(383) 231-12-12, 218-81-40, 231-02-13
aist@linecross.ru, psoft@ngs.ru

Документов на сайте

Новое на сайте

Дыхательные аппараты
Контроллер систем пожарной автоматики КСПА 9030-01 по ТУ 4371-001-00159093-02
Радиосистема внутриобъектовая охранно-пожарной и адресно-аналоговой пожарной сигнализации Стрелец
Модуль газопорошкового объёмного пожаротушения BiZone
Система планово-предупредительного ремонта оборудования и сетей промышленной энергетики
Типовые нормы времени на программирование задач для эвм

Читаемое

Блоки управления серий ZHU, HU, HU-PIXEL
Системы химического обессоливания серии cd
Барьер искрозащиты Искра - КУВФ.426439.002 - РЭ
Подстанции трансформаторные комплектные наружной установки серии ктпн - 6 (10)/0,4 кв
Система планово-предупредительного ремонта оборудования и сетей промышленной энергетики
Типовые нормы времени на программирование задач для эвм

Результаты разработки ряда модульных мкс сплит-стирлинг для криостатирования фпу 1 и 2 поколений

        М.В. Липин, А.В. Громов ООО «НТК «Криогенная техника», Омск, Россия На протяжении почти 50-и лет наша компания является разработчиком и изготовителем микрокриогенных систем (МКС) Стирлинга и Сплит – Стирлинга с высокими показателями надежности. В основном эти изделия предназначены для криостатирования фотоприемных устройств (ФПУ), используемых в военной и космической технике. В конце прошлого века для криостатирования ФПУ искусственных спутников Земли серий «Ресурс – О», «Изумруд – М», «Метеор – 3» и межпланетного аппарата «Фобос» были разработаны МКС Стирлинга с ресурсом от 2-х до 5-и тысяч часов, позволившие организовать постоянное наблюдение за определенными участками земной поверхности, а также расширить научные представления о развитии Солнечной системы [1, 2]. В рамках Федеральной комплексно – целевой программы развития систем тепловидения и приборов ночного видения нашим предприятием разработаны базовые конструкции 3-х классов микрокриогенных систем Сплит-Стирлинг с линейным приводом, предназначенных для криостатирования многоэлементных фотоприемников (ФП) перспективных модульных тепловизионных приборов (ТВП) наблюдения и прицеливания нового поколения для всех родов войск. ОКР выполнялась по заданию Минобороны России и имела шифр «Оператор-Ф». МКС обеспечивают среднюю наработку на отказ 10000 часов, что является достаточным для обеспечения заданных показателей надежности большинства известных отечественных ФПУ. МКС состоят из газовой криогенной машины (ГКМ), являющейся источником холода, и блока управления (БУ), управляющего работой линейного электропривода машины. Внешний вид разработанных ГКМ показан на рисунке 1.

    

 Доклад на ХIХ Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 23-26 мая 2006 г., Москва. Опубликован в журнале «Прикладная физика» , №2, 2007 г., с. 110-119.

 

Внешний вид

 

 

Рис. 1. ГКМ базовых МКС 1, 2 и 3 классов

 

      ГКМ работает по обратному циклу Стирлинга с использованием постоянного количества криоагента (гелия) и состоит из компрессора и охладителя, соединенных трубопроводом, позволяющим изменять ориентацию охладителя относительно компрессора, снизить вибро- и электромагнитные воздействия от компрессора на ФПУ. Компрессор имеет два линейных электродвигателя (ЛД), каждый из которых состоит из статора с двумя катушками и якоря с двумя рядами постоянных магнитов. Якоря двигателей соединены с поршнями, и осуществляют синхронное оппозитное перемещение в цилиндре, что позволяет полностью уравновесить компрессор. Особенностью конструкции является то, что движение якорей постоянно корректируется блоком управления по сигналам установленных в компрессоре датчиков положения. БУ выполняет следующие функции: - управляет амплитудой перемещения поршней в зависимости от температуры криостатирования и температуры окружающей среды; - центрирует якоря (поршни) компрессора относительно середины статора для обеспечения максимальных перемещений поршней при выходе на режим; - поддерживает заданный уровень суммарного перемещения поршней независимо от среднего давления газа в компрессоре; - выравнивает амплитуду перемещения поршней с целью минимизации уровня вибраций в процессе работы; - компенсирует возмущения (удары, вибрации, линейные ускорения), действующие на корпус работающей ГКМ, для обеспечения безударной работы поршней; - обеспечивает противофазное (оппозитное) движение поршней;

