Оптические методы
УДК 004.056; 061.68
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ УСТРАНЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ОЭС ПУТЕМ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ И ВНЕШНИХ
ФАКТОРОВ ОЭС
Б.Т. Будаи, Б.Т. Породное, И.В. Мякутина, Н.В. Касаткин
В настоящее время становится все более актуальным применение оптико-электронных систем (ОЭС), однако в типовых ОЭС из-за напряженных тепловых режимов в приводах платформы (ПП) ОЭС возникают частые дефекты. Это требует радикального изменения конструкции ПП, хотя некоторые консервативно настроенные разработчики считают, что покраска корпуса ОЭС и обдув приводят к таким параметрам конструкции и внешних факторов, при которых не возникает сложных тепловых проблем. Другие разработчики считают, что напряженные режимы могут возникнуть через несколько часов, в то время как период анализа поверхности обычно порядка часа. Показано, что вышеназванные и другие факторы не приводят к существенному изменению температурных режимов по сравнению со случаем, соответствующим среднестатистическим значениям параметров. В частности, даже зеркальная покраска и мощный обдув корпуса ОЭС могут не влиять на достижение пороговых значений температуры внутри корпуса ОЭС, а также время перегрева измеряется не часами, а десятками минут, что затрудняет исследование анализируемой поверхности Земли. Использование безлюфтовой передачи в ПП при покраске и обдуве может приводить к существенному уменьшению температуры внутри корпуса ОЭС по сравнению с ее пороговыми значениями температуры.
Ключевые слова: оптико-электронная система, дефекты, внешние факторы, перегрев блоков.
В [1] показано, что применение в высокоточных ОЭС традиционных редукторов ПП приводит к высокой температуре внутри корпуса, что может вызвать перегрев блоков ОЭС и возникновение дефектов. Из [2—4] следует, что применение покраски и обдува корпуса ОЭС должно приводить к уменьшению температуры внутри него по сравнению с результатами, полученными в [2]. С другой стороны, неучтенное в [1] смещение ПП относительно центра корпуса ОЭС должно приводить к дополнительному увеличению температуры внутри корпуса [4]. Несмотря на актуальность задач, на сегодняшний день они не решены в аналитическом компактном виде [2—4], что снижает эффективность анализа тепловых режимов ОЭС.
Для оценки температуры внутри корпуса рассмотрим тепловую модель ОЭС (рис. 1). Как отмечалось в [1], для нахождения аналитических компактных решений все блоки внутри ОЭС можно представить в виде квазиоднородных тел, излучающих тепло: информационных блоков (ИБ: телевизионного канала, тепловизионного канала, лазерного дальномера и др.) и ПП, на которой крепятся ИБ. На рис. 1 представлены блоки как нагреватели: ИБ с эквивалентным сопротивлением блоков ^ИБ и напряжением питания иИБ, и ПП с эквивалентным сопротивлением блоков ЯПп и напряжением питания иПП. Квазиоднородные тела характе-ризируются излучаемой мощностью, обусловливающей соответствующее увеличение температуры [3]. До включения ОЭС температура внутри корпуса ОЭС Фвн и вокруг корпуса равна температуре окружающей среды ф0. После включения ОЭС по мере нагревания блоков будет увеличиваться температура не только внутри корпуса ОЭС на величину
Борис Тиборович Будаи, доктор техн. наук, профессор кафедры технической физики ФТИ УрФУ. Тел. 9097020590. E-mail: buda080916@rambler.ru
Борис Трифонович Породнов, доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры технической физики ФТИ УрФУ. Тел. 9221151611. E-mail: pbt@list.ru
Ирина Викторовна Мякутина, аспирант кафедры технической физики ФТИ УрФУ. Тел. (343) 261-70-51.
Николай Владиславович Касаткин, аспирант кафедры технической физики ФТИ Ур-ФУ. Тел. 8-982-627-5300.
