стабильности, к держателю фотоприборов (ДФ), на котором закрепляются фотоприборы, выдвигаются прецизионные требования к конструкции. Однако деформация ДФ, возникающая в процессе эксплуатации блока ОЭП, может привести к изменению положения фотоприборов и вывести их из плоскости наилучшего изображения (ПНИ) или обеспечить неравные условия фотоприборам, установленным на ДФ (рис. 2.2).
При проектировании ОЭП учитываются WСФ, WФП и WОБ. Конструкция и деформация элементов ОЭП оказывают прямое влияние на WСФ, которая определяет требования к расположению фотоприбора. Остальные ФПМ отражают параметры фотоприбора и объектива, оптимизация которых является самостоятельной задачей. Очевидно, что задача оптимизации конструкции ОЭП определяется условиями минимизации значения WСФ, что в свою очередь положительно скажется на WОЭК. Величина значения WСФ может быть определена из следующего выражения [39,40,41,42, 43]: л л где: f – погрешность фокусировки, м; f – фокусное расстояние, м; Dвхзр – диаметр входного зрачка, м; N – пространственная частота, линий/мм.
Под величиной f принято понимать погрешность системы фокусировки (СФ) объектива. Исследования и разработки в этой области показывают, что для длиннофокусных объективов большой апертуры возможно создание СФ с погрешностью контроля расфокусировки не более 20мкм [1]. Причинами возникновения f могут быть не только колебания температуры и давления внутри объёма оптической системы и системы фокусировки, в эту величину входят и ранее не учитываемые конструктивные особенности ОЭП. Дело в том, что при разработке ОЭК необходимо обеспечить совпадение ПНИ объектива и фоточувствительной поверхности ОЭП, а погрешность фокусировки мешает определить фактическое положение ПНИ. В свою очередь, на положение фотоприборов тоже влияет множество факторов, такие как разная высота ФП, погрешность ФП, деформация ДФ и т.д. Стоит отметить, что все погрешности в положении ФП вдоль оптической оси ОЭК, можно расценивать как перемещение фоточувствительной поверхности в ПНИ, а это, в свою очередь, совпадает с физическим смыслом погрешности фокусировки. Это утверждение позволяет учесть погрешность положения ФП в ФПМ СФ. Для этого, выражение для определения погрешности фокусировки запишем в виде суммы: где: fСФ – погрешность СФ; fДФ – погрешность положения фотоприбора в ОЭП вдоль оптической оси ОЭК (деформация, кривизна, изгиб ДФ). "Г 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 1 III20 40 60 80 100 \: Погрешность фокусировки (/) , мкм Рисунок 2.4 - Зависимость функции \УСФ от погрешности фокусировки
Решение уравнения (2.3) представим в виде графика зависимости \УОЭК от /(рис. 2.4), при этом параметры оптической системы ОЭП соответствуют аппаратуре, установленной на Ресурсе-П (таблица 1.9). Анализируя эту зависимость можно прийти к выводу, что для того чтобы WОЭК была не менее 0,8 (требование ТЗ), а именно эта величина характерна для большинства СФ [1,39,40], необходимо численное значение f не более 40 мкм.
Очевидно, что, уменьшение величины расфокусировки f приводит к повышению результирующей ФПМ аппаратуры и, следовательно, к повышению качества получаемых изображений. Для этого необходимо минимизировать составные части f, а именно fСФ – погрешность СФ и fДФ – погрешность положения фотоприбора в ОЭП. В результате оценки влияния ДФ на ФПМ ОЭК, можно определить максимально допустимую деформацию ДФ:
Практическая ценность данного результата относится только Ресурсу-П, для перспективных разработок необходима математическая модель, которая позволит учесть разнообразие конструктивных решений и окружающих условий и повысит результирующий ФПМ ОЭК. 2.3 Разработка математической модели деформации держателя фотоприборов
Величину деформации ДФ (fДФ) можно определить, рассмотрев типовую конструкцию ОЭП, например, для КА. В таких конструкциях фотоприборы блока ОЭП находятся на ДФ, который крепится к основанию (ОС) винтами (рис. 2.5). Материал, из которого изготавливают ДФ, имеет низкий КТЛР. Это необходимо для минимизации “разбежки” фоточувствительных элементов соседних фотоприборов в процессе колебания температур при эксплуатации ОЭП, а также для согласованности по КТЛР подложки фотоприбора и ДФ, на который она устанавливается. Из-за малой теплопроводности размеростабильных сплавов и большого удельного веса геометрию ДФ ограничивают габаритами фотоприборов, в остальном в конструкции блока ОЭП используется более доступный, лёгкий и теплопроводный материал - алюминиевый сплав.
