УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПАДАЮЩИХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ПРИ ТЕПЛОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2022 года по МПК G01N25/72 B64G7/00 

Изобретение относится к космической технике, а именно к средствам контроля параметров окружающей среды (радиационной обстановки) при проведении наземной тепловакуумной отработки космических аппаратов (КА) и при летных испытаниях в космическом пространстве.

При проведении тепловакуумных испытаний (ТВИ) в наземных вакуумных камерах, в качестве специального оборудования для моделирования лучистых потоков, применяется инфракрасные имитаторы (ИКИ) излучения и имитаторы солнечного излучения (ИСИ), а измерение и контроль моделируемых лучистых потоков осуществляется различными типами приемников лучистой энергии в составе специальных устройств. Необходимо отметить, что плотность полусферических интегральных падающих потоков слагается из собственного излучения элементов окружающей среды и эффективного излучения от самого объекта испытаний с учетом многократных взаимных переотражений между этими элементами при многообразии геометрических и оптических свойств их поверхностей. В частном случае, при наземных криогенных испытаниях в тепловакуумных камерах (ТВК), устройство может использоваться для оценки совершенства радиационной обстановки внутри ТВК путем измерения ее собственного фона с учетом неохлаждаемых элементов конструкции, например таких, как смотровые иллюминаторы (в отсутствии объекта испытаний и выключенных ИКИ и ИСИ). Область применения данных устройств и способов измерения лучистых потоков определяется совокупностью эксплуатационных условий космического пространства (в том числе при испытаниях в ограниченном пространстве ТВК), когда единственным способом теплопередачи является лучистый теплообмен, а молекулярная теплопроводность и конвективный тепловой поток исключаются при регламентированной степени вакуума окружающего пространства (вакуум со степенью разрежения не более 10^-4 мм рт.ст.).

Известно устройство измерения плотности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов (см. например, патент России №2353923, МПК: G01N 25/72, от 02.07.2007 г.), содержащее две рядом расположенные в одной плоскости сборки, в каждой из которых чувствительный элемент размещен на электроизолирующей подложке и установлен внутри корпуса собственной сборки; упомянутые корпусы выполнены в виде правильной призмы или круглого цилиндра, при этом для каждой из сборок одно основание корпуса выполнено с максимально высоким коэффициентом теплового излучения, а другое основание и боковая поверхность корпуса для каждой сборки выполнены с минимальным коэффициентом теплового излучения.

Известен способ измерения плотности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов (см. например, патент России №2353923, МПК: G01N 25/72, от 02.07.2007 г.), основанный на измерении двух значений температуры с помощью датчиков, наклеенных на приемники лучистой энергии (с различными значениями радиационных коэффициентов), каждый из которых размещается в корпусе теплоизолированной сборки, а сами сборки устройства расположены в одной плоскости рядом друг с другом.

Устройство и способ обеспечивают простой алгоритм расчета плотности падающего теплового потока по двум измеренным значениям температуры, однако имеется существенная погрешность измерения и большая тепловая инерционность устройства в связи с применением теплоемкого корпуса с теплоизоляцией, кроме того устройство не обладает частотной избирательностью излучения, т.е. является неселективным и не реализует возможность измерения полусферических потоков с противоположной стороны устройства.

Известно также устройство измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов (см. патент России №2530446, МПК; G01N 25/72 от 13.02.2013), выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит сборки, в каждой из которых чувствительный элемент температурного датчика размещен на электроизолирующей подложке, а сами сборки выполнены в виде установленных в параллельных плоскостях напротив друг друга n панелей (где: n>=2), скрепленных между собой и закрепленных посредством нитей в проволочном каркасе, причем в каждой панели чувствительный элемент прикреплен с тепловым контактом к тонкостенной пластине, снабженной элементом жесткости по периметру и выполненной из высокотеплопроводного материала, при этом панели установлены с зазором, выполненным посредством точечных контактов из жаропрочной и низкотеплопроводной нити, связывающей все панели между собой, и на все поверхности панелей нанесено терморегулирующее покрытие черного цвета с максимальной одинаковой степенью черноты ε≥0,95.

Известен также способ измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов (см. патент России №2530446, МПК: G01N 25/72 от 13.02.2013), выбранный в качестве прототипа. Способ измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов, основан на измерении температуры на сборках, при этом производят непрерывное измерение по времени температурных значений для расположенных в параллельных плоскостях лицевой и тыльной тонкостенных панелей и определяют значения градиентов для этих температур, по которым фиксируют квазистационарное тепловое состояние устройства при достижении градиентов дТ/дτ≤1°/ч и фиксируют конечные значения температуры, с учетом которых определяют плотности падающих тепловых потоков.

Устройство прототипа обеспечивает простоту эксплуатации его в условиях проведения ТВИ, при этом конструктивная схема сборок позволяет минимизировать собственную теплоемкость панелей (а следовательно и тепловую инерционность), а способ измерения реализует простой алгоритм расчета стационарных падающих тепловых потоков с противоположных сторон устройства по двум измеренным значениям температуры.

