Все
 
 
 


Значимость тепловых режимов астрофизических приборов для решения задач внеатмосферной астрономии
 
Код статьиS002342060000349-1-1
DOI10.31857/S002342060000349-1
Тип публикации Статья
Статус публикации Опубликовано
Авторы
Семена Николай Петрович 
Аффилиация: Институт космических исследований Российской академии наук
Адрес: Российская Федерация, Москва
Название журналаКосмические исследования
ВыпускТом 56 Номер 4
Страницы311-325
Аннотация

Выполнен аналитический обзор систем обеспечения теплового режима действующих и перспективных космических астрофизических приборов, в котором показано, что для решения большинства современных значимых задач внеатмосферной астрономии точная термостабилизация зеркальной системы и приемника излучения космических телескопов имеет практически такое же значение, как и уровень их основных функциональных характеристик.

Ключевые слова
Получено13.08.2018
Дата публикации11.10.2018
Кол-во символов35753
Цитировать  
100 руб.
При оформлении подписки на статью или выпуск пользователь получает возможность скачать PDF, оценить публикацию и связаться с автором. Для оформления подписки требуется авторизация.

Оператором распространения коммерческих препринтов является ООО «Интеграция: ОН»

Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной.

Оглавление

1. ВВЕДЕНИЕ
2. Группирование внеатмосферных астрофизических инструментов по признаку одинаковых требований к тепловому режиму
3. Особенности тепловых режимов рентгеновских космических телескопов
4. Обеспечение криогенного уровня температур в ИК телескопах
5. Тепловые режимы инструментов, работающих в радио, видимом, УФ и гамма диапазонах
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1

1. ВВЕДЕНИЕ

Современные и перспективные внеатмосферные астрофизические приборы предъявляют к тепловым режимам гораздо более высокие требования по сравнению с ненаучной космической аппаратурой. Причина этого состоит в том, что для решения актуальных задач внеатмосферной астрономии требуются предельные характеристики приборов. При этом часто эти характеристики чрезвычайно сильно зависят от температуры [1]. В результате уровень и стабильность температуры некоторых элементов астрофизических приборов имеет такое же значение для решения научных задач, как и их основные функциональные характеристики.
2 Кроме физического влияния температуры на характеристики астрофизических инструментов имеются проблемы, связанные со спецификой математического и экспериментального моделирования их теплового режима. В частности, требуется повышенная точность воспроизведения внешних тепловых факторов для экспериментального моделирования прецизионных тепловых режимов приборов и для испытания систем, максимально использующих тепловые факторы космического пространства [2]. Для этих же целей необходимо повышение точности математического моделирования. В случае создания комплекса из приборов, разрабатываемых в разных странах, необходимо иметь возможность объединения тепловых моделей отдельных приборов в единую модель комплекса приборов.
3 Таким образом, температурные параметры для астрофизических приборов имеют гораздо более высокую значимость и достигаются с большими сложностями по сравнению с ненаучной аппаратурой.
4 Исходя из важности задачи обеспечения тепловых режимов космических научных приборов, целесообразно обобщить уровень, достигнутый в области терморегулирования внеатмосферных астрофизических инструментов, и проанализировать основные тенденции развития систем терморегулирования в интересах создания инструментов для решения перспективных научных задач.
5

2. Группирование внеатмосферных астрофизических инструментов по признаку одинаковых требований к тепловому режиму

К внеатмосферным астрофизическим инструментам относятся космические приборы, регистрирующие параметры электромагнитного излучения, частиц и космической плазмы. Большую часть из них составляют приборы, предназначенные для регистрации параметров электромагнитного излучения. Именно эти приборы предъявляют самые жесткие и разнообразные требования к тепловым режимам. В отдельных случаях тепловой режим космических телескопов является критической характеристикой, определяющей саму возможность проведения научных наблюдений.
6 Каждый космический телескоп или обсерватория представляет собой уникальное устройство. Однако с точки зрения особенностей тепловых режимов эти устройства можно объединить в шесть групп. Эта группировка совпадает со спектральными диапазонами, в которых работают космические телескопы: радио, дальний и средний ИК (инфракрасный), ближний ИК, видимый и УФ (ультрафиолетовый), рентгеновский, гамма. Причины такой корреляции будут представлены далее, при рассмотрении тепловых режимов приборов, используемых для разных спектральных диапазонов.

