Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Граничные условия эффективности криогенных методов понижения внутриприборного фона в инфракрасных телескопах космического базирования и наземных имитационно-испытательных комплексах 16
1.1. Анализ известных методов понижения внутриприборного фона в ИК телескопах и их устройства для астрофизических исследований и регистрации ИК источников в пространстве космического неба 17
1.2. Анализ методов понижения внутриприборного фона в известных ИК телескопах космического базирования для дистанционного зондирования Земли 42
1.3. Дестабилизирующие процессы, сопутствующие понижению внутриприборного фона в криооптических ИК оптико-электронных систем 49
1.4. Особенности методов понижения внутриприборного фона в инфракрасных системах известных имитационно-испытательных комплексов 63
1.5. Постановка задач исследований 70
Выводы 71
Глава 2. Термомеханические и релаксационные процессы в оптических системах в переходных и установившихся режимах глубокого охлаждения и отогрева 73
2.1. Особенности термомеханических процессов в криооптике 73
2.2. Термомеханические и релаксационные процессы в криооптических системах 81
2.2.1. Основные концепции построения моделей термомеханических и релаксационных процессов в криооптических системах 82
2.2.2. Исследование напряжений и перемещений в механически и термически нагруженных элементах криооптики 92
2.3. Отработка метода и экспериментальных средств исследования релаксационных процессов в криооптических системах с использованием сдвиговой интерферометрии 97
2.4. Термомеханические колебания приемного зеркала криообъектява, обусловленные взаимодействием с набегающим потоком частиц разреженной атмосферы ПО
2.5. Проблемы оптимизации точностных и термических характеристик криооптических оптико-электронных систем на основе разнородных материалов в конструкции объективов 116
Выводы 118
Глава 3. Пороговые характеристики кинетических процессов в криооптических оптико-электронных системах 120
3.1. Разработка требований к методам и аппаратуре для исследований свойств оптических поверхностей со слоями конденсатов с учетом анализа известных в этой области работ 123
3.2. Методы, средства и результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей физических свойств криоконденсатов газов и системы «конденсат-зеркало» 125
3.3. Теоретическое и экспериментальное определение распределения плотности молекулярных потоков в бленде глубокоохлаждаемого телескопа 147
3.4. Модель условий сохраняемости качества оптической поверхности в процессе конденсации на ней частиц остаточной атмосферы 154
3.5, Метод и средства исследования температурной зависимости индикатрис рассеяния (двунаправленного отражения) поверхности с криоконденсатом из частиц окружающей атмосферы 161
3.6. Методы эффективного сдерживания криозагрязнений оптики и восстановление ее первичных оптических констант 169
Выводы 173
Глава 4. Принципы построения низкофоновых ИК телескопов космического базирования на основе моделирования криооптических систем с кондуктивно-радиационным и конвективным теплоотводом 175
4.1. Результаты исследований схемотехнических решений и энергоресурсных параметров глубокоохлаждаемых ИК телескопов кратковременного и длительного орбитального базирования 178
4.1.1. Методы проектирования низкотемпературных фокальных узлов телескопов на основе сублимационных охладителей с фильтровым и внеапертурным ограничением фона 178
4.1.2. Методы выравнивания температурного поля в оптике криотелескопов 182
4.1.3. Математическое моделирование переходных и установившихся тепловых режимов глубокоохлаждаемых телескопов с кондуктивными и конвективными средствами теплоотвода 191
4.1.4. Криотелескоп ИКОН: оптимизация фоновых (температурных) и энергетических характеристик 198
4.1.5. Криообъектив «Асфар-22» в составе радиационно-охлаждаемого телескопа ГРОТ 218
4.1.6. Методы разработки оптико-электронных систем телескопов с теплоинерпионным криостатированием 219
4.1.7. Методы снижения энергоемкости системы глубокого охлаждения криотелескопов низкоорбитального базирования 233
4.2. Результаты моделирования сохраняемости качества криооптических систем и их элементов в переходных и послепереходных режимах охлаждения и в условиях переменных по знаку тепловых нагрузок 244
4.2.1. Устойчивость плоскости наилучшего изображения в криотелескопе на основе однородного теплопроводного материала 244
4.2.2. Устойчивость плоскости наилучшего изображения криотелескопа, выполненного на основе разнородных материалов 247
4.3. Сохраняемость качества изображения криооптической системы телескопов для дистанционного зондирования Земли в условиях конденсации частиц собственной внешней атмосферы 256
Выводы 257
Глава 5. Низкофоновые методы и средства имитации у слабых тепловых сигналов в испытательных комплексах для контроля параметров криооптических оптико-электронных систем ИК телескопов и их функциональных блоков 260
5.1. Физические особенности методов имитации и выделения слабых потоков ИК излучения в наземных условиях 260
5.1.1. Методы выявления несоответствия радиационной и термодинамической температур при имитации теплового фона 264
5.1.2. Способы повышения метрологической точности измерений имитируемых слабых потоков ИК излучения 268
5.1.3. Выбор и оптимизация светоэнергетических характеристик криооптических ИК радиометров на основе компараторных схем 272
5.2. Методы и глубокоохлаждаемая аппаратура для исследований физических свойств материалов, необходимых при обосновании решений построения низкофоновых оптико-электронных систем и имитационно испытательных комплексов 284
5.2.1. Универсальный источник слабых ИК сигналов на основе криомонохроматора 285
5.2.2. Высокочувствительный низкофоновый ИК радиометр на основе компараторной схемы контроля облученности входного зрачка глубокоохлаждаемых оптико-электронных систем 294
5.2.3. Метод и средства спектральной диагностики слабых потоков ИК излучения в интервале спектра 2-40 мкм 298
