автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методы и средства стабилизации оптических параметров криотелескопов космического базирования и наземных имитационно-испытательных комплексов

На правах рукописи УДК 621.384.326.2+621.56.536.24

Олейников Леонид Шлемович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРИОТЕЛЕСКОПОВ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ И НАЗЕМНЫХ ИМИТАЦИОННО-ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность: 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена во Всероссийском научном центре «Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова»

Официальные оппоненты:

— Доктор технических наук Клейменов В.В.

— Доктор технических наук, профессор Латыев СМ.

— Доктор технических наук Горбунов ГТ. Ведущая организация: Открытое акционерное общество «ЛОМО»

Защита диссертации состоится « 06 » октября 2004г. в на за-

седании специализированного Совета Д407.001.01 «ГОИ им.С.И.Вавилова» (199034, Санкт-Петербург, Биржевая линия, дом 12).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ВНЦ «ГОИ им.С.И.Вавилова».

Автореферат разослан Ы2004 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета ВНЦ «ГОИ им.С.И.Вавилова», доктор технических наук, профессор

А.И. Степанов

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Высокотехнологичные компоненты инфракрасных оптико-электронных систем (ОЭС) постоянно усовершенствуются в направлении увеличения разрешающей способности при регистрации пространственных объектов и чувствительности к слабым потокам теплового излучения. В последнем случае кардинальную роль играют методы понижения уровня фоновой облученности фоточувствительных элементов (ФЧЭ) на основе глубокого охлаждения оптики и всех конструктивных узлов, расположенных в поле зрения фотоприемных устройств (ФПУ). Чувствительность ОЭС космических телескопов при этом может увеличиться до 3:4 порядков величины по сравнению с неохлаждаемой аппаратурой аналогичного класса. Это является важным для практического использования, в том числе в астрофизических исследованиях, при регистрации малых тел космического мусора, своевременного обнаружения и патрулирования астероидов на опасных для Земли траекториях, отслеживания баллистических объектов, а также мониторинга поверхности Земли.

При разработке этой уникальной по чувствительности аппаратуры необходимо учитывать условия ее функционирования, т.к. сохраняемость во времени качества изображения оптики и чувствительности ФПУ сильно зависит от их иммунитета к факторам внешнего влияния: К основным из этих факторов относятся переменные по знаку тепловые нагрузки и молекулярно-кинетические процессы в окружающей ОЭС разреженной среде газов. Частицы этих газов, 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 и энергоресурсных показателях криотелескопов.

Требования к дифракционному качеству оптики и высокой чувствительности ФПУ в глубокоохлаждаемых ОЭС относятся здесь к аппаратуре, преодолевшей при выходе на рабочий режим перепад от комнатных до криогенных температур. Поскольку термодеформации в конструкции ОЭС при таких перепадах являются неизбежными, возникает необходимость их прогнозировать, управлять ими и учитывать при проектировании, сборке и юстировке системы, а также вырабатывать решения по демпфированию колебании и выравниванию по полю температуры объективов, ФПУ (каждого на своем уровне)..

Приборостроительный аспект низкофоновых сверхвысокочувствительных ОЭС неотрывно связан и с их тестированием. Выделение ИК сигнала малой величины и его аттестация могут б гь выполнстш п тпггпттп ностиче-ской аппаратуре лишь при ее низкой и при низкой фо-

новой облученности входного зрачка исгКйуШьпс¿систем. А это в свою оче-

редь связано с глубоким охлаждением оптики, конструктивных и кинематических узлов тестовых интегральных и спектральных источников излучения, а также тестовых средств радиометрии и спектральной диагностики.

В расчетах фоновой облученности ФПУ принимается условие эквивалентности термодинамической и эффективной радиационной температуры полости ИК канала. В действительности же это условие не может быть принято без определенной степени приближения в связи с тем, что эффективная 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, заполнения ИК канала рассеянной или дифрагированной частью излучения от полезного сигнала и др.

Отсюда следует, что для уменьшения внутриприборного фона в ОЭС и тестовых ИК средств, криогенные методы являются решающими, но до конца не исчерпывающими. Сведение до удовлетворительного минимума различия между уровнями термодинамической и эффективной радиационной температур будет способствовать достижению требуемой чувствительности ОЭС.

Очевидно, что радикальное повышение чувствительности в криооптиче-ских ОЭС не может не отразиться на энергопотреблении, массе, габаритах и ресурсе этой аппаратуры. Это же относится и к дорогостоящим низкофоновым имитационно-измерительным средствам (ИИС).

Разработка методов стабилизации оптического качества и уровня ВйуТ-риприборного радиационного фона для решения актуальных задач проектирования на основе выбора компромиссных технических решений, обеспечивающих условия максимальной чувствительности низкофоновой инфракрасной аппаратуры за счет минимизации и, по возможности, исключения влияния факторов, препятствующих приближению глубокоохлаждаемой оптико-электронной системы телескопа к идеальной модели низкофонового устройства — обуславливают важность и актуальность этой работы.

Дели 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 основные 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 эффективной 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 глубокоох-лаждаемых ИК телескопов кратковременного и длительного орбитального базирования в интересах повышения их энергоресурсной эффективности,

♦ разработка схемотехнических решений экономичных многофункциональных низкофоновых имитационно-испытательных комплексов для контроля выходных параметров криооптических оптико-электронных систем телескопов.

Научная новизна. К новым научным результатам исследований следует отнести следующие:

♦ Разработаны принципы построения и физические модели криотеле-скопов на основе различных методов глубокого охлаждения. Установлено, что при малоградиентном (по температуре) теплоотводе в процессе захолаживания объективов, использовании термо-циклированных 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 криоконден-сатов и системы «криоконденсат-зеркало» в области температур (6:40К 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 ста-

♦ бильностью 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 принципы 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 устойчивости выходных характеристик при воздействии на аппаратуру атмосферных, термомеханических и радиационных факторов в оптическом канале.

♦ Использование предложенных методов теплоотвода от глубокоохла-ждаемых 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 криоопти-ки в условиях конденсации на ее рабочих поверхностях частиц окружающих газов может войти в арсенал средств прогнозирования надежной работоспособности ОЭС.

♦ Предложены энергоэкономичные схемотехнические решения крио-оптических ОЭС для наблюдения за объектами на фоне космоса и 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 криооп-тических 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. СИ.Вавилова», 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.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязи параметров собственной внешней атмосферы космического аппарата со стабильностью оптических свойств приемного зеркала объектива.

2. Математическая модель условий сохраняемости качества криоопти-ческой поверхности в условиях конденсации на ней частиц окружающей атмосферы и результаты экспериментальных исследований физических, в том числе оптических, свойств конденсатов, полученные в обеспечение работы этой модели.

3. Метод ослабления охлажденной блендой молекулярного потока из СВА к приемному зеркалу криообъектива, как одно из средств защиты оптики от криозагрязнений.

4. 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 III Всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике (Балашиха, Моск. обл., 1982г.), на II Всесоюзном семинаре «Тепловые приемники излучения» (Ленинград, 1980, 1983г.г.), на V Всесоюзной конференции «Физика и техника высокого вакуума» (Ленинград, 1985г.), на Международных конференциях «Refracto-metry and Scatterometry» (Рокосово, Польша, 1993 г.) и «Reifractometry» (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, 2003 г.)

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 рисунков, 31 таблицу и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность работы, сформулирована цель, кратко изложены основные задачи и полученные результаты, включая научную и практическую ценность выполненных исследований и разработок, приведены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору и анализу современных достижений в области построения низкофоновых ИК криотелескопов космического базирования и наземных комплексов для их контроля.

Основные схемы развития криогенных методов понижения внутрипри-борного фона (КМ ПВФ), отраженные в проектах прежде всего зарубежных и реже отечественных криооптических телескопов, показаны на рисунке 1. Модификации этих схем рассматривались в том числе при создании криоте-лескопа SIRTF.

Рис. 1. Схемы КМ ПВФ в криотелескопах на основе аккумуляторных (I и IA), радиационно-аккумуляторных и радиационных (3) средств охлаждения оптики

1 - телескоп; 2 - фокальные приборы; 3 — емкость с гелием; 4 - вакуумный корпус криостзта

В отсутствие криогенераторов с высоким к.п.д. на уровне температур, близких к гелиевым, для охлаждения крупногабаритной оптики и удержания ее на этом уровне длительное время прибегают к помощи сжиженного гелия, неона, азота, твердого водорода на этапе захолаживания на Земле с последующим выводом определенного запаса этих криоагентов на орбиту (схемы 1 и 1А на рис.1).

По мере увеличения длины волны регистрируемого ИК излучения и повышения обнаружительной способности D* криотелескопа температура охлаждения его оптической системы должна понижаться. Так для D*=10"18 Вт/см-Гц172 на длине волны 10 мкм у правой границы рабочего участка спектра регистрируемого излучения уровень радиационного фона в поле зрения ФПУ должен соответствовать температуре АЧТ, равной ЗЗК. А на длине волны 100 мкм при этом же значении D* уровень внутриприборного фона должен быть эквивалентен температуре АЧГ при ЗК. Реализация такой температуры у крупногабаритной оптики криотелескопов представляет большую проблему.

Аккумуляторные криосистемы позволяют довести температуру приемного объективадо 2,7К. Однако, в области субмиллиметрового диапазона при облученности входного зрачка 10~18-И0~19 Вт/см2 только лишь криогенные методы понижения внутриприборного фона становятся практически недостаточными.

Проект криотелескопа Plank с радиационным

теплоотводом от объектива на уровне 60К строится по схеме 2. Здесь вместо сосуда с криоагентом используется механокалорическое охлаждение фо-

кального блока на уровне 20К и фотоприемного устройства на уровне 0,1 К (рефрижератор растворения на 3Не). По такой же схеме реализуется проект Edison (ЕКА), у которого при температуре объектива 20К фокальный блок охлаждается двухкаскадной криомашиной до 4,5К. Чисто радиационное охлаждение до уровня (20-30)К в точке Лагранжа должно быть у крупногабаритных криотелескопов Darvin (EKA), LST и NGST (США). Последние два имеют диаметры зеркал 8 метров.

Если принять в качестве показателя энергоресурсной эффективности астрофизических телескопов отношение объема, занимаемого оптикой, к объему бортового криостата, то для аккумуляторных методов охлаждения оно составит от 0,004 до 0,16, у радиационно-аккумуляторных (например, SIRTF) — 0,56, а у радиационно-рефрижераторных и радиационных - 1,0.

Анализ зарубежных и отечественных разработок устройства космических криотелескопов с радиометрическими и спектрометрическими средствами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) показывает, что энергоресурсная эффективность криогенных средств теплоотвода будет расти по мере увеличения в них доли радиационного охлаждения приемной оптики в то время, как ФПУ охлаждается механокалорической системой.

Вполне очевидно, что в условиях глубокого охлаждения в оптических системах под влиянием тепловых нагрузок возникают термомеханические процессы, приводящие к искажению формы оптической поверхности и изображения объективов в целом.

Материалов для криооптических систем с нулевым коэффициентом линейного расширения и высокой теплопроводностью, которые могли бы обеспечить нерасстраиваемость оптики при температурных переходах не имеется. Сведения о конструктивных решениях криотелескопов в зарубежных публикациях ограничены.

ИК криотелескопы в системах наблюдения Земли на низких орбитах находятся большей частью в условиях переменных по знаку термических воздействий. Реализация высокого разрешения в ИК области спектра — пространственного и температурного — зависит от возможности снижения до допустимого предела реакции оптико-механической системы на ее температурные колебания. Анизотропность внутриприборного фона в значительной мере связана здесь с организацией охлаждения оптики, которое, как правило, имеет ограничение в энергопотреблении, а оптика и ФПУ нуждаются в защите от загрязнения частицами собственной внешней атмосферы.

Наблюдения изменений чувствительности радиометров в условиях эксплуатации в течение 104 часов показали, что загрязнение здесь происходило со скоростью 1,2-10"10 кг/м2*«:, когда материалы имели давление насыщенных паров ниже, чем 10"7Па при 233К.

Для функционирования криотелескопов при температуре ниже 40К, как показывает проведенный анализ, опасность представляют, в том числе и мо-

лекулярные частищ>1 таких низкокипяпщх компонентов, как N2, Ог, О, Аг, а также Н2 и др. газы. В неопределенной до конца обстановке формирования собственной внешней атмосферы (СВА) космического аппарата и функционирования в ней криооптической оптико-электронной аппаратуры на орбите, несмотря на принятые меры в процессе проектирования, построения, испытаний и вывода ее на заданную высоту, угроза деградации оптического качества аппаратуры остается неизбежной. Важным было бы иметь возможность оценивать степень этой угрозы для качества оптических поверхностей зеркал криотелескопов в привязке к кинетическим процессам в реальном масштабе времени при работе аппаратуры на орбите.

Решая задачи обеспечения сверхвысокой чувствительности ИК телескопов для исследования космического пространства и ДЗЗ путем понижения внутри-приборного фона методами глубокого охлаждения ИК каналов, важно располагать также нюкофоновыми средствами и методами имиганци слабых тепловых сигналов и их контроля на уровне 10"19-г10~18 Вт/см2 по всей ИКобласти спектра вообще и прежде всего в области чувствительности ИК ОЭС телескопов.

Имитационно-испытательные комплексы (ИИК) для низкофоновых ОЭС — дорогостоящие в капитальном и эксплуатационном плане сооружения. В последнем случае основной вклад вносит энергоемкость гелиевого оборудования, когда его к.п.д. исчисляется в процентах, а также объемы криовакуумных камер. А узкоспециализированные недорогие ИИК не обеспечивают полноты тестовых программ. Отсюда возникает необходимость оптимизации ИИС по их методологическим и стоимостным параметрам.

Таким образом, разработка методологии построения глубокоохлаждае-мых оптико-электронных систем телескопов, или криотелескопов, и тестового оборудования на основе криооптики составляет научную проблему, в основе которой лежат противоречия:

- между требованиями к стабильности качества изображения и неизменным присутствием фактора термодеформации оптической системы при криогенных температурах;

- между требованиями к минимальному светорассеянию и поглощению полезного сигнала на оптических поверхностях и неизбежным загрязнением этих поверхностей конденсатами частиц собственной внешней атмосферы космического аппарата;

- между требованиями к уровню внутриприборного фона в поле зрения фотоприемных устройств и реально достижимым значением фоновой облученности ФПУ;

- между требованиями к уровню температуры при глубоком охлаждении криотелескопов - самых больших и энергозатратных объектов глубокого охлаждения на орбите - и низкими эксергетическими параметрами средств криообеспечения.

Указанную проблему следует решать на основе сведения к минимуму этих противоречии при проведении комплексных исследований и оптимизации физических процессов, протекающих в оптико-электронных системах, в обеспечение регламентируемой стабильности условий работы криотелескопов.

По результатам проведенного анализа сформулированы критерии эффективности криогенных методов понижения внутриприборного фона, на основе которых должны быть проведены исследования и решены задачи, определяющие:

- закономерности и допустимые границы влияния термических и кинети-

ческих процессов на качество изображения оптики и уровень радиационного фона в криотелескопах;

- принципы построения криооптической ИК аппаратуры с учетом этих процессов в обеспечение стабильности параметров криотелескопов и требований к повышению энергоресурсных показателей.

В итоге проведенного системного анализа сделаны следующие выводы:

1. Определены критерии эффективности криогенных методов понижения внутриприборного фона (КМ ПВФ) в ИК оптико-электронных средствах и имитационных наземных комплексах. Критерии КМ ПВФ, будучи физически взаимосвязанными, устанавливают степень совершенства низкофоновой ИК аппаратуры в части сближения термодинамической и эффективной радиационной температур фона в поле зрения ФЧЭ, сохраняемости качества оптики в криогенных условиях, уровня энергоресурсных показателей криотелескопа в целом. Поставлены задачи исследований в диссертационной работе.