- обеспечивает защиту линейных двигателей от превышения тока. Поддержание температуры криостатирования осуществляется по сигналу датчика температуры, установленного в фотоприемнике. Важнейшие характеристики разработанных МКС (в наиболее жестких условиях эксплуатации) приведены в таблице 1. Характеристики разработанных МКС 1, 2 и 3 классов полностью соответствуют требованиям недавно появившегося государственного стандарта на унифицированные узлы (модули) первого поколения и, в сопоставимых условиях, находятся на уровне современных зарубежных аналогов. МКС обеспечивают работоспособность в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 50°С, подтвердили заданные характеристики надежности, имеют прогрессивные схемные решения, изготавливаются только из отечественных материалов и комплектующих.

    

Технические характеристики МКС 1, 2 и 3 классов

Таблица 1

 

Технические

МодулиМКС

характеристики

1 класс

2 класс

3 класс

Диаметр/ длинаколодцаФП, мм

9/72,5

6/71

6/71

Максимальная тепловая нагрузка от ФП при температуре (80±2)К, Вт

1,3

 

0,6

 

0,4

Приведенная к температуре криостатирования суммарная охлаждаемая масса ФП, г, неболее

10

5

4

Время выхода на рабочий режим, мин, неболее

7

5

6

Потребляемая мощность, Вт, неболее

 

 

 

- впусковом режиме

150

85

55

- врабочем режиме

100

45

30

Питание отсети постоянного тока, В

27-5

27-5

12-2

Температура окружающей среды,

от-50

Средняя наработка на отказ, час

10000

10000

10000

Масса, кг, неболее

5

3

2,3

 

     МКС позволяют криостатировать фоточувствительные элементы (ФЧЭ) фотоприемных устройств различного типа на температурном уровне (80 ±2) К при тепловой нагрузке на МКС от 0,3 до 2,0 Вт. МКС 1 класса предназначены для работы с тепловыми нагрузками от 0,8 до 2,0 Вт, МКС 2 класса – от 0,4 до 0,8 Вт, МКС 3 класса – от 0,3 до 0,5 Вт. Энергопотребление в рабочем режиме при температуре окружающей среды плюс 50оС составляет от 100 до 30 Вт соответственно. Соответствие МКС заданным требованиям подтверждено результатами предварительных и государственных испытаний. В сентябре 2005г. ОКР «Оператор-Ф» принята Государственной комиссией. Разработанные в ОКР «Оператор-Ф» базовые конструкции позволили в короткий срок создать несколько модификаций МКС, учитывающих особенности применения в конкретных образцах военной техники, и присвоить РКД на них литеры «О» и «О1».

     Внешний вид модификации МКС 1 класса МСМГ-5А-1,7/80 КВО.0729.000-02, примененной в тепловизионной аппаратуре вертолетов МИ-24ПН приведен на рисунке 2.

    

 

Рис.2. МКС МСМГ-5А-1,7/80 КВО.0729.000-02

 

Внешний вид модификации МКС 2 класса МСМГ-3А-0,6/80 КВО.0730.000-01, примененной в тепловизионной аппаратуре морской техники, приведен на рисунке 3.

    

    

Рис. 3. МКС МСМГ-3А-0,6/80 КВО.0730.000-01

 

В таблицах 2 и 3 приведены результаты, полученные в процессе приемосдаточных испытаний изготовленных партий опытных образцов МКС МСМГ-5А-1,7/80 КВО.0729.000-02 (1-го класса) и МСМГ-3А-0,6/80 

КВО.0730.000-01 (2-го класса). 

