СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ТЕРМОВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ Российский патент 2023 года по МПК B64G7/00 

Изобретение относится к области наземной отработки космических аппаратов (далее – объекта испытаний) в условиях термовакуумных испытаний, приближенных к условиям открытого космического пространства.

Для осуществления моделирования условий внешнего теплообмена, объект испытаний помещают в термовакуумную или тепловакуумную камеру, в вакууме при помощи криогенных экранов создают условия «холодного» и «черного» космоса, а тепловое состояние объекта испытаний получают, в том числе, при помощи имитатора солнечного излучения.

Известен способ имитации солнечного излучения, описанный в патенте RU 2011112413, в котором имитатор содержит расположенные вне тепловакуумной камеры источники солнечного излучения - лампы с эллипсоидными рефлекторами и вспомогательными сферическими зеркалами, входной иллюминатор в виде двояковогнутой линзы, герметично встроенный в корпус тепловакуумной камеры зеркальный смеситель в виде равномерно расположенных в плоскости соприкасающихся своими гранями выпуклых зеркальных линз с квадратными профилями, расположенный в тепловакуумной камере параболический коллимирующий отражатель для отражения имитируемого солнечного излучения на объект испытаний.

Известен также способ имитации солнечного излучения в термобарокамере (пат. RU 2476833 C2), при котором фокусирование и ввод световых потоков от источников света внутрь термобарокамеры осуществляют через герметично установленный на ее корпусе светопроводящий иллюминатор, выполненный в виде двояковыпуклой линзы. Создают параллельный световой поток на испытуемый КА посредством параболического коллимирующего отражателя с обеспечением характеристик потока с параметрами, максимально приближенными к реальному солнечному излучению на орбите КА, с последующим осуществлением отражения его от смесителя с разделением светового потока на отдельные световые потоки с расширением их падающего светового пятна на параболический коллимирующий отражатель.

Общими недостатками указанных аналогов являются:

- крайне низкая энергоэффективность имитации солнечного излучения, обусловленная расположением световых источников за пределами термовакуумной камеры, как следствие - высокими потерями в сложной оптической системе, состоящей из большого числа отражающих и преломляющих оптических элементов. Даже при самом тщательном изготовлении, настройке и юстировке всех оптических элементов эффективность таких имитаторов солнечного излучения не превышает 10% (Крат С.А. Повышение эффективности имитаторов солнечного излучения // Сибирский журнал науки и технологий. 2011. № 2 (35). С. 124–127);

- высокие общая сложность и стоимость необходимых для имитации солнечного излучения мощных световых источников, оптических элементов и другого оборудования, при этом сложная оптическая система требует постоянной трудоемкой настройки и подтверждения требуемых характеристик в процессе эксплуатации квалифицированным персоналом;

- переотражение параболическим коллимирующим отражателем собственного и отраженного теплового излучения объекта испытаний, в результате чего возникает дополнительная составляющая погрешности имитации солнечного излучения;

- перекрытие коллимирующим отражателем расположенных на внутренней поверхности термовакуумной камеры криогенных экранов, в результате чего увеличивается время создания режимов холодных температур или переходных температурных режимов на объекте испытаний;

- нагрев коллимирующего отражателя тепловым потоком высокой плотности, что требует его принудительного охлаждения и дополнительно увеличивает время создания переходных режимов термовакуумных испытаний от горячих температур к холодным;

- невозможность изменения направления потока имитируемого излучения, что требуется, в частности, для имитации поворота объекта испытаний относительно Солнца. В этом случае применяют сложные и дорогостоящие решения, в частности, поворотные механизмы, адаптированные к условиям термовакуумных испытаний, или же выполняют переустановку объекта испытаний в нормальных условиях, что требует полного прекращения и последующего возобновления всего процесса термовакуумных испытаний и сопровождается неоправданно высокими материальными и временными затратами;

- невозможность облучения отдельных участков рабочего поля различными уровнями мощности, что требуется, в частности, для имитации частичного затенения объекта испытаний.

