Способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов Российский патент 2023 года по МПК B64G7/00 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к наземным тепловакуумным испытаниям космических аппаратов (КА) в условиях, приближенных к эксплуатации КА в открытом космическом пространстве, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к излучательным и отражательным характеристикам изделий, изготовленных из различных материалов или имеющих различные покрытия.

Известен способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима КА, заключающийся в помещении КА в термовакуумной камере с криоэкранами, вакуумировании камеры, захолаживании криоэкранов и воздействии на КА тепловых потоков. (О.А. Андрейчук, Н.Н. Малахов «Тепловые испытания космических аппаратов», 1982 г., с. 105).

Известен способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов, заключающийся в установке аппарата-имитатора в термовакуумной камере, имеющей криоэкраны, установке на облучаемые поверхности датчиков тепловых потоков и эталонных датчиков тепловых потоков, проведении юстировки имитатора внешних тепловых потоков для получения оптимальной равномерности плотности теплового потока на поверхности аппарата-имитатора. Затем вакуумируют термовакуумную камеру и захолаживают криоэкраны до температуры, имитирующей холод окружающего космического пространства. Тарируют в этих условиях датчики теплового потока по эталонным датчикам теплового потока и получают зависимость плотности теплового потока от подаваемого на имитатор внешних тепловых потоков напряжения. Вновь воздействуют на аппарат-имитатор тепловыми потоками, соответствующими полученной зависимости плотности потока от напряжения, с учетом штатной программы полета, после чего отогревают криоэкраны до нормальной температуры, разгерметизируют термовакуумную камеру, извлекают аппарат-имитатор из камеры и на его место помещают штатный КА и подвергают его воздействию тепловых потоков при вышеуказанных значениях вакуума и температуры криоэкранов (Патент РФ №2302984, МПК: B64G 7/00 (2006.01), опубликовано 20.07.2007, бюл. №20).

Данный способ принят за прототип.

Недостатки аналога и прототипа заключаются в низкой достоверности и точности воспроизведения характеристик штатного облучения КА имитатором внешних тепловых потоков, обусловленными большими погрешностями при подборе тепловых потоков согласно штатной программе испытаний, так как юстировка имитатора внешних тепловых потоков для получения оптимальной равномерности плотности теплового потока на поверхности аппарата-имитатора проводилась в условиях конвективного теплообмена, а сравнительная характеристика зависимости плотности теплового потока от напряжения была получена отдельно по каждой облучаемой стороне аппарата-имитатора без учета попадания в зону солнечного облучения всех сторон КА, подвергающихся тепловому воздействию разными тепловыми потоками, а также необходимость проведения юстировки для каждого КА при проведении тепловакуумных испытаний.

Задачей изобретения является повышение достоверности имитации внешних тепловых потоков при наземной отработке теплового режима КА, а следовательно увеличение точности тепловакуумных испытаний.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности имитации внешних тепловых потоков, возможность применения предложенного способа для любых термовакуумных камер без имитатора солнечного излучения (ИСИ) и поворотного стола, включая КА, соразмерные этим камерам, а также сокращение времени испытаний за счет исключения необходимости в проведении юстировки для каждого КА при проведении тепловакуумных испытаний, так как используют данные по заранее полученной юстировке.