Однако устройству и способу выбранного прототипа присущи следующие недостатки:

устройство не обладает частотной избирательностью (иными словами является неселективным) и предназначено для измерения только инфракрасного спектра лучистых потоков, поэтому при совокупном воздействии на устройство солнечного и инфракрасного спектров излучения результаты измерения носят факультативный характер и не регламентируются (т.е. являются не правомерными);

устройство и способ предназначены для измерения квазистационарных падающих потоков, так как допустимая погрешность измерения регламентируется только в момент наступления расчетного случая способа при градиенте температурных параметров устройства дТ/дτ≤1°/ч, при этом скачкообразное изменение величины падающих потоков неизбежно вызывает временную задержку (тепловую инерционность) до момента наступления расчетного случая (величина которой может составлять десятки минут, что неприемлемо для наземной отработки КА эксплуатируемых на низких околоземных орбитах), и таким образом для динамически меняющихся падающих потоков погрешность измерения не регламентируется.

Задачей настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков выбранного прототипа измерения плотности падающих лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов.

Техническим результатом данного изобретения является повышение точности моделирования штатных условий эксплуатации КА в части имитации динамических падающих лучистых потоков, а также позволяет дифференцированно оценить и проконтролировать долевое влияние спектрального состава падающих лучистых потоков солнечного и инфракрасного излучения на тепловой режим объекта испытаний.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов содержащим основные сборки, в каждой из которых чувствительный элемент температурного датчика размещен на электроизолирующей подложке, а сами сборки выполнены в виде установленных в параллельных плоскостях напротив друг друга n панелей (где: n>=2), скрепленных между собой и закрепленных посредством нитей в проволочном каркасе, причем в каждой панели чувствительный элемент прикреплен с тепловым контактом к тонкостенной пластине, снабженной элементом жесткости по периметру и выполненной из высокотеплопроводного материала, при этом панели установлены с зазором, выполненным посредством точечных контактов из жаропрочной и низкотеплопроводной нити, связывающей все панели между собой, в отличие от прототипа установлены дополнительные сборки, аналогичные основным, причем основные и дополнительные сборки скреплены между собой с помощью стержневой рамы и при этом плоскость, в которой расположены стержни рамы, совпадает с плоскостями проволочных каркасов основных и дополнительных сборок за счет соединения в узлах крепления стержневой рамы с проволочными каркасами основных и дополнительных сборок, при этом все пластины панелей основных и дополнительных сборок устройства выполнены из материалов с значением коэффициентов температуропроводности и на поверхности панелей устройства нанесены терморегулирующие покрытия (ТРП) с фиксированными значениями селективных радиационных коэффициентов поглощения солнечного спектра излучения и степени черноты инфракрасного спектра излучения, при этом на панели основных сборок, расположенных соответственно на лицевой и тыльной сторонах, нанесено покрытие с коэффициентами поглощения солнечного спектра излучения А_ЛО и А_ТО и степенью черноты Е_ЛО и Е_ТО, а на панели дополнительных сборок, расположенных соответственно на лицевой и тыльной сторонах, нанесено покрытие с коэффициентами поглощения солнечного спектра излучения А_ЛД и А_ТД и степенью черноты Е_ЛД и Е_ТД, причем для наружных покрытий поверхностей панелей основных и дополнительных сборок, расположенных с лицевой стороны, выполняется необходимое условие а для наружных покрытий поверхностей панелей основных и дополнительных сборок, расположенных с тыльной стороны, выполняется необходимое условие , где: λ - коэффициент теплопроводности материала пластин сборок, Вт/(м⋅К);

C_V - объемная удельная теплоемкость материала пластин сборок, Дж/(м³⋅К).

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов, основанном на измерении температурных параметров сборок к моменту достижения ими условного квазистационарного состояния устройства, с учетом которых определяют плотности падающих тепловых потоков, в отличие от известных, измерение температурных параметров сборок производят в процессе дискретного опроса с заданным шагом по времени и на каждом шаге опроса для соответствующих температурных параметров определяют значения их производных, с учетом которых на данный момент времени опроса определяют текущие значения спектральных плотностей падающих потоков солнечного и инфракрасного электромагнитного излучения с лицевой и тыльной сторон устройства по формулам:

где: q_SЛ и q_ИЛ - плотность падающих лучистых потоков соответственно солнечного и инфракрасного спектров с лицевой стороны устройства, Вт/м²;

q_ST и q_ИT - плотность падающих лучистых потоков соответственно солнечного и инфракрасного спектров с тыльной стороны устройства, Вт/м²;

Т_ЛО, Т_ТО, Т_ЛД, Т_ТД - измеренные значения текущих температурных параметров устройства, К;

- текущие значения производных для соответствующих температурных параметров устройства, К/с;

C_F=C_V⋅δ - действительное значение приведенной удельной теплоемкости панели сборки (где δ-толщина пластины, м), определенное в процессе градуировочных испытаний на экспериментальной установке, Дж/(м²⋅К);

- коэффициент лучистой связи лицевой стороны устройства с полусферическим пространством;

- коэффициент лучистой связи тыльной стороны устройства с полусферическим пространством;

- коэффициент лучистой связи между основными сборками устройства;

- коэффициент лучистой связи между дополнительными сборками устройства;

- параметр, учитывающий текущую инерционность основных и дополнительных сборок, расположенных с лицевой стороны устройства, К/с;

- параметр, учитывающий текущую инерционность основных и дополнительных сборок, расположенных с тыльной стороны устройства, К/с;

Е_О - степень черноты внутренних поверхностей основных сборок устройства;

Е_Д - степень черноты внутренних поверхностей дополнительных сборок устройства;

• - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м²⋅К⁴).

