Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
При расширении газа создается холод при неизменной температуре, т. е. можно с левого холодного конца снимать тепловую нагрузку.
69 Рис. 9.6
Холодопроизводительность в таком цикле примерно
V2
= RTe In—,
E V
Затрачиваемая работа
L = R(Tc ? Te)ln
V1
Холодильный коэффициент
п-qo = te _ т,
L T1 ? T ' т- е' как и для обратного цикла Карно.
Осуществить идеальный цикл невозможно, потому что:
- движение поршней осуществляется от кривошипного вала, т. е. не линейное, а гармоническое;
- потери теплоты в среду: не изотермы и адиабаты, а политропы и приводят к работе с большими перепадами температуры;
- нередокуперация холода в регенераторе: если кпд регенератора ?рег = 99 %, то при ожижении воздуха потери составляют 21 %, водорода - 98 % (это - главное).
Фирмой "Филипс" была выпущена машина с вытеснителем. Она отличается тем, что имеет не два одинаковых поршня, совершающих
70 6
7
8
Рис. 9.7
гармоническое возвратно-поступательное движение со сдвигом фаз, а основной " поршень" и " вытеснитель" (рис. 9.7).
Основной поршень 1 приводится в движение от двух шатунов на коленчатом валу; вытеснитель 10 - шатуном, проходящим через основной поршень 1; 9 - "рабочее пространство" между основным поршнем и вытеснителем; 5 - "рабочее пространство" над вытеснителем; в объеме 9 - сжатие газа; в объеме 5 - расширение; 7 - регенератор; 8 - холодильник; 6 - теплообменник - аккумулятор холода; 4 - конденсатор.
Газ из объема сжатия 9 движется через отверстия 3 в холодильник 8, затем в регенератор 7 и теплообменник-аккумулятор холода 6.
71 В примыкающем теплообменнике-конденсаторе происходит конденсация воздуха.
Давление газа над и под вытеснителем почти одинаково, поэтому нет больших перетечек газа из объема расширения, а потери холода из-за этого незначительны (намного меньше, чем в случае двух поршней). Колпак вытеснителя 11 выполняется из теплоизолятора.
Если поместить головку машины в высоковакуумную камеру, то охлаждаемый прибор можно располагать прямо на холодильной головке.
В современных машинах регенераторы располагаются внутри вытеснителя. Частично благодаря этому удается создавать двухкаскад-ные газовые холодильные машины (или газовые криогенные машины (ГКМ), основанные на цикле Стирлинга: "Филипс" - до 16-20 К и "Джиффорд - Мак Магон" - до 10-15 К, отличающийся малой скоростью вращения (1,5-2) об/с против 1400-1500 об/мин у "Филипса", а следовательно, большим моторесурсом.
Итак, рассмотрено два криогенных цикла: цикл однократного дросселирования высокого давления и цикл Стирлинга.
Именно эти циклы лежат в основе криогенных циклов, на основе ко -торых созданы микрокриогенные системы (МКС) для самолетов, зенитных ракет с тепловыми головками самонаведения, крылатых ракет, ракет "воздух - воздух", "космос - космос", "воздух - поверхность", а также ряда КА на разных орбитах. Кроме того, МКС используются на самолетах в системах FLJR.
В дальнейшем МКС на основе дроссельного цикла будем называть дроссельными рефрежеративными системами (ДРС), так как в них может образовываться и испаряться при компенсации теплопри-токов жидкая фаза криоагента, а МКС, основанные на цикле Стирлин-га, - газовыми криогенными машинами (ГКМ). Широкое распространение также получили разомкнутые дроссельные циклы, или баллонные системы, когда азот из баллона высокого давления дросселируется с дренажем в воздух или космос. Это - системы с коротким ресурсов (до 90-100 с), используемые в ракетах с тепловыми головками самонаведения.
ГКМ на основе цикле Стирлинга бывают одноступенчатыми (60-70 К) и двухступенчатыми (15-25 К). Рабочим телом является газообразный
72 гелий. Ресурс (мото) безрегламентной работы ГКМ достигает 10000 ч. Холодопроизводительность - до 2-5 Вт холода.
Недостатки:
- питание 200 В ~ 400 Гц; это удобно на самолетах, но требует статического преобразователя на КА, где от солнечных батарей - 27 В =;
- "некоммуникабельный" холод, образующийся на торце холодильной головки, размещенной в вакуумной камере; очень сложно криоста-тировать некомпактные ГИС.
73 10. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ФПУ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ГОЛОВОК САМОНАВЕДЕНИЯ
Тепловые головки самонаведения с охлаждаемыми одноэлементными фоторезисторами на основе пленок PbS , PbSe, фотодиодов на основе InAs появились в начале 50-х годов.
В настоящее время в качестве чувствительных элементов в приемниках изображения применяются небольшие линейки из PbS, PbSe, Hg-Cd-Te в диапазоне 3-5 мкм или матрицы (линейки обычно - 64 элемента, матрицы - 64- 64 элемента).
Учитывая, что скорость современной зенитной ракеты системы "Patriot" или "C-300" превышает 4000 км/ч, она за короткий промежуток времени может догнать любой самолет, самонаводясь, например, на факелы от его турбореактивных двигателей.
Задача тепловой головки самонаведения - держать изображение цели в центре кадра до столкновения с целью.
Для охлаждения ПИ до ? 80 К в головках используются легкие малогабаритные баллонные дроссельные системы с разомкнутыми циклами. Время действия баллонных дроссельных систем на N2, с начальным давлением (200-400) ати не превышает 1,5-2 мин. Этого вполне достаточно, чтобы навестись и поразить цель.
