СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ТЕРМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ Российский патент 2009 года по МПК B64G1/58 B64G7/00 

Изобретение относится к космической технике, к области проектирования и наземной отработки при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) в тепловакуумных камерах (ТВК) системы терморегулирования (СТР) космического аппарата (КА), а именно к вопросам определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) СТР.

СТР предназначена для поддержания теплового режима всех элементов КА в заданных пределах путем обеспечения контролируемого их теплообмена с окружающей средой. Потребный тепловой режим КА в целом и отдельных его элементов поддерживается активными и пассивными средствами обеспечения тепловых режимов (СОТР). К пассивным СОТР относят ЭВТИ - пакет многослойной теплоизоляции, состоящий из набора экранов с высокой отражательной способностью, разделенных прокладками из материалов с низкой теплопроводностью. ЭВТИ обладает уникальными теплоизоляционными характеристиками. Ее термическое сопротивление, отнесенное к весу единицы площади поверхности, является наибольшим из всех известных типов теплоизоляции. ЭВТИ технологична, может быть установлена на элементы КА различной формы. Уникальные теплоизоляционные свойства ЭВТИ проявляются в чистом виде лишь для гладких поверхностей, через которые не проходят ни выводы, ни конструктивные элементы. Иначе возникают значительные перетечки тепла вдоль отдельных слоев ЭВТИ, приводящие к снижению суммарного термического сопротивления.

Одним из важнейших определяющих параметров ЭВТИ является термическое сопротивление ЭВТИ, величина которого зависит от плотности упаковки слоев. Главным критерием косвенной оценки теплофизических свойств ЭВТИ является контроль высоты пакета теплоизоляции как при их изготовлении, так и при установке их на КА. По своей природе пакеты многослойной теплоизоляции являются весьма гибкими и свободно укладываются на элементы конструкции КА. При этом с учетом перегрузок и сил, возникающих при вакуумировании изоляции, возможны значительные изменения местных значений плотности упаковки ЭВТИ и практической невозможности контроля высоты пакетов, установленных на КА в реальных условиях эксплуатации в ТВК.

Учет особенностей конфигурации КА, применяемая технология изготовления и сборки ЭВТИ, а также установки и крепления ее на поверхности КА приводят к усложнению расчетных методов прогнозирования термического сопротивления ЭВТИ в рабочих условиях эксплуатации. Поэтому контроль за изменением величины термического сопротивления отдельных участков ЭВТИ может быть выполнен только непосредственным измерением при ТВИ КА, проводимых в ТВК с имитацией внешних радиационных воздействий в видимой области спектра и части инфракрасной области [1, с.9].

Задачей изобретения является:

- определение величины местного термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата при тепловакуумных испытаниях КА в ТВК;

- определение термического сопротивления ЭВТИ на искривленных поверхностях, с учетом особенностей конфигурации КА, и простота реализации этого способа.

Поставленная задача достигается способом определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата при тепловакуумных испытаниях, включающим измерение температуры внешних слоев экранно-вакуумной теплоизоляции T₁ и Т₂, при установившемся тепловом состоянии системы, при Т₁≠T₂ проводят измерение равновесных температур T_ч и Т_ик рабочих поверхностей приемников лучистой энергии, один из которых обладает высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, а другой с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра с коэффициентом поглощения A_s<(0,1-0,2), при этом приемники лучистой энергии установлены в районе исследуемого участка экранно-вакуумной теплоизоляции, а термическое сопротивление экранно-вакуумной теплоизоляции R_эвти определяют из выражения

где ε_эвти и А_Sэвти - степень черноты и коэффициент поглощения солнечной энергии наружной поверхностью внешнего слоя ЭВТИ; ε - степень черноты рабочей поверхности приемника лучистой энергии с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра; σ - постоянная Стефана - Больцмана.

