Архив инженерных проектов
Жесткий бороскоп для атомной станции
Задача: наблюдение через высокотемпературную зону в условиях повышенной радиации
ФОТО 01Жесткий бороскоп для наблюдения в условиях повышенной температуры и радиации.
Исходная задача
Визуальный контроль при высокой температуре и радиации
Требовалась система для визуального контроля объектов в условиях повышенной температуры и радиации. Бороскоп должен был работать на дистанции от 0,5 до 8 м, давать поле зрения не менее 30° и сохранять оптический тракт внутри узкого металлического корпуса.
В договорном ТЗ температура в наблюдаемом помещении достигала 600–700 °C. Для внутренней части оптической системы и камеры были заданы отдельные температурные ограничения, которые предстояло уточнить по результатам испытаний теплового макета.
Оптический расчет и прототип
Рассчитали оптику и проверили схему на макете
Работу начали с принципиальной схемы в Zemax. Рассчитали вариант для комнатной температуры и вариант со стеклами радиационно-стойкой 200-й серии для горячей зоны. Параллельно подбирали доступные материалы, уточняли радиусы линз под реальные типоразмеры, выбирали камеру, схему подсветки и требования к покрытиям.
Первую сборку выполнили с полимерными линзами и стандартной оптомеханикой. Такой макет помог проверить ход лучей, компоновку и методику юстировки до изготовления стеклянной оптики и длинного металлического корпуса.
ФОТО 02
РАСЧЕТ 01Тепловая коррекция
Тепловые испытания изменили конструкцию
После испытаний макета с полимерными линзами команда получила результаты лабораторных испытаний системы воздушного охлаждения от заказчика. В одном из опытов печь нагрели до 614 °C, но при этом температура в измерительных зонах оставалась значительно ниже температуры печи.
Следующий опыт выявил критичный режим. После остановки охлаждения температура в первой камере выросла с 44 до 175 °C за минуту, а после повторного включения быстро снизилась. Фронтальное стекло треснуло.
Эти результаты использовали как инженерные ограничения: учитывались различные тепловые зазоры в зависимости от удаленности линз от печи, а также скорость нагрева и охлаждения. Тепловые градиенты для полимерной и стеклянной версий моделировали в COMSOL. По полученным данным скорректировали оптическую схему и конструкторскую документацию корпуса.
РАСЧЕТ 02Оптика и механика
Стеклянную оптику разместили в металлическом корпусе
Для рабочей версии изготовили линзы, зеркала, оправы, втулки, фланцы и длинный корпус из нержавеющей стали. Оптические элементы проходили входной контроль. Конструкция сохранила доступ к узлам для сборки и юстировки, а также соединения для интеграции с охлаждаемой оболочкой заказчика.
Корпусные и оптомеханические детали изготовили на участке металлообработки, а сборку и юстировку выполнили с использованием возможностей оптической лаборатории.
ФОТО 03
ФОТО 04
ФОТО 05
ФОТО 06Лабораторные испытания
Испытания подтвердили оптические параметры
Собранный макет юстировали по штриховой мире. Система разрешила 150 лин/мм в центре поля и 40 лин/мм на краю при требованиях 50 и 10 лин/мм соответственно.
Измеренное фокусное расстояние составило 15 мм. Коэффициент пропускания 0,5 был достигнут для длинной системы на радиационно-стойких стеклах 200-й серии, исходное пропускание которых ниже, чем у стандартных оптических стекол. Для выхода на это значение команда улучшила оптические покрытия. Макет прошел лабораторные испытания.
Паспорт проекта
Ключевые параметры
Температура, геометрия и рабочая дистанция приведены по ТЗ. Разрешение приведено по результатам лабораторных испытаний.
| Параметр | Значение | Статус |
|---|---|---|
| Условия в наблюдаемом помещении | 600–700 °C | Требование ТЗ |
| Расстояние до объекта | 0,5–8,0 м | Требование ТЗ |
| Поле зрения | Не менее 30° | Требование ТЗ |
| Увеличение | 1,0–1,5× | Требование ТЗ |
| Рабочий спектральный диапазон | 630–660 нм | Требование ТЗ |
| Диаметр оптической системы | Не более 2 дюймов | Требование ТЗ |
| Разрешение в центре поля | 150 лин/мм | Измерено; требование 50 лин/мм |
| Разрешение на краю поля | 40 лин/мм | Измерено; требование 10 лин/мм |
Результат
От оптической схемы до испытанного макета
Команда прошла путь от оптической схемы и полимерного стендового макета до стеклянной системы в металлическом корпусе. Тепловые испытания не остались формальной проверкой: обнаруженный термошок фронтального стекла стал основанием для корректировки оптики и механики.
Итоговый макет подтвердил фокусное расстояние, разрешение и пропускание по программе испытаний. Проект объединил оптическое проектирование, изготовление компонентов, лабораторную проверку и сборку изделия.
Галерея проекта
Готовый бороскоп
Четыре ракурса готового изделия: общий вид, корпус, фланцы и механизм юстировки.
ГАЛЕРЕЯ 01Обсудить похожую задачу
Пришлите техническое задание, параметры объекта и приемника или описание экспериментальной установки. Команда изучит задачу и предложит состав расчета, прототипирования и изготовления.