All
 
|
 
 


The significance of the thermal regimes of astrophysical instruments for solving problems of extra-atmospheric astronomy
 
PIIS002342060000349-1-1
DOI10.31857/S002342060000349-1
Publication type Article
Status Published
Authors
Nikolai Semena 
Affiliation: Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences
Address: Russian Federation, Moscow
Journal nameKosmicheskie issledovaniia
EditionVolume 56 Issue 4
Pages311-325
Abstract

     

Keywords
Received13.08.2018
Publication date11.10.2018
Number of characters35753
Cite  
100 rub.
When subscribing to an article or issue, the user can download PDF, evaluate the publication or contact the author. Need to register.
Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной

Table of contents

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.

Number of purchasers: 1, views: 1421

Readers community rating: votes 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

Loading...
Up