Тепловое излучение q_твк, падающее на исследуемый участок ЭВТИ в ТВК, определяется излучением имитаторов космического пространства, солнечного и планетного излучений [1, с.28, с.38, с.47], собственного излучения элементов конструкций ТВК, включая тепловые и криогенные экраны, а также отраженного излучения от элементов конструкций. Излучение q_твк зависит от температуры и физических свойств не только данного излучающего тела, но и других окружающих его тел, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве ТВК. Расчетным путем оценить лучистый теплообмен такой сложной системы представляет большие трудности, которые предлагается преодолеть с помощью двух приемников лучистой энергии (ПЛЭ) [1, с.130], рабочая поверхность одного из которых обладает высокой поглощательной способностью тепловых лучей (световых и инфракрасных), а рабочая поверхность другого с низкой поглощательной способностью лучей видимой области спектра (световых лучей) и установленных вблизи исследуемого участка ЭВТИ. Чтобы выделить из общего теплового потока q_твк его составляющие, а именно солнечное (световое) q_s и инфракрасное q_ик излучения, используем конструкцию ПЛЭ, где обмен энергией с окружающей средой осуществляется только излучением, проводим измерение равновесных температур рабочих поверхностей ПЛЭ Т_ч и Т_ик [2, с.769]. ПЛЭ может быть выполнена, например, в виде тонкостенной плоской пластины с высокой теплопроводностью (например, выполненной из серебра, меди или алюминия), на рабочей поверхности которой нанесен слой терморегулирующего покрытия (ТРП), а на ее тыльной поверхности установлен чувствительный элемент (например, термометр сопротивления). Причем на одном ПЛЭ на ее рабочей поверхности нанесено ТРП с высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу (например, черная эмаль или черная краска [2, с.779]), а на рабочей поверхности другого ПЛЭ используется ТРП с высокой избирательностью по спектру поглощаемого излучения с коэффициентом поглощения солнечной энергии A_s<(0,1-0,2). Пластина ПЛЭ, кроме рабочей поверхности, закрывается теплоизоляцией и принимается, что утечки тепла из ПЛЭ через теплоизоляцию пренебрежимо малы. Причем с целью минимизации влияния ПЛЭ на теплообмен исследуемого участка ЭВТИ с моделируемой в ТВК космической средой выбираем площадь ПЛЭ S_плэ намного меньше площади исследуемого участка ЭВТИ S_эвти.

В качестве конкретного примера на чертеже приведен фрагмент ЭВТИ, для которого реализован предлагаемый способ. На чертеже приведен: исследуемый участок ЭВТИ 1 с внешними слоями 2 и 3, на которых установлены датчики температуры 5 и 6; два приемника лучистой энергии 4 и 7, один из которых обладает высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, а другой с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра с коэффициентом поглощения солнечной энергии As<(0,1-0,2). Исследуемый участок ЭВТИ 1 испытывает внешнее радиационное воздействие со стороны имитаторов инфракрасного излучения (ИКИ) 8 и имитатора солнечного излучения (ИСИ) 9.

Способ определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА при ТВИ реализуется следующим образом.

Помещают КА с СТР (не показано), в состав которой входит ЭВТИ 1, в ТВК (не показано). Обеспечивают в ТВК рабочие условия эксплуатации КА, т.е. имитацию внешних воздействий космического пространства. При установившемся тепловом состоянии системы измеряют температуры T₁ и Т₂ датчиками температуры 5 и 6, установленными друг против друга на внутренних поверхностях внешних слоев 2 и 3 ЭВТИ 1. При нарушении равновесия между ЭВТИ 1 и излучением, т.е. ЭВТИ 1 излучает энергии больше или меньше, чем поглощает (T₁≠Т₂), проводят измерение равновесных температур Т_ч и Т_ик с помощью чувствительных элементов, например термометров сопротивления, приемников лучистой энергии 4 и 7. После чего из выражения (1) определяют R_эвти.

Выражение (1) для определения R_эвти получено следующим образом.

В условиях радиационного теплообмена в реальном спектре излучения выражение (1) получено на основе баланса тепловых потоков для интересующего участка ЭВТИ 1 на стационарном режиме.

Как видно из чертежа, q_эвти - плотность теплового потока - собственное излучение с ЭВТИ 1, которое полностью определяется температурой Т₂ внешнего слоя 3 и физическими свойствами наружной поверхности внешнего слоя 3 ЭВТИ 1 - испускательной способностью ЭВТИ 1.

Одновременно с этим со стороны, тел установленных в ТВК, на ЭВТИ 1 падает лучистая энергия в количестве q_твк - падающее излучение. Часть q_твк поглощается ЭВТИ 1 - поглощенное излучение q_погл

где А_эвти - поглощательная способность ЭВТИ.

А_эвти зависит от спектрального состава лучистой энергии q_твк, падающей на ЭВТИ 1, и тепловых радиационных характеристик. Остальная энергия падающего на ЭВТИ 1 излучения отражается q_отр - отраженное излучение

Результирующее излучение q_рез представляет собой разность между собственным излучением контролируемого участка ЭВТИ 1 q_эвти и той частью падающего внешнего излучения q_твк, которая поглощается рассматриваемым участком ЭВТИ 1

q_погл. Составляя энергетический баланс, получаем

Величина q_рез определяет плотность теплового потока, проходящего через ЭВТИ 1 в направлении нормали к его слоям и передаваемого окружающим его телам в процессе лучистого теплообмена. Энергию падающего излучения q_твк при этом считаем известной, определенной путем измерения равновесных температур Т_ч и Т_ик приемников лучистой энергии 4 и 7.

Излучение q_эвти ЭВТИ 1 определяем по закону Стефана - Больцмана

где ε_эвти - степень черноты наружной поверхности внешнего слоя 3 ЭВТИ 1; Т₂ - температура внешнего слоя 3.

