Учебные материалы


Моделирование воздействия на КА электромагнитного излучения Солнца.



Карта сайта netvpn.ru

Основными элементами всякого имитатора солнечного излучения являются источники излучения и спрямляющая система. Последняя предназначена для формирования потока излучения с малорасходящимися лучами и может включать в себя преломляющие, отражающие и поглощающие элементы. В связи с тем, что эти элементы могут применяться в различных сочетаниях, а также в связи с многообразием применяемых источников излучения строгая классификация схем имитаторов затруднена. Однако три группы оптических схем все же можно выделить. В двух из них , называемых осевыми и неосевыми схемами, источники излучения располагаются вне, а элементы спрямляющей системы внутри вакуумной камеры. В третью группу входят системы с внутрикамерным расположением источников излучения. Рассмотрим кратко каждую из выделенных групп схем.

7.4.1 Оптические схемы имитаторов солнечного излучения

1)Осевые схемы.

Малорасходящийся поток излучения можно получить с помощью осесимметричных параболоидного, сферического или эллипсоидного зеркал, в фокусах которых находятся достаточно мощные источники излучения. Но такая простая схема имеет ряд недостатков. Основной из них заключается в том, что источник излучения находится в вакуумной камере. Данное обстоятельство порождает трудности эксплуатационного характера, а в случае использования источников излучения без охлаждения кварцевых колб весьма существенно сказывается и на спектре их излучения. Однако этот недостаток можно устранить, если воспользоваться одной из классических схем оптических систем: системами Кассегрена, Ньтона и Грегори. В этих системах, схематично изображенных на рисунке 7.1 , применяются, кроме основного , вторичные зеркала, расположенные перед основным в окрестности его фокуса. При использовании вторичного зеркала источник излучения можно располагать вне вакуумной камеры, что создает условия корректировки спектра излучения источников и существенно упрощает и удешевляет эксплуатацию имитатора. Другой недостаток свойственный всем осевым схемам, заключается в том , что поток излучения, исходящий от испытуемого объекта (собственное и отраженное излучение) , после переотражения от основного зеркала может вновь попасть на объект, то есть объект как бы “ видит” себя в зеркале. Это приводит в ряде случаев к существенным погрешностям в воспроизведении внешних тепловых нагрузок.

Рис. 7.1 - схема Кассегрена; схема Ньютона; схема Грегори

Использование вторичных зеркал , устраняя главный недостаток осевых схем, порождает дополнительную проблему- охлаждение зеркал, подвергающихся воздействию лучистых потоков большой плотности.

Из отмеченных классических схем наиболее популярна кассегреновская система, состоящая в классическом варианте из первичного ( основного) параболоидного зеркала и выпуклого ( рассеивающего) гиперболоидного вторичного зеркала.

2) Неосевые схемы.

Если точечный источник излучения расположить в фокусе параболоида вращения и в качестве коллиматора взять часть зеркальной поверхности этого параболоида, расположенную в стороне от его оси симметрии ( оси вращения) , то полученная таким образом излучающая система ( система Гершеля) будет обладать рядом положительных особенностей, благодаря которым ее можно использовать для имитации потока излучения Солнца. Отметим эти особенности:

Загрузка...

- Источник излучения не затеняет поток излучения, исходящий от зеркала в сторону рабочей зоны тепловакуумной установки.

- На некотором удалении от зеркала имеется зона (объем), обладающим тем свойством, что излучение, исходящее из этой зоны и падающее на зеркало, после переотражения вновь в рабочую зону не возвращается ( см. Рис. 7.2).

- Число оптических элементов является минимальным.

Рис. 7.2 Схема Гершеля.