2. Установлено, что в соответствии с зависимостью обнаружительной способности от температуры фона и длины волны рабочего интервала спектра в астрофизических телескопах КМ ПВФ могут оставаться эффективными и достаточными лишь при работе в ИК диапазоне до мкм. В более длинноволновой и субмиллиметровой области спектра достижение эффективности КМ ПВФ и требуемого уровня фона может быть обеспечено при их компромиссном сочетании с оптическими методами ПВФ.

3. Выделены основные негативные факторы, сопутствующие глубокому охлаждению оптических систем: термодеформационный в переходном и установившемся тепловых режимах работы криотелескопа и молекулярно-кинетический (конденсация частиц собственной внешней атмосферы (СВА) на рабочих поверхностях оптики) в режиме наблюдения объектов. Показано, что проводимые ранее исследования, направленные на изучение большого спектра низкотемпературных физических процессов, входящих в каждый из этих факторов, и на предупреждение их влияния на эффективность КМ ПВФ и работу криотелескопов в целом носят фрагментарный характер.

4. Показано, что универсальность имитационно-испытательных комплексов в части имитации слабых, разнояркостных и разноцветных ИК сигналов, а также их радиометрической и спектральной диагностики, воспроизведений сюжетов фоноцелевой обстановки и др. до сих пор требовала крупнообъемные

имитаторы космического пространства (криовакуумные камеры большой емкости) и соответствующее по производительности и энергопотреблению вакуумное и криогенное оборудование.

Во второй главе рассмотрены особенности термомеханических и терморелаксационных процессов в криооптике. Первая из этих особенностей состоит в том, что изменение характеристик оптических систем при их охлаждении происходит в силу температурной зависимости физических свойств материала, из которого изготавливается оптика. При криогенных температурах изменяются как механические свойства материала, такие как предел прочности, модуль упругости, ударная вязкость и др, так и теплофи-зические характеристики такие, как теплоемкость, теплопроводность, коэффициент линейного расширения. Например, для алюминиевого сплава 1201 при изменении температур в диапазоне 293-20К предел прочности возрастает примерно в 1,5 раза, модуль упругости в 1,15 раза, а коэффициент теплопроводности уменьшается в 5 раз. Сложность расчетов заключается в нелинейной зависимости этих параметров от температуры, а также и в том, что для их проведения часто отсутствуют экспериментальные данные (константы) либо вообще, либо более точные, чем те, которые имеются в справочниках со свойствами материалов.

Вторая особенность непосредственно связана с организацией процесса охлаждения. Вследствие конечной величины теплопроводности материала при охлаждении узлов и оптических элементов возникают перепады температур, которые возрастают по мере увеличения интенсивности теплоотвода.

Разработчики конструкций криообъективов, как правило, стремятся получить высокую степень равномерности температур в оптических элементах и системах с целью уменьшения влияния термоаберраций на характеристики объектива.

В большинстве разработанных нами конструкций глубокоохлаждаемых ОЭС (ТС-215, ТС-229, ТС-241, ТС-271, ИС-110 и др., см. главы 4 и 5) охлаждение оптических элементов предполагалось проводить в вакууме за счет контактно-радиационного теплообмена с корпусом объектива.

Была разработана и принята методология проведения операций, выполняемых в установленной последовательности, при которой оптический расчет оптики, предписьшающий ее дифракционное качество на заданном температурном уровне, в итоге трансформировался в оптический расчет, передаваемый для изготовления оптики. В последнем учитывались поправки, полученные на основании теплового и термомеханического моделирования оптической системы, преодолевшей температурный переход от комнатных до криогенных температур или на основании ин-терферометрического контроля качества оптики для этих же условий.

Релаксация температурных полей в четырехзеркальном объективе «Рефлектар-12» (Р-12)телескопа ТС-229 показана на рисунке 2 при его охлаждении от 293К до 80К.

По результатам численных исследований теплового режима «Р-12» и других объективов был сделан вывод: в зеркальных объективах, выполненных из одного материала изменение расстояния между фокальной плоскостью и ба-

Рис. 2. Распределение температур и уход фокуса в объективе «Р-12» а- по длине тешгонесущего корпуса, 6-на зеркалах,

в - релаксация положения фокальной плоскости после охлаждения

зовой поверхностью после захолаживания равно произведению этого расстояния на коэффициент линейного расширения и разность температур между началом и концом процесса охлаждения.

Полученные результаты расчета напряжений в узлах винтового соединения зеркал с корпусом объектива ТС-271 показали, что эти напряжения на зеркало не распространяются в то время, как температурные воздействия создают градиентные поля температур и напряжений в поле самого зеркала.

Для построения математической модели и разработки программ с целью прогнозирования релаксационных процессов в термоупругой криооптичес-кой системе были рассмотрены термодинамические и физические основы поведения упругого тела под влиянием криогенных температур. В соответствии с ними модель должна представляться структурой, связывающей упругую и релаксационную (обусловленную вязкостью вещества) составляющие. При охлаждении тела возникают напряжения обусловленные градиентами температуры, а величина деформаций определяется коэффициентом линейного расширения. Время тепловой релаксации тела определяется коэффициентом температуропроводности, а время релаксации деформаций — внутренним трением. Для криогенных температур температуропроводность увеличивается, а внутреннее трение в этом случае уменьшается. Это эквивалентно

быстрому распространению тепловых процессов и медленному затуханию механических. В том случае, если описанные выше термомеханические процессы сопровождаются перемещениями поверхностей, например, в то при разработке и проектировании криооптических систем необходимо принять меры к ограничению степени термических воздействий.

Для прогнозирования поведения элементов криооптических систем используют квазистатический подход, который при определенном числе допущений может быть использован лишь для определения величины максимальных напряжений, возникающих в упругом теле. Использование динамической модели позволяет учесть инерционные эффекты упругости, т.е. характер изменений деформации во времени.

В качестве примеров расчета поведения охлаждаемого зеркала были рассмотрены две модификации его установки в корпусе: 1- с винтовым соединением к корпусу объектива, 2 - крепление зеркала в корпусе объектива «насыпным» методом через термокомпенсационные кольца. Варьировались размеры демпфирующих узлов. Приведенные диаграммы расчета показывают, что в 1-ой модификации в зависимости от формы разгрузочного кольца (температуропроводности) - элемента удерживания на нем тела зеркала — величины осевых перемещений на теле при охлаждении зеркала от 200К до 20К не превышают 0,5мкм, а напряжений б-б-КУПа равномерно по всему зеркалу с несквозной проточкой у фланца крепления и 1,33-105Па со сквозными проточками в углах Во второй модификации перемещения в теле зеркала не обнаружены по всему полю, а осевые — не более 0,65мкм. Таким образом обозначился метод защиты зеркала или полупрозрачного оптического элемента от критических температурных воздействий.

Термодеформационные и релаксационные процессы остаются длительное время неустановившимися в условиях переменных по знаку тепловых воздействий на оптику. Ее качество может флуктуировать в пределах допустимых границ, достигнутых в течение определенного времени.

Представленный в работе детальный анализ показывает, что построение программ для прогнозирования характеристик криооптических систем должно быть построено на обобщенном термомеханическом подходе, который должен включать в себя температурную и частотную зависимости для внутреннего трения конструкционного материала, полученные из экспериментальных исследований. 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 чувствительных.

В связи с этим была разработана установка, содержащая криокамеру с испытуемым изделием (объективом Р-12), имеющая входное и выходное ок-

но. Коллимированный источник видимого излучения засвечивал входной зрачок объектива, изображение которого через интерферометр сдвига регистрировалось фотокамерой в видимой области спектра в виде интерферо-грамм и обрабатывалось для получения данных о распределении фазовых искажений, трехмерной картины световой волны на зрачке объектива и угловой зависимости распределения энергии в кружке рассеяния. Уже одно то, что «живая» интерферограмма регистрировалась в условиях вибраций, неизбежных при работе криогенных агрегатов в непосредственной близости от криокамеры, делает метод сдвиговой интерферометрии (МСИ) пока единственно приемлемым для контроля параметров криооптических систем.

Благодаря ему нами были проведены также испытания плоского зеркала из БЮ диаметром 930мм в области температур (25-*-300)К, переданного затем для установки в контрольной схеме испытаний криотелескопа 81ЯТР при гелиевой температуре в г. Пассадена (США). Испытания зеркала проводились на вновь созданном стенде ОКВС-12. Контрольная схема для испытаний зеркала в положении соответствующем условиям эксплуатации (рабочей поверхностью вниз), приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки А для контроля плоского зеркала из 8 ¡С при охлаждении до гелиевых температур и ингерферограммы В его рабочей поверхности при 300К (а), 77К (б) и 25К (в)

Зеркало 1 вместе с узлом крепления поворачивалось дискретно через 10° вместе с емкостью, заполненной жидким гелием. Охлаждение зеркала до этих температур - кондуктивно-радиационное. Интерференционная картина В в каждом из 18 положений зеркала несла информацию о форме поверхности диаметральной зоны с, ширина которой равнялась 150 мм. В компьютере информация обрабатывалась по программе, учитывающей сшивку границ зон, угол падения излучения на зеркало, искажения, внесенные оптическими элементами схемы по данным калибровки. Результаты контроля зеркала представлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры контроля качества зеркала 0930 мм из SiC при криогенных температурах.

№№ 1Й1 Температура зеркала, К Значение WFPV, X Значение среднеквадратичной ошибки ИМЗ, X

По волновому фронту Поверхностная RMS, А

Измерено По заданию

1. 300 0.8 0.14 0.07 0.1

2. 77 0.9 0,7 0.085 0.1

3. 25 0,8 0,17 0.085 0.1

При конструировании криооптических систем выбираются решения, обеспечивающие в целом «щадящий» характер тепловых воздействий для элементов оптики. Вместе с тем не исключены случаи внезапного теплового воздействия на криообъектив и в большей степени на его приемное зеркало, например, когда его визирная ось и вектор скорости перемещения на орбите совпадут в пределах угла поля зрения. Произойдет тепловое взаимодействие холодного зеркала с частицами внешней разреженной атмосферы. Тепловая нагрузка на зеркало при этом может быть выражена, как д=Р/л//2кТЫ, где Р —давление, // — молекулярная масса, и — скорость поступательного движения, к - постоянная Больцмана, Т - температура невозмущенного газа, N -число молекул газа в единице объема. На высоте орбиты от 95 до 150 км и скорости криотелескопа на траектории от 1 до 5 км/сек значение д может изменяться в пределах от 9,0 до 10"4 Вт/см2.

Проведенная (с помощью численного эксперимента) оценка реакции формы волнового фронта (точнее поверхности приемного зеркала) на тепловую нагрузку от контакта с направленным потоком частиц разреженной атмосферы на орбите показала, что такое взаимодействие приводит к динамическим эффектам, при которых амплитуда деформаций поверхности зеркала может стать соизмеримой с длиной волны принимаемого излучения и может находится в пределах *=1-г10Я., что видно из рисунка 4. При этом деформация

формы волнового фронта может удерживаться в период всего времени взаимодействия с направленным потоком частиц.

На основании изложенного в главе 2, можно сделать следующие выводы:

1. Разработаны низкотемпературные методы контроля и экспериментальные криогенные установки для измерения качества глубокоохлаждаемых объективов и крупногабаритных зеркал на основе МСИ, благодаря которым проведены испытания ряда криообъективов и элементов, в том числе тестового зеркала из карбида кремния диаметром 930 мм в области гелиевых температур для контрольной схемы испытаний криотелескопа SIRTF в стенде Лаборатории реактивной динамики (США).

2. Установлено, что в криообъективах, охлаждение оптических элементов которых осуществляется кондуктивно-контактным и радиационным методами в вакууме при заданной интенсивности теплоотвода и вследствие конечной величины теплопроводности материалов оптики, а также зависимости их физических свойств от температуры, неизбежно возникают градиентные поля температур, напряжений и перемещений с затухающим разбросом значений этих параметров в пусковом режиме охлаждения. Доказано на примере телескопа ТС-229, что в криообъективе, изготовленном из одного материала, положение фокальной плоскости после выхода на заданный температурный уровень восстанавливается на расчетном для криогенного состояния отрезке, что с достаточной степенью приближения прогнозируется численным методом при моделировании термодеформаций.

3. Экспериментально установлено, что в структуре реальных криообъ-ективов (например ТС-229, ТС-271 и др.), где в принципе исключена возможность резкого изменения температуры при неоднократном охлаждении и нагреве зеркал и механических узлов, прошедших, как правило, регламентное термоциклирование при изготовлении, гистерезисные явления не наблюдаются: оптические элементы сохраняют воспроизводимость формы поверхности (в криогенных и комнатных условиях), но отличаются из-за изменения линейных размеров в этих условиях по качеству изображения.

4. Показано, что при прогнозировании качества криооптики путем численного моделирования ее характеристик на основе квазистатического и динамического подхода с использованием не до конца достаточных справочных данных, полученных часто на один-два порядка величины ниже требуемых в оптике, право на окончательное определение реального характера ее поведения и параметры при температурных переходах и в состоянии низких температур следует оставлять за физическим экспериментом и высокоточными методами оптического контроля.

5. Экспериментально подтверждено, что в криооптических системах, функционирование которых обеспечивают близко расположенные источники вибраций от работы средств вакуумирования и криогенераторов, наиболее эффек-

тивным для исследования волнового фронта в динамическом и установившемся режимах охлаждения является метод сдвиговой интерферометрии (МСИ).

6. Изучено влияние на стабильность формы приемного зеркала низкоорбитального криотелескопа при тепловом воздействии - соударении его рабочей поверхности с направленным потоком частиц разреженной атмосферы. Установлено, что различные гармоники колебаний зеркала в этом случае могут иметь амплитуду, превышающую значение допуска на отступление от формы зеркальной поверхности, определенной оптическим расчетом.

Третья глава посвящена исследованию температурной зависимости физических свойств криоконденсатов из частиц газов собственной внешней атмосферы (СВА) космического аппарата, оптических свойств системы «криоконденсат - зеркальная поверхность», исследованию кинетических процессов осаждения частиц СВА на охлажденные поверхности оптических элементов, разработке модели условий сохраняемости во времени качества оптической поверхности при конденсации на них частиц СВА.

Известные экспериментальные исследования оптических и других физических свойств криоконденсатов носили до сих пор фрагментарный характер и основывались на методике периодического накопления, затем прерывания процесса конденсации для измерения величин. При этом не было обращено внимание на то, что давление паров в этом случае резко понижалось и структура конденсата претерпевала существенные изменения. Вместе с тем эти измерения показали, что отражательная способность системы «конденсат -подложка» зависит от длины волны, особенно в ближней инфракрасной области спектра, толщины слоя конденсата, природы исходного газа.

Из этой краткой характеристики этого фактора, сопутствующего и неизбежного в работе криооптических телескопов, вытекает необходимость в его детальном изучении, определении количественных параметров реакции излучения на его присутствие, получении банка данных по этим параметрам, их систематизации и установления пороговых характеристик кинетических процессов для минимизации их влияния на перенос излучения в криооптических ОЭС.

Измерения температурных зависимостей физических свойств крио-конденсатов газов потребовали качественно новый уровень эксперимента, в процессе которого конденсация частиц имела бы непрерывный характер (подобно реальным условиям), обеспечивались бы минимальный по давлению и однородный молекулярный фон в области сверхвысокого вакуума, стабильность потока рабочего газа и температуры подложки, калибровка показаний установки без нарушения процесса конденсации, криовакуумная (безмасляная) откачка камеры с образцами оптических поверхностей и др. Для проведения такого эксперимента были разработаны метод и многофункциональная высокоточная со схемами калибровки установка, фрагмент двухканальной оптической схемы которой показан на рисунке 5. Здесь холодный держатель 1 плоского 2 и сферического 3 зеркал, интерферометрическая схема 4, экран 5 с

температурой жидкого азота, диафрагмы 6, определяющие угол атаки молекулами поверхности зеркал в молекулярном потоке. Отличие температуры зеркал в области отбК до 40К не превышало 0,1 К. Толщина и показатель преломления слоя крио-осадка на длине волны мкм в

процессе его непрерывного роста при заданной температуре и давлении остаточной среды определялись двухугловым интерферометрическим методом

п = ^jsmifj -{mx¡m-if * sin2 /l — (wi, /m2 )2 .