 

Результаты испытаний МКС МСМГ–5А–1,7/80 КВО.0729.000-02

 

Таблица 2

 

 

Наименованиепараметра

 

Время достижения т-ры, мин

Потребляемая мощностьМКС, Вт

 

100 К

80 К

пусковой режим

рабочий режим

Требования по ТЗ

не более 7

-

не более 150

не более 100

Т-раокр. среды

+50

зав. №044354

5?30?

7?07?

145,8

74,3

зав. №044330

5?49?

7?33?

132,3

74,3

зав. №044355

5?33?

7?11?

129,6

70,2

зав. №044356

5?03?

6?25?

148,5

63,4

зав. №054054

4?25?

5?43?

148,2

69,7

зав. №044357

5?08?

6?40?

149,9

67,5

зав. №044358

5?27?

7?17?

147,2

78,3

Средне езначение

5?16?

6?51?

143,1

71,1

Т-раокр. среды

н.к.у.

зав. №044354

5?32?

7?20?

118,8

68,9

зав. №044330

5?13?

6?40?

113,4

52,9

зав. №044355

5?34?

7?07?

118,8

64,2

зав. №044356

4?57?

6?43?

126,9

54,0

зав. №054054

3?31?

4?33?

133,5

58,1

зав. №044357

4?26?

5?38?

135,0

56,7

зав. №044358

4?45?

6?03?

126,9

62,1

Средне езначение

4?51?

6?18?

124,8

59,6

Т-раокр. среды

-50

зав. №044354

3?35?

4?40?

94,5

27,0

зав. №044330

3?40?

5?02?

65,5

26,1

зав. №044355

4?01?

5?25?

64,3

31,3

зав. №044356

2?57?

3?39?

105,3

38,9

зав. №054054

2?09?

2?49?

88,3

22,4

зав. №044357

2?38?

3?33?

93,2

25,4

зав. №044358

3?00?

4?10?

83,7

29,4

Средне езначение

3?09?

4?11?

85,0

28,6

 

   (  ? ) - обозначает ( " )

    

Результаты испытаний МКС МСМГ-3А-0,6/80 КВО.0730.000-01

 

Таблица 3

 

 

Наименованиепараметра

 

Время достижения т-ры, мин

Потребляемая мощность МКС, Вт

 

100 К

80 К

пусковой режим

рабочий режим

Требования по ТЗ

не более 5

-

не более 85

не более 45

Т-раокр. среды

+50

зав.№044309

3’20"

4’00"

78,46

24,81

зав.№044310

3’27"

4’12"

69,91

24,11

зав.№044365

3’33"

4’09"

83,4

26,79

зав.№044516

3’18"

3’54"

70,09

21,57

зав.№044544

3’32"

4’08"

81

29,16

зав.№044574

4’27"

5’26"

49,16

25,64

зав.№054039

4’25"

5’24"

51,58

26,3

Среднее значение

3’43"

4’28"

69.09

25,48

Т-раокр. среды

н.к.у.

зав.№044309

3’03"

3’36"

72,2

20,82

зав.№044310

3’02"

3’39"

63,02

18,72

зав.№044365

3’06"

3’39"

75,54

21,73

зав.№044516

3’01"

3’33"

55,06

18,08

зав.№044544

3’03"

3’32"

76,95

24,03

зав.№044574

3’38"

4’20"

42,8

15,51

зав.№054039

3’48’

4’26"

48,06

20,7

Среднее значение

3’14"

3’51"

61,95

19,94

Т-раокр. среды

-50

зав.№044309

2’40"

3’18"

42,22

14,28

зав.№044310

3’15"

4’12"

34,15

13,31

зав.№044365

2’33"

3’03"

41,59

12,06

зав.№044516

2’35"

3’03"

36,19

8,11

зав.№044544

2’36"

3’05"

38,6

10,8

зав.№044574

3’13"

3’56"

25,09

8,36

зав.№054039

3’10"

3’52"

30,55

9,2

Среднеез начение

2’52"

3’33"

35,49

10,96

 

    (  ? ) - обозначает ( " )

    

     Типовые диаграммы, показывающие изменение потребляемой мощности и температуры криостатирования в начальный период работы МКС 1-го и 2-го классов приведены на рисунках 4 и 5.    