В качестве ближайшего аналога выбран свободный от указанных недостатков способ испытания космических аппаратов, раскрытый в патенте «Стенд для испытаний космических аппаратов» (патент RU 2172709 C2), включающий вакуумную камеру с КА внутри нее, имитатор солнечного излучения, устройство охлаждения стенок вакуумной камеры, систему вакуумирования. Имитатор солнечного излучения выполнен в виде автономных нагревателей, установленных на ферме, закрепленной внутри вакуумной камеры, при этом источники света нагревателей расположены в фокусе параболических отражателей; нагреватели разделены посекционно между собой, секции нагревателей изолированы друг от друга экранами, а сам имитатор солнечного излучения снабжен блоком управления поочередного включения (выключения) и регулировки мощности каждой секции нагревателей; кроме того, каждый источник света выполнен в виде кварцевой галогенной термоизлучательной лампы.

Воздействие солнечного потока имитируется автономными нагревателями, создающими расчетное поле температур по каждой отдельно взятой поверхности КО, которое контролируется по показаниям температурных датчиков, установленных на облучаемых поверхностях объекта испытания. Все автономные нагреватели разделены на секции; все секции нагревателей имеют автономные системы электропитания, которые объединены в единый блок управления имитатора солнечного излучения, обеспечивающий поочередное включение (выключение) и регулировку мощности излучения каждой секции нагревателей. Каждая секция нагревателей оснащена расчетным количеством нагревателей в зависимости от площади и конфигурации облучаемой поверхности и расположена на заданном расстоянии от этой поверхности.

Для предотвращения облучения поверхностей от нагревателей, предназначенных для нагрева других поверхностей, а также для исключения бокового отражения от элементов конструкции и нагревателей, расположенных на ней, на кронштейнах фермы предусмотрены разделяющие нагреватели экраны, выполненные из экрановакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), покрытой с обеих сторон стеклотканью с прошивкой стеклолентой по краям. Наружная поверхность матов имеет степень черноты ε ≥ 0,9, что обеспечивает практически полное поглощение всех боковых тепловых излучений от нагревателей и конструкции фермы, тем самым обеспечивается моделирование плоскопараллельного потока излучения.

Этот аналог принят за прототип изобретения.

Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: имитатор солнечного излучения собирают из раздельных секций автономных нагревателей и размещают внутри термовакуумной камеры, получают холодные температуры на объекте испытаний при помощи охлаждающего устройства, источники излучения автономных нагревателей оснащают оптическими элементами, мощности секций автономных нагревателей регулируют раздельно.

Недостатками прототипа являются:

- размещение нагревателей, разделяющих их экранов из ЭВТИ и элементов их подвески между криогенными экранами термовакуумной камеры и объектом испытаний. При этом в режиме холодных температур тепловое излучение объекта испытаний к криогенным экранам частично перекрывается указанными элементами, что увеличивает время создания на объекте испытаний режимов холодных температур или переходных режимов и приводит к дополнительному расходу жидкого азота;

- неустранимые полностью неравномерность рабочего поля и непараллельность лучистого потока, создаваемого автономными нагревателями на объекте испытаний, обусловленные свойством параболических отражателей перенаправлять только боковые лучи источника излучения и не перенаправлять центральные;

- дополнительная неравномерность рабочего поля, вызванная размещением автономных нагревателей на расстоянии друг от друга;

- значительное отличие спектрального распределения кварцевых галогенных термоизлучающих ламп от спектрального распределения Солнца в условиях открытого космоса. При этом использование на объекте испытаний отражающих или поглощающих покрытий, спектрально селективных в области, отличной от спектрального диапазона применяемых ламп, приводит к значительной погрешности имитации солнечного излучения;

- невозможность контроля уровня энергетической освещенности расположенными на объекте испытаний температурными датчиками, показания которых зависят от отражающих или поглощающих свойств применяемых покрытий объекта испытаний;

- сложность и трудоемкость монтажа и настройки конструкции из множества автономных нагревателей, разделяющих секции нагревателей экранов, элементов их крепления, конфигурация которых определяется в каждом конкретном случае в зависимости от геометрических свойств объекта испытаний и требований программы и методики испытаний.