ЛФвн = Фвн - но и окружающей среды в небольшой окрестности корпуса ОЭС на величину ЛФк = - Ф0. Источниками тепла в рассматриваемой задаче являются ИБ, приводящие к увеличению температуры внутри ОЭС на величину ЛФвнИБ, и ПП, обеспечивающие увеличение температуры на величину ЛФвнПП. Поэтому увеличение температуры внутри корпуса ОЭС можно представить как
Л£Вн = Л£ВН.ИБ + Л£Вн.пП. (1)
Квазиоднородные тела характеризируются также сдвигом центра теплового излучения относительно центра масс системы [4]. Так как ИБ находятся в центре масс, то их сдвиг равен нулю Л/сдИБ = 0, а условно
Рис. 1. К оценке температуры внутри корпуса ОЭС с учетом сдвига ПП относительно центра корпуса.
представленные на рис. 1 два ПП по углу места сдвинуты относительно центра масс на величину Л/сдПП. Примерно на такую же величину сдвинут относительно центра и ПП по азимуту. Поэтому в дальнейшем условно будем считать, что ПП и по углу места, и по азимуту определены потребляемой мощностью и сдвинуты относительно центра масс на величину Л/сдПП. В дальнейшем обозначим Л/сдПП = Л/сд. Тогда в соответствии с [3, 4] приращение температуры (1) можно представить в виде
вн.ИБ(^ПП, СОЭС, ¿к, + Л$вн.ПП(^ПП, СОЭС, ¿к, Л/сд), (2)
где СОЭС — теплоемкость элементов конструкции ОЭС [6], равная
Соэс = ёк + Сб. (3)
Здесь Ск, Сб — теплоемкости корпуса и блоков ОЭС, равные соответственно:
Ск = тк ' ск; Сб = ^^ тб1 ' С615
I
где тк, ск, т&, — масса и удельная теплоемкость без учета сдвига Л/сд ПП, покраски и обдува корпуса ОЭС.
При анализе влияния этих факторов видно, что они проявляются в виде изменения коэффициента теплоотдачи с поверхности корпуса ОЭС. Поэтому приращение температуры (2) с учетом [1] можно представить в виде
ЛФга(г) - ЛФ
вн.ИБмакс
/ г \ \
1-ехр г
Т нИБ
V /
+ ЛФ
вн.ППмакс
/ г \ \
1-ехр г
Т \ 1 нПП
V /
(5)
где ЛФвнИБмакс, ЛФвнППмакс — максимальные значения приращения температуры внутри корпуса ОЭС, обусловленные ИБ и ПП соответственно; ГнИБ, ГнПП — постоянные времени нагревания, обусловленные нагреванием ИБ и ПП ОЭС соответственно. С учетом [2] величины в (5) равны:
ЛФ
Р
ИБ
вн.ИБмакс
Тн.ИБ - 0,96 •
^ • к
"к тИБэкв
(ЛФ,
, р, ш
У
С
ОЭС
тИБэкв
(ЛФ,
^ • к
^к тИБэкв
(ЛФвн.макс , P, Ш) (6)
р, ш) — (ЛФвн.макс ) кпокр (р) • кобд (ш)
ЛФ
Р
ПП
вн.ППмакс
Тн.ПП - 0,96 •
^ • к
^к тППэкв
(ЛФ ,н. С
.р, V
, Л/сд )'
ОЭС
^ • ктППэкв (ЛФ вн.макс , р, Х>, Л/сд ) (7)
ктППэкв (ЛФвн.макс , р, Х>, Л/сд ) - кт(ЛФвн.макс ) • кпокр (р) • кобд (р) • ксд (Л/сд ),
где кт(ЛФвнмакс) — коэффициент теплоотдачи в предположении, что поверхность корпуса ОЭС шероховатая, нет обдува и смещения источника тепла относительно центра корпуса ОЭС [2], равный
кт(ЛФ,н.макс) - 5,3 • ^ ЛФ„, Вт/(м2 -град). (8)
Здесь кпокр(р), кобдСи), ксд(Л/сд) — коэффициенты, учитывающие изменение теплоотдачи в зависимости от параметра шероховатости р, скорости обдува V, сдвига Л/сд неоднородного тела.