Здесь y/¡ и цъ - углы падения лучей на поверхность подложки с плоской поверхностью, miHm2 — число максимумов или минимумов интерферо-грамм в заданный промежуток времени

При угле y/¡=0 выражение для показателя преломления можно упростить и тогда n = ^sm^j/l-(m,/m2)2 , а толщина слоя б=тА/2п.

Экспериментальные значения п использовались для определения плотности конденсата у с помощью уравнений Лоренц-Лоренца и Коши.

Измерения показали также, что в слоях до 40мкм скорость выпадения криоосадка на подложку оставалась постоянной. Значения измерен-

ное при 20К, хорошо согласуется с результатами работ зарубежных авторов.

Абсолютная погрешность определения значений п и 8 дня азота была равна п^Дл=1,3±0,014.

Было установлено, что спад сигнала R=I/Io (Jo — интенсивность лучистого потока, отраженного от чистого зеркала, а I — от зеркала с криоосад-ком) для различных длин волн, толщин, давлений, природы газа, температуры подложки имеет закономерность изменения от достигнутого максимума в сторону как низких, так и высоких температур. В этом случае оказалось удобным пользоваться значением пороговой толщины криоосадка, выраженной в числе длин волн где к — коэффициент пропорциональности), при которой величина Ы/10=0,02. На примере рисунка 6 видно, что с увеличением длины волны пороговая толщина при заданной температуре и давлении остаточной среды увеличивается. Установлено также, что вблизи температуры насыщенных паров исследуемого газа, когда толщина слоя не превышала сотые доли микрона, величина р'х резко падала. Это объясняется спецификой структуры конденсата, отличающейся островковой особенно-

Рис.5. Схема размещения отражающих подложек в кшостате

стью формирования относительно аморфной и кристаллической структур, образующихся при более низкой температуре. Л

б, МЯМ

Рис.б. Изменение отражательной способности рх подложки с криослоем азота в зависимости от толщины его слоя и длины волны X. излучения X, мое 1 -0,63;2-3,81;3 - 5.92мкм;Т=б,8К;у-0.28 илм/мин, Р=6,71<Г' Па

Температурные зависимости величин п, у, V, к, р' для непоглощающих газов N2, О2, воздух, Аг, Ые в области температур (6*35)К в интервале длин волн (0,63-з-29)мкм систематизированы и представлены в работе в виде таблиц и графиков, удобных для использования в практических и научных целях. Проведен анализ специфики и условий конденсации газов. К примеру, в слоях О2, сконденсированного при температуре 13,5К, существует значительная оптическая анизотропия, которая является следствием ярко выраженной асимметрии кристаллов, вызванной тем, что при изменении температуры этого вещества конденсат О2 претерпевает превращение как молекулярный кристалл, так и двумерный магнетик с полосами поглощения в интервале длин волн

Скорость роста криоосадков в реальных условиях определяется плотностью молекулярного потока, достигающего через бленду и корпус объектива в своем молекулярном течении приемного зеркала. Формирование поля плотностей молекулярных потоков (ПМП) в настоящее время прогнозируется современными методами статического моделирования (метод Монте-Карло и др.). Однако в целом ряде случаев необходимо проверить совершенство этих методов для получения количественной оценки распределения ПМП в сечении, максимально приближенном к поверхности приемного зеркала. Был разработан метод лучевого зондирования и установка для измерения распределения ПМП, основанный на интерферометрическом измерении скорости роста конденсата на подложке в различных зонах полости оптического канала. Условимся, что Ро - это ПМП на оси в начале канала. /?/ — произвольная (или заданная точка в радиальном сечении).

На рисунке 7 приведены графики распределения относительных значений ПМП, полученных методом лучевого зондирования в неоребренной бленде (вдоль оси, как и в различных сечениях бленды, как

Из графиков следует, что результаты расчета и эксперимента хорошо согласуются (расходимость меньше 3%) воспроизводимость измерений находится в пределах 2%; F/Fo монотонно уменьшается в осевом направлении. В радиальном направлении от центра к раю сечения в интервале L/R от 0 до 4 радиальный перепад F/F0 отличается от 10 до 30%.

На рисунке 8 представлены результаты измерений распределения относительных значений ПМП F/F0 по длине ребристого изнутри цилиндрического канала. Здесь: D — диаметр корпуса бленды; d— световой диаметр в ребре; Н- шаг между ребрами.

Проведенные исследования показали, что в ослаблении диффузного молекулярного потока частиц при их проникании в глубь бленды, например, к первичному зеркалу радиометра существенную роль играет уменьшение апертуры Б/Ь и температура стенок бленды в области, где она ниже температуры насыщенных паров набегающего газа. Эти два фактора следует учитывать при разработке регламента работы глубокоохлаждаемых телескопов в условиях криозагрязнений. Попытка увеличения шага оребрения бленды, как средства защиты приемного зеркала от движущихся к нему частиц газа, оказалась практически неэффективной.

С повышением температуры конденсации скорость роста слоя у всех газов монотонно убывает. Удобно пользоваться понятием относительной линейной массовой скорости роста криослоя у,. Для изотермической поверхности - отношение скоростей роста слоя при данной температуре подложки; Оо - максимальное значение скорости роста слоя (в таблицах или графиках зависимости

Коэффициент ослабления молекулярного потока в зоне расположения приемного зеркала с учетом распределения частиц в осевом и радиальном направлениях может быть выражен, как

Обозначения величин в этой формуле приведены выше.

Время I нечувствительности излучения данной длины волны к присутствию конденсата на поверхности зеркала можно выразить, как 1=ЗУи '-кЛ/о=кЛ/г<1, где: 2 - число мономолекулярных слоев частиц газа, выпавших на единичную площадку в единицу времени; с! - диаметр молекулы сконденсированного газа. Величина - число частиц в мономо-

лекулярном слое на поверхности.

. Если г преобразовать относительно Г и разделить на V/ и с, получим выражение, учитывающее допустимый поток или допустимое число ударов частиц о поверхность, при которых эти частицы могли бы сконденсироваться на приемном зеркале за единицу времени в данной вакуумной структуре без нарушения зеркальной составляющей лучистого потока:

кЯ.

п л

Из кинетической теории газов следует, что число соударений частиц в диффузном молекулярном потоке о поверхность площадью 1 см2 за секунду, направленных на нее из полусферы, составляет

р 2,63-Ю"?

где Р давление газа перед входным отверстием бленды, Па; т - масса молекулы; Тг - температура газа. Запишем эту формулу относительно Р (Па) и введем в нее значение Г

кХ

Р=0,38-

10М

п к

Это соотношение может рассматриваться как совокупность пороговых параметров для сохраняемости качества приемного зеркала при набегании на него диффузного молекулярного потока. Она учитывает условия накопления конденсата, природу частиц сконденсированного газа, его температуру, температуру поверхности конденсации и связанную с ней структуру слоя, следовательно, его прозрачность для данной длины волны излучения, предельно допустимую толщину слоя, время образования этой толщины, а также допустимое давление остаточной среды. В смысловом плане это выражение представляет математическую модель условий сохраняемости качества приемного зеркала криотелескопа при конденсации на нем молекулярных частиц остаточного газа.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что изменение отражательной способности зеркальной поверхности с конденсатом из непоглощающих газов обусловлено рассеянием света, которое увеличивается с понижением температуры конденсации и при этом снижается эффективность КМ ПВФ. Для изучения этого фактора разработан метод и установка, особенность которых позволяет измерять в непрерывном режиме конденсации частиц и роста слоя индикатрисы рассеяния света в зависимости от толщины слоя, длины волны излучения, природы газа и температуры конденсации. Время замера одной индикатрисы - 16 сек.

Продлить время сохраняемости качества приемного зеркала криотеле-скопа можно путем увеличения значения с за счет вывода его на высокую орбиту, а также периодической регенерации криоконденсата путем нагрева «высокотемпературной» части оптики в схемах с переносом изображения.

На основании проведенных работ, о которых сообщается в третьей главе, сделаны следующие выводы:

1. Разработана теория взаимосвязи параметров, характеризующих свойства конденсированных в вакууме газов и условия их образования с контролируемыми и управляемыми при криостатировании оптики давлением остаточной среды, температурой оптики, временем криостатирования и др.

2. Разработана математическая модель условий сохраняемости качества криооптичёской поверхности в условиях конденсации на ней частиц остаточных газов в окружающем пространстве. Модель учитывает природу газа, температуру оптической (зеркальной) поверхности, длину волны излучения, пороговую толщину слоя конденсата, время накопления слоя, а также факторы ослабления молекулярных потоков, направленных в сторону крио-оптической поверхности, которые определяются в своей основе кинетиче-

ской теорией газов. Разработана методика расчета условий сохраняемости качества криооптической поверхности.

3. Экспериментально определены и исследованы температурные зависимости показателя преломления, плотности, массовой и линейной скорости роста слоя конденсированных в вакууме и не поглощающих излучение газов космического пространства: N2, Ог, воздуха, Аг и Ие в области температур 6-ЗЗК. Показано, что все эти параметры монотонно изменяются и имеют максимумы внутри указанных температурных границ.

4. Экспериментально определены и исследованы зависимости направленной отражательной способности р'=ДТй5Д) системы «зеркало-конденсат» в интервале длин волн Установлено, что интенсивность зеркальной составляющей отраженного потока излучения ослабляется меньше с ростом слоя конденсата при повышении температуры криоповерхности Тк, а в интервале температур на 5+8К ниже температуры насыщенных паров по мере дальнейшего приближения к ней Тк обнаружены все возрастающие начальные спады р', достигающие значений ОД уже при толщине слоя 5<0,2 мкм. Все экспериментальные результаты обобщены и представлены в удобной форме для использования в аналитических расчетах.

5. Установлено существование у каждого из конденсатов пороговой толщины до достижения которой направленная отражательная способность системы «зеркало-конденсат» не меняется. Наибольшее значение 5'=43Х (^=0,63 мкм) наблюдается у N2. У конденсатов N2, Аг и № пороговая толщина не селективна к спектру излучения. Плотность конденсатов и № возрастает вместе с прозрачностью слоя.

6. Установлено, что температура бленды оказывает существенное влияние на ослабление молекулярного потока к приемному зеркалу телескопа, когда ее температура ниже насыщенных паров набегающего на оптику газа. Это экспериментально проведено при использовании предложенного метода лучевого зондирования с использованием интерферометрии. Погрешность этого метода в 1-5-3% позволила впервые дать экспериментальное подтверждение корректности метода Монте-Карло по определению полей молекулярной плотности разреженного газа в каналах, в том числе криооптических.

7. Разработан метод экспериментальных исследований индикатрис рассеяния излучения конденсатами остаточных газов на поверхности криооп-тики с учетом их физических свойств и длины волны излучения.

Четвертая глава посвящена разработке и моделированию низкофоновых (глубокоохлаждаемых) тепломеханических структур ИК телескопов космического базирования. Их формирование связано с поиском оптимального сочетания коэффициентов линейного расширения материалов сопрягаемых деталей с требованиями к точности сборки, относящейся уже к охлажденному состоянию системы; с отводом тепла от элементов оптики в вакууме при наличии зазоров в

сопрягаемых узлах конструкции; с предупреждением деформации зеркал и линз в переходных тепловых режимах охлаждения и нагрева и гистерезисных явлений, вызванных механическими и термическими воздействиями; приведением к требуемому минимуму неравномерности температурного поля от чего зависит тепловой фон и качество криооптики. Принципы формирования композиции криооптических структур определяют порядок взаимосвязанных и взаимодополняющих комплексных мероприятий, имеющих предварительную, текущую и заключительную формы в процессах от разработки до испытаний низкофоновой аппаратуры. В числе этих комплексных мероприятий основными следует считать: а — выбор оптической схемы и ее расчет; б — анализ условий светозащи-щенности предложенной оптической схемы и определение условий предельного понижения уровня внутриприборного фона; в - тепловой расчет и синтез тепломеханической структуры; г - термодеформационный и термоаберрационный расчеты, корректировка оптического расчета с учетом п. г и определение оптических характеристик этой схемы для нормальных условий изготовления; расчеты д — прочностной; е — системы криообеспечения; ок — регламента работы криотелескопа в условиях СВА.

Моделирование криооптических систем представлено разновидностью криогенных методов ограничения фоновой облученности ФЧЭ с использованием калорических, радиационных, механокалорических и комплексных систем криообеспечения оптики и ФПУ и кондуктивных, конвективных, радиационных и смешанных методов теплоотвода.

Физические модели ограничителей внеапертурной фоновой облученности ФЧЭ в фокальных узлахТС-106, ТС-329 строились на основе сублимационных охладителей (криоагенты - твердые Аг, СОг, Ие, N2) для охлаждения ФЧЭ при температурах 10К и 60К и разрабатывались из расчета непрерывной работы в течение одного года. Сложность эксплуатации и потребность в высокой чувствительности (до 10"*1016 Вт/см2) привели к необходимости охлаждения не только фокальных блоков (ФПУ, диафрагм и фильтров), но и всей схемы оптики телескопов для длинноволновой области спектра калорическими (испарительными) системами.

Разработка криотелескопов с проточными охладителями на основе гелия со сверхкритическими параметрами из-за нестабильности давления и температуры в ресурсной емкости по мере истечения из нее криоагента и неустойчивости температуры оптики и ФЧЭ в телескопе оказались неприемлемыми.

В криотелескопах с контурами охлаждения на основе сверхтекучего гелия параметры газа на входе в криостат остаются неизменными во времени до полной выработки криоагента (Т„22,1К; Р<24 мм рт.ст. или 3-103 Па). Системные решения при разработке телескопа ИС-110 для исследования яркости фона зон космического неба в средней и длинноволновой области спектра позволяют при расходе гелия 0,022/с удерживать, как показывают расчеты, температуру оптики 10К, благодаря трехуровневому экранированию не только ее контуров охлажде-

ния, но и подводящих магистралей от емкости для сверхтекучего гелия. Неравномерность температурного поля оптического ИК канала в соответствии с расчетом не превышает по всей его длине и в радиальном направлении 1,5К. Примером оптимального сочетания энергетических затрат и температурных (фоновых) параметров криооптической системы может служить проект глу-бокоохлаждаемого ИК телескопа ИКОН, разрабатываемый нами совместно ИКИ РАН (ГОИ им. С.И.Вавилова- в части криотелескопа и гелиевого криостата).

ИКОН комплектуется криообъективом «Асфар-22» (рис. 9), выполненном по схеме с переносом изображения. Для порогового значения чувствительности Р„ор=2-10-18 Вт/см2 в интервале длин волн 13-16 мкм температура охлаждения ФПУ потоком гелия составляет 10К, оптики 20К и бленды -60К. Охлаждение криообъектива, который окружает тороидальная емкость с 4Не, осуществляется радиационно, кондуктивным методом. В поле зрения объектива 2^=5 угл. град, качество изображения соответствует оптическому расчету. Материал криообъектива - алюминиевый сплав 1201.

Рис. 9. Криообъектив «Асфар-22» с контактно-радиационным теплоотводом

Разработка криотелескопа ГРОТ (НИИ электромеханики, ИКИ РАН, ГОИ им. С.И.Вавилова (в части криооптики) комплектуется криообъективом «Асфар-22» для эксперимента на ИСЗ «Электро» с радиационным охлаждением в течение 3-х лет на орбите Земли: объектив - до 120К, ФПУ - до 75К.

Для выравнивания неравномерности температур в формирующей оптике криотелескопа был предложен метод смешения тепловых потоков путем использования бифилярной намотки трубчатого теплообменника. Его ветви имеют контакт между собой и обе они - с корпусом объектива. Общий вид криообъек-тива с охладителем на основе бифилярной намотки показан на рисунке 10.