Но рассматриваемая схема обладает недостатком, который заключается в том , что при точечном источнике излучения с независимой от направления интенсивностью плотность параллельного потока излучения по сечению пучка является переменной величиной. Наибольщая плотность потока излучения будет иметь место в области, расположенной ближе к оси симметрии параболоида, наименьшая - в наиболее удаленных от оси симметрии зонах. Очевидно, что степень неоднородности потока излучения по сечению пучка будет зависеть от величины апертурного угла . В большинстве имитаторов,в которых реализована неосевая схема, этот угол является небольшим, что достигается обычно за счет увеличения размеров тепловакуумной установки в целом или ее оптического отсека.

Известно значительное количество вариантов конструктивной реализации неосевой схемы имитатора солнечного излучения. В основном принципиальное их отличие заключается в особенностях оптических схем осветительной части, в которой формируется лучистый поток, падающий после прохождения через входные оптические блоки, например, входные линзы на проекционные зеркала - чаще всего параболоидные, хотя известны и случаи использования сферических зеркал.

Следует заметить, что крупные зеркала сложно изготовит сплошными. Проще выполнить их в виде совокупности плотно уложенных криволинейных или плоских зеркальных элементов ( фасет). Однако замена сплошного зеркала фасеточным приводит к появлению дополнительных погрешностей. Уровень этих погрешностей зависит от формы поверхности фасет, относительных их размеров, конструкции каркаса зеркала, условий охлаждения элементов конструкции, качества юстировки, то есть от множества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

3) Схемы с внутрикамерным размещением источников излучения.

Сама по себе идея размещения источников излучения внутри вакуумной камеры, оснащенной криогенными экранами, не выдерживает никакой критики, если речь идет о разработке имитатора солнечного излучения для вновь создаваемой тепловакуумной установки. Однако часто возникает такая ситуация, когда уже имеется вакуумная камера без имитатора Солнца и нужно дооснастить ее имитатором солнечного излучения, не изменяя или почти не изменяя конструкцию вакуумной камеры. В этом случае и появляется интерес к упрощенным схемам имитаторов с внутренним размещением источников излучения.

В одном известном воплощенном в металле и даже применяемом в испытаниях фрагментов КА имитаторе с внутрикамерным размещением источников излучения умеренно расходящийся поток излучения формировался с помощью так называемой спрямляющей решетки с квадратными ячейками , экранирующей излучение, испускаемое совокупностью исиочников излучения в сторону рабочей зоны установки. Решетка выполняется двухсекционной . Первая- входная секция , расположенная ближе к излучающей системе , охлаждается водой. Вторая – выходная, охлаждается кипящим азотом. Стенки ячеек имеют покрытие, обладающее высокой поглощательной способностью. Геометрические параметры спрямляющей решетки ( отношение длины ячейки к ее ширине ) выбираются такими, чтобы на выходе из решетки расходимость потока излучения была бы приемлемой. Это достигается за счет поглощения стенками ячеек чрезмерно расходящихся лучей.

Излучающая система в таком имитаторе может выполняться по-разному: она может быть образована дуговыми ксеноновыми трубчатыми лампами, заключенных в отражатели ; высокочастотными ксеноновыми лампами , размещаемыми в фокусе параболоидного или сферического отражателя.

7.4.2.Источники излучения , используемые в имитаторах солнечного излучения

Как уже отмечалось во второй лекции , основная часть энергии электромагнитного излучения Солнца , непосредственно влияющая на тепловой режим КА, заключена в интервале [ 0,3 ; 3 ] . Используемый в имитаторе солнечного излучения источник излучения считается достаточно совершенным, если в отмеченном диапазоне длин волн относительная величина спектральной интенсивности излучения источника отличается от спектра излучения Солнца не более, чем на 5 %. Однако имеющиеся в распоряжении экспериментаторов источники не удовлетворяют этому требованию в полной мере. На том или другом участке отмеченного спектрального диапазона спектральные погрешности превышают 5 %, иногда весьма значительно. Рассмотрим, какие конкретно источники излучения используются в имитаторах солнечного излучения.

