Запотевание выходной оптики оптоэлектронных систем при наборе высоты.
23.06.2026г.
Статья посвящена проблеме запотевания выходной оптики бортовых оптоэлектронных систем при наборе высоты. Резкое падение давления и температуры вызывает конденсацию и молекулярное загрязнение. Описаны методы борьбы: вакуумная сушка, гидрофобные покрытия, подогрев окон, клапаны с ePTFE-мембраной и установка патронов осушки для надежной работы авиационных приборов.
Ключевые слова: запотевание оптики, оптоэлектронные системы, набор высоты, конденсация, молекулярное загрязнение, ePTFE-мембраны, аэрокосмическая отрасль, патроны осушки.
Запотевание выходной оптики оптоэлектронных систем бортового базирования - критическое явление, приводящее к сильному ухудшению параметров работы всей системы (поглощение и рассеивание света, лазерного излучения) или вовсе провоцирующее отказ системы. Запотевание при наборе высоты зависит от множество факторов. Борьба с ним - непростая инженерная задача.
Рассмотрим действующие факторы, возникающие с набором высоты: изменение давления и температуры внешней атмосферы.
Атмосфера Земли состоит из смеси многих газов, с разной концентрацией, составом и температурами (в зависимости от региона наблюдения) и изменение атмосферного давления не является постоянной функцией во времени, однако можно определить среднее значение потери давления на высоте до 10км в районе 50-60%.
Для температуры характерны так же нелинейные зависимости и снижение температуры в отдельных регионах может достигать до 60°С.
Соответственно, на оптоэлектронную систему при наборе высоты будут воздействовать стремительное понижение внешнего атмосферного давления и температуры.
Атмосфера Земли состоит из смеси многих газов, с разной концентрацией, составом и температурами (в зависимости от региона наблюдения) и изменение атмосферного давления не является постоянной функцией во времени, однако можно определить среднее значение потери давления на высоте до 10км в районе 50-60%.
Для температуры характерны так же нелинейные зависимости и снижение температуры в отдельных регионах может достигать до 60°С.
Соответственно, на оптоэлектронную систему при наборе высоты будут воздействовать стремительное понижение внешнего атмосферного давления и температуры.
График изменения давления с набором высоты.
Запотевание выходного окна или линзы телескопа наиболее часто вызвано следующими факторами:
- Конденсация влаги на внутренней стороне выходного окна из-за более интенсивного снижения его температуры относительно всей остальной системы (падение температуры за бортом, а также из-за набегающего потока холодного воздуха). Конструктивные элементы внутри системы остаются теплыми и влага конденсируется на самом холодном элементе.
- Адиабатическое охлаждение воздуха внутри оптоэлектронной системы: если она не абсолютно герметична или есть клапан выравнивания давления, при резком наборе высоты и, соответствующем понижении внутреннего давления, происходит снижение температуры воздуха и конденсация влаги внутри системы. Также потеря герметичности может быть вызвана потерей герметизирующих свойств уплотнений из-за несоблюдения требований стандартов проектирования уплотнительных узлов, неверного выбора материалов уплотнений или деформации уплотнений от перегрузок.
- Молекулярное загрязнение: при резком падении давления и изменении температуры полимерные материалы внутри оптического блока (уплотнительные кольца, клеи, лаки, пластиковые элементы конструкции, смазки и т.п.) начинают интенсивно выделять летучие вещества.
- Конденсация влаги на внутренней стороне выходного окна из-за более интенсивного снижения его температуры относительно всей остальной системы (падение температуры за бортом, а также из-за набегающего потока холодного воздуха). Конструктивные элементы внутри системы остаются теплыми и влага конденсируется на самом холодном элементе.
- Адиабатическое охлаждение воздуха внутри оптоэлектронной системы: если она не абсолютно герметична или есть клапан выравнивания давления, при резком наборе высоты и, соответствующем понижении внутреннего давления, происходит снижение температуры воздуха и конденсация влаги внутри системы. Также потеря герметичности может быть вызвана потерей герметизирующих свойств уплотнений из-за несоблюдения требований стандартов проектирования уплотнительных узлов, неверного выбора материалов уплотнений или деформации уплотнений от перегрузок.
- Молекулярное загрязнение: при резком падении давления и изменении температуры полимерные материалы внутри оптического блока (уплотнительные кольца, клеи, лаки, пластиковые элементы конструкции, смазки и т.п.) начинают интенсивно выделять летучие вещества.
