1. Тепловой расчет радиационных экранов больших космических телескопов (обзор)

Рост потребности астрономов в обсерваториях с высоким угловым разрешением и высокой чувствительностью приемной аппаратуры приводит к необходимости разрабатывать как телескопы с все большей апертурой, так и средства повышения чувствительности инструментов, в частности, обеспечивать их охлаждение [7, 23, 79, 86, 87]. Использовать уже отработанные технологии охлаждения на основе испарения жидкого гелия для крупногабаритных космических конструкций не представляется возможным, так как для этого потребуются чрезмерно большие запасы хладагента. Поэтому на перспективных космических обсерваториях с большими размерами зеркал все шире применяются радиационные экраны – устройства, обеспечивающие альтернативный способ охлаждения и поддержания теплового режима. Применение радиационных экранов обычно подразумевает ограничения на режимы ориентации космических аппаратов с целью постоянного затенения защищаемого объекта экраном.

Необходимо отметить, что тепловые режимы большинства космических аппаратов обеспечиваются в настоящее время с помощью экранно-вакуумной теплоизоляции – слоистого материала, состоящего из чередующихся слоев металлизированной пленки и мало теплопроводящего материала (Рис. 1.1).

Рис. 1.1. Экранно-вакуумная теплоизоляция. Слои металлизированной пленки Mylar проложены тканью типа «газ»

Отнести это средство обеспечения теплового режима к радиационным экранам не представляется возможным, так как экранно-вакуумная теплоизоляция не позволяет охлаждаться защищаемому объекту путем излучения тепла во внешнее пространство и обеспечивать достижение криогенной температуры. Кроме того, ограничения на ориентацию аппарата при использовании экранно-вакуумной теплоизоляции обычно менее строгие, чем при использовании радиационного экрана.

1. Радиационные экраны

Исторически первой космической обсерваторией с радиационным экраном можно считать Astronomical Netherlands Satellite (ANS) [30, 31], оснащенный аппаратурой для съемки в мягком и жестком рентгеновских и ультрафиолетовом диапазонах. Эта обсерватория была выведена на околоземную солнечно-синхронную орбиту в 1974 году. Ее радиационный экран закрывал часть корпуса, постоянно обращенную к Солнцу, при этом поддерживалась постоянная ориентация экраном на Солнце. Экран был выполнен нераскрывающимся. Внешний вид обсерватории ANS показан на Рис. 1.2. Схема аппарата изображена на Рис. 1.3.

Рис. 1.2. Внешний вид обсерватории ANS	Рис. 1.3. Схема обсерватории ANS

Радиационный экран аппарата Helios-1 [28], выведенного на околосолнечную эллиптическую орбиту в 1974 году, был предназначен для уменьшения тепловой нагрузки на внутренние системы во время близких пролетов Солнца. Первый пролет Helios-1 совершил 15 марта 1975 года, пройдя на расстоянии 47 млн. км от центра Солнца. Во время пролета аппарат вращался относительно продольной оси. Особенностью радиационного экрана Helios-1 является использование жестких металлических зеркал в качестве отражателей, в отличие от металлизированных пленок на других обсерваториях. Внешний вид Helios-1показан на Рис. 1.4.

Рис. 1.4. Внешний вид Helios-1

В дальнейшем радиационные экраны применялись в основном на космических аппаратах, предназначенных для работы в радиодиапазоне и для изучения анизотропии реликтового излучения, таких как COBE (запуск в 1989 году) [56], Odin (запуск в 2001 году) [21], WMAP (запуск в 2001 году) [9], Plank (запуск в 2009 году) [19]. Так же экраны применялись на обсерваториях инфракрасного диапазона с большими размерами зеркала, например, на Космическом телескопе Спитцера (запуск в 2003 году) [20], ASTRO-F (запуск в 2006 году) [35], Космической обсерватории Гершеля (запуск в 2009 году) [33]. Типичная инфракрасная обсерватория с нераскрывающимся радиационным экраном, Космический телескоп Спитцера, показана на Рис. 1.5. Схема обсерватории показана на Рис. 1.6. Типичный космический аппарат для исследования анизотропии реликтового излучения, WMAP, показан на Рис. 1.7. Схема внутреннего устройства WMAP изображена на Рис. 1.8.