Рис. 10. Общий вид криообъектива с рекуперативным теплообменником на основе бифилярной обмотки

При теплопритоках к корпусу 3 Вт, расхода паров гелия 0,04 г/с, длине трубопровода 12 ми диаметре живого сечения 9 мм разница температур на концах корпуса объектива при однотрубной навивке и бифилярной отличается более чем на порядок, а в зависимости от величины теплопритоков к объективу и расхода криоагента эта разница может отличаться не менее, чем в 3-3,5 раза. Анализ теплового процесса, проведенный для данного случая при помощи разработанной тепловой модели, показывает, что отличие температур на концах корпуса объектива в (1 -3)К не приводит к расстраиваемости оптики и превышению уровня фона Такие теплообменники установлены на физической модели криотелескопа ТС 215-21 и другой криооптической аппаратуре.

К криотелескопам, устанавливаемых на ракетах-зондах с визированием объектов и окружающей обстановки в течение короткого времени, предъявляются жесткие ограничения по массе и энергопотреблению. В этой связи представляет большой интерес опыт разработки теплоинерционных (ТИ) ОЭП с оценкой длительности поддержания допустимых пределов рабочих температур. Исследования двух модификаций криотелескопов на основе объективов «Рефлектар-21» и «Рефлектар-12» с ТИ криостатированием могут при достижении заданных температурных режимов обеспечить их автономную работу на орбите длительностью до 5 минут. Результаты моделирования тепловых режимов ТИ ОЭП представлены в виде графиков и таблиц.

Расчетно-экспериментальные исследования криогенных методов понижения внутриприборного фона в различного типа криотелескопах показывают, что прогнозирование в них тепловых параметров при помощи модели «с сосредоточенными» параметрами воспроизводит близкое к реальному тепловое состояние ИК каналов.

В числе средств охлаждения ИК телескопов для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в настоящее время в нашей стране и зарубежом широко используются двухступенчатые системы теплоотвода. Первая ступень — это радиационный охладитель, сбрасывающий тепло от охлаждаемой энергоемкой оптики в окружающее пространство путем лучистого теплообмена. Вторая ступень - механокалорический охладитель, представляющий в большинстве случаев микрокриогенные системы (МКС) Стерлинга и Сплит-Стирлинга для отвода тепла от ФПУ.

Когда для получения пороговых сигнальных характеристик телескопа возникает необходимость в понижении уровня температуры всех лежащих в его поле зрения конструктивных элементов, включая теплоемкую оптику, радиационные системы для ее охлаждения становятся уже недостаточными из-за низкой хладопроизводительности в области температур ниже 200К. Применение малопроизводительных механокалоритических систем для охлаждения приемной оптики при невозможности снижения величины тепло-притоков к ней в условиях ограничений в энергопотреблении на космическом аппарате (КА) требует новых решений.

Результаты исследований показывают, что, если оптическую систему телескопа для ДЗЗ построить по схеме с переносом изображения, то, снижая кондуктивные и радиационные теплопритоки к фокальной части оптики, можно подвести их к уровню холодопроизводительности МКС, серийно выпускаемых промышленностью для температур 80-150К. При этом, температуру оптики удается оптимизировать таким образом, чтобы получить в итоге максимально допустимую для порогового сигнала фоновою засветку ИК ФЕТУ, а также эффективный радиационный и механокалоритический тепло-отвод, соответственно, от высокотемпературной приемной и низкотемпературной фокальной частей оптической системы.

В 4-ой главе представлены результаты исследований температурной стабильности оптической системы криотелескопа при различных регламентах его включения в режим сеансов наблюдения в условиях переменных по знаку тепловых нагрузок, при изготовлении криотелескопа из одного материала и разнородного материала, в том числе с рефрактивными оптическими элементами. Представлены графики временной зависимости температуры телескопа при отогреве приемной оптики Солнцем через радиационную панель, проводимом для регенерации криоосадка. За 6 часов температура корпуса с учетом парковки повышается на 100К, приемный телескоп — также на ~ 100К, а фокальный блок - на 15К.

На основании проведенных работ, о которых сказано в 4-ой главе, сделаны следующие выводы:

1. Разработана структура анализа и композиции низкофоновых (охлаждаемых) оптико-механических систем и оптико-электронных приборов на их основе, определяющая порядок взаимосвязанных и взаимодополняющих мероприятий, имеющих предварительную, текущую и заключительную формы в процессе от начала разработки до испытаний криооптических ОЭС и оптимизирующих энергозатратные параметры, условия обеспечения низкого уровня фоновой облученности ФПУ и условия сохраняемости качества оптики при криогенных температурах.

2. Разработан ряд новых схемотехнических решений криооптических ОЭС орбитальных телескопов кратковременного и длительного действия с оптимальными энергоресурсными параметрами на основе криообъективов «Рефлек-тар-12», «Рефлектар-21», «Рефлектар-31», «Рефлектар-9», «Асфар-22» и других.

3. Приведены результаты исследований схемотехнических решений и методов понижения уровня фоновой облученности ФПУ с использованием охлаждаемых фильтровых и внеапертурных ограничителей фона и глубоко-охлаждаемых оптических систем. Определено, что при использовании криогенных методов понижения уровня внутриприборного фона (охлаждение оптики) в сочетании с оптическими (оптические схемы с переносом изображения) создаются условия для достижения указанной цели при наибольшей энергетической эффективности криогенных систем теплоотвода.

4. Разработан и экспериментально подтвержден метод выравнивания температуры по длине объектива и бленды на основе рекуперативного бифи-лярного теплообменника. В отличие от него у обычных (однотрубных) теплообменников, как показали расчетные исследования и эксперимент, на концах охлаждаемого объекта (цилиндра) перепад температуры больше в раза. Разработана математическая модель для расчета теплоотвода от имитатора объектива с использованием бифилярного теплообменника. Метод би-филярной намотки теплообменников использован в разработках криообъек-тивов для телескопов и криооптики стендовых устройств.

5. Разработана криооптическая система телескопа «ИКОН» на основе глу-бокоохпаждаемого объектива «Асфар-22». Изучены условия обеспечения уровня фона для получения чувствительности телескопа 2-1 О*17 Вт/см2. Представлены результаты моделирования энергоресурсных параметров. Установлено, что ресурс работы криотелескопа «ИКОН» с учетом затрат гелия на защиту от криоосадков составит 6-7 месяцев при начальном запасе хладоагента 900 литров.

6. Установлена эффективность и целесообразность применения крио-объектива «Асфар-22» в криотелескопе «ГРОТ», охлаждаемом путем радиационного теплоотвода до 90К на космическом аппарате «Электро».

7. Разработана трехступенчатая система защиты криотелескопов типа ИКОН (на основе ресурсных емкостей с жидким криоагентом), позволяющая ослабить поток конденсирующихся частиц окружающих газов к приемному зеркалу до 200 раз (с учетом режима работы двигателей маневрирования и типа двигателей коррекции). При использовании неона в двигателях маневрирования в телескопах типа ИКОН это ослабление может увеличиться еще на 2-3 порядка.

8. Исследована эффективность, оптимизирована по энергоресурсным показателям и предложена дифференцированная (многоуровневая) система охлаждения бортовой ОЭС на основе криооптических систем с переносом изображения; радиационных и механокалорических контуров теплоотвода; взаимного экранирования контуров охлаждения от теплопритоков из внешней среды, оптимальных для КМ ПВФ; периодичности сеансов работы крио-телескопа, а также оптимизации его тепломеханической структуры. Представлены результаты исследований стабильности тепловых режимов криооп-тических ОЭС и результаты оптимизации методов удерживания качества изображения криооптики при переменных по знаку тепловых нагрузках на траектории полета криотелескопа.

9. Проведены исследования и предложен метод сохраняемости качества криооптических систем, в том числе из разнородных материалов в телескопах типа «Даль-ИК» в условиях переменных по знаку тепловых нагрузок для обеспечения высоких значений их пространственного и температурного разрешений в заданных расчетом допусках.

10. Предложен и исследован метод регенерации с охлажденной оптической поверхности криоосадков из частиц СВА путем отогрева, в том числе с

использованием солнечной энергии в криотелескопах на основе радиа-ционно-механокалорических средств охлаждения. Показаны временные параметры процесса, период которого может не превышать витка, например, для средств ДЗЗ.

Пятая глава посвящена рассмотрению криогенных методов имитации и анализа слабых потоков ИК излучения в наземных условиях. Главная особенность этих методов заключается в необходимости имитировать и одновременно измерять с высокой точностью очень слабые облученности ~(10"19-т-10"16) Вт/см2 в условиях оптического фона, пониженного на 7-5-8 порядков величины относительно фона Земли. Для исследования ИК криотелескопов тепловой фон в поле зрения приемника ИК излучения, например, в области (н-25 мкм не должен превышать что соответствует температуре всего, что

попадает в его поле зрения, ниже 20К. Точность поддержания этой температуры ±0,1 К. Однако тепловой фон в криогенно-вакуумных имитаторах космического пространства определяется, кроме температуры, суммарным действием таких факторов, как ее неравномерность, неполным экранированием холодных конструкций в криогенно-вакуумных камерах, дифрагирующими лучами полезного оптического сигнала, рассеянием на рабочих поверхностях оптики самих имитаторов и др. Воздействие этих факторов на суммарный фон приводит к тому, что «радиационная» температура окружающих элементов, измеренная по тепловому потоку на входном зрачке телескопа, не соответствует «термодинамической» температуре имитатора и оказывается всегда выше, т.к. она определяется кроме радиационных свойств окружающей ФПУ «обстановки», присутствием в канале рассеянного, дифрагированного и неучтенного излучения от незакрытых экранами источников.

В качестве устройства, регистрирующего интересующий нас спектральный интервал облученности входного зрачка криотелескопа, можно использовать болометр или набор ФЧЭ, например, из кремния и германия, легированных различными примесями, обеспечивающими спектральную чувствительность, например, в диапазоне 2-1-50 мкм. Попытка сближения радиационной и термодинамической температур в имитационно-измерительной криооптической установке ТС-215, где температура всех элементов в оптическом канале равнялась 26К, а радиационная температура, определенная по темновому сопротивлению отка-либрованного ФПУ составляла 110К, после выявления причин такого различия и их устранения позволила понизить значение последней лишь до 41К

Расчетное значение погрешности при определении на выходе имитатора теплового сигнала может достигать 30% и более из-за неопределенности значений ряда составляющих суммарной ошибки. Для получения значений тепловых сигналов малой величины в этом случае возникает необходимость в радиометрии облученности входного зрачка. Системный и метрологический анализ, а также предложенные нами технические решения выбранной компа-

раторной схемы низкофонового радиометра с модулированием теплового потока вращающимся обтюратором, имеющим кондуктивный теплоотвод при криогенных температурах, позволяет получить суммарную ошибку измерений потока ИК излучения: относительную 11,4% (без фильтров) и 14,6% (с 4-мя фильтрами) и среднеквадратическую, соответственно, 6,6% и 7,2%.

В обеспечение радиометрии, спектральной диагностики в заданной области длин волн на входном зрачке испытуемого криотелескопа представлены разработки криомонохроматора, радиометра и Фурье-спектрометра. Представлены результаты исследований тепловых режимов отдельных узлов и приборов в целом и обоснование возможности реализации глубокоохлаж-даемой метрологической аппаратуры с низким уровнем фона и высокой чувствительностью фотоприемников.

Создание низкофоновых (охлаждаемых) оптических систем и оптико-электронных приборов на их основе связано с проблемой обеспеченности их разработчиков банком данных о низкотемпературных физических характеристиках исполнительных элементов этой аппаратуры. По отношению к оптике, оптоэлектронике и электронике этот банк данных остается до настоящего времени крайне ограниченным. Это касается также температурной зависимости в области от 10 до 300К показателя преломления оптических материалов, коэффициентов рассеяния, коэффициентов излучения поверхностей, температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) оптических материалов, модуля упругости, адгезийных процессов при взаимосвязи материалов и др.

В настоящей работе были рассмотрены четыре первые из перечисленных задач, от которых зависит прежде всего перенос излучения в глубокоох-лаждаемых ИК каналах. Представленные ниже разработки и исследования, выполнены с использованием новых решений в развитие известных методов и аппаратуры для получения банка данных в области криогенных температур. Особенностью этих решений является необходимость создания адиабатических условий криостатирования образцов при исследовании их оптических характеристик с учетом требований к точности измерений и энергетической эффективности энергоемкой криогенной аппаратуры, а также их защиты от влияния внешних факторов (термонапряжений в криостатах, кинетических процессов, тепловых нагрузок на образец). Для известных схем гониометрического контроля показателя преломления п, дилатометрического контроля коэффициента линейного температурного расширения а разработаны и изготовлены экспериментальные установки, соответственно, ЭВ-205 и ЭВ-193 с адиабатическими камерами, где размещаются образцы в области температур Юч-ЗООК. Разработаны методы и изготовлены измерительные установки для исследований излучательной способности полусферической Еп, полусферически угловой Впервые открыта возможность пони-

зить температурный уровень исследования угловой направленной излуча-тельной способности Еу„ до гелиевых температур (криорадиометром типа ИС-110-02) с обеспечением высокой метрологической точности (не хуже 10% при ЮКи 7% при 80К), измеряя потоки на уровне 7-10"п-гЗ,2-10"8 Вт при чувствительности ФПУ -

Формирование тепловой структуры криооптических ОЭС основывается на соблюдении адекватности тепловых нагрузок в узлах ОЭС, соответствующих уравнению теплового баланса. Очевидно, что перед сборкой эти узлы должны быть подвергнуты входному контролю по характеристикам, исчисляемым десятыми долями Вт. Нами была разработана установка (калориметр) чувствительностью более, чем на два порядка выше этих величин (ЭВ-185) в том числе и для предприятия электронной промышленности. Фоновая нагрузка калориметра — 0,005 Вт.

Разработка в последние десятилетия низкофоновых имитационно-измерительных комплексов (ИИК) и установок, их исследование и дальнейшее развитие проводились в обеспечение нашей и других областей промышленности испытательной и исследовательской аппаратурой для контроля параметров выпускаемых ими низкофоновых ФПУ и криотелескопов в целом.

К числу первых ИИК такого типа следует отнести двухканальный ИК проектор ИС-55 с камерой для имитационной оптики и камерой для ФПУ. Оптика на основе ситалл-инваровой композиции объективов охлаждалась в среде сухого азота. Релаксация напряжений в оптике после выхода всего оптико-механического блока (ОМБ)массой 250 кг на заданный температурный уровень (120К и 173 К) продолжалась около 4-х часов. Об ее окончании свидетельствовало восстановление формы и размера пятна в канале точки, полученное в нормальных условиях сборки. При заведомо пониженном фоне в камере измерение чувствительности ФПУ в зависимости от уровня его фоновой облученности проводилось при одновременной работе канала точки и канала фона с ослаблением яркости интегральными и спектральными фильтрами и диафрагмами. Неоднородность температуры на ОМБ и в объеме камеры 1,5 м3 в установившемся тепловом режиме не превышала 0,8К, а в неустановившемся в период захолаживания благодаря турбулеризации среды в камере. В реальных условиях ОМБ криотелескопов и ИИК охлаждаются в вакууме не конвективным методом, а кондуктивным с непременными в начале градиентами температуры. Энергоемкость ИС-55 - 350 литров за 8 часов.

Все дальнейшие разработки ИИК велись в направлении сокращения их энергоемкости, исследования ФПУ и криотелескопов в вакууме (среде эксплуатации). Совсем коротко следует упомянуть о некоторых из них. В установке ТС-192 при температуре коллиматора 92К, криотелескопа 86К и ФПУ на основе примесного германия 8:10К чувствительность в последнем повы-

силась почти на 3 порядка с при комнатной тем-

БКБЛНОТЕКЛ СПетербург | ОЭ 300 № }

пературе. В установке ТС-215 фоновая засветка ФПУ осуществлялась с высокой равномерностью по полю управляемым по яркости полусферическим излучателем. Расчет показывает, что для полусферы диаметром 200 мм неравномерность освещенности в плоскости фотоприемника не будет превышать 0,1% по площади ФЧЭ 20x20 мм, что является достаточным для большинства ФПУ.