    

 

Рис. 4

 

 

Рис.5

 

     В рамках отдельной ОКР «Модуль-Авиа-МОФ» ООО «НТК «Криогенная техника» разработана МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000 для тепловизионных каналов (ТПВК) ..-го поколения, имеющая улучшенные характеристики энергопотребления по сравнению с базовой МКС 2-го класса и предназначенная для работы в более широком диапазоне рабочих температур (от –60°С до +65°С). Внешний вид МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000 приведен на рисунке 6.

    

 

Рис. 6 МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000

 

     Конструкция МКС аналогична базовым, но для обеспечения работоспособности в расширенном диапазоне рабочих температур пришлось ее несколько усложнить: в конструкцию компрессора ГКМ введен экран между статором и якорем ЛД, снижающий загрязнения рабочего газа. Технические характеристики разработанной МКС приведены в таблице 4 (колонка 2).

 

Технические характеристики МКС для ФПУ 2-го поколения

 

 Таблица 4

 

Технические

МодулиМКС

характеристики

МСМГ-5А-1,3/80

МСМГ-3В-1/80

МСМГ-1А-0,3/80

Диаметр/ длина колодца ФП, мм

9/72,5

6/71

-

Максимальная тепловая нагрузка от Ф П при температуре (80-5)К, Вт

1,3

 

0,35

 

0,3

Приведенная к температуре криостатирования суммарная охлаждаемая масса ФП, г, не более

 

10

 

6

 

3,5

Время выхода на рабочий режим, мин, не более

7

8

5

Потребляемая мощность, Вт, не более

 

 

 

- в пусковом режиме

120

60

30

- в рабочем режиме

70

35

12

Питание от сети постоянного тока, В

27-5

27-3

12-2

Температура окружающей среды

От-50

От-60

От-40

Средняя наработка на отказ, час

10000

10000

10000

Масса, кг, не более

5

3

1,5

 

     В настоящее время предварительные испытания МКС завершены, в том числе подтверждены показатели безотказности и долговечности МКС. На рисунке 7 показано изменение основных характеристик МКС: времени выхода на рабочий режим (вых.), потребляемой мощности в пусковом (Nпуск.) и рабочем (Nреж.) режимах при испытаниях по подтверждению назначенного ресурса 6000 часов. Видно, что изменение характеристик МКС за это время невелико, все характеристики по завершению испытаний находятся в пределах требований ТЗ.

 

Изменение времени выхода на режим и потребляемой мощности

 МКС МСМГ-3В-1,0/80 КВО.0733.000 зав. №211360 при испытании на долговечность

 

 

Рис. 7

 

     В таблице 5 приведены результаты, полученные при проведении приемосдаточных испытаний изготовленной партии опытных образцов МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000.

    

Результаты испытаний МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000.

 

Таблица 5

 

 

Наименование параметра

 

Время достижения т-ры, мин

Потребляемая мощность МКС, Вт

 

100 К

80 К

пусковой режим

рабочий режим

Требования по ТЗ

-

не более58

не более60

не более35

Т-раокр. среды

+65

зав. №313490

4?08?

5?15?

58,6

17,8

зав. №211370

4?19?

5?10?

59,4

16,0

зав. №212350

4?33?

5?33?

55,1

15,1

зав. №211360

4?01?

5?01?

59,4

15,4

зав. №044038

4?59?

5?59?

52,8

16,1

зав. №041322

3?58?

4?43?

58,8

14,0

зав. №041315

4?22?

5?28?

59,4

16,2

зав. №041318

4?33?

5?49?

56,7

18,4

Среднее значение

4?23?

5?19?

59,3

16,5

Т-раокр. среды

н.к.у.

зав. №313490

4?16?

3?40?

40,1

10,0

зав. №211370

4?08?

5?00?

39,4

11,3

зав. №212350

3?40?

4?27?

41,3

9,7

зав. №211360

3?17?