Чаще всего используются шаровые дуговые лампы высокого давления с ксеноновым наполнением. Спектр излучения таких ламп несильно отличается от спектра излучения Солнца, кроме интервала длин волн [ 0,8 ; 1,05] , где наблюдаются значительные характерные выбросы энергии по относительной величине более, чем в два раза , превышающие относительную величину энергии излучения Солнца в этой полосе спектра (см. рис.7.3) . Для справки следует отметить, что в интервале [0,8 ; 1,05] содержится приблизительно 15 % интегральной энергии излучения Солнца, а у ксеноновой лампы - более 30% от общей энергии излучения. В одних имитаторах этот характерный выброс энергии излучения ксенона поглощается специальными покрытиями (фильтрами), наносимыми на поверхность линз, через которые излучение заводится внутрь тепловакуумной установки и попадает на проекционную часть имитатора - зеркала. В результате такой корректировки спектр излучения имитатора становится в основном похожим на спектр излучения Солнца. В других же имитаторах спектр ксеноновых ламп не корректируется, поэтому большой интерес представляет информация об уровне возможных спектральных погрешностей. Расчет спектральных погрешностей можно осуществить на основе данных о спектральном распределении энергии излучения используемых в имитаторах источников и данных по спектральной поглощательной способности различных материалов и покрытий , применяемых в космической технике и подвергающихся воздействию солнечного излучения. Ниже представлена таблица , где приведены результаты расчета спектральных погрешностей для 13 материалов и покрытий при использовании в качестве источниеа излучения лампы-светильника ДКсРМ-55000, представляющей собой металлическую дуговую лампу с водяным охлаждением корпуса и выходного кварцевого окна. Спектр излучения этого источника в основном соответствует спектру излучения дуговых шаровых ламп высокого давления с ксеноновым наполнением. Однако имеет место существенное отличие при , где у рассматриваемой лампы энергия излучения практически отсутствует, что обусловлено поглощением излучения водой, циркулирующей между двойными стеклами выходного окна лампы-светильника. Зависимость относительной величины спектральной интенсивности излучения от длины волны излучения для этой лампы представлена на приведенном ниже рисунке. На этом же рисунке для сравнения представлен и спектр излучения Солнца.

Рис.7. 3 Спектр излучения дуговой ксеноновой лампы ДКсРМ-55000

Спектральные погрешности при использовании в качестве источника излучения лампы ДКсРМ-55000.

N Вид покрытия Серебряное покрытие 0,078 0,064 -0,18 Золоченое покрытие 0,24 0,19 -0,23 Белая эмаль 0,29 0,23 -0,22 Алюминий 0,085 0,088 0,042 Керамическое покрытие 0,23 0,17 -0,26 Хромированное покрытие 0,37 0,40 0,097 АМГ-6 0,30 0,31 0,03 Белая стеклоткань 0,42 0,37 -0,11 Зеленая эмаль 0,88 0,85 -0,04 Черная эмаль Инконель ( поверхность полирована) 0,47 0,46 -0,018 Окись кремния на алюминии 0,17 0,057 -0,66 Кварцевое стекло 0,012 0.010 -0,20

Хотя проанализированные покрытия и материалы не охватывают все их используемое в космической технике многообразие, все же представленные в таблице результаты расчета спектральных погрешностей позволяют сделать некоторые выводы качественного характера относительно степени пригодности рассматриваемого источника для целей имитации солнечного излучения. Погрешности в ряде случаев не только велики, но еще имеют и отрицательный знак. Это означает, что в эксперименте плотность поглощаемого наружной поверхностью КА потока излучения имитатора Солнца будет меньше, чем в натурных условиях эксплуатации. Данное обстоятельство является особенно неблагоприятным, потому что может усугубляться естественным отличием поглощательной способности многих покрытий, относящихся к классу терморегулирующих, по отношению к излучению Солнца и излучению имитатора. Отличие обусловлено деградацией покрытий под воздействием факторов космического пространства в условиях штатной эксплуатации и меньшей степенью деградации в условиях наземного эксперимента. Следовательно, необходима корректировка спектра дуговых ламп с ксеноновым наполнением – корректировка в направлении уменьшения доли энергии излучения , испускаемого в полосе спектра ( 0,8 ; 1,05) .

