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