Всего подписок: 1, всего просмотров: 1422

Оценка читателей: голосов 0 

1. Фундаментальные космические исследования. Кн.1 Астрофизика / Под ред. Г.Г. Райкунова. М.: Физматлит, 2014.
2. Семена Н.П., Коновалов А.А. Методы создания механизмов саморегулирования пассивных систем обеспечения теплового режима устройств космического применения // Теплофизика и аэромеханика. 2007. Т.14. №1. С. 87-98.
3. Fenimore E.E., Canon T.M. Coded aperture imaging with uniform redundant arrays // Applied Optics. 1978. V. 17. No 3. P. 337-347.
4. Клайнкнехт К. Детекторы корпускулярных излучений / М.: Мир, 1990.
5. Гребенев С.А., Маркевич М.Л., Павлинский М.Н., Сюняев Р.А. Рентгеновский телескоп АРТ-П на борту обсерватории «Гранат» // Земля и Вселенная. 1993. № 6. С. 3-12.
6. Шмаль Г., Рудольф Д., Мюльхаупт Г. Рентгеновская оптика и микроскопия / Под. ред. Г.Шмаля и Д.Рудольфа. М.: Мир, 1987.
7. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В., Калинин А.И., Кушнирук В.Ф. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М.: Энергоиздат, 1989.
8. Бараночников М.Л. Приемники и детекторы излучений. Справочник. М.: «ДМК Пресс», 2012.
9. Тришенков M.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. М.: «Радио и связь», 1992.
10. Медведев М.Н. Сцинтилляционные детекторы. М.: Атомиздат, 1977. 
11. Semena N. et al. ART-XC/SRG: Results of thermo-vacuum tests // Proc. SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, 91444T (25 July 2014). doi:10.1117/12.2055941
12. Semena N. et al. ART-XC/SRG: Results of qualification thermo-vacuum tests // Proc. SPIE 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 990550 (11 July 2016). doi:10.1117/12.2231276
13. Pavlinsky M. et al. Swartz Status of ART-XC/SRG instrument // Proc. SPIE 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 99051J (18 July 2016). doi:10.1117/12.2230974
14. Pavlinsky M. et al. The ART-XC instrument on board SRG Mission // Proc. SPIE 8443, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 84431T (17 September 2012). doi:10.1117/12.925376
15. Семена Н.П. Использование масштабных моделей в наземных экспериментах, воспроизводящих теплообмен в условиях космического пространства // Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т. 21. № 1. С.47-58.
16. Семена Н.П., Сербинов Д.В. Математическая интерпретация теплового эксперимента, имитирующего условия космического пространства // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 9. С.423-431.
17. Pagani C. et al. Characterization and evolution of the swift x-ray telescope instrumental background // Proc. SPIE 6686, UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XV, 668609 (13 September 2007). doi: 10.1117/12.734398
18. Maria Fürmetz, Josef Eder, Elmar Pfeffermann, Peter Predehl. The x-ray telescope eROSITA: qualification of the thermal control system // Proc. SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, 91444X (25 July 2014). doi: 10.1117/12.2057346
19. Peter Predehl et al. eRosita on SRG // Proc. SPIE 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 99051K (July 18, 2016). doi:10.1117/12.2235092
20. Maria Fürmetz, Josef Eder, Elmar Pfeffermann et al. The thermal control system of the X-ray telescope eROSITA on Spektrum-Roentgen-Gamma // Proc. SPIE 8443, Space Telescopes and Instrumentation 2012: Ultraviolet to Gamma Ray, 844352 (17 September 2012). doi: 10.1117/12.925490
21. Giacconi R. The Einstein X-ray Observatory // Scientific American. 1980. V. 242. P. 80-85.