Техническими проблемами изобретения являются:

- увеличение достоверности термовакуумных испытаний;

- повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения;

- сокращение временных затрат и трудоемкости при подготовке и проведении термовакуумных испытаний с использованием имитатора солнечного излучения.

Поставленная техническая проблема решается благодаря тому, что в способе моделирования условий внешнего теплообмена космических аппаратов в термовакуумной камере моделируют условия горячих температур на объекте испытаний имитатором солнечного излучения, который собирают из раздельных секций автономных нагревателей и размещают внутри термовакуумной камеры вместе с объектом испытаний, при этом источники излучения автономных нагревателей оснащают оптическими элементами, получают холодные температуры на объекте испытаний при помощи охлаждающего устройства, мощности секций автономных нагревателей регулируют раздельно единой системой управления, отличающийся тем, что в секциях автономных нагревателей используют массив из точечных источников излучения, получают равномерное рабочее поле на объекте испытаний смешиванием излучения точечных источников, а между имитатором солнечного излучения и объектом испытаний размещают охлаждаемую решетку. При этом возможна реализация, в которой комбинируют, по меньшей мере, два вида точечных источников излучения с различными спектральными характеристиками, а в системе управления применяют обратную связь на основании показаний датчиков уровня энергетической освещенности и спектра на поверхности объекта испытаний.

Принцип предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1, в виде примера, изображен общий вид имитатора солнечного излучения, состоящего из четырех секций автономных нагревателей с охлаждаемой решеткой, на фиг. 2 в горизонтальном разрезе изображена схема формирования направленного потока излучения, на фиг. 3 изображена секция автономных нагревателей, на фиг. 4 и фиг. 5 в горизонтальном разрезе показан принцип работы охлаждаемой решетки в режимах создания на объекте испытаний горячих температур и холодных температур соответственно.

Непосредственно внутри термовакуумной камеры 1, вблизи объекта испытаний 2 установлен имитатор солнечного излучения, собранный из секций автономных нагревателей 3. В секциях автономных нагревателей 3 используется массив из размещенных с равномерным чередованием точечных источников излучения 6.

В качестве точечных источников излучения 6 в секциях автономных нагревателях 3 используют, в том числе, газоразрядные лампы, галогенные лампы накаливания, люминофорные или монохромные светодиоды различных длин волн, а также сборки из таких светодиодов. В частном случае, для получения необходимых спектрального диапазона и спектрального соответствия, комбинируют в массиве с равномерным чередованием несколько или, по меньшей мере, два вида точечных источников излучения 6 с различными спектральными характеристиками. Как пример комбинирования, секции автономных нагревателей 3 состоят из двух видов точечных источников излучения 6: галогенных ламп 7 и светодиодных сборок 8 из светодиодов различных длин волн.

Точечные источники излучения 6 оснащают собственными оптическими отражающими и/или преломляющими оптическими элементами 9, формирующим узкоугольное распределение излучения, в частности, оптическими элементами, работающим по принципу полного внутреннего отражения (TIR), рефлекторами, световодами, линзами или же комбинацией нескольких оптических элементов, в результате чего создают секциями автономных нагревателей 3 направленный поток излучения с малым углом распределения. Оптические элементы 9 жестко закреплены в секциях автономных нагревателей 3 и настройки во время эксплуатации не требуют. На обратной стороне секции автономных нагревателей 3 расположены электрический и тепловой интерфейсы 10.