Рис. 1.5. Внешний вид Космического телескопа Спитцера	Рис. 1.6. Схема Космического телескопа Спитцера
Рис. 1.7. Внешний вид космического аппарата WMAP	Рис. 1.8. Схема космического аппарата WMAP

Особенностью конструкции инфракрасных обсерваторий является нераскрывающийся экран, в некоторых случаях объединяемый с солнечными батареями. Радиационные экраны космических аппаратов, работающих в радиодиапазоне, отличаются от экранов инфракрасных обсерваторий в первую очередь раскрываемостью и назначением. Если экраны на Космическом телескопе Спитцера, аппарате ASTRO-F и Космической обсерватории Гершеля предназначены в основном для охлаждения приемной аппаратуры, то на аппаратах COBE, Odin , WMAP и Plank они дополнительно играют роль бленд, ограждая приемники от помех.

Достигнутый уровень развития технологии радиационных экранов позволяет поддерживать температуру защищаемых объектов на уровне 60К при использовании только экранов при соблюдении необходимой ориентации. Более низкая температура, вплоть до уровня 0,1К, поддерживается в течение срока продолжительностью до 15 месяцев с помощью совместной работы холодильных машин и экранов. Указанные параметры относятся к микроволновой обсерватории Plank, обладающей наиболее совершенной системой охлаждения в настоящее время.

Требования к перспективным обсерваториям более высокие. Экран обсерватории JWST должен будет обеспечивать температуру 40К зеркала диаметром 6,5 метров в течение 5,5 лет с возможностью продления до 10,5 лет [23]. При этом температуру инструментов необходимо будет поддерживать на уровне 7К с помощью холодильных машин. Внешний вид обсерватории JWST показан на Рис. 1.9, схема устройства – на Рис. 1.10.

Рис. 1.9. Внешний вид обсерватории JWST	Рис. 1.10. Схема обсерватории JWST

Обсерватория «Миллиметрон» будет работать в течение 3 лет с температурой главного зеркала 4К и температурой инструментов до 0,1К и затем еще 7-10 лет с общей температурой 50К [79]. Поддержание теплового режима зеркала и инструментов будет осуществляется комбинированной системой из холодильных машин и экранов. Охлаждение до 50К будет обеспечиваться только за счет экранов. Диаметр главного зеркала обсерватории – 12 метров. Схема обсерватории «Миллиметрон» показана на Рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема обсерватории «Миллиметрон»

Особенностями радиационных экранов перспективных космических обсерваторий являются:

- раскрываемость,

- большие линейные размеры,

- малая жесткость конструкции,

- возможность существенного искажения формы под действием нагрузки,

- работа при криогенных температурах.

На современных обсерваториях конструкция каркаса радиационных экранов обеспечивает стабильную форму их отражающих поверхностей без существенных искажений. На перспективных обсерваториях большие линейные размеры экранов и малая жесткость их отражающих поверхностей, выполненных из тонких пленок, обуславливают возможность существенного искажения их формы [16]. Степень влияния погрешностей формы на теплоизолирующие свойства экрана необходимо оценить.

Известно, что спектр излучения поверхностей реальных материалов может значительно отличаться от планковского [59], см. Рис.1.12. Расчет теплообмена между несерыми поверхностями представляет собой серьезную математическую проблему [93].

Рис. 1.12. Зависимость степени черноты поверхности, покрытой краской Cat-a-Lac, от длины волны [59]

Дополнительные сложности при проведении расчета создаются большой разницей температур экранов и аппаратуры обсерватории в транспортном и в рабочем состоянии. Например, для обсерватории «Миллиметрон» при температуре выведения, составляющей 300К, максимум спектра теплового излучения находится в районе 10 мкм, в то время как при 4К, рабочей температуре главного зеркала, максимум находится в районе 725 мкм. Термооптические коэффициенты поверхностей обсерватории для указанных диапазонов волн значительно отличаются [16]. Кроме того, термооптические и теплофизические характеристики материалов и покрытий существенным образом зависят от температуры [59, 10].