Модернизация приемных систем радиотелескопа РТ-70

«Модернизация приемных систем радиотелескопа РТ-70

с целью более эффективной работы в программах ДКАУ»

Киев – 2013г.

Ведущие радиотелескопы мирового сообщества оснащены приемной аппаратурой стандартного набора частот со сверхчувствительной приемной аппаратурой по входу. Данные по оснащенности приведены на рис. 1,2 в приложениях к настоящему докладу.

Рис.1

Рис. 2

Сравнительный анализ оснащенности радиотелескопа РТ-70, г. Евпатория показывает, что по диапазонах частот приемная аппаратура, установленная на радиотелескопе, вписывается в принятые в мире стандарты.

Как недостатки следует отметить:

- в S-диапазоне реализована одна линейная поляризация, что ограничивает возможность участия в международных программах;

- большинство литер приемной аппаратуры выработали свой ресурс (10 лет).

Так аппаратура в С - диапазоне изготовлена и запущена в эксплуатацию в 1998 году, в L-диапазоне в 2003 году, в Х и S - диапазонах в 2004 году .

Единственная литера в Ка - диапазоне запущена в 2012 году и имеет резерв работы до 2022 года.

Аппаратура изготовленная 10 лет назад, на сегодня физически работоспособна и выполняет поставленные задачи, однако требует все больших затрат для поддержания работоспособности и морально устарела, так как не соответствует сегодняшним требованиям по обеспечению электронными системами управления (дистанционно с учетом IT технологий) и дистанционными системами контроля и обнаружения неисправностей в процессе проведения радиоастрономических наблюдений.

Исходя из вышеизложенного, вырисовываются цели модернизации, изложенные на рис.3.

ЦЕЛИ МОДЕРНИЗАЦИИ
1. Расширить возможности работы радиотелескопа РТ-70 по частотному
диапазону, войти по оснащенности в двадцать лучших мировых радиотелескопов.
2. Повысить надежность работы комплекса, предусмотрев замену в первую
очередь устаревших МКС производства г. Омск, РФ.
3. Уменьшить количество блоков, выполнив их на базе современной
комплектации. Предусмотреть гибкость структуры приемного комплекса, обеспечив
работы в эксплуатируемых диапазонах методом программной перестройки.
4. Обеспечить комплекс приемных устройств в пределах выделяемого
финансирования 100% ЗИП. Упростить и автоматизировать диагностику блоков
повысив, таким образом, эксплуатационные параметры системы в целом.
5. Обеспечить возможность наращивания системы без доработки существующих
литер.
6. Высвободить позиции установки приемных систем (вместо четырех окон
задействовать два) для дальнейшего развития комплекса в целом.

Рис. 3

В процессе проведения работ по поддержанию работоспособности установленной на РТ-70 приемной аппаратуры, проведении работ по частичной модернизации аппаратуры специалистами ПАО «НПП «Сатурн» проработана структурная схема модернизации приемной системы с учетом последних достижений СВЧ электроники и требований, изложенных в целях модернизации.

Такая структурная схема показана на рис. 4.

Рис. 4

В данной структуре предусмотрено создание двух- и трехчастотной приемных систем с совмещенными облучателями в С и L-диапазонах и S, Х и Ка-диапазонах соответственно.

Совмещение диапазонов позволит сократить количество используемых позиций ПЗС РТ-70 для установки облучателей (всего их шесть, из которых на сегодня задействовано пять, четыре для размещения L, C, S и X, Ka-диапазонов приемных устройств и одна для передатчика планетного радиолокатора), позволит уменьшить (а значит упростить обслуживание) количество применяемых криоблоков и систем криогенного охлаждения, сведя в идеале к двум криоблокам и возможно к одному компрессору охлаждения.

Построение системы по такой структуре позволит уменьшить количество блоков на 40-50%, что резко повысит надежность системы в целом и упростит эксплуатацию, в т.ч. изготовление 100% ЗИПа, необходимого для оперативного восстановления работоспособности.

Есть, к сожалению, и недостатки. Любая совмещенная система проигрывает целевой в технических параметрах. Учитывая уникальность создаваемой аппаратуры, это потеря качества по основному параметру, чувствительности (Тш по входу) на 10÷15%.

Специалисты ПАО «НПП «Сатурн» считают, что улучшение эксплуатационных возможностей и удешевление стоимости аппаратуры, изготовленной при таком подходе к модернизации, стоит этих потерь (10-15% по чувствительности).

На рис. 5,6 показана часть L и C-диапазонов и их реализация в процессе проведения работ по теме «Приймач-С» по договору ДКАУ.

Рис. 5

Рис. 6

Работа проводится в таком порядке, что применение модернизированных блоков возможно и в эксплуатируемой системе после перекомпоновки конструктивных решений литеры С-диапазона.

В этом случае производится замена ряда блоков без ухудшения характеристик приемной системы литеры С, но к сожалению без модернизации криоблоков.