Предлагаемое техническое решение усовершенствования конструкции устройства измерения плотностей падающих тепловых потоков обеспечивает выполнение поставленной задачи (в части дифференцированного измерения спектральных плотностей падающих лучистых потоков солнечного и инфракрасного спектров излучения) при выполнении следующих отличительных особенностей по сравнению с устройством прототипа:

частотная избирательная способность устройства, в части измерения солнечного и инфракрасного излучения, обеспечивается введением в его состав дополнительных сборок, отличающихся от аналогичных основных сборок по характеристикам применяемых терморегулирующих покрытий с выполнением необходимых соотношений для селективных радиационных коэффициентов;

наличие в составе устройства только двух основных и двух дополнительных сборок является необходимым и достаточным условием для достижения оптимального технического результата;

для изготовления пластин, входящих в состав каждой панели, используются материалы с коэффициентом температуропроводности не менее 1⋅10^-6 м²/с, что снижает тепловую инерционность устройства, перечень рекомендуемых материалов и их теплофизические свойства представлены в таблице 1.

В отличие от способа прототипа, (в котором для расчета падающих потоков используются фиксированные значения температурных параметров на момент достижения ими условного квазистационарного состояния) осуществляется измерение температурных параметров сборок в процессе дискретного опроса с заданным шагом по времени и на каждом шаге опроса для соответствующих температурных параметров определяют значения их производных, с учетом которых на данный момент времени опроса определяют текущие значения спектральных плотностей падающих потоков солнечного и инфракрасного электромагнитного излучения с лицевой и тыльной сторон устройства по формулам специального программного обеспечения (СПО):

где: q_SЛ и q_ИЛ - плотность падающих лучистых потоков соответственно солнечного и инфракрасного спектров с лицевой стороны устройства, Вт/м²;

q_ST и q_ИТ - плотность падающих лучистых потоков соответственно солнечного и инфракрасного спектров с тыльной стороны устройства, Вт/м²;

Т_ЛО, Т_ТО - измеренные значения текущих температурных параметров на основных сборках с лицевой и тыльной сторон устройства соответственно, К;

Т_ЛД, Т_ТД - измеренные значения текущих температурных параметров на дополнительных сборках с лицевой и тыльной сторон устройства соответственно, К;

- текущие значения производных для соответствующих температурных параметров устройства, К/с;

C_F - C_V⋅δ - действительное значение приведенной удельной теплоемкости панели сборки (где δ-толщина пластины, м), определенное в процессе градуировочных испытаний на экспериментальной установке, Дж/(м⋅К);

E_O - степень черноты внутренних поверхностей основных сборок устройства;

Е_Д - степень черноты внутренних поверхностей дополнительных сборок устройства;

- постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м²⋅К⁴). При этом технический результат изобретения, направленный на устранение тепловой инерционности способа измерения динамических падающих потоков, достигается при выполнении следующих отличительных особенностей:

расчетные формулы (1)÷(10) получены при решении системы нестационарных тепловых балансов для панелей устройства и, в качестве необходимого условия, учитывают текущие значения производных температурных параметров;

расчетные формулы (1)÷(10), в качестве необходимого и достаточного условия, учитывают действительные значения эффективной удельной теплоемкости панелей C_F, определенной в процессе предварительных градуировочных испытаний на экспериментальной установке;

погрешность определения падающих потоков и интервал тепловой инерционности, в данном случае, целиком определяются выбором дискретного шага опроса и точностью измерения температурных параметров, при этом погрешность определения падающих потоков уменьшается (стремится к нулю) с уменьшением временного шага опроса температурных параметров.

Необходимо отметить, что измерительно-вычислительные системы ТВК при проведении тепловакуумных испытаний КА выполняют дискретный опрос температурных параметров с шагом не более одной секунды при абсолютной погрешности измерения температурных параметров не более 1°С. Кроме того, действительное значение эффективной удельной теплоемкости C_F панелей, изготавливаемых по типовому техпроцессу, зависит от назначенных технологических допусков по геометрическим размерам и теплофизическим характеристикам элементов конструкции, при этом в качестве первого приближения принимается значение C_F, рассчитанное по номинальным значениям характеристик. Поэтому для определения действительных значений C_F, на выборочном образце от партии изготавливаемых устройств, проводят градуировочные испытания следующим образом. Устанавливают выборочный образец устройства в рабочем пространстве ТВК напротив эталонного источника лучистых потоков (будь то ИСИ или ИКИ). После подключения устройства к измерительно-вычислительной системе ТВК и моделирования граничных условий окружающей среды (в части криогенного охлаждения и степени разряжения в ТВК) реализуют программную динамику изменения лучистого потока эталонного источника и осуществляют измерение этого потока с помощью СПО при «прошитом» значении параметра C_F, при этом, для последующего анализа и градуировки устройства, обеспечивается запись на магнитный носитель регистрируемых температурных параметров и эталонных значений падающего потока с привязкой ко времени. Далее, при анализе полученных результатов, добиваются совпадения рассчитываемых с помощью СПО значений падающих потоков с эталонными значениями (путем прошивки в СПО варьируемых значений параметра C_F) при записанной динамике изменения температурных значений панелей устройства. Полученное таким образом варьируемое значение параметра C_F, при котором обеспечивается совпадение рассчитанных и эталонных падающих потоков в исследуемом диапазоне, принимается за действительное значение удельной теплоемкости панелей устройства и паспортизуется с прошивкой в СПО для данной партии изготавливаемых устройств. Таким образом, с учетом действительного значения параметра C_F и допустимой погрешности измерения температурных параметров при назначенном шаге опроса, гарантированно обеспечивается допустимая погрешность определения падающих потоков не более 10 Вт/м² и практически устраняется тепловая инерционность предлагаемого изобретения. При этом, после скачкообразной смены величины падающих потоков, допустимая погрешность измерения падающих потоков обеспечивается с инерционной задержкой по времени не более десятикратного шага опроса температурных параметров, т.е. не более 10 секунд при шаге опроса, равном одной секунде (или не более 50 секунд при шаге опроса, равном пяти секундам), что подтверждено расчетами на математических моделях.