Поскольку для нас наибольший интерес представляют те лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами излучающих элементов, установленных в ТВК, и самой конструкцией ТВК, а именно световые и инфракрасные лучи, то выражение (2) для поглощенного ЭВТИ 1 теплового излучения определяется из соотношения

при этом

Откуда из (4), (5) и (6) определим q_рез

Для ПЛЭ 4 с высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, падающий лучистый тепловой поток будем принимать равным собственному излучению, т.е. энергетический баланс имеет вид

где Т_ч - температура ТРП ПЛЭ 4; ε_ч - коэффициент излучательной способности ТРП ПЛЭ 4; А_ч - коэффициент поглощательной способности ТРП ПЛЭ 4; q_ч - тепловые потери ПЛЭ 4, которыми пренебрегаем.

Для ПЛЭ 7 с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра энергетический баланс имеет вид

где Т_ик - температура ТРП ПЛЭ 7; q_к - тепловые потери ПЛЭ 7, которыми пренебрегаем, т.е. q_к=0.

Из (9) и (10) определяем составляющие теплового потока q_s и q_ик:

Термическое сопротивление ЭВТИ 1 определяем из выражения

Подставляя в (13) выражение для q_рез из (8), с учетом (11) и (12), получим соотношение для определения термического сопротивления ЭВТИ 1

При отсутствии в ТВК имитатора солнечного излучения 9 или когда он не работает, соотношение (14) для R_эвти примет вид

Приведем расчетный пример реализации способа определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА при ТВИ.

Размерности всех параметров в расчетных примерах приведены в Международной системе единиц. σ=5,67-10^-8 Вт/(м²·К⁴).

Помещают КА с СТР, в состав которой входит ЭВТИ 1, в ТВК. Обеспечивают в ТВК рабочие условия эксплуатации КА, т.е. при имитации в ТВК тепловой части внешнего электромагнитного излучения, имитации поглощения излучения космическим пространством и вакуума, обеспечивающего радиационный

характер внешней теплопередачи и рабочий режим работы теплоизоляции (в пределах 10^-3…10^-4 Па).

Выполним расчетные примеры, приняв следующие оптические характеристики для наружной поверхности внешнего слоя 3 ЭВТИ 1: ε_эвти=0,6; A_Sэвти=0,3.

Положим, что на рабочие поверхности ПЛЭ 4 и 7 нанесены ТРП со следующими оптическими характеристиками:

- ПЛЭ 4 с высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, А_ч>(0,95-0,99);

- ПЛЭ 7 с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра: ε=0,85; A_s=0,1.

Рассмотрим пример №1. В ТВК установлены имитатор солнечного излучения 9 и имитатор инфракрасного излучения 8.

При установившемся тепловом состоянии системы фиксируем T₁ и Т₂ датчиками температуры 5 и 6, например T₁=293 К и Т₂=354 К.

Фиксируем показания термометров сопротивления установленных на ПЛЭ 4 и 7, например Т_ч=410 К и Т_ик=283 К.

Из выражения (14) определяем R_эвти

Из соотношений (11) и (12) определяем составляющие внешнего теплового потока, воздействующего на исследуемый участок ЭВТИ 1 q_s и q_ик:

Рассмотрим пример №2. В ТВК отключен имитатор солнечного излучения 9, а на ЭВТИ воздействует только инфракрасное излучение от имитатора инфракрасного излучения 8 и от охлаждаемых стенок ТВК.

При установившемся тепловом состоянии системы фиксируем показания датчиков температуры 5 и 6 T₁=293 К и Т₂=122 К.

Фиксируем температуру Т_ч по показанию термометра сопротивления установленного на ПЛЭ 4, Т_ч=115 К.

Из выражения (15) определяем R_эвти

Из соотношения (12) определяем внешний тепловой поток инфракрасного излучения, воздействующего на исследуемый участок ЭВТИ 1, q_ик:

Для примера №2 оценим величину предельной абсолютной погрешности определения термического сопротивления ЭВТИ 1 ΔR_эвти [3, с.132] для значений переменных T₁, Т₂, Т_ч функции R_эвти (15) из следующего выражения

Примем предельные абсолютные погрешности при измерении T₁, T₂, Т_ч соответствующими датчиками температуры равными ΔT₁=ΔТ₂=ΔТ_ч=0,5 К. Откуда из (16)

При этом относительная погрешность оценки термического сопротивления ЭВТИ 1 составила ΔR_эвти/R_эвти=(16/107)·100%~15%.

Рассмотрим пример №3. На исследуемый участок ЭВТИ 1 воздействует только инфракрасное излучение, как в примере №2.

При установившемся тепловом состоянии системы фиксируем показания датчиков температуры 5 и 6 T₁=293 К и Т₂=155 К.