Вакуумно-криогенный стенд с оптическими имитаторами (стенд ВКС-ОИ), созданный также, как и остальные ИИС при непосредственном участии автора, с криокамерой объемом 120 м3, температурой внутренних экранов 20К, средствами криоконденсационной откачки при ЗК затрачивает мощность - около 1,0 МВт. В камере располагается три имитатора световых сигналов: точки, Земли и Солнца Этот энергоемкий имитатор, расположенный на площади 9000м2, может обеспечить испытания криотелескопов с входным зрачком от 300 до 900 мм.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что при всех уникальных возможностях стенда пороговую чувствительность ГОЭС на нем можно контролировать с наибольшей степенью достоверности лишь при включенном канале точки (при условии соответствия радиационной и термодинамической температур внутри камеры и оптики). При работе имитаторов Солнца и Земли этого произойти не может.

Близкий по энергетическим показателям к ВКС-ОИ проект стенда ОКМС (оптико-криогенный многоканальный стенд) по функциональным возможностям более совершенен ввиду следующего: в нем одновременно могут происходить тестовый контроль четырех ОЭС криотелескопов с входным зрачком от 80 до 380 мм. При этом ведется радиометрирование и спектральный анализ ИК излучения, направленного во входные зрачки оптико-электронных систем. Энергетическая эффективность у ОКМС была бы выше, чем у ВКС-ОИ, если бы выпуск имел серийный характер. Но по числу функций последний уступает ОКМС.

Тенденция к уменьшению энергоемкости, габаритов камер стала актуальной, в том числе зарубежом.

Так, решая вопросы испытаний элементов оптики и объектив в целом для криотелескопа 81ЯТР, в России (на стенде ОКБС-12, разработанном автором и созданном в ГОИ им.СЛ.Вавилова) и в США (на стенде лаборатории реактивной динамики в гЛасадена) диаметр рабочей части камер стендов, построенных независимо и почти одновременно, был выполнен близким к диаметру этого телескопа. Отличием лишь было горизонтальное (в ГОИ) и вертикальное (в 1РЬ) их расположение.

Сформировавшиеся на основании эволюции разработок низкофоновых (глубокоохлаждаемых) оптико-электронных систем телескопов представление о методах их тестирования, востребованности в каждом случае той или иной комплектации ИИК; анализа научно-технической и экономической эффективности этих сложных в устройстве, строительстве и эксплуатации комплексов; анализа

перспективы развития научных исследований в ИК диапазоне спектра — привели к необходимости пересмотра подходов в создании ПИК. Результатом этого явилась разработка имитационно-измерительного комплекса ИС-111, выполненного в виде интегрированных вакуумных криооптических модулей.

Привлекательная особенность ИС-111 - широкий перечень функциональных возможностей, реализация которых требует изначально малых капитальных, а затем незначительных эксплуатационных затрат по сравнению с известными отечественными и зарубежными аналогами.

По совокупности функциональных возможностей тестирования, методических интерпретаций имитационных и диагностических операций, технических и эксплуатационных характеристик ИИК ИС-111 в наибольшей степени совершенен в сравнении с ранними разработками ИИК, что следует из сопоставительного анализа параметров контрольно-испытательных средств, приведенного в 5-ой главе.

Для сравнения с ИС-111 отметим, что ВКС-ОИ при диаметре коллими-рованного пучка от 300 до 1000 мм имеет емкость камеры 120 м3. Модульная сборка функциональных систем комплекса ИС-111 позволяет уменьшить объем камеры с коллиматором и поворотным зеркалом до 1,4 м3 при диаметре коллиматора 400 мм и до 6,5 м3 при диаметре коллиматора 1000 мм. В этом случае занимаемая площадь, энергопотребление, численный состав обслуживающего персонала радикально отличаются в пользу ИС-111 (в 5^-40 раз). В устройстве ИС-111 сконцентрирован опыт приобретенный эволюционным путем в перечисленных разработках, в том числе, опыт уменьшения разницы между радиационной и термодинамической температурами оптического канала.

На основании результатов, полученных в пятой главе сделаны следующие выводы:

1. Определены криооптические методы выделения и анализа слабых потоков ИК излучения в замкнутых объёмах имитаторов космического пространства. Установлены причины и степень возможного несоответствия параметров этих потоков реальным (для открытого пространства), а также методы и средства уменьшения степени этого несоответствия.

2. Предложен эмпирический метод оценки соотношения радиационной и термодинамической температур фона, в основе которого лежит определение его уровня тестированием по эталону облученности - которым может быть откалиброванный при гелиевой температуре полостной болометр или ФЧЭ из примесных материалов.

3. Доказано, что относительная и среднеквадратическая погрешности у криорадиометров с обтюрированием светового пучка при постоянной скорости вращения обтюратора в три раза выше, чем у радиометров с поворотным модулирующим зеркалом. Предложен и испытан метод непрерывного охлаж-

дения вращающегося обтюратора в вакууме на основе планетарного вращения диска и кондуктивного теплоотвода от него через гибкий холодопровод.

4. Предложены основные пути развития исследований в области криооп-тики. Разработаны криомонохроматор СП-232, криооптический Фурье-спектрометр ИФ-220, криорадиометр ИС-110-2, криофизические установки для измерения оптических и теплофизических характеристик поверхностей и материалов в области криогенных температур ЭВ-185, ЭВ-193, ЭВ-195 и др. Разработаны методы обеспечения адиабатических условий содержания образцов при исследовании этих характеристик Впервые на основе методов криооптики открыта возможность измерения угловых направленных радиационных характеристик (коэффициентов излучения) поверхностей при температурах, близких к гелиевым. Установки спроектированы. Часть проектов реализована.

5. Представлен ряд новых разработанных и введенных в эксплуатацию имитационно-диагносгических комплексов для выделения слабых (до 10"18ВУсм2) потоков ИК излучения: ИС-55, ЭВ-185, ТС-192, ТС-215, ОКВС, ИС-111 и др. Разработан новый метод формирования имитационно-испытательных комплексов для низкофоновых (глубокоохлаждаемых) ИК телескопов — метод модульной интеграции отдельных функциональных криооптических систем стендового оборудования применительно к конкретной задаче испытаний ОЭА. Он позволяет радикально (до двух порядков величины) снизить капитальные и эксплуатационные затраты при создании ИИК по сравнению с известными устройствами такого типа, имеющими аналогичные технические и методические возможности.

В заключение работы еще раз перечислены выводы, сделанные в конце каждой главы. На основании этих результатов можно сделать краткое заключение по всей работе.

1. Выполнен комплекс исследований проблем системной реализации криогенных методов понижения внутриприборного фона при устройстве и тестировании сверхчувствительных оптико-электронных средств ИК телескопов космического базирования с учетом установленных критериев эффективности этих методов.

2. В результате проведенных исследований разработаны основные принципы построения криооптических систем телескопов, а также новых схемных решений систем теплоотвода от объективов и ФПУ; разработана структура расчетно-теоретических подходов построения криооптических ОЭС, имитационных комплексов для их тестирования и наземной отработки сквозных характеристик каналов обнаружения слабых ИК сигналов; предложены методы измерений отличия термодинамической и эффективной радиационной температур внутриприборного фона в поле зрения фотоприемных устройств; найден способ уменьшения погрешности при радиометрических измерениях слабых потоков ИК излучения; на основании исследований опробованы методы прогнозирования, сведения к минимуму и предупреждения

воздействий термических и кинетических факторов на сохраняемость качества изображения оптических систем в условиях глубокого охлаждения в вакууме; открыты на основе метода криооптики пути расширения температурных границ проведения физического эксперимента в области физики низких температур и, в частности, оптических констант, при криогенных температурах; получены экспериментальные данные, в том числе в области оптики конденсированных сред такие, как показатель преломления, плотность и др.

3. На основе разработанных методов и проведенных расчетно-теоретических исследований по созданию криооптических систем проведена разработка ряда физических моделей и экспериментальных образцов принципиально новых средств охлаждения криотелескопов космического базирования, разработаны и приведены в действие достаточный ряд имитационно-испытательных установок и комплексов.

4. Исследования криооптических ИК телескопов и построенных имитационно-испытательных комплексов, проведенные при. непосредственном участии автора, подтвердили правильность заложенных принципов и соответствие этой аппаратуры техническим требованиям.

5. Разработан метод построения имитационно-испытательных средств с полным перечнем функциональных систем, позволяющий на порядки сократить капитальную и эксплуатационную стоимость при их использовании по сравнению с известной аппаратурой аналогичного типа.

6. Оригинальность предложенных методов и схематических решений ИК криооптической аппаратуры подтверждена рядом авторских свидетельств, основные положения работы отражены в публикациях и докладах на российских и международных конференциях.

Перечисленные выводы подтверждают готовность научного и технического задела методов криооптики к широкому приложению для создания и развития низкофоновых систем ИК телескопов космического базирования в интересах различных направлений народного хозяйства, науки и двойных применений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Олейников Л.Ш., Глазунов В.Д., Чулков М.М. Зеркальное отражение подложки с криослоем кислорода, воздуха, аргона и неона в вакууме // Журнал технической физики. -1990. -т 60, № 3. - С.181-187.

2. Любарский СВ., Олейников Л.Ш., Григорьев В.Б., Чулков М.М., Шны-рев А.Д. Термооптический стенд для тестирования крупногабаритной оптики в условиях глубокого охлаждения в вакууме // Оптический журнал. - № 8. -1997. - С.20-23.

3. Олейников Л.Ш., Глазунов В.Д. Установка для определения плотности криоосадков. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Общая и ядер-

ная физика. - M.: ЦНИИТЭИ по атомной науке и технике. — 1984. — вып. 1(26).-С.10-16.

4. Балаков В.В., Олейников Л.Ш., Глазунов В.Д., Чулков М.М. Зеркальное отражение подложки с криослоем азота в вакууме // Журнал технической физики. - 1984. - т.54, №11.- С.2206-2211.

5. Криооптические системы // Отчет ВНЦ ГОИ им.С.И.Вавилова. - СПб.: Инв.№2622.-1993.-156с.

6. Oleinikov L.Sh. and Glazunov V.D. Characteristic features of scattering of radiation by N2, O2, Ar, Ne and air particles condensed at a mirror surface. // SPIE.-1993.-vol.l991.-P.217-218.

7. Олейников Л.Ш., Глазунов В.Д., Чулков М.М., Григорьев В.Б. Распределение плотности молекулярного потока в имитаторе бленды глубокоох-лаждаемого радиометра// Оптический журнал. —1993. — № 1. - С.30-34.

8. Олейников Л.Ш., Шнырев А.Д., Глазунов В.Д., Бакуев А.А., Чулков М.М. Способ измерения плотности молекулярного потока газа в вакуумной системе // Авторское свидетельство СССР № 1241863, МКИ G01 25/14.-1986.- Зс.,ил.

9. Oleinikov L. Sh. Modelling of threshold condition for scattering and absorption of radiation by mirror surfaces with condensed layers of residual gas particles // Proc. SPIE. - 1993. - vol.1991. - P.215-216.

10. Олейников Л.Ш., Глазунов В.Д., Чулков М.М. Модель процесса загрязнения приемного зеркала глубокоохлаждаемого телескопа остаточными газами в вакууме // Оптический журнал. - 1993. - №4. — С.34-38.

11. Олейников ЛЛ1., Балаков В.В., Смолянский Б.Е. и др. Криогенная установка для тепловизора // Авторское свидетельство СССР № 372550, МКИ GO5d 23/30. - 1972. - 5с, ил.

12. Олейников ЛЯП, Зима ВЦ, Бакуев АА.и др. Упругая теплоизоляционная опора//Авторское свидетельство СССР № 1195177, МКИ F28f 9/00, F161 51/00.-1985.-За,ил.

13. Олейников Л.Ш., Зима В.Н., Бакуев АА.И др. Теплоизоляционная опора // Авторское свидетельство СССР № 997100, МКИ G12b 1/00. - 1982. -За, ил.

14. Олейников Л.Ш., Зима В.Н., Шнырев А.Д., Глазунов В.Д.и др. Устройство для охлаждения объектов // Авторское свидетельство СССР № 1329310, МКИ F28d 7/08. -1987. -За, ил.

15. Олейников Л.Ш., Трунева Е.В. Выравнивание температурного поля криоповерхностей в вакуумных устройствах // Тезисы докладов V Всесоюзной конференции «Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума». -Л.: Изд. НТО Приборпром. -1985. - С.82-83.

16. Бойцев А.В. Олейников Л.Ш., Сергеев А.О., Сигалов А.В., Ханков СИ. Оптимизация теплового режима криостата // Известия ВУЗов. Приборостроение. - T.XXIX, № 12. - С.78-81.

17. Бойцев А.В. Олейников Л.Ш., Глазунов ВД., Ханков СИ. Математическое моделирование переходных и установившихся тепловых режимов глубокоохлаждаемых оптико-электронных приборов // Отраслевой сборник. - Серия X, № 4. -1989. - С.44-48.

18. Горянкин Г.С, Денисов Р.Н., Ермаков Б.А., Маркин В.А., Олейников Л.Ш., Останин В.И. Криооптические системы // Оптический журнал. -

1994.-№1.-С.71-75.

19. Исследование возможности создания оптико-криогенного блока телескопа «ИКОН» // Отчет ВНЦ «ГОИ им. СИЗавилова». - 1994. - Инв. № 2623.-60с.

20. Шоломицкий Г.Б., Маслов И.А., Олейников Л.Ш., Останин В.И., Лебедева Г.И. и др. Инфракрасный обзор неба с широкоугольным охлаждаемым телескопом на солнечно-синхронном ИСЗ «НИКА-И» (Проект ИКОН). - М.: ИКИ РАН. - 1995. - 56с.

21. Sholomitskii G. В., Maslov I. A., Kazakova A. E., Kozlov V. D., Stratilatov N. R., Denisov R. N., Oleinikov L. Sh., Svitashev K. K., Shumskii V. N. IKON: the project of the infrared sky survey on board the sun-synchronous satellite NIKA -1 // SPIE. - 1995. - vol.2480. - P.257-268.

22. Maslov I. A., Sholomitskii G. В., Kuznetsov A. E., Patrashin M. A., Oleinikov L. Sh. Imaging telescope — spectrometer for sky survey // SPIE. -

1995. - vol.2480. - P.248-256.

23. Олейников Л.Ш., Соболев В.Г., Лебедева Г.И., Зверев В.А., Глазунов В.Д., Шоломицкий Г.Б., Маслов И.А. Криообъектив для инфракрасной астрономии // Оптический журнал. - 2002. - т. 69, № 2. - С.44-49.

24. Олейников Л.Ш., Полушкин Ю.И. Спектральное поглощение и термостойкость покрытий из эмали КО 818 // Оптико-механическая промышленность. - 1985. - №8.- С.33-35.

25. Маслов И.А., Артамонов В.В., Микиша A.M., Олейников Л.Ш., Смирнов М.А. Геостационарный радиационно-охлаждаемый телескоп (ГРОТ) // Тезисы докладов Всероссийской астрономической конференции. - С-Петербург. - 2001. - С. 122-124.

26. Абросимов А.И., Артамонов В.В., Маслов И.А., Микиша А.М., Олейников ЛЛ1., Смирнов МЛ., Тихонов А.С, Шоломицкий Г.Б. Геостационарный радиационно-охлаждаемый телескоп (ГРОТ) // Космонавтика и ракетостроение. - 2000. - № 18. - С.90-98.

27. Бойцев А.В., Алексеев Ю.В., Олейников Л.Ш., Ханков СИ. Тепловое проектирование оптико-электронных приборов с теплоинерционным криостатированием // Отраслевой сборник. — 1989. - № 6. - С. 11-15.

28. Олейников Л.Ш., Захаренков В.Ф., Алексеев Ю.В., Григорьев В.Б. Снижение энергоемкости системы глубокого охлаждения // Известия ГУ НТПТ (СПб). - 2003. - №3. - С.91-96.

29. Гоголев Ю.А., Олейников Л.Ш., Останин В.И., Алексеев Ю.В., Грамма-тин А.П., Григорьев В.Б., Каменев А.А., Хвацкий Е.И. Оптико-электронные системы ИК диапазона на основе охлаждаемой оптики для дистанционного зондирования Земли // Труды П Международной конференции выставки «Малые спутники. Новые технологии ...... Раздел:

«Бортовая аппаратура МКА. Оптико-электронная аппаратура». - г. Королев. - май-июнь 2000. - С. 182-189.