Таким образом, предлагаемые устройство и способ измерения плотности падающих лучистых потоков обеспечивают одновременное дифференцированное измерение и контроль плотности динамического падающего спектра излучения в конкретной точке (зоне) координатного пространства окружающей среды КА. При этом в общем случае, с диаметрально противоположных сторон устройства, обеспечивается измерение полусферических интегральных падающих потоков электромагнитного спектра, в том числе: плотность падающего солнечного потока с длинами волн до 0,77 мкм и плотность падающего инфракрасного потока с длинами волн более 0,77 мкм. Безинерционность и допустимая погрешность способа измерения потоков обеспечивается за счет определения действительного значения удельной теплоемкости C_F панелей приемников лучистой энергии, определяемой в процессе градуировочных испытаний в составе специальной экспериментальной установки, при этом рассчитываются падающие лучистые потоки с лицевой и с тыльной сторон устройства по формулам специального программного обеспечения, алгоритм которого учитывает текущие рассчитанные значения градиентов температуры пластин.

Сущность изобретения поясняется схемными чертежами устройства измерения плотности падающих потоков при тепловакуумных испытаниях КА, представленными на фиг. 1-7 и таблицей 1:

на фиг. 1 и фиг. 2 представлены соответственно фронтальный вид и вид сверху унифицированной конструкции сборки без терморегулирующего покрытия; на фиг. 3 и фиг. 4 представлены фронтальные виды соответственно узла основных сборок 15 и узла дополнительных сборок 16; на фиг. 5 представлена схема размещения и совместного крепления узлов основных и дополнительных сборок; на фиг. 6 представлена схема совместного крепления панелей сборок и закрепления их в проволочном каркасе с помощью жаропрочной нити; на фиг. 7 представлена расчетная схема искомых падающих лучистых потоков, участвующих в общем тепловом балансе устройства; в таблице 1 представлен перечень рекомендуемых материалов для изготовления пластин устройства.

На фиг. 1-7 приняты следующие обозначения:

1 - тонкостенная пластина;

2 - тепловой контакт;

3 - чувствительный элемент температурного датчика в электроизоляции;

4 - крепежные отверстия;

5 - токовыводы температурных датчиков;

6 - панель приемника лучистой энергии;

7 - ТРП на панели основной сборки с лицевой стороны устройства (А_ЛО, Е_ЛО);

8 - ТРП на панели основной сборки с тыльной стороны устройства (А_ТО, Е_ТО);

9 - ТРП на внутренних сторонах панелей основных сборок (Е_О);

10 - ТРП на панели дополнительной сборки с лицевой стороны устройства (А_ЛД, Е_ЛД);

11 - ТРП на панели дополнительной сборки с тыльной стороны устройства (А_ТД, Е_ТД);

12 - ТРП на внутренних сторонах панелей дополнительных сборок (Е_Д);

13 - проволочный каркас сборок;

14 - жаропрочная нить;

15 - узел основных сборок;

16 - узел дополнительных сборок;

17 - элементы конструкции стержневой рамы;

18 - узлы крепления стержневой рамы к проволочным каркасам;

19 - бандажи крепления токовыводов к стержневой раме.

Форма, площадь поверхности панелей и габаритные размеры устройства в целом определяются прежде всего габаритами чувствительного элемента температурного датчика, наклеиваемого на пластины, а так же вопросами прочности, технологией изготовления и удобством эксплуатации устройства. Минимальные размеры устройства позволяют сузить (локализовать) зону исследуемого пространства в системе координат ТВК.

На фиг. 1 представлен фронтальный вид унифицированной конструкции сборки без терморегулирующего покрытия. В состав каждой унифицированной сборки входит панель 6 приемника лучистой энергии и токовыводы 5 температурного датчика. Каждая панель приемника лучистой энергии состоит и тонкостенной пластины 1 и температурного датчика, чувствительный элемент 3 которого размещен внутри электроизоляции и прикреплен к тонкостенной пластине 1 с тепловым контактом 2, например, посредством теплопроводящего клея марки ВК-51 ТУ1-596-212-85 (при конечной толщине пленки клея не более 100 мкм). Все пластины 1, входящие в состав устройства изготавливаются из листового сортамента одной партии материала (перечень рекомендуемых материалов представлен в таблице 1). В качестве температурного датчика используют, например, термометр сопротивления ТЭП012-05 или ТЭМ006-05 БЫ.036.006-05, к чувствительному элементу 3 которого припаиваются два электроизолированных токовывода 5, например, провода типа МСЭ16-13-0,05 ТУ16-505.083-78. На пластине 1 предусмотрены отверстия 4, предназначенные для крепления сборок между собой и в проволочном каркасе 13 посредством нитей 14. Предлагаемое устройство комплектуется четырьмя унифицированными сборками, из которых две входят в состав узла основных сборок 15 и две входят в состав узла дополнительных сборок 16.