22. Pfeffermann E., Briel U.G., Hippmann H. et al. The Focal Plane Instrumentation of the ROSAT Telescope // Proc. SPIE 0733, Soft X-Ray Optics and Technology, (1 January 1986). doi: 10.1117/12.964956
23. Makoto Tashiro et al. In-orbit performance of the GIS instrument on board ASCA (ASTRO-D) // Proc. SPIE 2518, EUV, X-Ray, and Gamma-Ray Instrumentation for Astronomy VI, (1 September 1995). doi: 10.1117/12.218370
24. Weisskopf Martin C., Tananbaum Harvey D., Van Speybroeck Leon P. et al. Chandra X-ray Observatory (CXO): overview // Proc. SPIE 4012, X-Ray Optics, Instruments, and Missions III, (18 July 2000). doi: 10.1117/12.391545
25. Weisskopf Martin C., Tananbaum Harvey D., Van Speybroeck Leon P. et al. Chandra X-ray Observatory (CXO): overview // Proc. SPIE 4012, X-Ray Optics, Instruments, and Missions III, (18 July 2000). doi: 10.1117/12.391545
26. Mason K. O. et al. The XMM-Newton optical/UV monitor telescope // Astronomy and Astrophysics. 2001. V. 365. P. L36-L44.
27. David N. Burrows, Kennea J. A., Abbey A. F. et al. The swift x-ray telescope: status and performance // Proc. SPIE 6686, UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XV, 668607 (13 September 2007). doi: 10.1117/12.735130
28. Jamie A. et al. Controlling the Swift XRT CCD temperature via passive cooling // Proc. SPIE 5898, UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XIV, 589816 (18 August 2005). doi: 10.1117/12.617681
29. David C. Morris, David N. Burrows, Joanne E. Hill et al. Temperature dependent calibration products of the SWIFT x-ray telescope // Proc. SPIE 5898, UV, X-Ray, and Gamma-Ray Space Instrumentation for Astronomy XIV, 58981N (18 August 2005). doi: 10.1117/12.618019
30. D. Isaiah Harp, Carl Christian Liebe, William Craig, Fiona Harrison, Kristin Kruse-Madsen, Andreas Zoglauer NuSTAR: system engineering and modeling challenges in pointing reconstruction for a deployable x-ray telescope // // Proc. SPIE 7738, Modeling, Systems Engineering, and Project Management for Astronomy IV, 77380Z (4 August 2010). doi: 10.1117/12.856626.
31. Fiona A. Harrison, Craig William W., Christensen Finn E. et al. The Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) High-Energy X-ray Mission // The Astrophysical J. 2013. V. 770. Issue 2. Article id 103 doi:10.1088/0004-637X/770/2/103 
32. Gendreau Keith C. et al. The Neutron star Interior Composition Explorer (NICER): design and development // Proc. SPIE 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 99051H (22 July 2016). doi: 10.1117/12.2231304
33. Козлов Л.В., Нусинов М.Д., Акишин А.И. и др. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. / Под ред. Г.И.Петрова. М.: «Машиностроение», 1971.
34. Алатырцев А.А., Алексеев А.И., Байков М.А. и др. Инженерный справочник по космической технике / Под. ред. А.В.Солодова. М: Военное издательство МО СССР, 1977.
35. Revnivtsev M., Semena N., Akimov V. et al. The MVN: X-ray monitor of the sky on Russian segment of ISS // Proc. SPIE 8443, Space Telescopes and Instrumentation 2012: Ultraviolet to Gamma Ray, 844310 (17 September 2012). doi:10.1117/12.925916
36. Семена Н.П. Обзор неба в рентгеновских лучах // Природа. 2015. № 10. С. 91.
37. Serbinov D.V., Semena N.P., Pavlinsky M.N. Opposite Radiators Used for Thermostabilizing of X-Ray Detectors of the All Sky Monitor to be Installed on the ISS // Journal of Engineering Thermophysics. 2017. V. 26. No. 3. P. 366-376.