При условии, что расстояние от точечных источников излучения 6 до объекта испытаний 2 в несколько раз превышает расстояние между соседними точечными источниками 6 массива, сформированные направленные потоки излучения всех указанных точечных источников 6, равномерно перемешиваясь между собой, образуют на объекте испытаний 2 единое рабочее поле с высокой равномерностью. Более подробно принцип формирования рабочего поля на объекте испытаний 2 показан на фиг. 2. Необходимые уровни энергетической освещенности в различных участках рабочего поля получают раздельной регулировкой мощности секций автономных нагревателей 3.

Между излучающими поверхностями секций автономных нагревателей 3 и объектом испытаний 2 установлена охлаждаемая решетка 4. Принцип работы охлаждаемой решетки показан на фиг. 4 и 5. Охлаждение ребер решетки 4 происходит благодаря циркуляции жидкого азота по соединенным с ребрами решетки 4 трубопроводам 5. В режиме горячих температур на объекте испытаний 2 излучение каждого автономного нагревателя 3, а именно, для примера, излучение точечных источников 7, 8, благодаря сформированной оптическими элементами 9 высокой направленности проходит через решетку 4 с малыми потерями, проходит охлаждаемую решетку 4 и попадает на объект испытаний 2. Кроме этого, стенки решетки 4 дополнительно повышают направленность потока излучения за счет поглощения чрезмерно расходящихся лучей.

Уровень потерь лучистого потока находится в прямой зависимости от угла его непараллельности и может быть определен по формуле (Колесников А.В., Сербин В.И. Моделирование условий внешнего теплообмена космических аппаратов. М. : Информация - XXI век, 1997, стр. 84):

где J(0) – интенсивность излучения с углом непараллельности β на входе спрямляющей решетки;

l и a – соответственно глубина и размер стороны квадратной ячейки спрямляющей решетки;

J(β) – интенсивность излучения на выходе спрямляющей решетки.

Так, при угле непараллельности 4° и соотношении l/a = 1 значение интенсивности J(β) составит 0,93 от J(0), что соответствует уровню потерь 7 %.

Наоборот, при создании режима холодных температур, при неизлучающих секциях автономных нагревателей 3, решетка 4, за счет охлаждения ее стенок циркуляцией жидкого азота, выполняет роль криогенного экрана. При этом тепловое излучение объекта испытаний 2, имеющее исключительно диффузный характер, практически полностью поглощается стенками решетки 4. Так, при прохождении диффузного излучения через спрямляющую решетку с тем же соотношением l/a = 1 уровень потерь составит 88% (Колесников А.В., Сербин В.И. Моделирование условий внешнего теплообмена космических аппаратов. М.: Информация - XXI век, 1997, стр. 87, рис. 4.28). Оставшаяся часть поглощается имеющими холодные температуры поверхностями секций автономных нагревателей 3, а неизлучающие точечные источники 6, в силу малой площади излучающей поверхности, на процесс теплообмена существенного влияния не оказывают.

Из формулы (1) следует, что необходимая степень поглощения теплового излучения объекта испытаний может настраиваться изменением параметра l, в наиболее простом случае – добавлением дополнительных секций охлаждающей решетки.

Переходные температурные режимы получают совместной работой охлаждающей решетки 4 и секций автономных нагревателей 3 на пониженных уровнях мощности.

Уровни мощности автономных нагревателей 3 регулируют раздельно единой системой управления, контролирующей независимое питание секций указанных нагревателей от отдельных регулируемых источников. Благодаря этому получают максимальную равномерность рабочего поля или создают различные уровни энергетической освещенности в различных участках рабочего поля и таким образом имитируют частичное затенение или поворот объекта испытаний 2 относительно Солнца, а в случае комбинирования нескольких типов источников излучения с различными спектральными диапазонами – получают необходимое спектральное соответствие. В частном случае в системе управления применяют обратную связь с использованием одного или нескольких подключенных к системе датчиков уровня энергетической освещенности 11 и/или спектра 12, которые размещают в рабочем поле имитатора солнечного излучения на поверхности объекта испытаний 2. В свою очередь, система управления на основании показаний указанных датчиков поддерживает в автоматическом режиме такие характеристики имитируемого солнечного излучения на объекте испытаний 2, как уровень, неравномерность энергетической освещенности и спектральное соответствие. Кроме этого, энергоэффективность имитатора солнечного излучения дополнительно повышают оптимальной конфигурацией секций автономных нагревателей, в результате чего геометрические размеры рабочего поля соответствуют геометрическим размерам объекта испытаний 2.