На фиг. 2 представлен вид сверху унифицированной конструкции сборки без терморегулирующего покрытия, где в плане внешней облучаемой стороны панели 6 (приемника лучистой энергии), с наклеенным на ней чувствительным элементом 3 и припаянными токовыводами 5, показана схема относительного размещения крепежных отверстий 4, чувствительного элемента 3 и токовыводов 5 температурного датчика, при этом внутренняя сторона панели 6 остается свободной. Причем в предлагаемом устройстве сборки устанавливаются внутренними сторонами панелей 6 напротив друг друга, что уменьшает зазор между сборками без их соприкосновения и, таким образом, позволяет практически исключить попадание внешних падающих потоков на внутренние стороны панелей 6. Кроме того, как показали предварительные расчеты, схема раскладки токовыводов 5 над площадью поверхности чувствительного элемента 3 (а не в противоположном направлении) позволяет существенно снизить тепловые потери по токовыводам 5, так как в этом случае большая часть длины тотовыводов 5 размещается над внешней поверхностью панели 6 и, следовательно облучается одинаковым падающим потоком с приемником лучистой энергии.

На фиг. 3 представлен фронтальный вид узла основных сборок 15. Перед установкой двух унифицированных сборок в узел 15 на поверхности панелей 6 наносятся специальные терморегулирующие покрытия (ТРП). При этом для лицевой сборки узла основных сборок 15 на внешнюю поверхность панели 6 наносится ТРП 7, например, посредством лакокрасочного покрытия эмалью АК-512 «черная» по ГОСТ 23171-78, а для тыльной сборки узла основных сборок 15 на внешнюю поверхность панели 6 наносится ТРП 8, которое в частном случае также может выполняться посредством лакокрасочного покрытия эмалью АК-512 «черная» по ГОСТ 23171-78. На внутренние поверхности обоих панелей 6 узла основных сборок 15 наносится ТРП 9, которое в частном случае также может выполняться посредством лакокрасочного покрытия эмалью АК-512 «черная» по ГОСТ 23171-78. Лицевая и тыльная сборки узла основных сборок 15 устанавливаются в параллельных плоскостях напротив друг друга с минимальным зазором и скрепляются между собой и в проволочном каркасе 13 посредством жаропрочной нити 14 (на схеме не показана), причем понятие лицевой и тыльной сборок условное, т.е. взаимозаменяемое.

На фиг. 4 представлен фронтальный вид узла дополнительных сборок 16.

Перед установкой двух унифицированных сборок в узел 16 на поверхности панелей 6 наносятся специальные терморегулирующие покрытия (ТРП). При этом для лицевой сборки узла дополнительных сборок 16 на внешнюю поверхность панели 6 наносится ТРП 10, например, посредством лакокрасочного покрытия эмалью АК-512 «белая» по ГОСТ 23171-78, а для тыльной сборки узла дополнительных сборок 16 на внешнюю поверхность панели 6 наносится ТРП 11, которое в частном случае также может выполняться посредством лакокрасочного покрытия эмалью АК-512 «белая» по ГОСТ 23171-78. На внутренние поверхности обоих панелей 6 узла дополнительных сборок 16 наносится ТРП 12, которое в частном случае также может выполняться посредством лакокрасочного покрытия эмалью АК-512 «белая» по ГОСТ 23171-78. Лицевая и тыльная сборки узла дополнительных сборок 16 устанавливаются в параллельных плоскостях напротив друг друга с минимальным зазором и скрепляются между собой и в проволочном каркасе 13 посредством жаропрочной нити 14 (на схеме не показана), причем понятие лицевой и тыльной сборок условное, т.е. взаимозаменяемое.

В качестве жаропрочной нити 14, с диаметром ориентировочно равным 0,3 мм, может применяться аримидная нить по ТУ17-09-05-41-87, обеспечивающая в узлах крепления гарантированный зазор между панелями 6, равный диаметру нити. Теплофизические свойства жаропрочной нити 14 обеспечивают ее целостность и работоспособность в диапазоне эксплуатационных значений температуры от минус 150 до плюс 150 С при допустимой нагрузке на разрыв не менее 5 кг, при этом теплопроводность материала нити составляет не более 2 Вт/(м⋅К).