Технический результат достигается тем, что в способе имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов, заключающемся в том, что устанавливают аппарат-имитатор в термовакуумную камеру с криоэкранами, размещают на облучаемых поверхностях аппарата-имитатора датчики тепловых потоков, проводят юстировку имитатора внешних тепловых потоков для получения оптимальной равномерности теплового потока относительно аппарата-имитатора, вакуумируют термовакуумную камеру до давления, исключающего конвективный теплообмен, захолаживают криоэкраны до температуры, имитирующей холод окружающего космического пространства, подвергают аппарат-имитатор воздействию внешних тепловых потоков, имитируя температурные режимы полета при штатной эксплуатации космического аппарата на орбите, после чего отогревают криоэкраны до нормальной температуры, разгерметизируют термовакуумную камеру, извлекают аппарат-имитатор из упомянутой камеры и на его место помещают штатный космический аппарат, осуществляют воздействие на него внешних тепловых потоков таким же образом, как и на аппарат-имитатор, при вышеуказанных значениях вакуума и температуры криоэкранов с учетом штатной программы полета космического аппарата на орбите, при этом заранее проводят юстировку имитатора внешних тепловых потоков в вакууме при давлении, исключающем конвективный теплообмен, для получения равномерного теплового поля на поверхностях аппарата-имитатора, устанавливают в термовакуумной камере имитатор внешних тепловых потоков, состоящий из инфракрасных керамических нагревателей, сориентированных на каждую из сторон аппарата-имитатора и собранный по схеме, согласно ранее проведенной юстировке, при этом необходимое количество упомянутых нагревателей и расстояние от нагревателей до аппарата-имитатора выбирают в зависимости от заданных величин внешних тепловых потоков на каждую сторону космического аппарата, причем в случае установки группы упомянутых нагревателей расстояние между ними выбирают при условии его равенства размеру теплового пятна, по краям которого обеспечивается 50% засветки относительно величины внешнего теплового потока, приходящейся на центр одного из упомянутых нагревателей, при этом подбор внешнего теплового потока осуществляют одновременно на каждой из сторон аппарата-имитатора путем установки таких напряжений на упомянутых нагревателях имитатора внешних тепловых потоков, при которых полученный тепловой поток будет равен заданному тепловому потоку согласно штатной программе наземной отработки теплового режима космических аппаратов, все полученные тепловые потоки приводят в квазистационарное состояние, а полученные напряжения на упомянутых нагревателях имитатора внешних тепловых потоков фиксируют и используют для имитации внешних тепловых потоков на штатном космическом аппарате.

Сущность изобретения заключается в том, что заранее проводят юстировку имитатора внешних тепловых потоков (ИВТП), который состоит из одного и/или группы инфракрасных керамических нагревателей FFE1000, в термовакуумной камере при давлении, исключающем конвективный теплообмен, и захоложенными криоэкранами до температуры, имитирующей холод окружающего космического пространства (минус 180±10)°С. При этом строят графики зависимости распределения плотности теплового потока на поверхность КА от нагревателя (фиг. 1). Тепловое поле измеряют датчиками теплового потока, установленными на КА.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-5).

На фиг. 1 представлен график зависимости распределения плотности теплового потока на поверхность КА от одного нагревателя.

На фиг. 2 представлен график совмещения зависимости распределения плотности теплового потока на поверхность КА от двух нагревателей № 1 и № 2 с одинаковыми характеристиками.

На фиг. 3 представлен график суммарного теплового потока от двух нагревателей.

На фиг. 4 представлен график совмещения падающих тепловых потоков от двух нагревателей № 1 и № 2, находящихся на расстоянии от КА 350 мм, 500 мм, 700 мм при U = 150 В.

На фиг. 5 таблица результатов подбора внешних тепловых потоков согласно штатной программе полета.

На фиг. 1-5 введены следующие обозначения:

Q - тепловой поток, Вт/м²;

L - расстояние между одинаковыми по характеристикам нагревателями № 1 и № 2, мм;

ϕ - угол падения теплового потока на КА, град;

- расстояние от центра засветки нагревателя, мм;

№ 1 - первый нагреватель;

№ 2 - второй нагреватель;

U - напряжение, получаемое на нагревателях имитатора внешних тепловых потоков, В;

W - мощность, получаемая на нагревателях имитатора внешних тепловых потоков, Вт;

БОК1 - БОК6 - облучаемые стороны КА.

Совмещая графики зависимости распределения плотности теплового потока на поверхность КА (фиг. 1), от двух одинаковых по характеристикам нагревателей, приблизительно выбирают расстояние (L), на котором могут устанавливаться нагреватели № 1 и № 2 относительно друг друга (фиг. 2). В дальнейшем проводят юстировку в термовакуумной камере, изменяя расстояния между нагревателями с шагом, например, 2 см и выбирают тот вариант, который дает наиболее равномерное распределение плотности теплового потока (фиг. 3).