5.2.4. Методы и аппаратура для исследований низкотемпературной зависимости оптических свойств поверхностей и сред я теплофизических характеристик материалов для криооптических систем 304
5.2.4.1. Метод и аппаратура для обеспечения адиабатического состояния исследуемых образцов в области криогенных температур в вакууме 305
5.2.4.2. Высокочувствительные методы и аппаратура для исследования коэффициентов излучения низкотемпературных поверхностей и тел 313
5.2.5. Высокочувствительная аппаратура для контроля тепловых параметров отдельных узлов низкофоновых криооптических оптико-электронных систем 328
5.3. Принципы построения новых имитшщонно-испытательных средств контроля радиометрических, спектральных и пространственных характеристик глубокоохлаждаемых оптико-электронных систем 331
Выводы 359
Заключение 360
Литература
- Анализ методов понижения внутриприборного фона в известных ИК телескопах космического базирования для дистанционного зондирования Земли
- Основные концепции построения моделей термомеханических и релаксационных процессов в криооптических системах
- Методы, средства и результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей физических свойств криоконденсатов газов и системы «конденсат-зеркало»
- Математическое моделирование переходных и установившихся тепловых режимов глубокоохлаждаемых телескопов с кондуктивными и конвективными средствами теплоотвода
Введение к работе
Интенсивное развитие новых информационных методов и средств в последние десятилетия становится наиболее важным направлением в установлении связей человеческого сообщества внутри себя и связей с окружающим миром. Разработка этих методов и средств, в том числе и инфракрасных (ИК), находится в тесной зависимости от степени использования современных результатов научных исследований и технологических достижений. Инфракрасная область спектра излучения после открытия в 1800 г. У. Гершелем ИК лучей оказалась в XX веке весьма информативной в различных направлениях исследований, а во второй половине XX столетия — широко используемой при решении ряда научных и практических проблем, перечень которых достаточно велик и для краткости перечисления его проще отнести к сферам деятельности человека таких, как медицина, метрология, астрономия и астрофизика, геология и геофизика, военная техника и др.
Высокотехнологичные компоненты инфракрасных оптико-электронных систем постоянно претерпевают развитие в направлении увеличения разрешающей способности при регистрации пространственных объектов и чувствительности к слабым потокам ИК излучения. В последнем случае кардинальную роль играют методы понижения уровня фоновой облученности фоточувствительных элементов. В широкоспектральных ИК оптико-электронных системах (ОЭС) наиболее действенной мерой понижения уровня фоновой облученности фоточувствительных элементов (ФЧЭ) является глубокое охлаждение оптики и всех конструктивных узлов, расположенных в поле зрения фотоприемных устройств (ФПУ). Благодаря этому уменьшается фотонный шум в ФЧЭ, возрастает их темновое сопротивление и отношение сигнал/шум. Чувствительность ОЭС космических телескопов при этом может увеличиться до 3-^4 порядков величины по сравнению с неохлаждаемой аппаратурой аналогичного класса. Именно ИК телескопы с глубокоохлаждаемой оптикой, или криотелескопы, за пределами атмосферы при сравнительно небольших зрачках намного превосходят по чувствительности наземные телескопы с самыми большими диаметрами зеркал при температуре, близкой к нормальной для земных условий.
Практическая реализация ОЭС на основе криооптики оказалась зарубежом более активной: несколько успешных запусков орбитальных криотелескопов, выполненных после многолетней подготовки к пуску каждого из них, например, таких, как IRAS (США-Голландия, 1989г.), COBE-DIRBE (США, 1983г.), ISO (Европейское космическое агентство - ЕКА, 1995г.), IRTS (Япония, 1996г.), SIRTF (США, 2003 г.) с
оптическими схемами Кассегрена на гелиевом охлаждении расширили для землян область информации о «населенности» космического пространства небесными телами и открыли возможность выделения очень слабых тепловых сигналов во всем ИК диапазоне спектра. Это явилось важным для практического использования, в том числе при регистрации малых тел космического мусора, своевременного обнаружения и патрулирования астероидов на опасных для Земли траекториях и отслеживания баллистических объектов.
После 1974 года рядом отечественных предприятий таких, как Институт космических исследований АН СССР, Главная астрономическая обсерватория им. П.К.Штернберга, Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова, НПО «Криогенмаш» и др., рассматривалась возможность создания глубокоохлаждаемого космического ИК телескопа «Аэлита» с диаметром приемного зеркала 1000мм. Работа по подготовке к созданию низкофоновой ИК аппаратуры на основе криооптики не была приостановлена и после того, как проект телескопа «(Аэлита» был отложен на неопределенный срок. Интерес к ней и потребность в этой аппаратуре даже после появления значительного объема данных от экспериментов США не только не уменьшились, но еще больше возросли. Так в начале интенсивного развития приборостроительного комплекса в ГОИ им.С.И.Вавилова (после 1970г.), возглавляемого членом-корреспондентом АН СССР Мнропшиковым М.М., появились новые системные предложения В.И.Останина н В.Ф.Захаренкова (у каждого в разных областях спектра) по повышению обнаружительной способности ОЭС путем радикального понижения внутриприборного фона на основе охлаждения оптики. В развитии этих предложений было создано научное направление (руководители - доктор технических наук Б.А.Ермаков, кандидат технических наук Г.С.Горянкин), работы в котором поддерживались постановлениями правительства страны.
Внимание было переведено на высокочувствительные до 10"18 Вт при фоновом
потоке сек в области спектра (2-т-25)мкм глубокоохлаждаемые ОЭС с
меньшими габаритами. Востребованность в них была вызвана, в том числе, появлением задач многоцелевого мониторинга околоземного космического пространства.