После нанесения лакокрасочных эмалей АК-512 «черная» и АК-512 «белая» по ГОСТ 23171-78 на поверхностях панелей 6 образуются селективные терморегулирующие покрытия при фиксированных значениях радиационных коэффициентов, в том числе: ТРП 7 (А_ЛО=0,90 и Е_ЛО=0,92), ТРП 8 (А_ТО=0,90 и Е_ТО=0,92), ТРП 9 (Е_О=0,92), ТРП 10 (А_ЛД=0,35 и Е_ЛД=0,85), ТРП 11 (А_ТД=0,35 и Е_ТД=0,85), ТРП 12 (Е_Д=0,85), при этом выполняются необходимые условия для реализации технического результата изобретения, а именно и

Необходимо отметить, что деление сборок на основные и дополнительные является чисто условным, и продиктовано с учетом выполнения необходимых условий по соотношению селективных радиационных коэффициентов ТРП.

На фиг. 5 (вид сверху лицевой стороны устройства) представлена схема размещения и совместного крепления узла основных сборок 15 с узлом дополнительных сборок 16 с помощью стержневой рамы 17 и узлов крепления 18, обеспечивающих соединение их с проволочными каркасами 13, при этом стержни рамы 17 расположены в плоскости, совпадающей с плоскостями, в которых расположены проволочные каркасы 13 основных и дополнительных сборок и, таким образом, обеспечивается совместная фиксация узлов 15 и 16 при допустимой погрешности по неплоскостности. Причем элементы конструкции стержневой рамы 17 и 18, а так же проволочные каркасы 13, выполнены из нержавеющей стали и предварительно покрыты эмалью АК-512 «белая» по ГОСТ 23171-78, что позволяет обеспечить температурный режим этих элементов конструкции не более 125°С при совместном облучении их солнечным и инфракрасным спектром падающих лучистых потоков с плотностью не более 1500 и 800 Вт/м² соответственно. Бандажи крепления токовыводов 19 к стержневой раме выполнены из жаропрочной нити 14 и обеспечивают неподвижную фиксацию токовыводов 5 от всех входящих в устройство температурных датчиков, при этом выполняется технологичность распайки 8 токовыводов (от 4 температурных датчиков) на электрический шестнадцатиконтактный разъем по четырех проводной схеме, обеспечивающей повышенную точность измерения температурных параметров в измерительно-вычислительной системе ТВК.

На фиг. 6 представлена схема совместного крепления панелей 6 сборок через отверстия 4 и закрепления их в проволочном каркасе 13 с помощью жаропрочной нити 14, узловые соединения которой позволяют фиксировать минимальный гарантированный зазор между панелями.

На фиг. 7 представлена расчетная схема искомых падающих лучистых потоков, участвующих в общем тепловом балансе устройства при проведении тепловакуумных испытаниях КА. Обозначению устройства присвоен ло-тип - Устройство Измерения Падающих Потоков (УИПП). Способ измерения падающих лучистых потоков с помощью УИПП основан на решении системы дифференциальных уравнений теплового баланса для четырех панелей 6 (входящих в состав основных и дополнительных сборок) с учетом взаимных тепловых связей между ними при фиксированных значениях теплофизических и оптических характеристик применяемых материалов. Тепловой баланс предлагаемого устройства, с учетом принятых допущений, описывается следующей системой уравнений (размерность всех параметров приводится в Международной системе единиц измерения):

- тепловой баланс лицевой панели 6 (обращенной в окружающее пространство ТВК) из состава узла основных сборок 15

где q_ИЛ - искомое значение плотности инфракрасного падающего потока с лицевой стороны УИПП от элементов окружающей среды ТВК, Вт/м²;

q_SЛ - искомое значение плотности солнечного падающего потока с лицевой стороны УИПП с учетом многократного переотражения от элементов окружающей среды ТВК, Вт/м²;

Вт/м² - результирующий тепловой поток между лицевой и тыльной панелями 6 из состава узла основных сборок 15;

Вт/м² - собственное излучение лицевой панели 6 из состава узла основных сборок 15;

К/с - текущее значение градиента температуры лицевой панели 6 из состава узла основных сборок 15;

C_F=C_v⋅δ - приведенная удельная теплоемкость панели приемника лучистой энергии (δ - толщина пластины, м), Дж/(м²⋅К);

- тепловой баланс лицевой панели 6 (обращенной в окружающее пространство ТВК) из состава узла дополнительных сборок 16

Где Вт/м² - результирующий тепловой поток между лицевой и тыльной панелями 6 из состава узла дополнительных сборок 16;

Вт/м² - собственное излучение лицевой панели 6 из состава узла дополнительных сборок 16;

К/с - текущее значение градиента температуры лицевой панели 6 из состава узла дополнительных сборок 16;

- тепловой баланс тыльной панели 6 из состава узла основных сборок 15

где q_ИТ - искомое значение плотности инфракрасного падающего потока с тыльной стороны УИПП от элементов окружающей среды ТВК или от элементов конструкции КА, Вт/м²;

q_5T - искомое значение плотности солнечного падающего потока с тыльной стороны УИПП с учетом переотражения от элементов окружающей среды ТВК или от элементов конструкции КА, Вт/м²;

Вт/м² - собственное излучение тыльной панели 6 из состава узла основных сборок 15;

К/с - текущее значение градиента температуры тыльной панели 6 из состава узла основных сборок 15;

- тепловой баланс тыльной панели 6 из состава узла дополнительных сборок 16

Где Вт/м² - собственное излучение тыльной панели 6 из состава узла дополнительных сборок 16;

К/с - текущее значение градиента температуры тыльной панели 6 из состава узла дополнительных сборок 16.

