3.3.4. Анализ влияния Земли на тепловой режим главного зеркала

При полете по орбите в районе точки Лагранжа №2 системы Земля-Солнце, обсерватория выходит из плоскости эклиптики на величину примерно 1,5 млн. км. Было высказано предположение о том, что существующая конфигурация экранов не обеспечивает одновременной защиты от излучения Солнца и от излучения Земли. Высказанное предположение подтвердилось. Выяснилось, что при неосевом освещении обсерватории Землей в течение 14 суток тепловой поток на зеркало увеличивается в два раза в сравнении с осевым освещением.

Анализ проводился в следующей последовательности. Сначала аналитически рассчитывалась мощность излучения Земли и ее наихудшее положение, затем производился численный расчет теплового режима зеркала обсерватории при неосевом и осевом положениях Земли.

В расчете мощности излучения Земли принималось, что температура Земли составляет T=300К, степень черноты =0,7, площадь поверхности A= кв. м. Отсюда по закону Стефана-Больцмана получаем мощность излучения I:

Вт.

Расчетное положение Земли выбирается на основе анализа орбиты обсерватории, представленной на Рис. 3.55.

Рис. 3.55. Вид орбиты обсерватории во вращающейся системе координат.

Расстояния показаны в тыс. км

В инерциальной геоцентрической эклиптической системе координат ось Х в начальный момент времени направлена от Земли к Солнцу, ось Y лежит в плоскости эклиптики, ось Z – перпендикулярна плоскости эклиптики. В процессе полета продольная ось обсерватории поддерживается направленной на Солнце, при этом Земля совершает движение относительно этой оси.

Анализируя Рис. 3.55, можно сделать вывод о том, что положение Земли, обеспечивающее ее наибольшее отклонение от оси обсерватории, происходит при следующих координатах обсерватории во вращающейся системе координат:

.

Для проведения сравнения теплового режима был выбран и второй вариант расположения Земли. В этом случае ее координаты составляли:

.

Моделируемая обсерватория представляла собой экран, состоящий из 11 слоев и зеркала. Внешний вид модели обсерватории показан на Рис. 3.56, габаритные размеры модели показаны на Рис. 3.57.

Рис. 3.56. Внешний вид модели для исследования влияния Земли

Рис. 3.57. Габаритные размеры модели. Размеры указаны в метрах

Начальная температура зеркала обсерватории составляла 4,5К, ближайшего к зеркалу слоя экрана 42К, внешнего по отношению к зеркалу слоя – 320К. Температура остальных экранов линейно менялась от ближайшего к зеркалу до наиболее удаленного. Источниками излучения в системе выступали Солнце и Земля. В случае неосевого освещения Солнце находилось на расстоянии 150 млн. км. от внешнего экрана по оси телескопа, Земля на расстоянии 1 млн. км по оси телескопа от внешнего экрана и на расстоянии 1 млн. 430 тыс. км от оси обсерватории. В случае осевого освещения Солнце находилось на том же расстоянии, Земля на расстоянии 1 млн. км по оси телескопа от внешнего экрана. Работа бортовых холодильных установок не учитывалась. Расчет проводился на 14 суток освещения. При моделировании были приняты следующие свойства теплофизические свойства материалов, Табл. 3.8.

Табл. 3.8

Теплофизические свойства вариантов конструкции обсерватории

Элемент конструкции	Плотность материала,	Удельная тепло-емкость,	Тепло-проводность,	Толщина, мм
Зеркало	3200	750	120	5
Экраны	1450	1000	0,24	1

Значения термооптических коэффициентов, использовавшиеся при проведении расчета, приведены в Табл. 3.6. Все поверхности зеркала и экрана имели термооптические свойства, не зависящие от температуры и длины волны падающего излучения. Зеркальное отражение и пропускание излучения через материалы не учитывалось.

Расчетные зависимости максимальной температуры зеркала и мощности теплового потока на зеркало показаны на Рис. 3.58.

Рис. 3.58. Зависимости максимальной температуры зеркала и мощности теплового потока на зеркало для двух положений Земли

Анализируя зависимости, представленные на Рис. 3.58, можно сделать следующие выводы:

• максимальная температура зеркала по истечении 14 суток неосевого и осевого освещения составляет соответственно 4,8К и 4,653К.

• тепловой поток на зеркало по истечении 14 суток освещения в первом и втором случаях расположения Земли составляет соответственно 0,0686 Вт и 0,0340 Вт.

Видно, что проанализированная конфигурация экранов не обеспечивает теплового режима зеркала при заданном положении источников излучения.