38. Семена Н.П. Особенности использования термоэлектрических преобразователей в системах терморегулирования космического применения // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 2. С. 213-225.
39. Feroci M. et al. The Large Observatory for X-ray Timing (LOFT) // Experimental Astronomy. 2012. V. 34. Issue 2. P. 415-444.
40. Zane S. et al. The Large Area Detector of LOFT: the Large Observatory for X-ray Timing // Proc. SPIE 8443, Space Telescopes and Instrumentation 2012: Ultraviolet to Gamma Ray, 84432F (7 September 2012). doi:10.1117/12.925156
41. Frederick S. Porter, Michael D. Audley, Peter Beiersdorfer et al. Laboratory astrophysics using a spare XRS microcalorimeter // Proc. SPIE 4140, X-Ray and Gamma-Ray Instrumentation for Astronomy XI, 407 (13 December 2000). doi:10.1117/12.409137
42. Caroline K. et al. Design and performance of the ASTRO-E/XRS microcalorimeter array and anticoincidence detector // Proc. SPIE 3765, EUV, X-Ray, and Gamma-Ray Instrumentation for Astronomy X, 128 (October 22, 1999). doi:10.1117/12.366494
43. Kazuhisa Mitsuda et al. The X-Ray Observatory Suzaku PASJ // Astronomical Society of Japan. 2007. No 59. P. S1-S7.
44. Yang Soong et al. ASTRO-H Soft X-ray Telescope (SXT) // Proc. SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, 914428 (31 July 2014). doi: 10.1117/12.2056804
45. Kazuhisa Mitsuda et al. The high-resolution x-ray microcalorimeter spectrometer system for the SXS on ASTRO-H // Proc. SPIE 7732, Space Telescopes and Instrumentation 2010: Ultraviolet to Gamma Ray, 773211 (29 July 2010). doi: 10.1117/12.856778
46. Ryuichi Fujimoto et al. Cooling system for the soft x-ray spectrometer (SXS) onboard ASTRO-H // Proc. SPIE 7732, Space Telescopes and Instrumentation 2010: Ultraviolet to Gamma Ray, 77323H (30 July 2010). doi:10.1117/12.856909
47. Hirofumi Noda, Kazuhisa Mitsuda, Atsushi Okamoto et al. Thermal analyses for initial operations of the Soft X-Ray Spectrometer (SXS) onboard ASTRO-H // Proc. SPIE 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 99053R (18 July 2016). doi:10.1117/12.2231356
48. Лоунасмаа О.В. Принципы и методы получения температур ниже 1 К / Под ред. А.Б. Фрадкова. М.: Мир, 1977.
49. J. W. den Herder et al. The Spektr-RG X-ray calorimeter // Proc. SPIE 7011, Space Telescopes and Instrumentation 2008: Ultraviolet to Gamma Ray, 70110K (15 July 2008). doi: 10.1117/12.786474
50. Richard C. Henry. Diffuse Background Radiation // The Astrophysical J. 1999. No 516. P. L49–L52.
51. Michael G. Hauser, Eli Dwek. The Cosmic Infrared Background: Measurement and Implications // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2001. V. 39. P. 249-307.
52. Ревнивцев М.Г. Измерение космического рентгеновского фона и эксперимент МВН // Письма в астрономический журнал. 2014. Т. 40. № 11. С.735-760.
53. Darnell R.J. Cryogenic Refractor Design Techniques // Proc. SPIE 0509, Cryogenic Optical Systems and Instruments I, (1 February 1985). doi: 10.1117/12.944983
54. Kessler M.F. The Infrared Space Observatory (ISO) // Proc. SPIE 0589, Instrumentation for Optical Remote Sensing from Space, (1 May 1986). doi: 10.1117/12.951934
55. Paul T. Finley. Spitzer cryogenic telescope assembly performance update // Proc. SPIE 5883, Infrared Spaceborne Remote Sensing 2005, 588302 (29 August 2005). doi: 10.1117/12.623454
56. Murakami H. et al. The Infrared Astronomical Mission AKARI // Publications of the Astronomical Society of Japan. 2007. V.59. Issue sp2. P. S369-S376.