3?56?

43,2

9,7

зав. №044038

4?19?

5?08?

49,1

11,1

зав. №041322

3?45?

4?22?

35,6

9,7

зав. №041315

3?49?

4?42?

44,8

10,3

зав. №041318

4?01?

5?12?

41,6

12,2

Среднее значение

3?41?

4?26?

42,9

10,8

Т-раокр. среды

-60

зав. №313490

3?00?

4?05?

32,4

6,8

зав. №211370

2?42?

3?25?

36,8

6,2

зав. №212350

4?09?

5?08?

27,5

6,7

зав. №211360

2?41?

3?22?

34,8

6,5

зав. №044038

3?36?

4?34?

24,4

5,9

зав. №041322

4?14?

5?07?

20,2

8,6

зав. №041315

2?35?

3?22?

44,0

7,3

зав. №041318

2?50?

3?38?

33,0

6,2

Среднеез начение

3?38?

4?31?

28,8

7,2

   

         (  ? ) - обозначает ( " )

    

     Типовая диаграмма, показывающая изменение потребляемой мощности и температуры криостатирования в начальный период работы МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000 приведена на рис. 8.

    

    

Рис.8

 

     РКД на МКС присвоена литера «О», в настоящее время завершаются государственные испытания МКС в составе аппаратуры применения. В течение 2001 – 2005 г.г. ООО «НТК «Криогенная техника» изготовлено и поставлено для использования в НИОКР, выполняемых по заказам Минобороны России, порядка 130 образцов модульных МКС с линейным приводом, разработанных в рамках ОКР «Оператор – Ф» и ОКР «Модуль – Авиа – МОФ» и их модификаций. Изготовление МКС производством освоено, ООО «НТК «Криогенная техника» готово их поставлять в любых необходимых количествах. В настоящее время нашему предприятию Управлением по развитию базовых военных технологий и специальных проектов Минобороны России поручена еще одна работа – мы являемся соисполнителями ОКР «Запорожье – 16М», в рамках которой разрабатывается МКС Сплит - Стирлинга, имеющая минимальные энергопотребление, массу и габариты, соответствующие условиям применения в носимых тепловизионных приборах. Технические требования, предъявляемые к разрабатываемой МКС МСМГ-1А-0,3/80 КВО.0736.000, приведены в табл. 4 (колонка 3). Требование по обеспечению средней наработки на отказ 10000 часов определяет необходимость применения в компрессоре МКС линейных двигателей. Разрабатываемая МКС состоит из ГКМ и БУ. Общий вид ГКМ показан на рисунке 9 в сравнении с ГКМ «Модуль – Авиа».

    

    

Рис.9 ГКМ МКС МСМГ-1А-0,3/80 КВО.0736.000 в сравнении с ГКМ

 «Модуль – Авиа»

 

     Охладитель ГКМ имеет общую с фотоприемником тонкостенную гильзу – держатель, с фланцем для приварки наружного корпуса ФП. Непосредственно на головку гильзы устанавливаются чувствительные элементы ФП (матрица на основе силицида платины). Благодаря такому техническому решению тепловая нагрузка на ГКМ снижается, по сравнению с двустенной конструкцией, на величину 120 – 150 мВт. Внутренние размеры гильзы-держателя в процессе проектирования были ограничены, исходя из необходимости сохранить возможность работы ФП с дроссельными теплообменниками. Компоновка компрессора повторяет уже опробованную в МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000. Объем разработанного компрессора значительно, почти на 40 % меньше, чем у МКС «Модуль-Авиа». Необходимость обеспечения времени выхода МКС на рабочий режим не более 5 минут потребовала обеспечения холодопроизводительности в пусковом режиме около 900 мВт, что не могло не сказаться на размерах двигателей ГКМ. Масса ГКМ составляет 1,15 кг. Одним из основных требований к разрабатываемой МКС было уменьшение объема блока управления в два раза по сравнению с существующей базовой МКС 3-го класса. В процессе проектирования объем БУ удалось уменьшить с 720 см3 (120х100х60 мм) до 300 см3 (120х100х25 мм) за счет применения в блоке управления современной элементной базы иностранного производства, в том числе цифровых процессоров. На рисунке 10 приведена типовая зависимость холодопроизводительности от потребляемой мощности при повышенной рабочей температуре среды для МКС МСМГ-1А-0,3/80, в сравнении с экспериментально полученными данными для МКС МСМГ-3В-1/80 КВО.0733.000 («Модуль-Авиа») и данными для зарубежных охладителей этого класса, известными по литературе [3, 4, 5, 6].