30. Oleinikov L. Sh. Design specificity of optic and electronic systems for space-based telescopes with high temperature resolution for monitoring the Earth // Proceeding Korea-Russia science and technology seminar. - St Peterburg. -august 2003.-P.5.

31. Шнырев А.Д., Линский Б.М., Эльдаров Ф.Г., Олейников Л.Ш., Спинко Н.В. Модель абсолютно черного тела //Авторское свидетельство СССР № 1396732, МКИ 4 G01 J5/52. -1988. - 2с, ил.

32. Олейников Л.Ш., Полушкин ЮЛ. Спектральное поглощение и термостойкость покрытий из эмали КО 818 // Оптико-механическая промышленность. -1985. - №8. - С.33-35.

33. Олейников Л.Ш., Артюх ЕЛ., Глазунов ВД, Авраменко ВВ. Установка для охлаждения образцов при дилатометрических измерениях в области температур 1О:400К // тезисы докладов 3-го Всесоюзного Совещания «Методы и приборы для точных дилатометрических исследований материалов в широком диапазоне температур». - Л.: ВНИИ М. —1984. - С.46-47.

34. Олейников Л.Ш., Балаков В.В., Глазунов В.Д., Галяткина С.Н. Излуча-тельная способность некоторых материалов в интервале температур (60Л-280)К // Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции по криогенной технике. - Балашиха Моск.обл.: Изд.НПО «Криогенмаш». - 1982. -С.94-95.

35. Олейников Л.Ш., Полушкин ЮЛ. Спектральное поглощение и термостойкость покрытий из эмали КО-818. Тезисы докладов на II Всесоюзном семинаре «Тепловые приемники излучения». - Л.: Изд. ГОИ им.С.И.Вавилова. - 1980. - С.165-166.

36. Черняк О.В., Балаков ВВ., Олейников Л.Ш., Павлов Ю.А. Регулятор уровня сжиженных газов //Авторское свидетельство СССР №620946, МКИ G05 d9/02. -1978. - 3 стр., ил.

37. Черняк О.В., Олейников Л.Ш., Павлова Е.К. Автоматическая система охлаждения приемников излучения с помощью криогенной жидкости // Оптико-механическая промышленность. - 1980. - №4. - С.55-56.

38. Захаренков В.Ф., Балаков Б13., Титов Ю.С., Олейников ЛЛ1., Дружинин Э.С и др. Двухканальный ИК проектор с низким уровнем собственного фона // тезисы докладов Всесоюзной конференции. Современная и прикладная оптика и оптические приборы. - Л: ЛИТМО. -1975. -ч.Ш. - СЛ51-153.

39. Олейников Л.Ш., Балаков В.В., Дружинин Э.С, Титов Ю.С., Захаренков В.Ф., Крупальников А.Ф., Миневрина Н.Р. Устройство для термостати-рования оптической и оптико-электронной аппаратуры // Авторское свидетельство СССР №435508, МКИ 005ё 23/30. -1974. - 3 стр., ил.

40. Балаков В.В., Олейников Л.Ш., Косарев А.А., Захаренков В.Ф., Дружинин Э.С, Титов Ю.С., Талапов Ф.И., Галяткин И.А. Устройство для испытания приемников излучения // Авторское свидетельство СССР №653990, МКИ ООЩ 5/20. - 1977. - 5 стр., ил.

41. Дружинин Э.С, Белотелова К.Н., Моисеева ЕЖ, Захаренков В.Ф., Олейников Л.Ш., Титов Ю.С и др. Сканирующее устройство // Авторское свидетельство СССР №533835, МКИ ООЩ 3/06. -1973. - 2 стр., ил.

42. Глазунов В.Д., Маркин В.А., Олейников Л.Ш. Устройства для исследования ИК-приборов при низком уровне радиационного фона // Оптический журнал. - 1995. - №7. - С.36-39

43. Иванов В.И., Шнырев А.Д., Олейников Л.Ш. Способ криооткачки // Авторское свидетельство СССР №1439279, МКИ Б04Ъ 37/08. - 1987. -2 стр., ил.

44. Шнырев А.Д., Шеволдин В.А., Дундин П.И., Олейников Л.Ш. Крио-генно-вакуумный имитационный стенд фоноцелевой обстановки // Отраслевой сборник, серия X. — 1990. — №5. - С. 17-21.

Подписано в печать 16.06.2004 г.

Формат 60 х 84 1/16. Объем 1,5 пл.

Тираж 100 экз. Заказ № 7/11

Отпечатано в издательстве «Геликон Плюс» 199053, Санкт-Петербург, В. 0.1-ая линия, д. 28. Тел.: (812) 327-46-13

» 1700 1

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Граничные условия эффективности криогенных методов понижения внутриприборного фона в инфракрасных телескопах космического базирования и наземных имитационно-испытательных комплексах

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

1.2. Анализ методов понижения внутриприборного фона в известных ИК телескопах космического базирования для дистанционного зондирования Земли

1.3. Дестабилизирующие процессы, сопутствующие понижению внутриприборного фона в криооптических ИК оптико-электронных систем

1.4. Особенности методов понижения внутриприборного фона в инфракрасных системах известных имитационно-испытательных комплексов

1.5. Постановка задач исследований

Выводы

Глава 2. Термомеханические и релаксационные процессы в оптических системах в переходных и установившихся режимах глубокого охлаждения и отогрева

2.1. Особенности термомеханических процессов в криооптике

2.2. Термомеханические и релаксационные процессы в криооптических системах

2.2.1. Основные концепции построения моделей термомеханических и релаксационных процессов в криооптических системах

2.2.2. Исследование напряжений и перемещений в механически и термически нагруженных элементах криооптики

2.3. Отработка метода и экспериментальных средств исследования релаксационных процессов в криооптических системах с использованием сдвиговой интерферометрии

2.4. Термомеханические колебания приемного зеркала криообъектива, обусловленные взаимодействием с набегающим потоком частиц разреженной атмосферы

2.5. Проблемы оптимизации точностных и термических характеристик криооптических оптико-электронных систем на основе разнородных материалов в конструкции объективов

Выводы

Глава 3. Пороговые характеристики кинетических процессов в криооптических оптико-электронных системах

3.1. Разработка требований к методам и аппаратуре для исследований свойств оптических поверхностей со слоями конденсатов с учетом анализа известных в этой области работ

3.2. Методы, средства и результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей физических свойств криоконденсатов газов и системы «конденсат-зеркало»

3.3. Теоретическое и экспериментальное определение распределения плотности молекулярных потоков в бленде глубокоохлаждаемого телескопа

3.4. Модель условий сохраняемости качества оптической поверхности в процессе конденсации на ней частиц остаточной атмосферы ф 3.5. Метод и средства исследования температурной зависимости индикатрис рассеяния (двунаправленного отражения) поверхности с криоконденсатом из частиц окружающей атмосферы

3.6. Методы эффективного сдерживания криозагрязнений оптики и восстановление ее первичных оптических констант

Выводы

Глава 4. Принципы построения низкофоновых ИК телескопов космического базирования на основе моделирования криооптических систем с кондуктивно-радиационным и конвективным теплоотводом

4.1. Результаты исследований схемотехнических решений и энергоресурсных параметров глубокоохлаждаемых ИК телескопов кратковременного и длительного орбитального базирования

4.1.1. Методы проектирования низкотемпературных фокальных узлов телескопов на основе сублимационных охладителей с фильтровым и внеапертурным ограничением фона

4.1.2. Методы выравнивания температурного поля в оптике криотелескопов

4.1.3. Математическое моделирование переходных и установившихся тепловых режимов глубокоохлаждаемых телескопов с кондуктивными и конвективными средствами теплоотвода

4.1.4. Криотелескоп ИКОН: оптимизация фоновых (температурных) и энергетических характеристик

4.1.5. Криообъектив «Асфар-22» в составе радиационно-охлаждаемого телескопа ГРОТ

4.1.6. Методы разработки оптико-электронных систем телескопов с теплоинерционным криостатированием

4.1.7. Методы снижения энергоемкости системы глубокого охлаждения криотелескопов низкоорбитального базирования

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

4.2.1. Устойчивость плоскости наилучшего изображения в криотелескопе на основе однородного теплопроводного материала

4.2.2. Устойчивость плоскости наилучшего изображения криотелескопа, выполненного на основе разнородных материалов

4.3. Сохраняемость качества изображения криооптической системы телескопов для дистанционного зондирования Земли в условиях конденсации частиц собственной внешней атмосферы

Выводы

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

5.1. Физические особенности методов имитации и выделения слабых потоков

ИК излучения в наземных условиях

5.1.1. Методы выявления несоответствия радиационной и термодинамической температур при имитации теплового фона

5.1.2. Способы повышения метрологической точности измерений имитируемых слабых потоков ИК излучения

5.1.3. Выбор и оптимизация светоэнергетических характеристик криооптических ИК радиометров на основе компараторных

5.2. Методы и глубокоохлаждаемая аппаратура для исследований физических свойств материалов, необходимых при обосновании решений построения низкофоновых оптико-электронных систем и имитационно- 284 испытательных комплексов

5.2.1. Универсальный источник слабых ИК сигналов на основе криомонохроматора

5.2.2. Высокочувствительный низкофоновый ИК радиометр на основе компараторной схемы контроля облученности входного зрачка глубокоохлаждаемых оптико-электронных систем

5.2.3. Метод и средства спектральной диагностики слабых потоков ИК излучения в интервале спектра 2-40 мкм

5.2.4. Методы и аппаратура для исследований низкотемпературной зависимости оптических свойств поверхностей и сред и теплоф изических характеристик материалов для криооптических систем

5.2.4.1. Метод и аппаратура для обеспечения адиабатического состояния исследуемых образцов в области криогенных температур в вакууме

5.2.4.2. Высокочувствительные методы и аппаратура для исследования коэффициентов излучения низкотемпературных поверхностей и тел

5.2.5. Высокочувствительная аппаратура для контроля тепловых параметров отдельных узлов низкофоновых криооптических оптико-электронных систем

5.3. Принципы построения новых имитационно-испытательных средств контроля радиометрических, спектральных и пространственных характеристик глубокоохлаждаемых оптико-электронных систем

Выводы

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.), S1RTF (США, 2003г.) с оптическими схемами Кассегреиа 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 Мирошниковым М.М., появились новые системные предложения В.И.Останина и 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 1018 Вт при фоновом потоке

10-8^10-Ю фот/см2

•сек в области спектра (2-ь25)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 в 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 иммитационно-испыгательных 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 малоградиентном (по температуре) теплоотводе в процессе захолаживания объективов, использовании термоциклированных металлооптических элементов термодеформации в криообъективах сохраняют догистерезисный характер.

• Предложены для криотелескопов энергосберегаюпще 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 6т40К 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 принципы 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 и 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. С.И.Вавилова», 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.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязи параметров собственной внешней атмосферы космического аппарата со стабильностью оптических свойств приемного зеркала объектива.

2. 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.

3. Метод ослабления охлажденной блендой молекулярного потока из собственной внешней атмосферы космического аппарата к приемному зеркалу криообъектива, как одно из средств защиты оптики от криозагрязнений.

4. 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.

Выводы

1. Определены криооптические методы выделения и анализа слабых потоков ИК излучения в замкнутых объёмах имитаторов космического пространства Установлены причины и степень возможного несоответствия параметров этих потоков реальным (для открытого пространства), а также методы и средства уменьшения степени этого несоответствия.

2. Предложен эмпирический метод оценки соотношения радиационной и термодинамической температур фона, в основе которого лежит определение его уровня тестированием по эталону облученности — которым может быть откалиброванный при гелиевой температуре полостной болометр или ФЧЭ из примесных материалов.

3. Доказано, что относительная и среднеквадратическая погрешности у криорадиометров с обтюрированием светового пучка при постоянной скорости вращения обтюратора в три раза выше, чем у радиометров с поворотным модулирующим зеркалом. Предложен и испытан метод непрерывного охлаждения вращающегося обтюратора в вакууме на основе планетарного вращения диска и кондуктивного теплоотвода от него через гибкий холодопровод.

4. Предложены основные пути развитая исследований в области криооптики. Разработаны криомонохроматор СП-232, криооптический Фурье-спектрометр ИФ-220, криорадиометр ИС-110-2, криофизические установки для измерения оптических и теплофизических характеристик поверхностей и материалов в области криогенных температур ЭВ-185, ЭВ-193, ЭВ-195 и др. Разработаны методы обеспечения адиабатических условий содержания образцов при исследовании этих характеристик. Впервые на основе методов криооптики открыта возможность измерения угловых направленных радиационных характеристик (коэффициентов излучения) поверхностей при температурах, близких к гелиевым. Установки спроектированы. Часть проектов реализована

5. Представлен ряд новых разработанных и введенных в эксплуатацию имитационно-диагностических комплексов для выделения слабых (до Ю-18 Вт/см2) потоков ИК излучения: ИС-55, ЭВ-185, ТС-192, ТС-215, ОКВС, ИС-111 и др. Разработан новый метод формирования имитационно-испытательных комплексов для низкофоновых (глубокоохлаждаемых) ИК телескопов - метод модульной интеграции отдельных функциональных криооптических систем стендового оборудования применительно к конкретной задаче испытаний ОЭА. Он позволяет радикально (до двух порядков величины) снизить капитальные и эксплуатационные затраты при создании ИИК по сравнению с известными устройствами такого типа, имеющими аналогичные технические и методические возможности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге выполненной работы представлены основные результаты, отражающие реализацию поставленных в ней целей и задач.

• Определены критерии эффективности криогенных методов понижения внутриприборного фона (КМ ПВФ) в ИК оптико-электронных средствах и имитационных наземных комплексах. Критерии КМ ПВФ, будучи физически взаимосвязанными, устанавливают степень совершенства низкофоновой ИК аппаратуры в части сближения термодинамической и эффективной радиационной температур фона в поле зрения ФЧЭ, сохраняемости качества оптики в криогенных условиях, уровня энергоресурсных показателей криотелескопа в целом. Поставлены задачи исследований в диссертационной работе.

• Установлено, что в соответствии с зависимостью обнаружительной способности от температуры фона и длины волны рабочего интервала спектра в астрофизических телескопах КМ ПВФ могут оставаться эффективными и достаточными лишь при работе в ИК диапазоне до 40*50 мкм. В более длинноволновой и субмиллиметровой области спектра достижение эффективности КМ ПВФ и требуемого уровня фона может был. обеспечено при их компромиссном сочетании с оптическими методами ПВФ.

• Выделены основные негативные факторы, сопутствующие глубокому охлаждению оптических систем: термодеформационный в переходном и установившемся тепловых режимах работы криотелескопа и молекулярно-кинетический (конденсация частиц собственной внешней атмосферы (СВА) на рабочих поверхностях оптики) в режиме наблюдения объектов. Показано, что проводимые ранее исследования, направленные на изучение большого спектра низкотемпературных физических процессов, входящих в каждый из этих факторов, и на предупреждение их влияния на эффективность КМ ПВФ и работу криотелескопов в целом носят фрагментарный характер.

• Показано, что универсальность имитационно-испытательных комплексов в части имитации слабых, разнояркостных и разноцветных ИК сигналов, а также их радиометрической и спектральной диагностики, воспроизведений сюжетов фоноцелевой обстановки и др. до сих пор требовала крупнообъемные имитаторы космического пространства (криовакуумные камеры большой емкосда) и соответствующее по производительности и энергопотреблению вакуумное и криогенное оборудование.

Разработаны низкотемпературные методы контроля и экспериментальные криогенные установки для измерения качества глубокоохлаждаемых объективов и крупногабаритных зеркал на основе МСИ, благодаря которым проведены испытания ряда криообъективов и элементов, в том числе тестового зеркала из карбида кремния диаметром 930 мм в области гелиевых температур для контрольной схемы испытаний криотелескопа SERTF в стенде Лаборатории реактивной динамики (США).