Измерения газовыделения материалов, применяемых в аэрокосмической отрасли: Total Mass Loss (TML) - % потери массы, Water Vapor Regained (WVR) - % поглощения влаги после проведения вакуумного отжига (влагоемкость материала). Ист. https://www.nasa.gov/
Для борьбы с запотеванием применяются следующе технические решения:
- сборка системы при пониженной влажности воздуха для предотвращения попадания влаги внутрь герметичного контура системы;
- применение патронов осушки с достаточной влагоемкостью для поглощения остаточной влаги.
2. Гидрофобные покрытия выходных окон и линз и системы их подогрева активно препятствуют конденсации.
3. Применение клапанов выравнивания давления с ePTFE-мембраной и дополнительным осушителем, не пропускающих влагу.
4. Для борьбы с молекулярными загрязнениями применяется вакуумный отжиг полимерных компонентов при высоких температурах, а также периодическое продувание герметичного объема чистым сухим воздухом (например, в периоды технического обслуживания авиационной техники между полетами). Для поглощения остаточных загрязнений устанавливаются патроны осушки и очистки (ПОО).
Совокупное применение предложенных инженерных решений и технологических процессов при проектировании, сборке и эксплуатации оптоэлектронных систем способствуют кратному снижению вероятности образования конденсата на оптике, а также увеличению ресурсных характеристик системы.
- Удаление влаги из герметичного корпуса:
- сборка системы при пониженной влажности воздуха для предотвращения попадания влаги внутрь герметичного контура системы;
- применение патронов осушки с достаточной влагоемкостью для поглощения остаточной влаги.
2. Гидрофобные покрытия выходных окон и линз и системы их подогрева активно препятствуют конденсации.
3. Применение клапанов выравнивания давления с ePTFE-мембраной и дополнительным осушителем, не пропускающих влагу.
4. Для борьбы с молекулярными загрязнениями применяется вакуумный отжиг полимерных компонентов при высоких температурах, а также периодическое продувание герметичного объема чистым сухим воздухом (например, в периоды технического обслуживания авиационной техники между полетами). Для поглощения остаточных загрязнений устанавливаются патроны осушки и очистки (ПОО).
Совокупное применение предложенных инженерных решений и технологических процессов при проектировании, сборке и эксплуатации оптоэлектронных систем способствуют кратному снижению вероятности образования конденсата на оптике, а также увеличению ресурсных характеристик системы.
Литература:
- Хргиан А. Х., Физика атмосферы, 1969г., УДК: 551.510
- Борейшо А.С., Страхов С.Ю., Системное проектирование лазерной и оптоэлектронной техники, 2024г., ISBN 978-5-9729-1818-8
- Никитин Ю. А., Филин В. А., Юрова В. А., Схемотехника оптоэлектронных устройств. Передающие оптоэлектронные устройства: учебное пособие, 2021г., ISBN 978-5-89160-244-1
- А. С. Елизаренко, Ю. Б. Парвулюсов, В. П. Солдатов, Ю. Г. Якушенков, Проектирование оптико-электронных приборов, 1981г., ISBN 978-5-0000-0000-0
- https://www.nasa.gov/
- Хргиан А. Х., Физика атмосферы, 1969г., УДК: 551.510
- Борейшо А.С., Страхов С.Ю., Системное проектирование лазерной и оптоэлектронной техники, 2024г., ISBN 978-5-9729-1818-8
- Никитин Ю. А., Филин В. А., Юрова В. А., Схемотехника оптоэлектронных устройств. Передающие оптоэлектронные устройства: учебное пособие, 2021г., ISBN 978-5-89160-244-1
- А. С. Елизаренко, Ю. Б. Парвулюсов, В. П. Солдатов, Ю. Г. Якушенков, Проектирование оптико-электронных приборов, 1981г., ISBN 978-5-0000-0000-0
- https://www.nasa.gov/
Автор:
Ведущий инженер компании Адлас:
Фокина Татьяна Андреевна
УДК 681.782.473
Ведущий инженер компании Адлас:
Фокина Татьяна Андреевна
УДК 681.782.473
Отправить запрос
Благодарим за проявленный интерес. Ваши персональные данные обрабатываются в соответствии с нашей политикой обработки персональных данных и ни при каких обстоятельствах не передаются третьим лицам.