Известны источники , спектр излучения которых имеет существенно лучшее приближение к солнечному, по сравнению с дуговыми ксеноновыми лампами. К ним можно отнести кварцевые дуговые лампы, наполненные парами ртути с добавками хлорида алюминия ( ) , иодида индия ( ) и бромида олова. Конструктивно эти лампы мало отличаются от обычных шаровых ксеноновых ламп, однако использование их в имитаторах Солнца, в составе тепловакуумных установок , предназначенных для тепловой отработки космической техники, затруднено из-за недостаточно большой мощности, а также слишком малого ресурса работы.

Заслуживают внимание и угольные дуговые источники. В видимой и инфракрасной области спектр их удовлетворительно соответствует солнечному, но практическое применение таких источников наталкивается на трудности , связанные главным образом с большим расходом положительного электрода.

Для имитаторов с внутрикамерным размещением источников излучения могут использоваться дуговые ксеноновые трубчатые лампы мощностью от до . Промышленностью выпускаются трубчатые лампы двух разновидностей: неохлаждаемые ( ДКсТ) и лампы с водяным охлаждением кварцевой колбы (ДКсТВ). Первый тип ламп по спектральным характеристикам можно считать непригодным для имитации солнечного излучения, потому что, как показывает опыт их эксплуатации, приблизительно 60 % энергии излучения исходит от кварцевой колбы с температурой , не превыщающей 900 . То есть происходит значительное трансформирование спектра излучения дугового разряда , вследствие протекания внутри лампы интенсивных конвективных процессов теплообмена, поглощения части инфракрасного излучения колбой и последующего переизлучения поглощенной энергии в средневолновой части инфракрасной области спектра. Лампы с водяным охлаждением колб свободны от недостатка, свойственного неохлаждаемым лампам. Спектр их излучения , повидимому, соответствует в основном спектру рассмотренной выше лампы-светильника ДКсРМ-55000. Однако невысокая объемная , а также поверхностная плотность выделяемой в трубчатых лампах энергии исключает возможность использования этих ламп в качестве источника излучения для имитатора Солнца с оптической схемой, содержащей точенчный источник излучения и коллиматор.

7.4.3.Воплощение системы Кассегрена в солнечных имитаторах известных тепловакуумных установок

Система Кассегрена нашла свое практическое воплощение в имитаторе солнечного излучения одной из тепловакуумных установок лаборатории реактивного движения [ 8 ] . Вакуумная камера установки представляет собой вертикальный цилиндр диаметром 8 и высотой 14 . Основные элементы имитатора Солнца смонтированы в десятиметровой надстройке над камерой ( см. рис. 7.4). Оптическая ось имитатора совпадает с вертикальной осью камеры . Источниками излучения в этом имитаторе служат ртутно-ксеноновые лампы мощностью 2,5 , расположенные вне вакуумной камеры в надстройке на плоском или вогнутом щите. Каждая лампа , на рисунке 4 обозначенная позицией 1, устанавливается в фокусе отражателя 2, образуя таким образом ламповые модули, излучение которых падает на параболоидное зеркало 3, а после отражения от него концентрируется на на псевдогиперболоидном выпуклом зеркале 4. Отразившись от выпуклого зеркала 4 , концентрированный пучек лучей проходит через входную линзу 5 и попадает на рассеивающее зеркало 6, отражающее лучи на главное параболоидное зеркало 7, которое и формирует малорасходящийся поток излучения нужной плотности .

Рис. 7. 4. Схема тепловакуумной установки лаборатории реактивного движения NASA.