Установка группы нагревателей на определенное расстояние друг от друга и от КА дала возможность гарантировать оптимальную равномерность теплового потока на выделяемую часть облучаемой поверхности.

В зависимости от заданных величин внешних тепловых потоков на каждую сторону КА и размера облучаемой поверхности, выбирают необходимое количество нагревателей и расстояние от нагревателей до КА. Расположение нагревателей № 1 и № 2 выбирают таким образом, чтобы расстояние между ними было равно размеру теплового пятна, по краям которого обеспечивается 50% засветки относительно величины внешнего теплового потока, приходящейся на центр одного из нагревателей (фиг. 4).

Данные, полученные при юстировке одного и/или группы нагревателей, являются универсальными для использования нагревателей типа FFE1000. В дальнейшем для имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима КА имитатор внешних тепловых потоков (ИВТП), состоящий из инфракрасных керамических нагревателей FFE1000, собирают по схеме, используя имеющиеся результаты ранее проведенной юстировки. Осуществляют подбор внешнего теплового потока одновременно на каждой из сторон аппарата-имитатора путем установки таких напряжений на нагревателях имитатора внешних тепловых потоков, при которых полученный тепловой поток будет равен заданному тепловому потоку согласно штатной программе наземной отработки теплового режима КА. Все полученные тепловые потоки приводят в квазистационарное состояние, а полученные напряжения на упомянутых нагревателях имитатора внешних тепловых потоков фиксируют и используют для имитации внешних тепловых потоков на штатном космическом аппарате.

Таким образом, по полученным данным точно воспроизводят тепловые потоки с учетом штатной программы полета космического аппарата по орбите, смены времени суток и времен года.

Предлагаемый способ заключается в следующем:

- устанавливают аппарат-имитатор (имитирующий штатный) в термовакуумную камеру (например, ЭН85-16) с криоэкранами;

- на облучаемые стороны аппарата-имитатора устанавливают датчики теплового потока (например, по патенту RU №2449263 С1, МПК: G01N 25/72 (2006.01), G01N 25/32 (2006.01), опубликовано 27.04.2012, бюл. №12);

- устанавливают в термовакуумной камере имитатор внешних тепловых потоков, состоящий, например, из инфракрасных керамических нагревателей FFE1000, сориентированных на каждую из сторон аппарата-имитатора и собранный по схеме согласно ранее проведенной юстировки в вакууме при давлении, исключающем конвективный теплообмен для получения равномерного теплового поля на сторонах аппарата-имитатора, где необходимое количество нагревателей и расстояние от нагревателей до КА выбирают в зависимости от заданных величин тепловых потоков на каждую поверхность КА, причем в случае установки группы нагревателей выбирают расстояние между ними при условии его равенства размеру теплового пятна, по краям которого обеспечивается 50% засветки относительно величины внешнего теплового потока, приходящейся на центр одного из нагревателей (фиг. 4);

- вакуумируют термовакуумную камеру с помощью вакуумных насосов (например, механических Edwards GXS750/4200, турбомолекулярных Shimadzu TMP-3403LMC, криогенных HSR AG VELCO 630) до давления, исключающего конвективный теплообмен в термовакуумной камере (обычно давление в диапазоне от 10^-3 до 10^-5 мм рт.ст.);

- захолаживают криоэкраны (например, жидким азотом ГОСТ 9293-74) до температуры, имитирующей холод окружающего космического пространства (минус 180±10)°С;

- подвергают аппарат-имитатор воздействию внешних тепловых потоков, имитируя температурные режимы полета при штатной эксплуатации космического аппарата на орбите (например, подтверждение работоспособности КА при минимальных значениях падающих тепловых потоков ("холодный случай"), подтверждение работоспособности КА при максимальных значениях падающих тепловых потоков ("горячий случай");

- при этом подбор внешнего теплового потока осуществляют одновременно на каждой из сторон аппарата-имитатора путем установки таких напряжений на нагревателях имитатора внешних тепловых потоков, при которых полученный тепловой поток будет равен тепловому потоку согласно штатной программе наземной отработки теплового режима КА;