57. Keisuke Shinozaki et al. Mechanical cooler system for the next-generation infrared space telescope SPICA // Proc. SPIE 9904, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, 99043W (29 July 2016). doi:10.1117/12.2232602
58. Ogawa H., Nakagawa T., Matsuhara H et al. New cryogenic system of the next-generation infrared astronomy mission SPICA // Proc. SPIE 9904, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, 99042H (29 July 2016). doi:10.1117/12.2231613
59. Hiroyuki Sugita, Takao Nakagawa, Hiroshi Murakami et al. Cryogenic infrared mission ‘‘JAXA/SPICA’’ with advanced cryocoolers // Cryogenics. 2006. V. 46. Issue 2–3. P. 149–157. doi:10.1016/j.cryogenics.2005.11.017
60. Smirnov A.V., Baryshev A.M., Pilipenko S.V. et al. Space mission Millimetron for terahertz astronomy // Proc. SPIE 8442, Space Telescopes and Instrumentation 2012: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, 84424C (21 September 2012). doi: 10.1117/12.927184
61. Gardner Jonathan P. et al. The James Webb Space Telescope // Space Science Reviews. 2006. V. 123, Issue 4. P. 485-606.
62. Brent J. Bos  et al. Cryogenic pupil alignment test architecture for the James Webb Space Telescope integrated science instrument module // Proc. SPIE 7010, Space Telescopes and Instrumentation 2008: Optical, Infrared, and Millimeter, 70103C (12 July 2008). doi: 10.1117/12.789808
63. Салономович А.Е., Сидякина Т.М., Хайкин А.С. и др. Автоматический трехкаскадный гелиевый рефрижератор для охлаждения приемников излучения субмиллиметрового телескопа БСТ-1М орбитальной пилотируемой станции «Салют-6» // Космические исследования, 1981. Т.1 9. С. 154-159.
64. Christophe Leroy, Mathieu Maisonneuve, Michel Piat et al. Simulation of the Planck-HFI thermal control system // Proc. SPIE 7017, Modeling, Systems Engineering, and Project Management for Astronomy III, 701713 (11 July 2008). doi: 10.1117/12.788330
65. Тулин Д.В., Виноградов И.С., Шабарчин А.Ф. и др. Система обеспечения теплового режима космического радиотелескопа // Космические исследования. 2014. Т. 52. № 5. С. 423 – 427.
66. Novikov S.B. Mishin G.S. Starostin A.N. et al. Calculated-theoretical research of a thermal mode large-sized space radiotelescope of 'Spectrum-R' // Sixth European Symposium on Space Environmental Control Systems, held in Noordwijk, The Netherlands, 20-22 May, 1997. Compiled by T.-D. Guyenne. European Space Agency. SP-400. 1997. P.141.
67. Lincoln L. Endelman. Hubble space telescope: mission, design, problems, and solutions // Proc. SPIE 2513, 21st International Congress on: High-Speed Photography and Photonics, (30 May 1995). doi: 10.1117/12.209584
68. Mikhail Sachkov, Boris Shustov, Ana Inés Gómez de Castro. Instrumentation of the WSO-UV project // Proc. SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, 914402 (24 July 2014), doi: 10.1117/12.2055513
69. Nicholas M. Jedrich, Teri Gregory, Darrell F. Zimbelman et al. Cryogenic cooling system for restoring IR science on the Hubble Space Telescope // Proc. SPIE. 4850, IR Space Telescopes and Instruments, 1058. (March 04, 2003) doi: 10.1117/12.461805
70. Schoenfelder V. et al. Instrument description and performance of the Imaging Gamma-Ray Telescope COMPTEL aboard the Compton Gamma-Ray Observatory // Astrophysical J. Supplement Series. 1993. V. 86. No. 2. P. 657-692. 
71. Julie E. McEnery, Peter F. Michelson, William S. Paciesas, Steven Ritz. Fermi Gamma-Ray Space Telescope // Optical Engineering. 2012. V. 51, Issue 1. P. 011012-011012-10. doi: 10.1117/1.OE.51.1.011012

Система Orphus

Загрузка...
Вверх