Фиксируем показания термометра сопротивления ПЛЭ 4, Т_ч=115 К.

Из выражения (15) определяем R_эвти

Из соотношения (12) определяем внешний тепловой поток, воздействующий на исследуемый участок ЭВТИ 1, q_ик:

, т.е. такой же, как в примере №2.

Оценим величину предельной абсолютной погрешности ΔR_эвти из (16), принимая предельные абсолютные погрешности при измерении T₁, Т₂, Т_ч соответствующими датчиками температуры равными ΔT₁=ΔТ₂=ΔТ_ч=0,5 К.

При этом относительная погрешность оценки термического сопротивления ЭВТИ 1 составила ΔR_эвти/R_эвти=(0,34/10)·100%~3,4%.

Сравнительный анализ примеров №2 и №3 по определению термического сопротивления двух исследуемых участков ЭВТИ при одинаковых внешних воздействиях на эти участки показал, что в примере №3 R_эвти оказалось на порядок меньше, чем в примере №2, что может быть следствием несовершенства технологии установки пакета ЭВТИ на поверхность КА (например, превышена допустимая плотность укладки экранов ЭВТИ). Таким образом, данные результаты ТВИ позволяют выявлять дефекты отдельных участков ЭВТИ, совершенствовать конструктивное исполнение и технологию сборки ЭВТИ при дальнейшей отработке СТР КА в ТВК.

Применение предлагаемого способа определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА при ТВИ позволяет:

1) контролировать величину местного термического сопротивления ЭВТИ в условиях наземной отработки СТР космического аппарата в ТВК;

2) осуществлять контроль термического сопротивления ЭВТИ на искривленных поверхностях КА с учетом особенностей его конфигурации;

3) использовать результаты ТВИ при анализе влияния на термическое сопротивление ЭВТИ остаточного газа в ЭВТИ и процесса его дренирования при выходе СТР на рабочий режим;

4) выявлять дефекты отдельных участков ЭВТИ, совершенствовать конструктивное исполнение, технологию сборки ЭВТИ и установки ее на КА при отработке СТР космического аппарата в тепловакуумной камере;

5) автоматизировать процесс определения термического сопротивления ЭВТИ, используя информацию поступающую с соответствующих датчиков температуры.

Источники информации

1. О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение. 1982.

2. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991.

3. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука. 1986.

Изобретение относится к наземным имитационным испытаниям элементов космической техники и может быть использовано при проектировании и экспериментальной отработке многослойной экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ). Согласно изобретению в установившемся тепловом состоянии системы терморегулирования проводят измерение температур T₁ и Т₂ внешних (с разных сторон) слоев исследуемого участка ЭВТИ. При T₁≠Т₂ проводят измерение равновесных температур

(Т_ч и Т_ик) приемников лучистой энергии. Один из приемников обладает высокой поглощательной способностью теплового излучения (A_s), близкой к A_s абсолютно черного тела. Другой приемник имеет в видимой области спектра A_s<(0,1-0,2). Приемники устанавливают в районе исследуемого участка ЭВТИ. Термическое сопротивление ЭВТИ (R_эвти) определяют по формуле, полученной из условия баланса тепловых потоков - лучистого и теплопроводности - через ЭВТИ. Данным способом можно контролировать местную величину R_эвти при наземной отработке системы терморегулирования космического аппарата в тепловакуумной камере, в том числе на искривленных поверхностях аппарата с учетом его конфигурации. В результате испытаний также выявляется влияние на величину R_эвти остаточного газа в ЭВТИ и процесса его дренирования, дефекты отдельных участков ЭВТИ и т.д. Техническим результатом изобретения является простота реализации описанного выше способа и возможность его автоматизации при использовании информации с соответствующих датчиков температуры. 1 ил.

Способ определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата при тепловакуумных испытаниях, включающий измерение температур внешних слоев экранно-вакуумной теплоизоляции T₁ и Т₂ в установившемся тепловом состоянии системы, измерение при T₁≠Т₂ равновесных температур T_ч и Т_ик рабочих поверхностей приемников лучистой энергии, один из которых обладает высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к поглощательной способности абсолютно черного тела, а другой - низкой поглощательной способностью излучения в видимой области спектра с коэффициентом поглощения A_s<(0,l-0,2), при этом приемники лучистой энергии устанавливают в районе исследуемого участка экранно-вакуумной теплоизоляции, а термическое сопротивление экранно-вакуумной теплоизоляции R_эвти определяют по формуле

где ε_эвти и А_Sэвти - степень черноты и коэффициент поглощения солнечной энергии наружной поверхностью внешнего слоя экранно-вакуумной теплоизоляции;
ε - степень черноты рабочей поверхности приемника лучистой энергии с низкой поглощательной способностью излучения в видимой области спектра;
σ - постоянная Стефана-Больцмана.