- все полученные внешние тепловые потоки приводят в квазистационарное состояние, полученные напряжения на нагревателях ИВТП фиксируют и в дальнейшем используют для имитации внешних тепловых потоков;

- после чего отогревают криоэкраны до нормальной температуры (от 15 до 20°С);

- разгерметизируют термовакуумную камеру;

- извлекают аппарат-имитатор из упомянутой камеры и на его место помещают штатный космический аппарат;

- осуществляют воздействие на него подобранными внешними тепловыми потоками при вышеуказанных значениях вакуума и температуры криоэкранов с учетом штатной программы полета космического аппарата на орбите.

Пример реализации способа.

Испытания научной аппаратуры (НА) «Солнце-Терагерц»:

- устанавливают аппарат-имитатор в термовакуумную камеру ЭН85-16, имеющую криоэкраны;

- на облучаемые стороны аппарата-имитатора (имитирующий штатный) устанавливают датчики теплового потока (например, по патенту RU №2449263 C1, МПК: G01N 25/72 (2006.01), G01N 25/32 (2006.01), опубликовано 27.04.2012, бюл. №12);

- в термовакуумную камеру устанавливают имитатор внешних тепловых потоков в виде инфракрасных керамических нагревателей FFE1000 в количестве 12 шт., по два инфракрасных керамических нагревателя на расстоянии друг от друга 300 мм, сориентированные на каждую из сторон аппарата-имитатора, имеющих размеры 400×400 мм, с расстоянием от нагревателей до аппарата-имитатора 500 мм и максимальным падающим тепловым потоком 500 Вт/м² согласно программе испытаний. Схему имитатора внешних тепловых потоков собирают согласно ранее проведенной юстировке в вакууме, при давлении, исключающем конвективный теплообмен, для получения равномерного теплового потока на поверхность КА, где необходимое количество керамических нагревателей и расстояние от нагревателей до КА выбирают в зависимости от заданных величин тепловых потоков на каждую поверхность объекта, причем в случае установки группы нагревателей выбирают расстояние между ними при условии его равенства размеру теплового пятна, по краям которого обеспечивается 50% засветки относительно величины внешнего теплового потока, приходящейся на центр одного из нагревателей (фиг. 4);

- термовакуумную камеру вакуумируют с помощью вакуумных насосов (например, механических Edwards GXS750/4200, турбомолекулярных Shimadzu TMP-3403LMC, криогенных HSR AG VELCO 630) до давления, исключающего конвективный теплообмен (обычно давление в диапазоне от 10^-3 до 10^-5 мм рт.ст.);

- захолаживают криоэкраны (например, жидким азотом ГОСТ 9293-74) до температуры, имитирующей холод окружающего космического пространства (минус 180±10)°С;

- подвергают аппарат-имитатор воздействию внешних тепловых потоков, имитируя температурные режимы полета при штатной эксплуатации космического аппарата на орбите (например, подтверждение работоспособности КА при минимальных значениях падающих тепловых потоков ("холодный случай"), подтверждение работоспособности КА при максимальных значениях падающих тепловых потоков ("горячий случай");

- при этом подбор внешнего теплового потока осуществляют одновременно на каждой из сторон аппарата-имитатора путем установки таких напряжений на нагревателях имитатора внешних тепловых потоков, при которых полученный тепловой поток будет равен тепловому потоку согласно штатной программе наземной отработки теплового режима космических аппаратов (фиг. 5);

- все полученные внешние тепловые потоки приводят в квазистационарное состояние, а полученные напряжения на нагревателях ИВТП фиксируют и в дальнейшем используют для имитации внешних тепловых потоков;

- после чего отогревают криоэкраны до нормальной температуры (от 15 до 20°С);

- разгерметизируют термовакуумную камеру;

- извлекают аппарат-имитатор из упомянутой камеры и на его место устанавливают НА «Солнце-Терагерц»;

- осуществляют воздействие на НА «Солнце-Терагерц» подобранными внешними тепловыми потоками при вышеуказанных значениях вакуума и температуры криоэкранов с учетом штатной программы полета космического аппарата на орбите.