    

    

Рис.10

 

     В инициативном порядке ООО «НТК «Криогенная техника» ведутся работы по совершенствованию конструкции МКС 1-го класса. Разработан и изготавливается в настоящее время новый компрессор ГКМ, эффективность ЛД в котором ожидается на 20 – 25% выше, чем в существующем. По результатам типовых испытаний характеристики МКС 1-го класса предполагается улучшить до значений, указанных в колонке 1 таблицы 4. Обзор ближайших перспектив в разработке МКС с высокой надежностью будет неполным, если не упомянуть, что ООО «НТК «Криогенная техника» продолжается разработка МКС с назначенным ресурсом 25000 часов для космического применения. В настоящее время изготовлены 4 экспериментальных образца МКС МСМГ-17Г-10/80 КВО.0734.000, проводятся их автономные испытания. Для обеспечения ресурса 25000 часов в конструкцию ГКМ введены шариковые опоры поршней и сверхтвердые алмазоподобные покрытия направляющих поршней. Внешний вид МКС приведен на рис. 11. Основные технические характеристики МКС: холодопроизводительность на уровне 80К – 10 Вт, не менее; потребляемая мощность – 400 Вт, не более; назначенный ресурс – 25000 ч; масса МКС 17 кг; определяющие размеры составных частей МКС: компрессор – .88.420 мм, охладители - .60.415 мм, БУ - .140.250 мм.

    

    

Рис. 11 МКС МСМГ-17Г-10/80 КВО.0734.000

 

     В настоящее время основные усилия ООО «НТК «Криогенная техника», в части МКС Сплит-Стирлинга, сосредоточены на улучшении совместимости разработанных МКС с ФПУ 1 и 2 поколений. Предприятие продолжает работы по повышению надежности разработанных конструкций, в результате которых возможно улучшение их показателей безотказности до значения средней наработки на отказ 13000 часов.

    

     Литература

     1. М.В. Липин, В.П.Филиппов, Н.Н. Левшакова. //Создание МКС Стирлинга холодопроизводительностью 3,2 Вт на 80К с ресурсом 5000 часов. //Криогенное и холодильное оборудование и технологии. Сборник научных трудов, МАХ, выпуск №1, АО «Сибкриотехника», Омск, 1997, с. 69-73. 2. Грезин А.К. //ОАО «Сибкриотехника» – 40 лет в криогенике. Реальность и перспективы криогенных технологий. //Криогенное и холодильное оборудование и технологии. Сборник научных трудов, МАХ, юбилейный выпуск, ОАО «Сибкриотехника», Омск, 1999, с.3-14 3. M.Meijers, A.A.J.Benschop and J.C.Mullie “High reliability coolers under development at Signaal-USFA”, SPIE vol. 4130, 2000, pp. 385-393. 4. C.S.Keung and R.Narayan “Compact, dual-piston Stirling cryocoolers for IR imaging systems”, SPIE vol. 2224, 1994, pp. 180-188. 5. S.W.K. Yuan, D.T. Kuo, A.S. Loc and T.D. Lody “Performance and Qualification of BEI’S 600 mW Linear Motor Cooler”, Advances in Cryogenic Engineering Conference 45, NY, 1999, pp. 251-257. 6. D.T. Kuo, A.S. Loc, T.D. Lody and S.W.K. Yuan, “Cryocooler Life Estimation And its Correlation With Experimental Data”, Advances in Cryogenic Engineering Conference 45, NY, 1999, pp. 267-273.

 

Источник:  Сибкриотехника, ОАО