Установлено, что в криообъективах, охлаждение оптических элементов которых осуществляется кондуктивно-контактным и радиационным методами в вакууме при заданной интенсивности теплоотвода и вследствие конечной величины теплопроводности материалов оптики, а также зависимости их физических свойств от температуры, неизбежно возникают градиентные поля температур, напряжений и перемещений с затухающим разбросом значений этих параметров в пусковом режиме охлаждения. Доказано на примере телескопа ТС-229, что в криообъективе, изготовленном из одного материала, положение фокальной плоскости после выхода на заданный температурный уровень восстанавливается на расчетном для криогенного состояния отрезке, что с достаточной степенью приближения прогнозируется численным методом при моделировании термодеформаций. Экспериментально установлено, что в структуре реальных криообъективов (например ТС-229, ТС-271 и др.), где в принципе исключена возможность резкого изменения температуры при неоднократном охлаждении и нагреве зеркал и механических узлов, прошедших, как правило, регламентное термоциклирование при изготовлении, гистерезисные явления не наблюдаются: оптические элементы сохраняют воспроизводимость формы поверхности (в криогенных и комнатных условиях), но отличаются из-за изменения линейных размеров в этих условиях по качеству изображения. Показано, что при прогнозировании качества криооптики путем численного моделирования ее характеристик на основе квазистатического и динамического подхода с использованием не до конца достаточных справочных данных, полученных часто на один-два порядка величины ниже требуемых в оптике, право на окончательное определение реального характера ее поведения и параметры при температурных переходах и в состоянии низких температур следует оставлять за физическим экспериментом и высокоточными методами оптического контроля. Экспериментально подтверждено, что в криооптических системах, функционирование которых обеспечивают близко расположенные источники вибраций от работы средств вакуумирования и криогенерагоров, наиболее эффективным для исследования волнового фронта в динамическом и установившемся режимах охлаждения является метод сдвиговой интерферометрии (МСИ).

Изучено влияние на стабильность формы приемного зеркала низкоорбитального криотелескопа при тепловом воздействии - соударении его рабочей поверхности с направленным потоком частиц разреженной атмосферы. Установлено, что различные гармоники колебаний зеркала в этом случае могут иметь амплитуду, превышающую значение допуска на отступление от формы зеркальной поверхности, определенной оптическим расчетом.

Разработана теория взаимосвязи параметров, характеризующих свойства конденсированных в вакууме газов и условия их образования с контролируемыми и управляемыми при криостатировании оптики давлением остаточной среды, температурой оптики, временем криостатирования и др. Разработана математическая модель условий сохраняемости качества криооптической поверхности в условиях конденсации на ней частиц остаточных газов в окружающем пространстве. Модель учитывает природу газа, температуру оптической (зеркальной) поверхности, длину волны излучения, пороговую толщину слоя конденсата, время накопления слоя, а также факторы ослабления молекулярных потоков, направленных в сторону криооптической поверхности, которые определяются в своей основе кинетической теорией газов. Разработана методика расчета условий сохраняемости качества криооптической поверхности.

Экспериментально определены и исследованы температурные зависимости показателя преломления, плотности, массовой и линейной скорости роста слоя конденсированных в вакууме и не поглощающих излучение газов космического пространства: N2, О2, воздуха, Аг и Ne в области температур 633 К. Показано, что все эти параметры монотонно изменяются и имеют максимумы внутри указанных температурных границ.

Экспериментально определены и исследованы зависимости направленной отражательной способности p'=f(TK,8,A.) системы «зеркало-конденсат» в интервале длин волн А.=0,63-29,0 мкм. Установлено, что интенсивность зеркальной составляющей отраженного потока излучения ослабляется меньше с ростом слоя конденсата при повышении температуры криоповерхности Тк, а в интервале температур на 5-ь8К ниже температуры насыщенных паров по мере дальнейшего приближения к ней Тк обнаружены все возрастающие начальные спады р', достигающие значений 0,1 уже при толщине слоя 8<0,2 мкм. Все экспериментальные результаты обобщены и представлены в удобной форме для использования в аналитических расчетах.

Установлено существование у каждого из конденсатов пороговой толщины 8', до достижения которой направленная отражательная способность системы «зеркало-конденсат» не меняется. Наибольшее значение 5'=43Х (А.=0,63 мкм) наблюдается у N2. У конденсатов N2, Аг и Ne пороговая толщина не селективна к спектру излучения. Плотность конденсатов N2, Аг и Ne возрастает вместе с прозрачностью слоя.

Установлено, что температура бленды оказывает существенное влияние на ослабление молекулярного потока к приемному зеркалу телескопа, когда ее температура ниже насыщенных паров набегающего на оптику газа. Это экспериментально проведено при использовании предложенного метода лучевого зондирования с использованием интерферометрии. Погрешность этого метода в 1+3% позволила впервые дать экспериментальное подтверждение корректности метода Монте-Карло по определению полей молекулярной плотности разреженного газа в каналах, в том числе криооптических

Разработан метод экспериментальных исследований индикатрис рассеяния излучения конденсатами остаточных газов на поверхности криооптики с учетом их физических свойств и длины волны излучения.

Разработана, структура анализа и композиции низкофоновых (охлаждаемых) оптико-механических систем и оптико-электронных приборов на их основе, определяющая порядок взаимосвязанных и взаимодополняющих мероприятий, имеющих предварительную, текущую и заключительную формы в процессе от начала разработки до испытаний криооптических ОЭС и оптимизирующих энергозатратные параметры, условия обеспечения низкого уровня фоновой облученности ФПУ и условия сохраняемости качества оптики при криогенных температурах.

Разработан ряд новых схемотехнических решений криооптических ОЭС орбитальных телескопов кратковременного и длительного действия с оптимальными энергоресурсными параметрами на основе криообъективов «Рефлектар-12», «Рефлектар-21», «Рефлектар-31», «Рефлекгар-9», «Асфар-22» и других.

Приведены результаты исследований схемотехнических решений и методов понижения уровня фоновой облученности ФПУ с использованием охлаждаемых фильтровых и внеапертурных ограничителей фона и глубокоохлаждаемых оптических систем. Определено, что при использовании криогенных методов понижения уровня внутриприборного фона (охлаждение оптики) в сочетании с оптическими (оптические схемы с переносом изображения) создаются условия для достижения указанной цели при наибольшей энергетической эффективности криогенных систем теплоотвода.

Разработан и экспериментально подтвержден метод выравнивания температуры по длине объектива и бленды на основе рекуперативного бифилярного теплообменника. В отличие от него у обычных (однотрубных) теплообменников, как показали расчетные исследования и эксперимент, на концах охлаждаемого объекта (цилиндра) перепад температуры больше в 3*3,5 раза. Разработана математическая модель для расчета теплоотвода от имитатора объектива с использованием бифилярного теплообменника. Метод бифилярной намотки теплообменников использован в разработках криообъективов для телескопов и криооптики стендовых устройств. Разработана криооптическая система телескопа «ИКОН» на основе глубоко-охлаждаемого объектива «Асфар-22». Изучены условия обеспечения уровня фона для получения чувствительности телескопа 2-10"17 Вт/см2. Представлены результаты моделирования энергоресурсных параметров. Установлено, что ресурс работы криотелескопа «ИКОН» с учетом затрат гелия на защиту от криоосадков составит 6-7 месяцев при начальном запасе хладоагента 900 литров. Установлена эффективность и целесообразность применения криообъектива «Асфар-22» в криотелескопе «ГРОТ», охлаждаемом путем радиационного теплоотвода до 90К на космическом аппарате «Электро». Разработана трехступенчатая система защиты криотелескопов типа ИКОН (на основе ресурсных емкостей с жидким криоагентом), позволяющая ослабить поток конденсирующихся частиц окружающих газов к приемному зеркалу до 200 раз (с учетом режима работы двигателей маневрирования и типа двигателей коррекции). При использовании неона в двигателях маневрирования в телескопах типа ИКОН это ослабление может увеличиться еще на 2-3 порядка. Исследована эффективность, оптимизирована по энергоресурсным показателям и предложена дифференцированная (многоуровневая) система охлаждения бортовой ОЭС на основе криооптических систем с переносом изображения; радиационных и механокалорических контуров теплоотвода; взаимного экранирования контуров охлаждения от теплопритоков из внешней среды, оптимальных для КМ ПВФ; периодичности сеансов работы криотелескопа, а также оптимизации его тепломеханической структуры. Представлены результаты исследований стабильности тепловых режимов криооптических ОЭС и результаты оптимизации методов удерживания качества изображения криооптики при переменных по знаку тепловых нагрузках на траектории полета криотелескопа.

Проведены исследования и предложен метод сохраняемости качества криооптических систем, в том числе из разнородных материалов в телескопах типа «Даль-ИК» в условиях переменных по знаку тепловых нагрузок для обеспечения высоких значений их пространственного и температурного разрешений в заданных расчетом допусках.

Предложен и исследован метод регенерации с охлажденной оптической поверхности криоосадков из частиц СВА путем отогрева, в том числе с использованием солнечной энергии в криотелескопах на основе радиа-ционно-механокалорических средств охлаждения. Показаны временные параметры процесса, период которого может не превышать 0,3-5-0,4 ватка, например, для средств ДЗЗ.

Определены криооптические методы выделения и анализа слабых потоков ИК излучения в замкнутых объёмах имитаторов космического пространства. Установлены причины и степень возможного несоответствия параметров этих потоков реальным (для открытого пространства), а также методы и средства уменьшения степени этого несоответствия.

Предложен эмпирический метод оценки соотношения радиационной и термодинамической температур фона, в основе которого лежит определение его уровня тестированием по эталону облученности - которым может быть откалиброванный при гелиевой температуре полостной болометр или ФЧЭ из примесных материалов.

Доказано, что относительная и среднеквадратическая погрешности у криорадиометров с обтюрированием светового пучка при постоянной скорости вращения обтюратора в три раза выше, чем у радиометров с поворотным модулирующим зеркалом. Предложен и испытан метод непрерывного охлаждения вращающегося обтюратора в вакууме на основе планетарного вращения диска и кондуктивного теплоотвода от него через гибкий холодопровод.

Предложены основные пути развития исследований в области криооптики. Разработаны криомонохроматор СП-232, криооптический Фурье-спектрометр ИФ-220, криорадиометр ИС-110-2, криофизические установки для измерения оптических и теплофизических характеристик поверхностей и материалов в области криогенных температур ЭВ-185, ЭВ-193, ЭВ-195 и др. Разработаны методы обеспечения адиабатических условий содержания образцов при исследовании этих характеристик. Впервые на основе методов криооптики открыта возможность измерения угловых направленных радиационных характеристик (коэффициентов излучения) поверхностей при температурах, близких к гелиевым. Установки спроектированы. Часть проектов реализована.

Представлен ряд новых разработанных и введенных в эксплуатацию имитационно-диагностических комплексов для выделения слабых (до Ю'^ВтЫ2) потоков ИК излучения: ИС-55, ЭВ-185, ТС-192, ТС-215, ОКВС, ИС-111 и др. Разработан новый метод формирования имитационно-испытательных комплексов для низкофоновых (глубокоохлаждаемых) ИК телескопов - метод модульной интеграции отдельных функциональных криооптических систем стендового оборудования применительно к конкретной задаче испытаний ОЭА. Он позволяет радикально (до двух порядков величины) снизить капитальные и эксплуатационные затраты при создании ИИК по сравнению с известными устройствами такого типа, имеющими аналогичные технические и методические возможности.

На основании этих результатов можно сделать краткое заключение по всей работе.

1. Выполнен комплекс исследований проблем системной реализации криогенных методов понижения внутриприборного фона при устройстве и тестировании сверхчувствительных оптико-электронных средств ИК телескопов космического базирования с учетом установленных критериев эффективности этих методов.

2. В результате проведенных исследований разработаны основные принципы построения криооптических систем телескопов, а также новых схемных решений систем теплоотвода от объективов и ФПУ; разработана структура расчетно-теоретических подходов построения криооптических ОЭС, имитационных комплексов для их тестирования и наземной отработки сквозных характеристик каналов обнаружения слабых ИК сигналов; предложены методы измерений отличия термодинамической и эффективной радиационной температур внутриприборного фона в поле зрения фотоприемных устройств; найден способ уменьшения погрешности при радиометрических измерениях слабых потоков ИК излучения; на основании исследований опробованы методы прогнозирования, сведения к минимуму и предупреждения воздействий термических и кинетических факторов на сохраняемость качества изображения оптических систем в условиях глубокого охлаждения в вакууме; открыты на основе метода криооптики пути расширения температурных границ проведения физического эксперимента в области физики низких температур и, в частности, оптических констант, при криогенных температурах; получены экспериментальные данные, в том числе в области оптики конденсированных сред такие, как показатель преломления, плотность и др.

3. На основе разработанных методов и проведенных расчетно-теоретических исследований по созданию криооптических систем проведена разработка ряда физических моделей и экспериментальных образцов принципиально новых средств охлаждения криотелескопов космического базирования, разработаны и приведены в действие достаточный ряд имитационно-испытательных установок и комплексов.

4. Исследования криооптических ИК телескопов и построенных имитационно-испытательных комплексов, проведенные при непосредственном участии автора, подтвердили правильность заложенных принципов и соответствие этой аппаратуры техническим требованиям.

5. Разработан метод построения имитационно-испытательных средств с полным перечнем функциональных систем, позволяющий на порядки сократить капитальную и эксплуатационную стоимость при их использовании по сравнению с известной аппаратурой аналогичного типа.

6. Оригинальность предложенных методов и схематических решений ИК криооптической аппаратуры подтверждена рядом авторских свидетельств, основные положения работы отражены в публикациях и докладах на российских и международных конференциях.

Перечисленные выводы подтверждают готовность научного и технического задела методов криооптики к широкому приложению для создания и развития низкофоновых систем ИК телескопов космического базирования в интересах различных направлений народного хозяйства, науки и двойных применений.

1. Отчет о НИР НПО «Криогенмаш» - ВНТИЦ, инв.№3365, № Гос. Регистрации 0183.000.5917, 1983-37 с.

2. Beckman I.E., Martin D.H. CIRBS a low-temperature radiometer for cosmological stadies // Proc. 8-th Int. Cryogenic Engineering Conf. - 1980. - P. 196-203.

3. Lizon-Tati I., Girard M., Tardivo A. e.a. Design and development tests of a superfluid helium space cryostat (CRHESUS) // Proc. 8-th Int. Cryogenic Engineering Conf. -1980. P.189-195.

4. Karr G.R. e. a. Cryogenic sub-system performance of the infrared telescope for Spacelab // Proc. 8-th Int. Cryogenic Engineering Conf. 1980. - P.38-42.

5. Nast T.C. e. a. Development of superfluid helium cooling system for a 3-year orbital operation // Proc. 8-th Int. Cryogenic Engineering Conf. 1980. - P. 102-110.

6. Karr G.R., I.B.Hendricks, E.W.Urban, D.K.Lander Performance of the helium II dewar subsystem for the Spacelab 2 infrared telescope// Proc. 9-th Int. Cryogenic Engineering Conf. 1982.- P.49-52.

7. Seidel A. The German Infrared laboratory (GIRL), its overall concept and cooling system // Proc. 8-th Int. Cryogenic Engineering Conf. 1980. - P.42-48.

8. Urbach A.E., Herring R.N. A long-term helium dewar for space experiment // Proc. 6-th Int. Cryogenic Engineering Conf. 1976. — P. 154-156.

9. Urbach A.E., Vorreiter I., Mason P. Design of a superfluid helium dewar for the IRAS telescope // Proc. 7a Int. Cryogenic Engineering Conf. 1978. - P.126-133.

10. Urban E.W., Katz L., Hendricks Y.B. A cryogenic helium П system for Spacelab // Proc. 7-th Int. Cryogenic Engineering Conf. 1978. - P.l 13-119.

11. Галкин А.А., Курочкин В.И., Демишев А.Г. и др. Исследование теплообмена и создание криостатов с длительным ресурсом работы // Доклады АН УССР (Киев).-1982. серия А, №>8.-С.55-58.