Изобретение относится к области наземных испытаний космической техники, в частности к тепловакуумным испытаниям космических аппаратов. Для имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов устанавливают аппарат-имитатор в термовакуумную камеру с криоэкранами, размещают на облучаемых поверхностях датчики тепловых потоков, проводят юстировку имитатора внешних тепловых потоков, вакуумируют термовакуумную камеру, захолаживают криоэкраны. Подвергают аппарат-имитатор воздействию внешних тепловых потоков, отогревают криоэкраны до нормальной температуры, разгерметизируют термовакуумную камеру. Подбор внешнего теплового потока осуществляют путем установки напряжений, при которых полученный тепловой поток будет равен заданному тепловому потоку. Полученные напряжения фиксируют и используют для имитации внешних тепловых потоков на штатном космическом аппарате. Извлекают аппарат-имитатор из упомянутой камеры и на его место помещают штатный космический аппарат. Осуществляют воздействие на него внешних тепловых потоков таким же образом, как и на аппарат-имитатор. Достигается повышение достоверности имитации внешних тепловых потоков, возможность применения предложенного способа для любых термовакуумных камер без имитатора солнечного излучения и поворотного стола, а также сокращение времени испытаний. 5 ил.

Способ имитации внешних тепловых потоков для наземной отработки теплового режима космических аппаратов, заключающийся в том, что устанавливают аппарат-имитатор в термовакуумную камеру с криоэкранами, размещают на облучаемых поверхностях аппарата-имитатора датчики тепловых потоков, проводят юстировку имитатора внешних тепловых потоков для получения оптимальной равномерности теплового потока относительно аппарата-имитатора, вакуумируют термовакуумную камеру до давления, исключающего конвективный теплообмен, захолаживают криоэкраны до температуры, имитирующей холод окружающего космического пространства, подвергают аппарат-имитатор воздействию внешних тепловых потоков, имитируя температурные режимы полета при штатной эксплуатации космического аппарата на орбите, после чего отогревают криоэкраны до нормальной температуры, разгерметизируют термовакуумную камеру, извлекают аппарат-имитатор из упомянутой камеры и на его место помещают штатный космический аппарат, осуществляют воздействие на него внешних тепловых потоков таким же образом, как и на аппарат-имитатор, при вышеуказанных значениях вакуума и температуры криоэкранов с учетом штатной программы полета космического аппарата на орбите, отличающийся тем, что заранее проводят юстировку имитатора внешних тепловых потоков в вакууме при давлении, исключающем конвективный теплообмен, для получения равномерного теплового поля на поверхностях аппарата-имитатора, устанавливают в термовакуумной камере имитатор внешних тепловых потоков, состоящий из инфракрасных керамических нагревателей, сориентированных на каждую из сторон аппарата-имитатора и собранный по схеме, согласно ранее проведенной юстировке, при этом необходимое количество упомянутых нагревателей и расстояние от нагревателей до аппарата-имитатора выбирают в зависимости от заданных величин внешних тепловых потоков на каждую сторону космического аппарата, причем в случае установки группы упомянутых нагревателей расстояние между ними выбирают при условии его равенства размеру теплового пятна, по краям которого обеспечивается 50% засветки относительно величины внешнего теплового потока, приходящейся на центр одного из упомянутых нагревателей, при этом подбор внешнего теплового потока осуществляют одновременно на каждой из сторон аппарата-имитатора путем установки таких напряжений на упомянутых нагревателях имитатора внешних тепловых потоков, при которых полученный тепловой поток будет равен заданному тепловому потоку согласно штатной программе наземной отработки теплового режима космических аппаратов, все полученные тепловые потоки приводят в квазистационарное состояние, а полученные напряжения на упомянутых нагревателях имитатора внешних тепловых потоков фиксируют и используют для имитации внешних тепловых потоков на штатном космическом аппарате.