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- Тш 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.