12. Фрадков А.Б., Троицкий В.Ф. Гелиевые криостаты для физических исследований в космосе // М.: ФИАН СССР (предпроекг 2). 1974. - 14 с.

13. Горбачев С.П. Исследование способа использования холода паров криогенных жидкостей для снижения потерь от испарения. — М.: Автореферат дис. канд. т. н., МВТУ.-1968.-16 с.

14. Каганер М.Г. Теплообмен в низкотемпературных конструкциях. М.: Энергия, 1979.-257 с.

15. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Машиностроение, 1966. 275 с.

16. Справочник по физико-техническим основам криогеники // под ред. М.П.Малкова. М.: Энергия. - 1985. - 432 с.

17. Инфракрасные методы в космических исследованиях // Под ред. В.Манно и Дж.Ринга-М.: «Мир». 1977. - 384 с.18. binder М., Rando N., Peacock A., Collaudin D. Cryogenics in Space. ESA bulletin 107, august 2001. - P.92-105.

18. Hamed M., Harned R., Melugin R. Alignment and Waluation of the cryogenic corrected infrared Astronomical Satellite (IRAS) telescope // Optical engineering.- 1981. т.20, №2-P. 195-200.

19. Lemke D, Anderegg M., Cesarsky C.J., Clegg R., Emery R., de Graauw Т., Katterloher R.O., Kessler M.F., Shaap H., Swinyard B.M., Tilgner C., Vigroux L., Wolf I. Initial cold ground tests of the ISO satellite payoland // SPIE. vol.2268. - 1994. - P.2-13.

20. Chang Li, Sarven G. SIRTF having Earth orbit mission concept structure design and analysis. // SPIE. vol. 340. - 1990. - P.13-24.

21. Brooks W.F., Manning L.A., Lee I.H., Melugin R.K., Sarver G.L., Hanel R.P. Mission optimization of the Space Infrared Telescope Facility // SPIE. vol.1340. - 1990. -P.2-12.

22. Lee I.H. Thermal performance of a five year lifetime superfluid helium dear for SIRTF // Cryogenics. vol.30. - 1990. - P.l66-172.

23. Space Infrared Telescope Facility //California Institute of Technology, JPL D-12375, Rev. A. august 29, 1995. - P.55.

24. Thronson H.A., Hawarden T.G., Davies J.K., Penny A.J. Matsumoto T. Edison: a new direction for infrared space astronomy // SPIE. vol.2209. -1994. - P.278-290.

25. Hawarden T.G., Thronson H.A., Penny A.J., Bolly J. The Edison Programmer Design the next generation Infrared Space Observatory // SPIE. vol.2478. - 1995. - P.l 1-19.

26. Dohlen L. et al. Optical design of the SPIRE instrument for FIRST // Proc. SPIE. -2000. vol.4013. - P.l 19-128.

27. Nakagawa Т. Astro-F survey as impute catalogues for FIRST // The Promise of FIST symposium. Toledo, 2000 // ESA SP-460. - 2001. - 297p.

28. Jakubowsky A.K., Mohan P., Kapania R.K., Ciysafulli P., Hammerand D. Eight meter UV/visible/IR Space telescope // SPIE. - vol.2478. - 1995. - P.20-34.

29. Grossmann K.U., Offermann D., Barthol P., Trant R. The CRISTA Project // SPIE. -vol. 2209.-1994.-P.50-56.

30. Titus I.S. c.a. Cryogenic infrared radiometric instrumentation for Shuttle // Optical engineering. 1994. - vol.23, №3. - P.314-322.

31. Matsumoto T. Space infrared mission in Japan // SPIE. vol.2268. - 1994. - P. 112-121.

32. Marakami M., Okuda H., Matsumoto Т., Fujii G., Kyoya M. Design of ciyogenic system for IRTS // Cryogenics. vol.29. - 1989. - P.553-557.

33. Elliot D., Hacking P., Schember H. Engineering design of the Wide-Field infrared explorer (WIRE) // SPIE. 1994. - vol.2268. - P.188-195.

34. Kemp J.C., Ames H.O., Esplin R.W., Allred G.D. WIRE instrument description: focal planes, optics and electronics // SPIE. 1994. - vol.2268. - P.56-67.

35. Space infrared telescope facility. Baseline observatory design for a Delta Launch. — Jet Propulsion Laboratory. august 1995 - JPL D - 12375, Rew. A. - P.(TV-1 - IV-5).

36. Dillow C.F., Allen Т.Н., Linfordr M.F. A system for the study of molecular contamination // AIAA Paper, NEW York. 1975. - vol.15. - P.50-54.

37. Hetrick M.A., Papas C.C. Experimental investigation of contamination prevention techniques for a cryogenically cooled telescope in earth orbit // AIAA Paper, New York. -1978.-№78-P. 1619-1624.

38. Palmer K.F., Roux J.A., Wood B.E. Infrared optical properties of solid mixtures of molecular species at 20K // Progress in astronautic and aeronautic. Spacecraft contamination sourses and prevention. New York, London. -1984. - vol.91. - P.333-338.

39. Pipes I.G., Sherrell F.G., Wood B.E., Clark W.L. Ciyocooled optics and contamination // Journal optical engineering, Washington. 1979. - vol.18, №8. - P.620-625.

40. Roux J.A., Smith A.M. Biangular reflectance for an absorbing and isotropical scattering medium // AIAA Journal, New York. 1985. - vol.23, №4. - P.624-628.

41. Roux J.A., Wood B.E. Infrared optical properties of solid monomethil hydrazine, H2O4 and N2H4 at cryogenic temperatures // JOS A, Washington. 1983. - vol.73, №9. -P.1181-1188.

42. Tsujimoto S., Konishi A., Terada N., Kunimoto T. Optical constants and thermal radiative properties of H2O cryodeposits // Cryogenics, London. New York. - 1982. -vol.22, №H.-P.603-607.

43. Tsujimoto S., Konishi A., Terada N. and Kunimoto T. Optical constants and thermal radiative properties of CO2 cryodeposit. // Cryogenics, London. New York. - 1983. -vol.23, №5.-P.251-257.

44. Гришин С.Ф., Гришина Е.Я., Коваленко B.A., Митин Р.В., Чернышенко В.Я. Поглощение теплового излучения слоями сконденсированных газов // Журнал технической физики. 1977. -т.47, №5. - С.1050-1054.

45. Scialdone I.I. Correlation of an optical system degradation with contamination on a optical surface // 8-th Space simulation meeting, Silver Spring, Mariland. 1975. — P.63-72.

46. Smith A.M., Wood B.E. Bidirectional reflectance of H20cryofilms on specular and diffusing surface // AA journal. New York. 1978. - vol.16, №5. - P.510-515.

47. Smith A.M., Wood B.E. Bidirectional reflectance of spcular and diffusing surface contamination with CO2 cryofilm // Progress in Astronautics and aeronautics, New York-London. 1977. - vol.56. -P.157-173.

48. Bareiss L.E., Rantanen R.O., Ress E.B., Leger L.I. Preliminary avaluation of the contaminant environment of the Space Shuttle orbiter // Proceedings of the 8th Space Simulation conference, NASA SP-379. Nov. 1975. - P.275-304.

49. Leger L., Iacobs S. and Ehlers H.K.F. Space Shuttle cjntamination overview // Iournal of the Enviromental sciences. Spt./Oct., 1978. - P.28-33.

50. Muscari I.A. and Westcott P. Optical contamination Evidance from skylab and Gemini Flights // Applied Optics. 1975. - vol.14, №12. -P.2883-2891.

51. Барейсс Л.Э. Метод расчета параметров собственной внешней атмосферы орбитальной станции Спейслэб // Ракетная техника и космонавтика. т. 18, №2. -февр. 1980.-С.97-108.

52. Мунц Э.П., Хенсон М. Продувка инертным газом инфракрасных телескопов для предохранения оптики от загрязнения // Аэрокосмическая техникаю 1985. — т.Зб №5. -С.124-135.

53. Comparque R. Aspiration of a single component gas by penetration of a free jet's shock structure // Comptes Rendus de Г Academic des Sciences. 1969. vol.268A. P.1427-1433.

54. Camparque R. Aerodynamic Separation effects an gas and isotope mixtures induced by invasion of the free jet shock wave structure // Iournal of chemical physics. 1970. -vol.52.-P.1795-1802.

55. Ребров A.K., Чекмарев C.C., Шарафутдинов Р.Г. Влияние разреженности на структуру свободной струи азота // Журнал прикладной математики и технической физики. 1971. — т.1, №1. - С.136-141.

56. Rebrov A. Experimental stady of relaxing bow-density Flows // AIAA. 1977. -vol.51. -P.811-848.

57. Muntz E.P., Hamel B. and Maguire B. Some characteristics of exaust plume rarefation // AIAA Journal. 1970. - vol.8, № 8. - P. 1651-1658.

58. Brook J., and Hamel B. Sferical sours flow with finite back preasure // Physics of fluids. -1972.-vol.15. P.1898-1912.

59. Deglow Т., Muntz E. P. Isotope separation by Jet Background interation // Journal of Applied Optics. -1979. vol.5, № 2,- P.589-594.

60. Meier R.H. Controlled generation and absolute calibration of radiant insidance in low-background test facilities for infrared Space Sensors // Applied optics. 1975. -vol.14, №4.-P. 1021-1028.

61. Meier R. H., Dauger A. B. Low Background large- aperture infrared measurement facility: design consideration // Applied optics. -1978. vol.17, № 22. - P.3541-3546.

62. Richman I., Berman C. R., Shore I. D., Linguist M. C. Spectroradiometric calibration of an infrared sensor evaluation facility // Proceeding of the Application of optical metrology- techniques and measurements. 1983. -vol.416. - P.16-24.

63. Schatzmann R. E. Applied engineering and technology simulated LWIR targets in low optical background // Proceeding of the Application of optical metrology- techniques and measurements. 1983. -vol.416. -P.170-179.

64. Faria F. Overaye K., Petty Ch. Low background testing at Honeyell // Proceeding of the Application of optical metrology- techniques and measurements //, vol.416, session 4 -Radiometrics measurement, P.153-161.

65. Perkes D., Higham D., Thurgood A. Application of а СШ camera system for collimated beam angle measurement // SPIE. 1994. - vol. 2268. - P.218-225.

66. Tansock J., Thurgood A., Esplin Roy. Focus optimization of a cryogenic collimator using interferometric measurement and optical modeling // SPIE. -1994.—vol.2268. P. 196206.

67. Cucchiaro A., Menrist M., Jamar C., Macau J. P. and Ninane N. Cryogenic optical testing in FOCAL- 5 // SPIE. 1989. - vol.1191, - P.13-21.

68. Мирошников M.M., Сотенский М.Г. и др. Оптический термовакуумный комплекс ВК-150 // Отраслевой журнал, сер. XIV. 1983. - вып.1 (47). - С.41-45.

69. McCreight C.R., Fernquist A.R., Pittman R.B. Low background measurements of an infrared astronomical focal plane // Proc. Of the Applic. of optical metrology-techniques and measurements. 1983. - vol.416. - P. 162-170

70. Grangard J.L. Calibration of a system of portable infrared collimator test souses // Proc. of SPIE. Applic. of optical metrology- techniques and measurements П. 1983. -vol.416.-P.179-186.

71. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике: Справочник. -JL: Машиностроение. Ленинградское отделение. 1982 г. -312 с.

72. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. — М.: Высшая школа. — 1990. —162 с.

73. Борздыка А.М., Гецов Л.Б. Релаксация напряжения в металлах и сплавах. М.: Металлургия. -1978. -265с.

74. Самогонян А.Я. Волны напряжения в сплошных средах. М.: Изд. МГУ. 1985. -180с.

75. Мелаи Э., Паркус Г. Термоупругие напряжения, вызываемые стационарными температурными полями. — М.: Физматгиз. 1958. - 167с.

76. Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. М.: Энергоатомиздат. — 1980.-205с.

77. Румер Ю.Б., Рыбкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. -М.: Наука.-1977.-551с.

78. Коваленко А.Д. Введение в термоупругость. — Киев: Наукова Думка. 1965. — 204с.

79. Постников B.C. Внутреннее трение в металлах. — М.: Металлургия. 1974. - 351 с.

80. Труэл Р. И др. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир. - 1972. - 307с.

81. Такер Д., Ремптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. М.: Мир. - 1975. - 453с.

82. Займан Д. Принципы теории твердого тела. М.: Мир. — 1966. - 416с.

83. Ультразвуковые методы исследования дислокации // Под ред. Л.Г.Меркулова Сб. ст. — М.: Издатинлит. 1963. — 375с.

84. Охотин А.С. и др. Модели теплопереноса в конденсированных средах. М.: Наука. - 1990. - 198с.

85. Китгель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука. - 1978. - 791с.

86. Ландау Л., Лифшиц Д. Теоретическая физика, т.9. Статистическая физика — М.:Наука. 1969. - 567с.

87. Берман Р. Теплопроводность твердых тел // Под ред. В.З.Красина. М.: Мир. -1980.-286с.

88. Ландау Л., Лифшиц Д. Механика сплошных сред. М.: Гостехиздат. - 1953. -788с.

89. Физическая акустика. М.: Мир. - 1975. - t.V. - 332с.

90. Беняковский М.А. Расчет температурного поля в теплоизолированном стержне и шаре с учетом конечной скорости распространения тепла // Инженерно-физический журнал. 1975. - т. 28, № 2. - С.372-374.

91. Новацкий В. Вопросы термоупругости. М.: Изд. Академии Наук СССР. - 1962. -364с.

92. Новацкий В. Динамические задачи термоупругости. — М.: Мир. 1970. - 256с.

93. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физматгиз. -1963.-252с.

94. Боли Б.А., Уайер Д.Х. Теория температурных напряжений. М.: Мир. - 1979. -380с.

95. Криооптические системы // Отчет ВНЦ ГОИ им.С.И.Вавилова. СПб.: Инв.№2622. - 1993. -156 с.

96. Иванов Ц., Энгельбрехт Ю.К. О моделях термоупругости с учетом конечной скорости распространения тепла // Инженерно-физический журнал. 1978. - т. 35, № 2.-С.344-351.

97. Подстригач Я.С. Обобщенная термомеханика — Киев: Наукова думка. 1976. -280с.

98. Долинский Ф.В., Михайлов М.Н. Краткий курс сопротивления материалов. М.: Высшая школа - 1088. - 431с.

99. Шнырев А.Д. Комплексный стенд для термооптических испытаний // Оптический журнал. 8.- 1990. С.47-51.

100. Coulter D.R. et al. The SIRTF Telescope Test Facility // Proc. SPIE. 1996 - vol.2744 - P.745-750.

101. Кромин С.И., Пильменёв А.Г., Шехтман B.H. Исследование интерферометром пространственного сдвига фазовых искажений световой волны // Тр. Всесоюзной конференции «Оптика лазеров» Л.: Изд. ГОИ им.С.И.Вавилова. - 1987. - С.149-151.

102. Шехтман В.Н., Родионов А. Ю., Пильменёв А.Г. Реконструкция волнового фронта светового пучка синтезированием сдвиговой интерференционной картины // Оптика и спектроскопия. 1994. - том 76, № 6. - С.988-993.

103. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории. Применение. -JI.: Машиностроение. — 1976. — 296с.

104. O'Brien К., Wittebom F. С. Thermal contacts between metal and glass for use at cryogenic temperature // SPIE. 1984. - vol.509. - P.125-132.

105. Настенко И.В. Роль термосопротивления контакта «зеркало-элемент системы охлаждения» в эффективности системы охлаждения зеркала из кремния // Автореферат кандидатской диссертации. Харьков. - 1998. -16 с.

106. Беляева А.И., Сиренко В.А. Криогенные многослойные покрытия. Киев: Наукова думка. - 1991. - 280с.

107. Коваленко А.С. Теория термоупругости. Киев: Наукова думка. - 1970. - 328с.

108. Краус Н. Температурные колебания оболочек // Ракетная техника и космонавтика. -1966.-том 3.-С.46-51.

109. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.: Изд.Физматлит. 1972. - 720с.