На рис. 5 штрих пунктиром показано работу по разработке и изготовлению, которую необходимо проделать для полной модернизации L и С–диапазонов.

Разработанная таким образом модернизированная приемная система L и C-диапазонов предназначена заменить аппаратуру, показанную на рис.7, 8, 9, 10.

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Следующий этап модернизации, показанный на рис.11, предназначен для замены комбинированной литеры S-X-диапазонов (рис. 12, 13) при этом предполагается иметь дополнительно в обоих диапазонах по каналу на вторую поляризацию плюс канал в двух поляризациях Ка-диапазона либо на замену существующей литеры, либо расширение возможностей в Ка-диапазоне.

Рис. 11

Рис.12

Рис.13

Хотя в этом случае аппаратно выигрыш не так виден, как в случае с L и С–диапазонах, но следует обратить внимание на значительное расширение функциональных возможностей.

Практическая реализация данного приемного устройства для задач малых (12 метровых) радиотелескопов показана на рис.14, 15, 16, 17 18.

Рис.14


Рис. 15	Рис. 16


Рис. 17	Рис. 18

Естественно, что при проектировании приемного устройства с аналогичными параметрами для РТ-70 будут свои конструктивные особенности, но в основе средства на разработку могут быть резко сэкономлены за счет большого (более 70%) заимствования с предыдущей разработки для РФ.

Хотел бы обратить внимание еще на два фактора.

1. Если проанализировать частотную оснащенность мировых радиотелескопов, можно сделать вывод о важности оснащения РТ - 70 S-, Х-, Ка -диапазонами, которая есть практически на всех радиотелескопах (см. рис. 1, 2).

Как пример можно привести структурную схему (рис.19) из материалов Российской Федерации по перспективным запускам космических объектов. Здесь явно выражен Х-диапазон. К сожалению в общем доступе нет аналогичных программ Китая, государств Европы, но судя по оснащенности радиотелескопов на их территории, тенденция такая же.

Рис. 19

2. В последнее время настойчиво витает идея отказа от охлаждаемых систем приема в пользу теплых усилительных систем.

Если вернуться к рис. 11, 17 где показана внутренняя структура и конструкция криоблока, то можно констатировать факт, что собственно усилители занимают в конструкции не более 10%, а с точки зрения обеспечения чувствительности их вклад более существенный, однако сравним с остальной пассивной частью приемного устройства (кроме усилителей вклад вносят собственно облучатель, вентили, мосты и поляризаторы).

Нами прогнозируются в L и С–диапазонах шумы теплых МШУ на уровне 18-20К и 25-30К соответственно без учета входного тракта, вентилей, которые нужны обязательно, иначе усилители будут возбуждаться за рабочей полосой при подключении к антенно-фидерному тракту. Кроме того, облучатели должны быть нагружены на хороший КСВ, иначе их диаграмма направленности будет искажаться. Вентиль с входным трактом добавит Тш 10-15 К.

При охлаждении до азотной температуры параметры улучшаются до 7-12К вместе с охлажденными пассивными элементами. Столь существенная потеря качества при возможности улучшения эксплуатационных характеристик за счет снижения количества криоблоков и обеспечивающих их работоспособность вакуумного и криогенного оборудования (вместо шести - два криоблока и один компрессор, вместо шести вакуумных насосов - один) по мнению специалистов НПП «Сатурн» не оправдано.

На рис. 20, 21 показаны характеристики аппаратуры аналогичных РТ-70 радиотелескопов, как видим при модернизации стремятся как можно улучшить основной параметр чувствительность приемников (рис. 20- Т_ш после модернизации улучшена в два раза до 16,2 К в Х-диапазоне).

Рис. 20

Рис. 21

По требованию Заказчика система может быть выполнена и в теплом варианте, но с нашей точки зрения интерес коллег из других стран к радиотелескопу РТ-70 с заниженными техническими характеристиками будет менее значителен.

В завершение хочу остановиться на сравнительном анализе возможных двух путей модернизации приемной системы радиотелескопа РТ-70. На рис. 22 показаны необходимые работы и их примерная стоимость.

Рис. 22

Хотел бы обратить внимание ДКАУ, что даже если ничего не делать, то на обслуживание имеющихся систем необходимо на 2014-2016 годы не менее 1800,0 тыс.грн. по 600,0 тыс. грн. в год.

Принятые решения делать аппаратуру в теплом варианте как более дешевую, удешевит изготовление модернизированной системы не более чем на 15% за счет отказа от вакуумных систем и систем глубокого охлаждения.

Таким образом, можно сделать заключение, что: наиболее оптимальным путем модернизации приемной системы РТ - 70 как сточки зрения сохранения и улучшения технических параметров так и с точки зрения минимизации затрат на модернизацию, является создание двухпозиционной многочастотной приемной системы с совмещенными облучателями по L и С –диапазонам и S-, Х-, Ка -диапазонам с единой системой криогенного охлаждения с обеспечением такой системы 100% ЗИП.