При разных КТЛР соединяемых деталей (ДФ и ОС), могут возникать опасные напряжённо-деформируемые состояния для нормальной работы ОЭК. Чтобы минимизировать величину деформации ДФ необходимо определить параметры, которые влияют на неё.
Составим расчётную схему для моделирования напряжённо-деформированного состояния. Крепление концов ДФ к основанию в ОЭК выполнено в виде податливых винтов и разделок под винты (рис. 2.6 и 2.7), в том числе овальных отверстий для перемещений ДФ относительно основания при температурных деформациях.
Исследование системы охлаждения с использованием системы автоматического проектирования Creo Parametric
Так как поверхность теплосъёма имеет температуру 30С (таблица 2.2), следовательно, максимальная температура поверхности ДФ, расположенного в зоне I, составляет 38,6С, а температура рамы с электроникой, расположенной в зоне II, составляет 48,8С.
Температура зоны II выше температуры в зоне I, следовательно, зона II оказывает тепловое влияние на зону I. Для оценки влияния зоны II на зону I необходимо применить принцип суперпозиции для каждого элемента разбиения. Решение данной задачи затруднительно без использования современных САПР и займёт много времени. В дальнейшем исследование будут проводиться с использованием САПР Creo Parametric 2 [75], а вышеописанные результаты математического моделирования будут использоваться в качестве исходных данных для проверки адекватности проводимых исследованийx
Пакет программы Creo Simulate позволяет получить температурное поле в исследуемых зонах блока ОЭП с учётом взаимного влияния друг на друга. Основной принцип решения – метод конечных элементов [76,77]. В зависимости от шага разбиения, 3D-модель разбивается на трёхмерные элементы (тетраэдр, октаэдр и т.д.). Для каждого элемента составляется уравнение теплового баланса. Программа вычисляет систему алгебраических уравнений и представляет результат в графическом виде (вектора, графики, интерференционная модель и т.д.).
При проведении теплового моделирования с использованием САПР были сделаны следующие допущения для облегчения и ускорения вычислений: - не учитывается шахматное расположение фотоприборов, мощность тепловыделения рассеивается по ДФ; - не учитывается тепловое влияние крышки; - нет естественной конвекции газа в блоке и не учитывается теплоёмкость газа (отсутствует гравитация, блок герметичный); - шаг разбиения сетки в модели – 20 мм, т.к. габаритные размеры блока превышают шаг разбиения более чем в 30 раз, данное значение позволит с высокой точность получить результаты без излишней сложности конечной сетки. Для модели блока ОЭП были получены температурные поля для двух случаев: источник нагрева находится на поверхности ДФ (рис. 3.10), источник находится на поверхности рамы (рис. 3.11).
По результатам моделирования с использованием САПР видно, что максимальная температура в зоне I – 43,7С, а в зоне II – 60,0С. Среднее отклонение результатов моделирования от результатов математического моделирования составляет 18% с учётом всех принятых допущений. Это позволяет сделать вывод, что 3D-модель с принятыми допущениями – адекватна. Рисунок 3.10 – Результат теплового моделирования зоны I
По положительным результатам проверки на адекватность считаем, что последующее исследование будет проводиться только с использованием САПР Creo Parametric.