При описании системы уравнений (11)÷(14) приняты следующие допущения:

спектральные плотности падающих лучистых потоков в зоне установки УИПП равномерны по площади панелей 6 с лицевой и тыльной сторон узлов 15 и 16;

тепловые связи между панелями 6 и окружающей средой, а так же между самими панелями 6 осуществляются единственным способом теплопередачи путем лучистого теплообмена;

кондуктивные тепловые потери по линии жаропрочных нитей 14 и по токовыводам 5 не учитываются в виду их очевидной малости.

После совместного решения системы уравнений (11)÷(14) и алгебраических преобразований искомые значения спектральных плотностей падающих лучистых потоков солнечного и инфракрасного излучения с противоположных сторон УИПП рассчитываются по формулам (1)÷(10) специального программного обеспечения (СПО). СПО разрабатывается в виде отдельного исполняемого файла или реализуется средствами измерительно-вычислительной системы стендового оборудования ТВК с использованием алгоритмических языков программирования, при этом структура СПО состоит из ниже следующих параметров:

входные параметры: Т_ЛО(k-1), T_TO(k-1), Т_ЛД(k-1), Т_ТД(k-1), Т_ЛOk, Т_ТОk, Т_ЛДk, Т_ТДk -измеренные значения температурных параметров панелей 6 на предыдущем и последующем шаге опроса, К;

константы: К_Л, К_Т, К_О, К_Д - коэффициенты лучистых связей, рассчитываемые по формулам (5)÷(8); C_F - варьируемый параметр (определяется по результатам градуировочных испытаний), обеспечивающий безусловное устранение собственной тепловой инерционности устройства;

внутренние переменные:

- рассчитанные текущие градиенты соответствующих температурных значений панелей 6, К/с; V_Л и V_T - рассчитываемые по формулам (9) и (10) параметры, учитывающие текущую инерционность панелей 6;

выходные параметры: q_SЛ, q_ИЛ q_ST, q_ИТ - измеряемые значения селективных плотностей падающих лучистых потоков солнечного и инфракрасного спектров с лицевой и тыльной сторон устройства, рассчитываемые по формулам (1)÷(4), Вт/м².

Устройство и способ измерения плотностей падающих тепловых потоков при испытаниях космических аппаратов работают следующим образом. Устанавливают устройство в исследуемом пространстве ТВК путем крепления его на растяжках из нитей за стержневую раму 17. Далее производят подключение через разъемы токовыводов 5 от чувствительных элементов 3 температурных датчиков устройства к системе измерений ТВК. В процессе проведения ТВИ, с моделированием условий штатной эксплуатации КА, система измерений ТВК обеспечивает периодический опрос чувствительных элементов 3 температурных датчиков устройства с измерением их аналоговых параметров при последующей оцифровке температурных значений. Далее оцифрованные значения температурных параметров на предыдущем и последующем шагах опроса подаются во входные параметры СПО и осуществляется расчет измеряемых значений падающих лучистых потоков с последующим выводом их на монитор измерительно-вычислительной системы ТВК. Необходимо отметить, что минимальная инерционность предлагаемого изобретения обеспечивается проведением качественной градуировки (на предмет определения действительного значения параметра C_F) и выбором оптимальной частоты опроса измеряемых значений температурных параметров устройства, при этом математический алгоритм СПО должен парировать возможное возникновение «авоста» при вычислительном процессе выполнения операций деления по определению градиентов температуры панелей 6.

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения позволяет обеспечивать (в рамках проведения наземных тепловакуумных испытаний космических аппаратов) безусловное повышение точности моделирования штатных условий эксплуатации КА в части имитации динамических падающих лучистых потоков, а также позволяет дифференцированно оценить и проконтролировать долевое влияние спектрального состава падающих лучистых потоков солнечного и инфракрасного излучения на тепловой режим объекта испытаний, причем абсолютная допустимая погрешность измерения динамических падающих потоков обеспечивается при меньшем (более чем на порядок) значении тепловой инерционности по сравнению с прототипом. Использование предлагаемого изобретения позволит сократить сроки и повысить качество наземной тепловакуумной отработки КА и, таким образом, повышается надежность эксплуатации космических аппаратов, что в конечном счете обеспечивает значительный экономических эффект. Данное устройство может быть использовано в штатных условиях эксплуатации КА для контроля и набора статистики падающих потоков при выполнении орбитальных полетов КА.

Устройство и способ для измерения плотности падающих тепловых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических аппаратов относятся к космической технике, а именно к контролю теплового режима космического аппарата под воздействием окружающей среды, имитирующей космическое пространство. Устройство для измерения плотности падающих тепловых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических аппаратов выполнено из двух рядом расположенных в одной плоскости узлов, в состав каждого из которых входят две плоско параллельные пластины приемники лучистой энергии (ПЛЭ) с наклеенными датчиками температуры на наружных поверхностях. При этом на пластинах нанесены селективные терморегулирующие покрытия с фиксированными радиационными коэффициентами поглощения-излучения солнечного и инфракрасного спектров, а сами пластины изготовлены из материалов с высоким значением коэффициентов температуропроводности. Способ измерения плотности падающих тепловых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических аппаратов основанный на измерении четырех значений температуры на попарно расположенных в одной плоскости панелей ПЛЭ отличаетсяся тем, что в процессе дискретного по времени опроса измеряемых температурных значений панелей ПЛЭ одновременно рассчитываются значения их температурных градиентов, с учетом которых, по алгоритмам специального программного обеспечения, определяют текущие значения полусферических спектральных плотностей падающих потоков солнечного и инфракрасного излучения с противоположных сторон устройства при минимальной собственной тепловой инерционности устройства. Технический результат - повышение точности моделирования штатных условий эксплуатации КА в части имитации динамических падающих лучистых потоков, а дифференцированная оценка и контроль долевого влияния спектрального состава падающих лучистых потоков солнечного и инфракрасного излучения на тепловой режим объекта испытаний. Использование предлагаемого изобретения сокращает сроки и повышает качество наземной тепловакуумной отработки КА и, таким образом, повышает надежность эксплуатации космических аппаратов. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