За пределами термовакуумной камеры размещают такие элементы системы раздельного управления, как источники питания секций автономных нагревателей 3 с регулируемой мощностью и ПЭВМ с программным обеспечением или программируемый логический контроллер, при помощи которых осуществляют управление указанными источниками питания оператором или в автоматическом режиме на основании показаний датчиков 11 и/или 12. Дополнительно, в случае использования требующих термостабилизации источников излучения, таких, как светодиодные, в секции автономных нагревателей устанавливают теплообменники, которые соединяют с устройствами, рассеивающими избыточное тепловыделение указанных источников за пределами термовакуумной камеры. Например, в случае жидкостного охлаждения используют радиатор или холодильную машину (чиллер).

Техническими результатами изобретения являются:

-  увеличение достоверности термовакуумных испытаний за счет повышения таких характеристик имитатора солнечного излучения, как равномерность рабочего поля, параллельность лучистого потока, спектральный диапазон и спектральное соответствие;

- повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения за счет размещения имитатора солнечного излучения с простой оптической системой в непосредственной близости от объекта испытаний;

- дополнительное повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения за счет оптимальной формы рабочего поля имитатора солнечного излучения;

- сокращение временных затрат и расхода жидкого азота при проведении термовакуумных испытаний за счет размещения охлаждающей решетки в непосредственной близости от объекта испытаний;

- сокращение временных затрат и трудоемкости при подготовке термовакуумных испытаний за счет простой конструкции имитатора солнечного излучения, не требующей длительных, трудоемких монтажа и настройки.

Изобретение относится к области термовакуумных испытаний космических аппаратов. Для моделирования условий внешнего теплообмена космических аппаратов в термовакуумной камере из раздельных секций автономных нагревателей собирают имитатор солнечного излучения и размещают внутри термовакуумной камеры вместе с объектом испытаний. В секциях автономных нагревателей используют массив из точечных источников излучения. Источники излучения автономных нагревателей оснащают оптическими элементами и могут состоять из нескольких видов с различными спектральными характеристиками. На объекте испытаний получают горячие и холодные температуры при помощи имитатора солнечного излучения и охлаждаемой решетки, соответственно. Мощности секций автономных нагревателей регулируют раздельно единой системой управления. Равномерное рабочее поле получают смешиванием излучения точечных источников. В системе управления применяют обратную связь на основании показаний датчиков уровня энергетической освещенности и спектра на поверхности объекта испытаний. Достигается увеличение достоверности и энергоэффективности термовакуумных испытаний, сокращение временных затрат и трудоемкости при подготовке термовакуумных испытаний. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ моделирования условий внешнего теплообмена космических аппаратов в термовакуумной камере, заключающийся в том, что моделируют условия горячих температур на объекте испытаний имитатором солнечного излучения, который собирают из раздельных секций автономных нагревателей и размещают внутри термовакуумной камеры вместе с объектом испытаний, при этом источники излучения автономных нагревателей оснащают оптическими элементами, получают холодные температуры на объекте испытаний при помощи охлаждающего устройства, мощности секций автономных нагревателей регулируют раздельно единой системой управления, отличающийся тем, что в секциях автономных нагревателей используют массив из точечных источников излучения, получают равномерное рабочее поле на объекте испытаний смешиванием излучения точечных источников, а между имитатором солнечного излучения и объектом испытаний размещают охлаждаемую решетку.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в автономных нагревателях комбинируют, по меньшей мере, два вида точечных источников излучения с различными спектральными характеристиками.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в системе управления применяют обратную связь на основании показаний датчиков уровня энергетической освещенности и спектра на поверхности объекта испытаний.