Максимальная температура в блоке ОЭП составляет 60,4С. Так как рабочий температурный диапазон компонентов электронных ячеек не превышает 85С (максимально допустимая для них температура работы), то рассмотрим подробнее распределение температур на ДФ, на котором располагаются фотоприборы (см. рисунок 3.13). Рисунок 3.13 - Распределение температуры на ДФ
Как видно на рисунке 3.13 максимальная температура на ДФ составляет 46,8С – температура выше допустимой (допустимая температура держателя фотоприборов 45С, рисунок 2.17). Для снижения температуры на ДФ необходимо разработать в конструкции типового блока ОЭП систему охлаждения на границе зоны I и зоны II. 3.4 Выводы 1) Разработана математическая модель теплообмена в узлах типового ОЭП. 2) Подтверждена адекватность результатов математической модели с помощью теплового анализа в САПР Creo Parametric (mechanical) и Ansys. 3) Показана необходимость разработки СО для ОЭП без жидкостного тракта. ГЛАВА 4. Модернизация системы охлаждения оптико-электронного преобразователя Для разработки перспективного ОЭП с системой охлаждения, способной работать на любом типе СОТР КА, необходимо рассмотреть методы (способы) охлаждения микроэлектронной аппаратуры.
По способу теплоотвода системы охлаждения подразделяются на активные и пассивные [78,79,80]. Активный метод охлаждения основан на принудительном охлаждении с использованием вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей. Пассивный метод – на процессах естественной конвекции, теплопроводности, излучении и изменении агрегатного состояния теплоносителя. 1) Активные системы охлаждения а) Конвективное охлаждение с использованием вентиляторов Конвективное охлаждение с использованием вентиляторов не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ЭК по причине низкого коэффициента теплоотдачи газов [81,82,83]. Ресурс работы вентиляторов до 50 тысяч часов. Для увеличения теплоотвода можно использовать один или нескольких методов: - увеличение количества вентиляторов (см. рисунок 4.1); - увеличение скорости вращения крыльчатки вентилятора; - установка вентиляторов большего диаметра; - увеличение количества лопастей, а также изменение их формы; - разработка более эффективной схемы движения воздушных масс; - устранение препятствий на пути отвода воздуха.
Выбор оптимального количества тепловых труб для системы охлаждения
В традиционной конструкция блока ОЭП системой охлаждения является охлаждающий гидротракт, проходящий между тепловыми зонами I и II. В качестве охлаждающей жидкости в космосе используют теплоноситель ЛЗ-ТК-2 и т.д. [96,97,98].
Для оценки эффективности жидкостной системы охлаждения проведём тепловое моделирование с использованием САПР.
Исходные данные для моделирования: - рассеиваемая мощность на держателе фотоприборов ; - рассеиваемая мощность на раме - время непрерывной работы блока не менее 43800 ч. 5 лет; - температура теплоносителя в диапазоне от 0 до плюс 30С; - отсутствует естественный конвективный теплообмен между элементами конструкции (гравитация отсутствует); - охлаждение происходит при граничных условиях 3-го рода (коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от режима движения теплоносителя в канале).
Допущения при моделировании: - не учитывается шахматное расположение фотоприборов; - температура теплоносителя постоянна – 30С; - давление теплоносителя постоянное; - внутренняя поверхность охлаждающего тракта с минимальной шероховатостью; - охлаждение жидкостью задаётся через коэффициент конвективной теплоотдачи. Характеристика жидкостного теплоносителя ЖТ [97]: [ ] – плотность ЖТ; – коэффициент кинематический вязкости ЖТ [ ] – удельная массовая теплоёмкость; [ ] – коэффициент теплопроводности. Методика расчёта режима движения ЖТ в канале [99]: Число Рейнольдса: (4.1) где: – скорость потока теплоносителя, [м/с]; – расход ЖТ; – площадь сечения канала; – эквивалентный диаметр канала, [м]; – смоченный периметр канала, [м]; – радиус канала; – коэффициент кинематической вязкости [м2/с]; Определяем скорость потока: Подставим полученные значения в формулу (4.1) и получим число Рейнольдса: 112 Так как , следовательно, в канале – переходный от ламинарного к турбулентному режиму течения ЖТ.
Средний коэффициент конвективной теплоотдачи для переходного режима течения ЖТ рассчитывается по формуле: (4.2) где: – число Нуссельта для данного режима. Число Нуссельта для переходного режима рассчитывается по формуле: (4.3) где: – число Прандтля; – комплексный коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса [97]; – поправочный коэффициент, учитывающий изменение физических свойств среды в зависимости от температуры; т.к. – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на теплоотдачу процесса гидродинамической стабилизации потока на начальном участке теплообмена; [ ] – коэффициент динамический вязкости. Число Прандтля: Число Нуссельта по формуле (4.3): 113 Подставим полученные значения в формулу (4.2) и получим коэффициент конвективной теплоотдачи ЖТ для типового блока ОЭП: [] Для оценки эффективности ЖТ проведём стационарное моделирование в САПР Creo Parametric 2.0. При проведении теплового моделирования были сделаны следующие допущения для облегчения и ускорения вычислений: - не учитывается шахматное расположение фотоприборов, мощность тепловыделения рассеивается по ДФ; - не учитывается тепловое влияние крышки; - нет естественной конвекции газа в блоке и не учитывается теплоёмкость газа (отсутствует гравитация, блок герметичный); - шаг разбиения сетки в модели – 20 мм, т.к. габаритные размеры блока превышают шаг разбиения более чем в 30 раз, данное значение позволит с высокой точность получить результаты без излишней сложности конечной сетки.
Результаты моделирования представлены на рисунках 4.18, 4.19. Максимальная температура на ДФ (зона 1) – 42,4С, не превышает допустимую (45С, рис. 2.17, Глава 2), а в зоне электронных ячеек (зона 2) – 53,4С, следовательно, использование ЖТ с такими характеристиками обеспечит нормальную работу не только фотоприборов, но и блока (ДФ) в целом.
На рисунке 4.20 представлено распределение температуры на ДФ с использованием традиционного метода (ЖСО) и с использованием ТТ. Как было упомянуто ранее (рис. 2.16, Глава 2), температура посадочной поверхности фотоприборов не должна превышать 45С. Как видно из рисунка 4.20, результат с ТТ наиболее близок к границе допустимой температуры, чем с ЖСО. Однако, исходя из требований к разработке перспективного блока ОЭП, массогабаритные показатели ЖСО гораздо выше, чем у ТТ (приложение 2). Это подтверждает возможность использования ТТ в качестве основного элемента теплоотвода в конструкции перспективного ОЭП.
Использование ТТ для теплоотвода обеспечит универсальность конструкции ОЭП и возможность его применения в КА с жидкостной и безжидкостной СОТР, то есть в БКА и МКА. Это позволяет свести к минимуму классификации разрабатываемых ОЭП по способу охлаждения, что является экономически выгодным. Также создаётся задел на предсерийное производство в такой сложной отрасли как космическое приборостроение [100,101,102].
Для экспериментальной проверки работы СО на основе тепловых труб был разработан макет перспективного ОЭП, представленный на рисунке 4.21. Конструкция его СО полностью соответствует конструкции, предложенной в диссертационной работе. Для работы с макетом, автором разработана программа и методика тепловых испытаний, с которой можно ознакомиться в приложении 2.
В соответствии с программой и методикой тепловых испытаний СО ОЭП (приложение 2) проводился полный температурный контроль всех узлов конструкции макета при имитации штатной работы ОЭП. Погрешность измерений является инструментальной и составляет ±0,5С для ТМК (медь-константан) термопар. Динамика температуры держателя фотоприборов представлена на рисунке 4.22 (приложение 2).
Макет работал три часа до выхода на режим всех температур, обеспечивая выполнение условий стационарного моделирования. За время работы ДФ нагрелся до 44С. Для визуальной оценки результатов, построен график (рис. 3.35) распределения температур по длине держателя, где одновременно изображены результаты моделирования и эксперимента.