1. Устройство измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов, содержащее основные сборки, в каждой из которых чувствительный элемент температурного датчика размещен на электроизолирующей подложке, а сами сборки выполнены в виде установленных в параллельных плоскостях напротив друг друга n панелей (где: n>=2), скрепленных между собой и закрепленных посредством нитей в проволочном каркасе, причем в каждой панели чувствительный элемент прикреплен с тепловым контактом к тонкостенной пластине, снабженной элементом жесткости по периметру и выполненной из высокотеплопроводного материала, при этом панели установлены с зазором, выполненным посредством точечных контактов из жаропрочной и низкотеплопроводной нити, связывающей все панели между собой, отличающееся тем, что в нем установлены дополнительные сборки, аналогичные основным, причем основные и дополнительные сборки скреплены между собой с помощью стержневой рамы и при этом стержни рамы расположены в плоскости, совпадающей с плоскостями, в которых расположены проволочные каркасы основных и дополнительных сборок, за счет соединения в узлах крепления стержневой рамы с проволочными каркасами основных и дополнительных сборок, при этом все пластины панелей основных и дополнительных сборок выполнены из материалов с значением коэффициентов температуропроводности и на поверхности панелей устройства нанесены терморегулирующие покрытия с фиксированными значениями селективных радиационных коэффициентов поглощения солнечного спектра излучения и степени черноты инфракрасного спектра излучения, при этом на панели основных сборок, расположенных соответственно на лицевой и тыльной сторонах, нанесено покрытие с коэффициентами поглощения солнечного спектра излучения А_ЛО и А_ТО и степенью черноты Е_ЛО и Е_ТО, а на панели дополнительных сборок, расположенных соответственно на лицевой и тыльной сторонах, нанесено покрытие с коэффициентами поглощения солнечного спектра излучения А_ЛД и А_ТД и степенью черноты Е_ЛД и Е_ТД, причем для наружных покрытий поверхностей панелей основных и дополнительных сборок, расположенных с лицевой стороны, необходимо выполнение условия а для наружных покрытий поверхностей панелей основных и дополнительных сборок, расположенных с тыльной стороны, необходимо выполнение условия где: λ - коэффициент теплопроводности материала пластин сборок, Вт/(м⋅К);

C_V - объемная удельная теплоемкость материала пластин сборок, Дж/(м³⋅К).

2. Способ измерения плотности падающих тепловых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов, основанный на измерении температурных параметров сборок к моменту достижения ими условного квазистационарного состояния устройства, с учетом которых определяют плотности падающих тепловых потоков, отличающийся тем, что измерение температурных параметров сборок производят в процессе дискретного опроса с заданным шагом по времени и на каждом шаге опроса для соответствующих температурных параметров определяют значения их производных, с учетом которых на данный момент времени опроса определяют текущие значения спектральных плотностей падающих потоков солнечного и инфракрасного электромагнитного излучения с лицевой и тыльной сторон устройства по формулам:

где: q_SЛ и q_ИЛ - плотность падающих лучистых потоков соответственно солнечного и инфракрасного спектров с лицевой стороны устройства, Вт/м²;

q_ST и q_ИT - плотность падающих лучистых потоков соответственно солнечного и инфракрасного спектров с тыльной стороны устройства, Вт/м²;

Т_ЛО, Т_ТО, Т_ЛД, Т_ТД - измеренные значения текущих температурных параметров устройства, К;

- текущие значения производных для соответствующих температурных параметров устройства, К/с;

С_F=С_V⋅δ - действительное значение приведенной удельной теплоемкости панели сборки (где δ-толщина пластины, м), определенное в процессе градуировочных испытаний на экспериментальной установке, Дж/(м²⋅К);

- коэффициент лучистой связи лицевой стороны устройства с полусферическим пространством;

- коэффициент лучистой связи тыльной стороны устройства с полусферическим пространством;

- коэффициент лучистой связи между основными сборками устройства;

- коэффициент лучистой связи между дополнительными сборками устройства;

- параметр, учитывающий текущую инерционность основных и дополнительных сборок, расположенных с лицевой стороны устройства, К/с;

- параметр, учитывающий текущую инерционность основных и дополнительных сборок, расположенных с тыльной стороны устройства, К/с;

E_O - степень черноты внутренних поверхностей основных сборок устройства;

Е_Д - степень черноты внутренних поверхностей дополнительных сборок устройства;

- постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м²⋅К⁴).