В соответствии с [2] покраска внешних и внутренних поверхностей корпуса ОЭС приводит к уменьшению шероховатости поверхности и обусловливает увеличение коэффициента теплоотдачи, в том числе до максимальных значений кпокрмакс - 1,2, соответствующих зеркальному блеску. В то же время запыление поверхности в процессе эксплуатации в сложных климатических условиях может уменьшать эффективность покраски до некрашеного состояния. Поэтому диапазон значений этого коэффициента равен
1,0 < кпокр < 1,2. (9)
При определении коэффициента увеличения теплоемкости вследствие обдува известно, что чем выше скорость обдува, тем лучше охлажда-
ется поверхность корпуса ОЭС. Однако при этом следует учитывать, что увеличение температуры стенок корпуса определяется не только лобовым сопротивлением, связанным с торможением набегающего на поверхность потока в нормальном направлении, но и степенью торможения газа в пограничном слое за счет вязкостных сил воздуха, зависящих от квадрата числа Маха (отношение скорости обдува к скорости звука) и действующих в тангенциальном к поверхности направлении. Если при скоростях менее 100 м/с это увеличение температуры составляет несколько процентов, то при больших скоростях оно достигает десятков, а на околозвуковых — сотен процентов [6]. Поэтому значительное увеличение скорости обдува поверхности корпуса ОЭС может приводить не только к уменьшению, но и к увеличению температуры и на поверхности, и внутри корпуса ОЭС [7]. Обдув ОЭС потоком воздуха, обусловленным, например, движением вертолета-носителя ОЭС с большой скоростью
V - 102 м/с (10)
эквивалентен увеличению коэффициента теплоотдачи до максимальных значений
кобд.макс ~ 1,8. (11)
Как отмечено выше, дальнейший рост скорости по сравнению с (10) может приводить, во-первых, не к охлаждению, а к нагреву корпуса ОЭС, что будет сопровождаться в том числе снижением коэффициента теплоотдачи (11). Во-вторых, носитель ОЭС в зависимости от его типа может и не двигаться со столь большими скоростями (10), что также будет приводить к снижению коэффициента увеличения теплоотдачи из-за обдува. Тогда диапазон значений этого коэффициента для таких носителей ОЭС равен
1,0 < £обд < 1,8. (12)
При определении зависимости приращения температуры внутри корпуса ОЭС как функции сдвига ПП относительно центра корпуса ОЭС Л/сд видно, что для сдвига Л/сд Ф 0 коэффициент теплоотдачи уменьшается [4], а при сдвиге Л/сд - /к коэффициент теплоотдачи может достигать наименьших значений ксд(/к) - 0,5. Поэтому диапазон значений этого коэффициента определяется неравенством
0,5 < кСд < 1,0. (13)
Таким образом, из-за смещения ПП относительно центра корпуса ОЭС уменьшается коэффициент теплоотдачи ПП (13), что, с учетом соотношений (6) и (7), может приводить к максимальному увеличению температуры внутри корпуса ОЭС примерно в два раза.
Из выражений (9) и (12) следует, что покраска и обдув корпуса ОЭС, наоборот, могут приводить к повышению эффективности теплоотдачи примерно вдвое, приводя к соответствующему снижению максимальных значений температур внутри корпуса (6) и (7). Однако эффективность теплоотдачи зависит от запыленности корпуса ОЭС, от изменений скорости полета носителя и других факторов. Поэтому можно выделить лишь характерную область, соответствующую диапазонам значений (9) и (12).
Для определения зависимостей (6) и (7) необходимо определить коэффициент теплоотдачи ктмакс - 5,3 - 4 Л^внмакс (8) при максимальном сум-
марном значении приращения температур ЛФвнмакс. Дл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.