Согласно данным, приведенным в работе [ 8 ], характеризуемый имитатор имеет следующие параметры: сечение потока излучения плоскостью , перпендикулярной оси имитатора , представляет собой шестиугольник с диаметром вписанной окружности приблизительно равным 6 . Пространственная неоднородность потока по сечению составляет %. На 50 % площади сечения угол непараллельности не превышает , на остальной площади доходит до . Каждая лампа имитатора освещает свой участок в рабочей зоне, поэтому для обеспечения равномерности поля излучения предусмотрена индивидуальная регулировка каждой лампы с пульта управления. Представляют интерес следующие конструктивные параметры имитатора: рассеивающее зеркало является фасеточным. Каждая фасета отражает излучение на отдельную секцию большого внутреннего параболоидного зеркала, которое состоит из 324 отдельных секций. Каждая секция устанавливается с помощью трех регулировочных винтов и охлаждается до с помощью гибких металлических щин, обладающих большой теплопроводностью и связанных с запитываемым жидким или кипящим азотом трубопроводом.

Рассматриваемый имитатор обладает рядом серьезных недостатков. Во-первых, недостатком , свойственным всем имитаторам, выполненным по осевой схеме, и заключающимся в переотражении на испытываемый объект части лучистого потока, который исходит из рабочей зоны установки и попадает на зеркала проекционной части имитатора. Во-вторых, юстировка имитатора является весьма сложным и кропотливым делом и не всегда приводит к желаемому результату. В третьих, имитатор имеет низкий КПД. С учетом потерь в электрических преобразователях энергии КПД лишь ненамного превышает 1%. Это связано с наличием большого чмсла оптических элементов. Возникают сложности и с охлаждением находящихся в вакуумной камере рассеивающих зеркал.

КПД имитатора повышается, конструкция существенно упрощается , а стоимость имитатора снижается, если система Кассегрена реализуется в упрощенном и несколько видоизмененном варианте, схематично изображенном на рисунке 7.5. При таком исполнении имитатор можно разделить на две части: осветительную и проекционную. Осветительная часть установлена за пределами вакуумной камеры и выполняется в виде щита 1 с установленными на нем модулями 2 - прожекторами. Проекционная часть включает в себя входной блок и блок зеркал. В простейшем случае входной блок состоит из линзы 3 , на плоскую поверхность которой наносится специальное покрытие, предназначенное для корректировки спектра излучения имитатора с тем, чтобы приблизить его к спектру излучения Солнца. В блок зеркал входят основное параболоидное ( 4 ) и вспомогательное эллипсоидное (5) проекционные зеркала, а также большое ( 6 ) и малое ( 7 ) рассеивающие обратные гиперболоидные зеркала. Ламповые модули являются источником малорасходящегося и , по возможности, однородного ( по сечению пучка ) потока излучения, падающего на входную линзу. Выполнение этого условия является одной из предпосылок достижения удовлетворительных характеристик имитируемого потока излучения - однородности и степени параллельности. В связи с этим появляется одно из требований к относительному расположению источника излучения - дуговой шаровой ксеноновой или ртутно-ксеноновой лампы и отражателя лампового модуля: электроды лампы должны располагаться на оптической оси отражателя. При таком расположении лампы в отражателе затеняемость дуги электродами, в первую очередь анодом, минимальна, а главное, изображение источника в зеркале отражателя в этом случае является практически осесимметричным относительно оптической оси лампового модуля. Если лампа в модуле располагается так, что ее электроды перпендикулярны оптической оси отражателя, то изображение дуги в зеркале отражателя имеет сложную и неблагоприятную для интегрирования форму. Это является следствием затенения дуги электродами лампы, несферичности геометрической формы дуги , а также неоднородности в распределении объемной плотности выделяемой в дуговом разряде энергии.

Рис. 7. 5. Горизонтальный вариант воплощения схемы Кассегрена.