При технической разработке этой, уникальной по чувствительности, аппаратуры в каждом случае необходимо учитывать, кроме всего, условия ее функционирования, т.к. сохраняемость качества изображения и чувствительность во времени здесь сильно зависят от иммунитета к факторам внешнего влияния. К основным из них относятся переменные по знаку тепловые нагрузки и молекулярно-кинетические процессы в
окружающей ОЭС разреженной среде газов, частицы которой, конденсируясь на рабочих поверхностях оптики, могут привести к деградации ее параметров. Исследования реакции криооптических ОЭС на эти факторы должны определить характер и методы противодействия им. Меры такого противодействия в свою очередь сказываются на устройстве ОЭС, на методах и средствах их наземной отработки и испытаний.
Рассматривая приборостроительный аспект глубокоохлаждаемых ОЭС, следует обратить внимание на то обстоятельство, что требования к дифракционному качеству оптики и высокой чувствительности ФПУ в них относятся к аппаратуре, преодолевшей при выходе на рабочий режим температурный перепад от комнатных (сборка и юстировка системы) до криогенных (рабочих) температур. Поскольку термодеформации в конструкции ОЭС при таких перепадах, исчисляемых порой до 250К и более, являются неизбежными, возникает необходимость э умении их прогнозировать, управлять ими и учитывать при проектировании, сборке и юстировке системы, а также в умении вырабатывать решения по демпфированию колебаний и выравниванию по полю температур оптики, ФПУ (каждого на своем уровне) и ОЭС в целом. Это становится особенно важным, если существует риск возникновения временной неустойчивости тепловых воздействий, приводящих в итоге к динамике низкотемпературных аберраций и нарушению чувствительности ОЭС.
Приборостроительный аспект низкофоновых сверхвысоко-чувствительных ОЭС неотрывно связан и с их калибровкой. Выделение ИК сигнала малой величины и его аттестация могут быть выполнены в имитационно-диагностической аппаратуре лишь при низком собственном внутриприборном фоне и при низкой фоновой облученности входного зрачка испытуемых систем. А это в свою очередь связано с глубоким охлаждением оптики, конструктивных, кинематических узлов тестовых интегральных и спектральных источников излучения, а также тестовых средств радиометрии и спектральной диагностики имитационных средств.
В расчетах фоновой облученности ФПУ принимается условие эквивалентности термодинамической и радиационной температуры полости ИК канала. В действительности же это условие не может быть принято без определенной степени приближения в связи с тем, что радиационная температура канала всегда в той или иной степени может превышать термодинамическую. Этому способствует наличие путей возможного проникновения к ФЧЭ световых потоков от локальных источников
тепловыделений, в том числе из-вне приемного канала, заполнения ИК канала рассеянной или дифрагированной частью излучения от полезного сигнала и др.
Отсюда следует, что криогенные методы уменьшения внутриприборного фона ОЭС и тестовых ИК средств являются решающими, но до конца не исчерпывающими. Сведение до удовлетворительного минимума различия между уровнями термодинамической и радиационной температур будет способствовать достижению требуемой чувствительности ОЭС.
Очевидно, что радикальное повышение чувствительности в криооптических ОЭС не может не отразиться на энергопотреблении, массе, габаритах и ресурсе этой аппаратуры. В оптимизации этих параметров сделано еще далеко не все из-за ограниченности элементной базы, в том числе методов и средств теплоотвода от узлов ОЭС, которые создавали бы пренебрежимо малые термоаберрационные явления в установившемся режиме охлаждения (на уровне рабочих температур). Это же относится и к дорогостоящим низкофоновым имитационно-измерительным средствам (ИИС), где развитие элементной базы путем совершенствования методов тестирования криооптических ОЭС позволило бы резко снизить капитальную и эксплуатационную стоимость ИИС при одновременном расширении их> функциональных возможностей.
Исследование деструктивных термомеханических и молекулярно-кинетических процессов, сопутствующих работе криооптических ОЭС и приводящих к деградации качества оптического изображения, повышению фоновой облученности ФПУ и потере им чувствительности, исследование и разработка методов выделения и диагностики слабых сигналов теплового излучения в ИИС, исследование методов и разработка средств минимизации разрыва между значениями термодинамической и радиационной температуры в каналах низкофоновых ИК приборов, системный анализ и синтез устройства и условий функционирования низкофоновых ИК ОЭС различного применения на орбите и многофункциональных низкофоновых ИИС, направленные на достижение предельно возможной чувствительности аппаратуры - обуславливают важность и актуальность этой работы.
Цели и задачи работы. Первая цель состояла в разработке методов и средств обеспечения дифракционного качества изображения оптики при криогенных температурах и фоновых условий в криотелескопах для реализации требуемого порога чувствительности их фотоприемных устройств.
Вторая цель - разработка оптимальных схемотехнических решений глубокоохлаждаемых (низкофоновых) ИК телескопов с учетом этих методов и низкофонового испытательного оборудования, которые привели бы к повышению энергоресурсной эффективности этих устройств.
Исходя из изложенных выше целей вытекают следующие задачи:
анализ и разработка методов формирования условий сохраняемости характеристик глубокоохлаждаемой оптики в переходных, переменных по знаку и установившихся температурных режимах ее работы,
анализ условий неэквивалентности радиационной и термодинамической температур фона в поле зрения ФПУ и разработка методов их максимального сближения,
разработка методов и проведение исследований термомеханических процессов, определяющих терморастраиваемость криооптических систем в переходных и установившихся режимах охлаждения и нагрева,
разработка методов сохраняемости качества изображения криооптических систем в низкофоновых ОЭС в условиях конденсации на рабочих поверхностях оптики остаточных газов из окружающей атмосферы,
разработка методов и проведение экспериментальных исследований степени ослабления низкотемпературной блендой молекулярного потока, набегающего на приемное зеркало криотелескопа,
исследования сохраняемости качества изображения криооптических систем в режимах охлаждения и разработка методов обеспечения этого качества на уровне рабочих температур,
моделирование и разработка схемотехнических решений глубокоохлаждаемых ИК телескопов кратковременного и длительного орбитального базирования в интересах повышения их энергоресурсной эффективности,
разработка схемотехнических решений экономичных многофункциональных низкофоновых иммитационпо-испытательных комплексов для контроля выходных параметров криооптических оптико-электронных систем телескопов.
Научная новизна. К новым научным результатам исследований следует отнести следующее:
Разработаны принципы построения и физические модели криотелескопов на
основе различных методов глубокого охлаждения. Установлено, что при
малоградиентяом (по температуре) теплоотводе в процессе захолажнвания объективов, использовании термоциклированных металлооптических элементов термодеформации в криообъективах сохраняют догистерезисный характер.
Предложены для криотелескопов энергосберегающие методы понижения уровня внутриприборного фона, основанные на использовании дифференцированных по температуре оптических схем.
Получены экспериментальные данные о температурных зависимостях ряда физических, в том числе оптических, свойств криоконденсатов и системы «криоконденсат-зеркало» в области температур 6Ч40К для интервала спектра 0,63^-29 мкм. Эти данные необходимы в аналитических расчетах.
Разработана теория взаимосвязи кинетики частиц остаточных газов собственной внешней атмосферы космического аппарата со стабильностью направленной отражательной способности приемного зеркала криотелескопа в условиях конденсации на нем этих частиц. Разработана математическая модель условий сохраняемости качества криооптической поверхности при конденсации на ней частиц остаточных газов в вакууме.
При помощи разработанного высокоразрешающего метода лучевого зондирования получено экспериментальное подтверждение корректности метода Монте-Карло при расчете распределения плотностей молекулярных потоков в неохлаждаемых каналах и получены данные об этом распределении в охлаждаемых оптических каналах.
Разработаны экспериментальные методы и созданы устройства для получения физических констант, необходимых при реализации низкофоновых ИК ОЭС и имитационно-испытательных средств, в том числе, для исследований направленной угловой излучательной способности поверхностей с температурой близкой к гелиевой.
Разработаны ііринципьі построения, методология и рекомендации по созданию низкофоновых унифицированных сверхвысоковакуумных многофункциональных имитационно-испытательных комплексов (ИИК) для контроля радиометрических, спектрометрических и пространственных характеристик глубокоохлаждаемых ОЭС ИК телескопов - с меньшими относительно известных аналогов капитальными и эксплуатационными затратами.
Практическая значимость работы. Все выполненные исследования имеют практическое значение для развития технической базы при создании сверхвысокочувствительных инфракрасных криотелескопов космического базирования.
Разработана система расчетно-теоретических мероприятий, технических приемов, технологических и метрологических методов при проектировании глубокоохлаждаемых ОЭС, позволяющих предусмотреть в требованиях к их конструкции решения, обеспечивающие условия для высокой чувствительности и одновременно устойчивость выходных характеристик при воздействии на аппаратуру атмосферных, термомеханических и радиационных факторов в оптическом канале.
Использование предложенных методов теплоотвода от глубокоохлаждаемых ОЭС при одно- и многоуровневом по температуре охлаждении их подсистем, обеспечивают малоградиентные поля напряжений в пусковом режиме и допустимые отклонения температуры оптики от номинальной при переменных по знаку тепловых нагрузках.
Данные о структурных и оптических свойствах криоконденсатов пригодны для использования в аналитической форме для расчета временной устойчивости качества криооптики и надежности ее работы в условиях собственной внешней атмосферы.
Математическая модель условий сохраняемости качества криооптики в условиях конденсации на ее рабочих поверхностях частиц окружающих газов может войти в арсенал средств прогнозирования надежной работоспособности ОЭС.
Предложены энергоэкономичные схемотехнические решения криооптических ОЭС для наблюдения за объектами на фоне космоса н для зондирования Земли, которые могут быть использованы в качестве основы при проектировании аппаратуры для различных народнохозяйственных целей.
Предложены и использованы в конструкторских разработках оптимальные
схемотехнические решения многофункциональных криооптических
имитационно-испытательных комплексов, высокая технико-экономическая
эффективность и метрологические возможности которых могут лечь в основу
унифицированной научно-технической базы контроля и отработки параметров
низкофоновых ОЭС.
Результаты диссертационной работы реализованы в ВНЦ «ГОИ им. СИВавилова», ЦНИИМаш (г. Королев), ЦНИИ «Комета» (г. Москва), НИИ КИ ОЭП (г. Сосновый Бор, Ленингр. Обл.), НПО «Геофизика», НИИ «Пульсар» (г. Москва), ИКИ РАН, АКЦ ФИ РАН (г. Москва), что подтверждается соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязи параметров собственной внешней атмосферы космического аппарата со стабильностью оптических свойств приемного зеркала объектива,
Математическая модель условий сохраняемости качества криооптической поверхности при конденсации на ней частиц окружающей атмосферы и результаты экспериментальных исследований физических, в том числе оптических, свойств конденсатов, полученные в обеспечение работы этой модели.
Метод ослабления охлажденной блендой молекулярного потока из собственной внешней атмосферы космического аппарата к приемному зеркалу криообъектива, как одно из средств защиты оптики от криозагрязнений.
Метод выравнивания температурного поля в криообъективах на основе усредненной теплоотдачи к теплообменнику с бифилярной намоткой.
5. Схемные решения и новые принципы построения имитационно-
испытательных комплексов и их составляющих с использованием модульной
интеграции подсистем, обеспечивающих полноту охвата тестовых программ,
минимизацию капитальных и эксплуатационных затрат и повышения коэффициента
использования тестового оборудования.
Вклад автора в работы. Все исследования и разработки, включенные в диссертацию, выполнены при руководстве и личном участии автора в процессе изучения проблем криооптики и определения методов их решений. Им лично предложены постановка общей задачи научных изысканий, модели исследуемых процессов и объектов. Автор диссертации непосредственно участвовал на всех этапах ее реализации, в постановке и проведении основных расчетных и экспериментальных исследований, в анализе и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции «Современная прикладная оптика и оптические приборы» (Ленинград, 1975 г.), на Ш Всесоюзной научно-технической конференции по
криогенной технике (Балашиха, Моск. обл., 1982г.), на П Всесоюзном семинаре «Тепловые приемники излучения» (Ленинград, 1980, 1983г.г.), на V Всесоюзной конференции «Физика и техника высокого вакуума» (Ленинград, 1985г.), на Международных конференциях «Refractometry and Scatterometry» (Рокосово, Польша, 1993г.) и «Refractometry» (Варшава, 1994г.), на Совещании по физике низких температур (Дубна, 1994г.), на Международной астрономической конференции (Колорадо, США, 1994г.), на П Международной конференции «Малые спутники, миниатюризация, области эффективного применения в XXI столетии» (г. Королев, 2000г.), на Всероссийской астрономической конференции (Санкт-Петербург, 2001 г.), на международном российско-корейском семинаре по технологии оптико-электронных систем телескопов (Санкт-Петербург, 2003г.)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в том числе 11 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основных результатов, заключения, списка использованной литературы, включающего 299 наименований. Основная часть работы изложена на 294 страницах машинописного текста. Кроме того, работа содержит 134 рисунка, 31 таблицу и приложение.
Анализ методов понижения внутриприборного фона в известных ИК телескопах космического базирования для дистанционного зондирования Земли
Криооптические системы телескопов для получения картин Земли в диапазоне спектра (1,5-=-16 мкм) могут охлаждаться до температуры 100К или чуть ниже. Из-за низких орбит спутников (-500 км) большой тепловой поток от Земли часто не позволяет использовать чисто радиационный режим захолаживания оптики, что доступно на высокоорбитальных траекториях, и в этом случае при разработке низкофоновых ОЭС долговременного функционирования прибегают к помощи механокалорических (рефрижераторных) охладителей для фокальных зон оптических систем и ФПУ. В таблице 1.3 [18] в качестве примера представлены охлаждаемые, в том числе (низкофоновые) оптико-электронные системы зондирования Земли из последних разработок ряда космических агентств. Ранние программы исследования атмосферы и лимба Земли предполагали использовать криооптику с температурой, близкой к гелиевой [18], а также для исследования излучения в верхней атмосфере на фоне космоса [31].
Программы Европейского космического агентства (ESA) по наблюдению Земли [18] предусматривают мониторинг атмосферы, океана и суши. Спутники ERS-1 и ERS-2 ESA были запущены, соответственно, в 1992 и 1995 годах. ИК радиометры на ERS-1 и ERS-2 были оснащены охладителями на основе цикла Стирлинга (разработки Оксфордского университета с высоким ресурсом работы) для достижения на узле фокальной плоскости температуры 100К.
Второе поколение спутников Meteosat (MSG-1 - MSG-3) гарантирует непрерывную работу, благодаря новым типам криомашин с 2000 по 2012 год. Два их прибора, приемная система изображения видимого и ИК диапазона и радиометр для определения неравномерности излучения Земли в сторону геостационарного космического объекта (GERB) охлаждаются пассивными радиаторами до - 80К.
Envisat-1 — это большая универсальная программа, посвященная также излучению Земли и ее атмосферы с научными и прикладными целями. Три прибора этого спутника требуют криогенной температуры: МІР AS, AATSR и SCYAMACHY
MPAS - это Фурье-спектрометр в диапазоне 4-И 6 мкм, использующий фотокондуктивные и фотовольтические приемники HgCdTe. Оптика и приемник охлаждаются до 70К парой холодильников с циклом Стирлинга AATSR - это радиометр видимого и РІК диапазонов, чей узел фокальной плоскости охлаждается до 80К другой парой холодильников с циклом Стирлинга. Наконец, SCIAMACHY - это изображающий спектрометр на 0,2 -2,4 мкм, использующий Si и InGaAs приемники пассивного охлаждаемые до температур от 235 до 130К. Организации ESA, Eumetsat, CNES и NOAA кооперируются в разработке MetOp, нового поколения спутников погоды, которые будут нести приборы с криогенными параметрами, подобными Envisat.
В настоящее время в США выполняется несколько программ по созданию и эксплуатации малых спутников, оснащенных ШС ОЭП для ДЗЗ. К их числу можно отнести радиометр МП МТ1, который имеет внеосевую зеркальную оптическую систему с промежуточным изображением типа ТМА (трехзеркальный анастигмат) с диаметром входного зрачка 360 мм и фокусным расстоянием 1Д5м. Оптическая система имеет дифракционное качество изображения при длинах волн более 0,9 мкм. Температура оптики стабилизирована при 275К. В плоскости выходного зрачка, расположенной перед ФПУ, установлена апертурная диафрагма (диафрагма Лно), объединенная с ФПУ в единый глубокоохлаждаемый узел, что обеспечивает 100%-ное экранирование чувствительных элементов от внеапертурного излучения оптической системы. Диафрагма Лио вместе с полевой диафрагмой в плоскости промежуточного изображения обеспечивает также повышенную светозащищенность фокальной плоскости от рассеянного в оптической системе солнечного излучения. В радиометре МП коэффициент внеосевого ослабления солнечного излучения (PST) не превышает Ш ггришеосевыхугаахсолнш і 46 ФПУ состоит из 3 идентичных фотоприемных узлов, каждый из которых имеет 15 параллельных линейчатых фотоприемных матриц со светофильтрами, реализующих 15 спектральных каналов. По мнению американских, специалистов для улучшения предсказаний погоды необходимы космические зонды для измерения профилей температуры и влажности тропосферы с точностью 1К и 10% в слое толщиной 1 км (при ясной погоде или частичной облачности). Комбинация ИК и СВЧ данных используется для повышения эффективности зондирования в условиях значительной облачности (до 80%). Получение профилей температуры и влажности атмосферы с помощью AIRS основано на измерениях яркости слоев атмосферы в полосах поглощения СОг 4,2 мкм и 15,0 мкм и водяного пара в полосе поглощения 6,3 мкм. Широкий спектральный диапазон AIRS (3,7-15,4 мкм) позволяет также определять излучательные свойства облаков, измерять температуру моря и Земли, определять концентрации других важных компонентов атмосферы, например, озона. Благодаря высокому спектральному разрешению прибора и высокой чувсгеителыюсш реализуется требуемое пространственное разрешение по высоте 1 км.
Полностью зеркальная оптическая система AIRS состоит из сканирующего зеркала, телескопа и спектрометрического узла с дифракционной решеткой. Для улучшения пороговой чувствительности: (яркости) прибора спектрометрический узел охлаждается до 155К двухкаскадной радиационной системой охлаждения. Мгновенное поле зрения радиометра AIRS 1,1 , в течение длительности наблюдения одного элемента разрешения (22,4 мс) формируются 2400 спектральных отсчетов. Полный глобальный набор данных предполагается получать 2 раза в сутки.
Для вертикального зондирования атмосферы с борта европейской полярной платформы Метор-1, запуск которой был намечен на 2003 г., во Франции и Италии разрабатывается Фурье-спектрометр с интерферометром Майкельсона [32] предназначенный для измерения высотных профилей температуры и влажности, малых концентраций газовых компонентов (озон, метан, окись азота и др.) измерения излучения поверхности Земли и облаков.
Оптическая схема прибора состоит из теплого (IHOS) и охлаждаемого оптических узлов. Теплый узел, работающий при температуре (300±2)К, включает сканирующее зеркало, входную внеосевую оптическую систему (два конфокальных параболоида), интерферометр и фокусирующее зеркало. К фокальной плоскости теплой оптики примыкает оптический узел, охлаждаемый до 100 К радиационным охладителем.
Узел холодной оптики состоит из полевой линзы, двух спектроделителей и линз, фокусирующих изображение на три ФПУ, работающие в спектральных поддиапазонах 3,4-5 мкм; 5,0-8,26 мкм и 8,26-15,5 мкм. Все линзы охлаждаемого узла выполнены из германия, спектроделители из селенида цинка.
Охлаждаемый оптический узел обеспечивает значительное улучшение пороговой чувствительности прибора благодаря 100%-ному экранированию ФПУ от внеапертурного излучения неохлаждаемой части оптической системы.
Низкофоновые ОЭС для ДЭЗ - сложные многофункциональные устройства, действующие в условиях интенсивной облученности входного зрачка со стороны Земли ее собственным тепловым потоком и отраженным от нее солнечным светом, а также в условиях переменных по знаку тепловых нагрузок на аппаратуру в целом.
Основные концепции построения моделей термомеханических и релаксационных процессов в криооптических системах
Для проверки разгрузочного кольца были проведены расчеты напряжений в конструкции зеркала, возникающих при креплении его к корпусу объектива и вносящих свой вклад в общую деформационную картину криооптического элемента.
Было принято, что величина усилий, возникающих при затяжке одного винта, равна 20 кг. Результаты расчета представлены на рис. 2.5а. Из них следует, что напряжение от затяжки винтами практически не передается на оптическую поверхность зеркала при выбранных размерах канавки. Были проведены расчетные исследования распределения температур на поверхности этого зеркала и возникающих при этом в нем напряжений. В качестве допущения было принято, что температуры зеркала и корпуса в месте их стыковки равны между собой. Изменение температуры корпуса определялось из теплового расчета всего прибора. Результаты расчетов представлены на рис. 2.56 и 2.5в.
Выбор представленных результатов из ряда других объясняется тем, что в зеркале в данный момент времени имеется наибольший градиент температур. Из представленных результатов видно, что наибольший градиент температур и, соответственно, наибольшие напряжения возникают в разгрузочном кольце. Напряжения на оптической поверхности значительно ниже допустимого значения предела упругости сто, для алюминиевого сплава 1201 - материала из которого был изготовлен объектив.
Дальнейшее изучение этого вопроса связано с детальным анализом достижений в области теории термоупругости применительно к области криогенных температур с учетом той реакции на структурные перемещения в твердом теле, которая может быть особенно острой у криооптики.
Правильность прогнозирования перемещений в твердом теле под влиянием термических нагрузок с использованием методов теории упругости в любом случае потребует экспериментального подтверждения. Последнее трудно представить без применения оптических методов измерений, как наиболее близких, прямых и наиболее чувствительных. Для исследования криооптических систем, действующих преимущественно в ИК области спектра, может быть использовано интерферометрирование поверхности с использованием видимой области спектра. Применение более коротковолновых средств измерений может оказаться неоправданным. И, если процесс релаксации качества оптики в видимой области спектра становится незаметным, т.е. интерферограмма приобрела устойчивый характер, то это можно считать достаточным для получения удовлетворительного ответа о временных границах и уровне термонапряжений в оптическом элементе, объективе или оптической системе.
Для построения математической модели и разработки программ для прогнозирования релаксационных процессов в термоупругой криооптической системе необходимо рассмотреть термодинамические и физические методы исследования поведения упругого тела при температурном воздействии в целом, а также определить влияние криогенных температур на данные термомеханический процессы.
Согласно принятому в механике сплошных сред подходу [77,78] упругое тело может быть представлено, как модель с сосредоточенными параметрами. В данной модели тело представляется, как структура, связывающая упругую ЄЕ И релаксационную &г (обусловленную вязкостью вещества) составляющие.
В данном подходе постоянная времени т в (2.5) - время релаксации упругих напряжений.
При охлаждении упругого тела возникают напряжения, обусловленные градиентами температуры [79], а величина деформаций определяется коэффициентом линейного расширения а. Термомеханический процесс охлаждения упругого тела может быть рассмотрен в T-S диаграмме следующим образом (рис. 2.6) в квазиравновесном приближении [80,81] упругое тело охлаждается от температуры Ті до температуры Тг при постоянном поле механических напряжений - сгд (процесс 1-2); - в результате изменения температуры происходит адиабатный процесс 2-3 сжатия. В результате термоупругого эффекта температура тела повышается на величину ЗГ. Условия адиабатности процесса вытекают из того, что изменения напряжений происходят со скоростью звука, определяемой в адиабатных условиях; нагретая область упругого тела изотермически расширяется до напряжения щ (процесс 3-4), отдавая тепловую энергию в соседние области, находящиеся при более низкой температуре. Данный анализ справедлив для элемента объёма упругого тела, соизмеримого с длиной волны расширения-сжатия, распространяющейся в теле [82, 83] в результате изменения температурного поля.
Представленный в T-S диаграмме круговой процесс позволяет определить работу L , которая совершается упругим телом при охлаждении. Данная работа равна площади 1-2-3-4 (рис. 2.6) или согласно [80] работа, совершаемая упругим телом в изотермическом процессе равна:
Методы, средства и результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей физических свойств криоконденсатов газов и системы «конденсат-зеркало»
Опубликованные в зарубежной печати экспериментальные работы по исследованию влияния криоосадков на оптические свойства поверхностей были посвящены в первую очередь СОг и НгО. Предметом исследования являлась спектральная зависимость оптических свойств системы криослой-зеркало, а также влияние на них толщины криослоя. В работе [49] были измерены показатели преломления и конденсатов Ог, 0(. ДляС02:п=1134приТ = 24К;и = 1342приТ = 82К.Для Ог: я = 1,42 приТ = 20К. Было установлено влияние толщины криоосадка на отражательную способность системы [48]. Наблюдаемое увеличение отражательной способности при увеличении толщины слоя объяснялось внутренним рассеянием, а первоначальное изменение отражательной способности - изменением показателя преломления.
Известные экспериментальные исследования оптических и других физических свойств криоконденсатов основывались на методике периодического накопления, затем прерывания процесса конденсации для измерения величин. При этом не было обращено внимание на то, что давление паров резко уменьшалось и структура конденсата претерпевала существенные изменения [129]. Вместе с тем эти измерения показали, что отражательная способность системы СОг - подложка зависит от длины волны, особенно в ближней инфракрасной области спектра.
В работе [130] были проведены измерения оптических свойств криоконденсатов, осажденных из газовой и жидкой фазы. Результаты измерений показали, что оптические характеристики данных конденсатов слабо отличаются Друг от друга. Полосы поглощения для твердой фазы СОг и F O совпадают с полосами поглощения в газах. В работе [131] приводятся оптические характеристики конденсатов - продуктов выхлопа двухкомпонентного топлива от средств доставки телескопа на орбиту при Т=77К. Было установлено, что для N2 О4 показатель преломления равнялся 1,5±0,02 при температуре конденсации 77К. Спектральный анализ N2O4 показал наличие полос поглощения в инфракрасной области при толщине пленки 4,18 мкм. Отражательная способность подложек с конденсатами газов не исследовалась. Проведенные исследования позволили разработчикам криооптических систем, в какой-то мере, прогнозировать работу телескопа во времени, а также установить причину деградации оптических характеристик системы [54].
Дальнейшее направление исследований было сконцентрировано на изучении собственной внешней атмосферы спутников и созданию системы защиты от криоконденсации [132]. На ИК телескопе «SPACE SHUTTLE» было обнаружено, что криоконденсация является серьезной помехой в вопросе сохраняемости параметров системы. Предполагается, что добавочные трудности могут возникать вследствие рекомбинации атомов О, которые после осаждения на поверхности образуют молекулы Ог. Данный процесс сопровождается эрозией оптической поверхности.
Было предложено [59] в качестве защиты использовать встречный продувочный газ Не или Ne, имеющие температуру насыщения ниже, чем у Оз. Расчеты показывают эффективность метода противотока при массовом расходе Не от 4-10 г/с и выше.
Другой метод защиты приемного зеркала - понижение температуры бленды -рассматривался лишь теоретически в работе [132]. В ней представлена расчетная зависимость вероятности попадания молекул на зеркало от средней температуры бленды.
Из этого краткого представления сопутствующего и неизбежного в работе криооптических телескопов фактора вытекает необходимость в его детальном изучений, определении количественных параметров реакции излучения на его присутствие, получении банка данных по этим параметрам, их систематизации и установлении пороговых характеристик кинетических процессов для минимизации их влияния на перенос излучения в криооптических ОЭС.
Измерения температурных зависимостей физических свойств криоконденсатов газов из-за острой реакции излучения на их присутствие на рабочих поверхностях оптики потребовали качественно новый уровень эксперимента, в процессе которого конденсация частиц имела бы непрерывный характер (подобно реальным условиям), обеспечивался бы минимальный по давлению и однородный молекулярный фон в области сверхвысокого вакуума, стабильность потока рабочего газа, температуры подложки, калибровка показаний установки без нарушения процесса конденсации и др. Исследуемые физические параметры должны были в той или иной мере относится к оптическим характеристикам конденсатов и отражательной способности системы конденсат-криоосадок.
Из опубликованных работ видно, что влияние сконденсированных газов на оптические свойства системы «подложка-конденсат» усиливается по мере роста толщины 5 его слоя и уменьшения длины волны Я падающего излучения. Вместе с тем остаются крайне ограниченными или совсем отсутствуют сведения о физических свойствах криоосадков, а именно, о тех свойствах, которые определяли бы степень прозрачности конденсатов при тех или иных условиях их образования на поверхности. Знание, например, температурной зависимости показателя преломления п, плотности криоосадка у, коэффициента отражения р системы криоосадок-поверхностъ, толщины и скорости роста v криоосадка и т.п. является необходимым на современном этапе разработки и эксплуатации криотелескопов и сложных криогенно-вакуумных устройств (КВУ) с криостатируемыми объектами, участвующими в процессе переноса лучистой энергии.
Примером таких КВУ могут служить, в частности, камеры и оптические криостаты, предназначенные для измерение оптических констант материалов, изучения люминесценции в области низких температур; для определения интерференционными методами коэффициентов линейного расширения; для исследования рентгеновскими дифракционными методами фазовых превращений веществ; для охлаждения фильтров, дифракционных решеток и различных элементов в спектрометрах, радиометрах, оптических зондах и других приборах, где рабочее излучение является преимущественно направленным. Появление криоосадка на оптических поверхностях во всех этих случаях может привести к значительным погрешностям измерения из-за вызванных рассеянием или поглощением потерь энергии лучистого потока после его падения на поверхность.
Изменение спектральной отражательной способности конденсирующей поверхности в процессе роста на ней криослоя (или спектральной отражательной способности системы криоосадок-поверхность) можно определять по отношению интенсивностей лучистого потока, отраженного от поверхности с криоосадком (I), и лучистого потока, отряженного от этой же поверхности до начала выпадения на ней криоосадка (10). Для исследования температурной зависимости этого отношения І/Іо Ротн и изучения влияния на нее температуры поверхности Т и давления Р среды необходима специальная установка, позволяющая определять одновременно температурные зависимости значений «, уж v- различных газов.
Математическое моделирование переходных и установившихся тепловых режимов глубокоохлаждаемых телескопов с кондуктивными и конвективными средствами теплоотвода
Формирование поля плотностей молекулярных потоков в вакуумных каналах в настоящее время довольно успешно прогнозируется современными методами математического моделирования (метод Монте-Карло и лр.). Однако в целом ряде случаев признанное совершенство этих методов [161, 162, 163] оказывается недостаточным для получения исчерпывающей количественной оценки распределения плотностей молекулярных потоков (ПМП) в том или ином сечении криовакуумной системы, например, бленды с первичным зеркалом криотелескопа системы. Это является важным условием, например, при глубоком охлаждении объектов с поверхностями, от которых зависит передача или прием лучистой энергии (элементы оптических систем, тепловые радиационные экраны, чувствительные элементы фотоприемников и т. д.) в случае, если температура этих объектов ниже температуры насыщенных паров остаточного газа в вакуумном пространстве. Следовательно, появляется необходимость в экспериментальной проверке расчетных значений ПМП. Известные экспериментальные методы определения распределений ПМП не обладают для этого достаточной точностью и разрешающей способностью. Так, например, методы, основанные на ионизации свободных частиц остаточной среды [163, 164], обладают точностью ±(30... 50) % и разрешающей способностью не менее 10 см2 площади зон локального контроля. Широкое распространение за рубежом для измерения распределений ПМП получило применение кварцевых резонаторов [165], что позволяет получить разрешение в зоне контроля до 0,2 см с точностью до единиц процентов, но исключает контроль ПМП непосредственно в зоне расположения криостатируемого объекта.
Дальнейшее повышение точности и разрешающей способности измерений ПМП, а также определение их непосредственно в любой точке пространства могли бы обеспечить средства, действующие с использованием оптических методов.
К числу последних относится метод, основанный на криоконденсации молекул остаточного газа охлажденной отражающей подложкой с одновременной интерферометрией роста их слоя [166, 167]. При известном показателе преломления пленок конденсированных частиц скорость роста толщины слоя конденсата может быть определена из выражения где S- толщина слоя конденсата на подложке, образовавшегося за промежуток времени At; т - число максимумов или минимумов, зарегистрированных на интерферограмме в процессе лучевого зондирования роста слоя конденсата за период At; А - длина волны монохроматического света, лучом которого зондируется рост слоя на подложке; и— показатель преломления пленки конденсата для рабочей длины волны.
Последний, как известно [154,155], зависит от температуры конденсации частиц остаточного газа, его природы и длины волны света, падающего на поверхность конденсата. Используя метод двухугловой интерферометрии [134, 170], можно определить его непосредственно в процессе измерения ПМП.
И третий, наиболее удобный в техническом и методическом плане -относительный метод определения распределения ПМП по числу интерференционных пиков в данном локальном пространстве бленды. При его использовании мы исходим из следующего.
Плотность молекулярного потока F, а следовательно, давление остаточной среды Р в любой из зон вакуумного объема соответствует среднему числу молекул газа при данной температуре, ударяющихся о единичную площадку или проходящих сквозь сечение единичной площадки за принятый в 1 сек интервал времени. При условии, что коэффициент прилипания частиц газа одинаков по всей поверхности подложки, плотность молекулярного потока F, какой-либо из зон будет пропорциональна скорости роста конденсата S в этой зоне.
Примем одну из зон вакуумного объема, в которой F и Р известны, за базовую или опорную. Тогда относительные значения F и Р остаточной среды в различных зонах при постоянных Л и п определяются из соотношений Значения величин в (3.15) и (3.16) с индексом і относятся, к данным, полученным в зонах вакуумного объема, а с индексом 0 — в опорной зоне.
По отношению f=mJmo не трудно построить профили плотностей молекулярных потоков, а при необходимости скоростей роста и толщин слоев конденсата на подложке, сканирующей вместе с зондирующим лучом по объему. Пример такой схемы показан на рис. 3.16. Она выполнена применительно к цилиндрической вакуумной полости, в которой подложка может перемещаться дискретно как в радиальном направлении, так и по глубине полости. Причем отражающая поверхность ее обращена к набегающему потоку частиц газа и нормальна к зондирующему лучу.