Обсуждаемое требование к относительному расположению дуговой лампы в отражателе лампового модуля накладывает значительные ограничения на возможные варианты конструкции имитатора солнечного излучения и тепловакуумной установки в целом. Дело в том, что влияние гравитационных сил на геометрию электрической дуги и ее устойчивость приводит к необходимости эксплуатации дуговых ламп в положении, когда их электроды располагаются вертикально или под относительно небольшими к вертикали углами. Данное обстоятельство определяет наиболее предпочтительную, с точки зрения достижения большей точности моделирования солнечного излучения, компоновку имитатора с в составе тепловакуумной установки, а именно, такое его размещение, при котором реализуется вертикальное или близкое к вертикальному расположение оптической оси имитатора, что предопределяет формирование вертикального или близкого к вертикальному пучка излучения, в то время как часто с конструктивной и эксплуатационной точек зрения предпочтительнее является имитатор с горизонтальным пучком излучения. Однако известен положительный опыт по эксплуатации ламп мощностью 20 - 32 в сильно наклоненном , почти горизонтальном положении [14] .

7.4.4. Практического воплощения неосевой схемы солнечного имитатора в одной из тепловакуумных установок

Что касается неосевой схемы имитатора солнечного излучения, то она нашла практическое воплощение во имитаторах многих тепловакуумных установок. Заслуживает внимание имитатор , изображенный на рисунке 6 в составе введенной в эксплуатацию в 1982 г тепловакуумной установки Европейского центра космических исследований и технологий ( ). Имитатор примечателен не только своими размерами ( диаметр имитируемого горизонтального пучка солнечного излучения составляет 6 ) , но и точностью воспроизведения основных параметров потока солнечного излучения: угол непараллельности не превышает , неоднородность плотности потока излучения по сечению пучка . В качестве источников излучения в имитаторе используются 19 дуговых ксеноновых ламп мощностью 20 . Источники излучения, включенные в состав ламповых модулей , скомпонованы в ламповый блок, который находится за пределами вакуумной камеры. Оптические оси ламповых модулей, а вместе с ними и электроды дуговых ламп расположены под большими углами по отношению к вертикали (70 - 88 ), то есть некоторые лампы расположены практически горизонтально. Тем не менее, как отмечается в [ 14 ] никаких отрицательных последствий от такого неблагоприятного ( с точки зрения протекания физических процессов в лампе) расположения ламп не наблюдается - форма электрической дуги заметно не изменяется , дуга горит устойчиво.

Рис. 7. 6. Схема имитатора Европейского центра космических исследований и технологий.

Моделирование теплового воздействия планет на поверхность КА

Тепловое воздействие планеты на поверхность КА обычно воспроизводится с помощью упрощенных средств, например, совокупности условно линейчатых или точечных диффузных излучателей, а также с помощью излучающих панелей, размещаемых вокруг рабочей зоны экспериментальной установки. Причем здесь речь идет о воспроизведении расчетного теплового воздействия планет на элементы наружной поверхности испытуемого объекта, а не о воспроизведении поля теплового излучения планет по основным параметрам – угловому распределению интенсивности и спектральному составу излучения.

При использовании упрощенных имитаторов каждый раз возникает необходимость в определении такого закона распределения между излучателями энергии, при котором в эксперименте может быть достигнута максимально возможная точность воспроизведения расчетных тепловых нагрузок от планеты. Для определения оптимального ( в отмеченном смысле) режима работы имитатора используется методический подход, суть которого излагается в разделе 7.8 данной главы, поскольку этот подход может использоваться и для выбора режима работы имитаторов тепловых нагрузок при проведении тепловакуумных испытаний в установках, не оснащенных имитатором солнечного излучения, а также при проведении вакуумно-температурных испытаний, электрических испытаний в условиях имитации космических условий полета и при проведении термопрочностных испытаний. Упрощенный вариант этого подхода излагается в монографии [ 9 ]. Там же представлены и некоторые результаты исследования функциональных возможностей таких имитаторов теплового воздействия планет.



edu 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная