Общая характеристика тепловой отработки ка: этапы, структура и задачи отработки.

Надежное математическое моделирование теплообмена большинства типов КА связано с рядом трудностей, обусловленных не столько недостатками математических методов и вычислительных средств, сколько сложностью и значительной неопределенностью протекания физических процессов внешнего и внутреннего теплообмена между элементами КА. Поэтому при создании КА большое значение имеет, так называемая, тепловая отработка, представляющая собой совокупность тепловых экспериментов (испытаний) и проводимых на основе их результатов мероприятий по доработке (в случае необходимости) средств обеспечения теплового режима, а иногда и конструкции аппарата.

Тепловая отработка может проводиться на различных стадиях создания КА: начиная с этапа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ до летно-конструкторских испытаний. Для начальной стадии разработки КА характерны эксперименты, связанные с поиском и отработкой новых методов, схемных и конструктивных решений задач обеспечения теплового режима КА в целом или его отдельных частей, а также эксперименты, проводимые для подтверждения возможности получения требуемых технических характеристик систем КА. На последующих стадиях разработки КА можно выделить следующие три этапа тепловых испытаний:

- Автономные испытания агрегатов КА для полной их автономной отработки. В качестве агрегатов могут рассматриваться как отдельные приборы, аппаратура, устройства, так и целые отсеки и системы.

- Комплексные испытания систем КА, включающие ряд образующих взаимосвязанную совокупность агрегатов, работоспособность каждого из которых и условия работы взаимозависимы.

- Комплексные испытания КА в целом.

Отмеченные этапы отражают один из принципов отработки техники: от “ простого к сложному “. Этот принцип требует постепенного укрупнения и усложнения отрабатываемых частей КА.

В зависимости от особенностей отрабатываемого аппарата, наличия его прототипов и опыта отдельные этапы отработки могут исключаться или, наоборот, разбиваться на более мелкие этапы. Условием достаточности проведенного объема отработки КА является наличие сведений о реализующихся в неблагоприятных, но возможных условиях его работы, приемлемых параметрах теплового режима, а также о надежности их обеспечения.

По структуре тепловые испытания КА можно разделить на следующие типы:

- Тепловакуумные испытания - испытания, связанные с моделированием космических условий полета или условий пребывания на поверхности не имеющих атмосферу небесных тел (Луны, астероидах).

- Невакуумные испытания герметичных отсеков.

- Испытания систем тепловой защиты, обеспечивающих сохранность конструкции, внутренний тепловой режим спускаемых с орбит аппаратов в условиях кинетического и радиационного нагрева, обусловленного аэродинамическим торможением.

- Тепловые испытания с воспроизведением условий пребывания в атмосфере планет, в том числе на Земле (климатические тепловые испытания).

- Вакуумно-температурные испытания, в процессе которых проверяется работоспособность каких - то узлов и механизмов КА в условиях реализации на элементах конструкции испытуемого объекта экспериментально или расчетно выявленных значений температур.

- Ресурсные испытания и испытания на надежность элементов системы терморегулирования, оборудования и комплектующих элементов в условиях, имитирующих реальные тепловые условия эксплуатации.

- Исследование работоспособности СОТР в условиях аварийной ситуации, т.е. при частичном или полном отказе отдельных элементов системы, нарушении герметичности, отклонении внутренних тепловыделений от значений, предусмотренных программой полета и т. д.;

- Определение теплофизических параметров отдельных частей и элементов КА;

- исследование температурного поля в КА или его отдельных частях с целью коррекции математической модели его теплового состояния;

- Проверка работы радиоэлектронной, оптической и другой аппаратуры в условиях реальных температур и температурных градиентов.

Проблемы тепловакуумной отработки КА

Среди отмеченных типов тепловых испытаний особое место по сложности, значимости и трудоемкости, связанной с расходованием больших материальных ресурсов, занимают тепловакуумные испытания, отличительной особенностью которых является моделирование в экспериментальных установках космических условий полета или условий пребывания на поверхности не имеющих атмосферы небесных тел (Луна, астероиды). Подготовка такого рода испытаний сводится, главным образом, к деятельности по трем направлениям:

• моделирование испытываемого объекта;

• подготовке имитационных средств, способных с достаточной точностью воспроизводить основные факторы космического пространства, оказывающие влияние на тепловое состояние КА;

• планирование испытаний, связанное с определением наиболее целесообразных режимов испытаний, определением потребной продолжительности испытаний и т.п.

Достаточно точное моделирование испытываемого объекта является весьма важной задачей, решение которой в значительной степени определяет правомерность перенесения результатов испытаний на “натуру”. Основная трудность моделирования объекта испытаний связана с тем обстоятельством, что в наземных условиях отсутствует имеющая место в космосе невесомость, влияние которой на тепловой режим проявляется через гидродинамику, гидростатику теплоносителей, а также через влияние на процессы конденсации и испарения. Возникают трудности, обусловленные необходимостью воспроизведения в процессе испытаний эффекта изменения радиационных характеристик наружных поверхностей КА, вызванного деградацией покрытий вследствие воздействия на них корпускулярного и жесткого электромагнитного излучения Солнца и воздействием на гладкие поверхности, в частности полированные, микрометеорных потоков. Существенные погрешности в модель объекта испытаний могут вноситься и за счет проводов, по которым выводится информация о температурах, давлении и других параметрах испытываемого объекта.

Несмотря на отмеченные сложности моделирования объекта испытания, решение задачи тепловакуумной отработки КА не вызывало бы особых затруднений, если бы в распоряжении экспериментаторов имелись имитационные средства, позволяющие с высокой точностью воспроизводить все факторы космической среды, оказывающие воздействие на тепловое состояние КА. Однако одновременное воспроизведение всех основных характеристик космического пространства - задача практически неразрешимая. Кроме того, как известно, на способ решения всякой сложной проблемы существенное влияния оказывают соображения организационного и экономического характера. При решении задачи моделирования физических характеристик космической среды экономические соображения имеют важное значение, поскольку между точностью воспроизведения условий космического пространства, стоимостью производства и эксплуатации имитационных средств существует прямая и весьма сильная связь.

Общепринятым является мнение о том, что работы по экспериментальному исследованию валяния факторов космического пространства целесообразно расчленять на группы видов воздействия. Считают, например в [3,8,9], что при исследовании теплового режима КА в целом или его отдельных частей и систем достаточно воспроизводить следующие факторы космического пространства: высокий вакуум, тепловое излучение Солнца и планет, практически полное отсутствие теплового излучения по тем направлениям, которые находятся за пределами телесных углов обзора Солнца и планет, а также практически полное поглощение собственного и отраженного излучения самого КА.

Воздействие факторов, оказывающих косвенное влияние на тепловой режим КА – ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, корпускулярная радиация, микрометеорные потоки, исследуется отдельно в специальных установках. Полученные данные учитываются при составлении методики и программы комплексных и автономных испытаний КА посредством выбора режимов испытаний, ориентации испытываемого объекта в экспериментальной установке и режимов работы имитаторов Солнца и планет.

Несмотря на явное упрощение, связанное с разделением внешних факторов космической среды на группы, задача высокоточного моделирования условий внешнего теплообмена КА в наземных экспериментальных установках для широкого класса околопланетных аппаратов, например, околоземных, все еще является исключительно сложной не только в техническом, но и в методическом отношении. Сложности обусловлены тем, что в большинстве случаев возникает необходимость воссоздания в экспериментальной установке нестационарных во времени и пространстве лучистых полей, формируемых и Солнцем и планетой (чаще всего Землей). По ряду причин технического характера имитатор солнечного излучения обычно является неподвижным. Следовательно, для воспроизведения возможного изменения ориентации испытываемого объекта относительно потока солнечного излучения необходимо оснащение тепловакуумной установки устройством, позволяющим поворачивать испытываемый объект относительно двух взаимно перпендикулярных осей, расположенных в плоскости, перпендикулярной вектору . Кроме того при неподвижном имитаторе солнечного излучения имитируемое поле излучения планеты должно изменять свою ориентацию, что может быть достигнуто либо за счет поворота имитатора излучения планеты относительно оси, перпендикулярной вектору, либо за счет использования специального и очень сложного имитатора с модулями, оснащенными приводами. Вращение КА относительно двух взаимно перпендикулярных осей практически осуществимо только для небольших КА. Для больших тяжелых КА не вызывает трудности лишь вращение относительно своей вертикальной оси, а вращение относительно двух осей - сложная техническая задача. Но еще более сложной задачей является воспроизведение поля излучения планеты, изменяющего свою пространственную ориентацию в камере.

Таким образом, экспериментальное моделирование тепловых режимов КА в условиях, максимально приближенных к натурным, сопряжено с большими техническими трудностями, несмотря на то, что имитационная техника, существующая в реальном воплощении или в технических проектах, позволяет воспроизводить каждый из отмеченных факторов с достаточной точностью. Сложности вызваны тем, что необходима техническая организация совместной работы имитационных систем и испытываемого объекта. Поэтому важное значение приобретают приближенные методы моделирования внешнего теплообмена.

Рассмотрим три приближенных метода моделирования внешнего теплообмена в тепловакуумных установках, оснащенных системами вакуумирования и криогенными экранами, имитирующими космический вакуум и идеальные поглощательные свойства космического пространства.

1) Воспроизведение экстремальных внешних тепловых нагрузок.

Метод применяется в тепловакуумных установках, оснащенных помимо отмеченных систем вакуумирования и криогенных экранов имитатором солнечного излучения и имитатором поля излучения планет. В данном случае может осуществляться проверка теплового режима КА в условиях имитации наиболее неблагоприятных сочетаний внутренних тепловыделений и стационарных внешних тепловых нагрузок. Неблагоприятные сочетания выбираются на основании результатов расчета теплового режима КА при наличии предположения о квазистационарности процессов внутреннего и внешнего теплообмена. Тепловакуумная установка с неподвижными имитаторами излучения Солнца и планеты должна быть оснащена устройством, позволяющим размещать испытываемый объект нужным образом по отношению к оптической оси имитатора Солнца. Получив при таком способе исследования положительную информацию о тепловом состоянии испытываемого объекта, можно быть уверенным в том, что в реальных, менее жестких тепловых условиях эксплуатации, требуемый тепловой режим КА будет обеспечиваться. Однако получение отрицательного результата не может служить убедительным доказательством недостаточной эффективности средств обеспечения теплового режима, так как условия эксперимента заведомо ужесточались.

2) Воспроизведение внешних тепловых нагрузок с помощью имитатора Солнца и упрощенного имитатора теплового воздействия планет.

Данный способ целесообразно применять в одном из двух случаев: тепловое состояние КА определяется главным образом воздействием солнечного излучения, а влияние планеты является второстепенным фактором; наружная поверхность гладкая и однородная в отношении радиационных характеристик. В этих условиях, используя опорно-поворотное устройство тепловакуумной установки, можно воспроизводить реальные ориентации КА относительно Солнца, что создает условия для достаточно точной имитации тепловых потоков от Солнца. Тепловое воздействие планеты воспроизводится с помощью упрощенных средств, например, совокупности условно линейчатых, точечных диффузных излучателей или излучающих панелей, размещенных вокруг рабочей зоны экспериментальной установки. Причем речь идет о воспроизведении расчетного теплового воздействия планет на элементы наружной поверхности испытываемого объекта, а не воспроизведении поля теплового излучения планет по основным параметрам - угловому распределению интенсивности и спектральному составу излучения.

Если использовать упрощенные имитаторы, то каждый раз возникает необходимость в воспроизведении таких пространственных законов распределения подводимой к излучателям энергии, при которых в экспериментах достигается максимальная точность воспроизведения расчетных внешних тепловых нагрузок. В 80 - е годы в МАИ разработана методика и компьютерная программа определения оптимального режима работы таких имитаторов [9]. Эта методика и программа успешно применяется на предприятиях аэрокосмической отрасли при проведении тепловакуумных вакуумно-температурных испытаниях изделий различного назначения.

3) Воспроизведение суммарных внешних тепловых нагрузок с помощью упрощенных излучающих систем и поверхностных электронагревателей.

При отсутствии в тепловакуумной установке имитатора солнечного излучения расчетные тепловые нагрузки от Солнца, планеты, а для низколетящих КА и тепловые потоки за счет столкновения с частицами атмосферного газа, можно воспроизводить с помощью уже вышеупомянутых упрощенных излучающих систем, расположенных на значительном расстоянии от испытываемого объекта, а также сетчатых секционированных излучателей, размещаемых в непосредственной близости от поверхности испытываемого объекта. Каждая секция такого излучателя участвует в облучении лишь определенного участка поверхности испытываемого объекта. Для приближенного моделирования внешнего теплообмена КА используются и так называемые конформные управляемые электронагреватели, представляющие собой регулируемые по мощности секции электронагревателей, устанавливаемые непосредственно на наружную поверхность испытываемого объекта. Такие электронагреватели называют также пленочными, поверхностными, а иногда и “ нагревательными рубашками”.

Лекция N9

Тема лекции: Методы экспериментального моделирования космического вакуума и радиационных свойств космического пространства.

Моделирование космического вакуума.

Требования к моделированию

Многообразие изучаемых процессов и физических условий в космосе приводит к необходимости дифференцированного подхода к решению задачи выбора способов и параметров лабораторного моделирования воздействия космического вакуума.

При исследовании теплового состояния КА системы, моделирующие космический вакуум, призваны обеспечить выполнение следующих условий:

- Давление газовой среды в экспериментальной установке должно быть настолько малым, чтобы теплообмен между неконтактирующими поверхностями осуществлялся в основном излучением.

- Коэффициент возврата частиц, покидающих поверхность КА в экспериментальной установке, должен быть пренебрежимо малой величиной.

- Необходимо (по возможности) исключить попадание на исследуемый объект паров органических веществ (масел), источником которых являются откачные средства систем вакуумирования.

Выполненные в [9] оценки величины давления газовой среды, при котором в экспериментальной установке, как и в космосе, можно пренебречь теплопередачей за счет теплопроводности остаточного газа, свидетельствуют о том, что давление на уровнеявляется вполне приемлемым в установках, предназначенных для исследования тепловых режимов КА.

Необходимость моделирования условий, при которых коэффициент возврата является, как и в космосе, пренебрежимо малой величиной, обусловлена, главным образом, тем, что от величины этого коэффициента может существенно зависеть степень загрязнения поверхности КА продуктами собственного выделения. В лабораторных условиях коэффициент определяется следующим выражением [6]:

(1),

где - вероятность захвата молекулы стенкой экспериментальной установки,- вероятность попадания отраженной от стенки молекулы вновь на объект. Величиназависит от соотношения размеров, геометрической формы исследуемого объекта и экспериментальной установки, а также от характера отражения молекул. При диффузном отражении, например, для сферической вакуумной камеры и сферического объекта коэффициентможно принять равным квадрату отношения диаметра объекта и камеры (). Если, допустим, , то. Величинаопределяется выражением(2),

где - относительная величина площади откачивающей поверхности установки (по отношению к площади поверхности установки), - эффективный коэффициент откачки стенок установки. Коэффициентдля разных газов различен. Неодинаков для них будет и коэффициент, поэтому обычно говоря о коэффициенте возврата по определенному газу, например, по азоту.

Из соотношений (1) и (2) следует, что пренебрежимо малое значение может быть реализовано приблизком к 1, что может быть достигнуто в том случае, если молекулярной ловушкой являются стенки вакуумной установки. Допустим, , , , тогда, то есть вакуумные условия в этом случае приближаются к космическим. Если, предположим, , то прии, то есть покинувшая объект молекула в среднем 10 раз может вернуться назад на объект. Адсорбируясь на каких - то поверхностях КА эти молекулы могут вызвать изменение поверхностных свойств, в частности, радиационно-оптических.

Таким образом, откачные устройства, моделирующие космический вакуум, должны являться частью внутренней поверхности установки. Это диктуется также необходимостью реализации в вакуумных установках огромных значений объемной скорости откачки при больших газовыделениях испытуемых объектов.

Способы моделирования

Структура системы моделирования космического вакуума определяется в основном составом подлежащих откачке газов и паров, а также требуемой величиной вакуума. Система предназначена для вывода вакуумной установки на рабочий режим по давлению и поддержанию этого режима в течение длительного времени при наличии газоотделения от объекта испытаний и периодических газовых выбросов. Должен откачиваться, в первую очередь, атмосферный воздух или другой балластный газ, которым заполнена вакуумная установка до начала откачки, кроме того, пары и газы, выделяющиеся из КА и их элементов и состоящие из , летучих компонентов уплотнений, изоляции проводов, терморегулирующих или просто лакокрасочных покрытий, летучих веществ из теплозащитных и теплоизоляционных материалов и т. п.

В связи с многообразием откачиваемых газов и паров, а также ограниченностью технических средств, позволяющих одинаково эффективно откачивать газ в диапазоне давлений от атмосферного () до рабочего (), обеспечивая при этом реализацию нужных больших, как правило, объемных скоростей откачки, одновременно используются насосы различных типов: насосы предварительной, основной и вспомогательной откачки.

Насосы предварительной откачки (форвакуумные) предназначены для начального вакуумирования (до т.е. до), после чего начинают действовать насосы основной и вспомогательной откачки.

Насосы основной и вспомогательной откачки предназначены для откачки газов и паров в рабочем диапазоне давлений и имеют большую объемную производительность. Вспомогательная откачка действует одновременно с основной и необходима вследствие избирательного откачного действия насосов основной откачки.

Для основной откачки применяют насосы, так называемого, поверхностного действия, использующие в максимально возможной степени внутреннюю поверхность установки. Это, главным образом, криогенные насосы конденсационного типа. Работа их основана на вымораживании откачиваемых паров и газов, т.е. образовании твердой или жидкой фазы откачиваемого газа на криоповерхностях и, следовательно, в понижении парциального и суммарного, тоже, давления паров и газов в откачиваемом объеме. Криоконденсация может эффективно применяться для откачки газов, равновесное давление насыщенных паров которых при температуре криоповерхности является более низким, чем требуемое давление. Для каждой температуры имеются свои, так называемые, неконденсируемые газы с равновесным давлением насыщенных паров, превышающим заданное. Так при температуре жидкого () не конденсируются инертные газы с равновесным давлением насыщенных паров порядка, водород; при температуре жидкого водорода () не конденсируется водород и гелий; при температуре жидкого гелия не конденсируется гелий и частично водород. Вот почему при использовании криоконденсационных насосов для основной откачки для получения сверхнизких давлений одновременно необходимо использование насосов вспомогательной откачки.

Криогенные насосы конструктивно выполняются в виде криорешеток, по внутренним каналам которых циркулирует хладагент. Схемы решеток могут быть различными. Используют и комбинированные решетки. Одни охлаждаются жидким или кипящим азотом и располагаются так, чтобы воспринимать тепловое излучение, исходящее от испытуемого объекта, имитаторов внешних тепловых потоков, стенок вакуумной камеры. Другие - охлаждаются холодным газообразным (-) или жидким () гелием и заключаются в промежутках между элементами азотных решеток таким образом, чтобы не подвергаться воздействию чрезмерной тепловой нагрузки и, в то же время, выполнять функции крионасоса. Экранирование наиболее холодных поверхностей ухудшает, конечно, характеристики откачки этих устройств, но значительно повышает их экономичность. В целом криорешетки обеспечивают внутренним поверхностям моделирующих установок высокую эффективность откачки и низкий возврат.

В качестве насосов вспомогательной откачки в современных установках используются комбинации насосов различных типов.

Ранее в качестве насосов вспомогательной откачки применялись только паромасляные диффузионные насосы, присоединяемые извне к вакуумной камере с помощью соединительных патрубков. Такая внешняя откачка неприемлема в качестве основной по причине недостаточности объемной скорости, ограниченной вакуумной проводимостью соединительных патрубков. Для обеспечения в больших установках приемлемых скоростей откачки с помощью паромасляных диффузионных насосов, т.е. для осуществления основной откачки потребовалось бы размещение вне установки многочисленных насосов, что вызовет появление конструктивных и эксплуатационных трудностей и приведет к усиленной миграции масла в рабочий объем установки. Появление потока паров масла внутри моделирующей установки является недопустимым из-за загрязнения поверхности КА и оптических элементов имитаторов лучистых потоков вследствие конденсации на них паров масла. Можно существенно уменьшить, но не исключить, миграцию масла, применяя специальные клапанные устройства и охлаждаемые жидким азотом ловушки. Вместо вакуумного масла в диффузионных насосах может использоваться и ртуть. В этом случае насосы называются ртутными пароструйными.

Более перспективными для вспомогательной откачки являются крисорбционные насосы и электрофизические средства откачки. Криосорбционная откачка происходит в результате физической и химической адсорбции газов на специальных охлаждаемых твердых телах (сорбентах). Используются, в основном, два метода криосорбционной откачки: 1) Адсорбция газов на охлаждаемых металлических пленках, непрерывно напыляемых на подложки в процессе откачки. 2) Адсорбция газов охлажденными пористыми телами. Первый метод основан на физическом и химическом связывании газов поверхностями, на которые в процессе работы наносятся слои активных веществ - геттеров. Использующийся металл (геттер) осаждается на охлаждаемой подложке в виде пленок, сорбирующих откачиваемые газы. В качестве газопоглотителей применяют пленки титана, вольфрама, палладия, никеля и других металлов. Наиболее широко используют пленки титана. Титановые геттерные насосы имеют достаточно высокую начальную удельную скорость откачки для наиболее распространенных типов газов: и др. Однако инертные газы этими насосами откачиваются плохо.Геттерным насосам свойственны и другие недостатки: проникновение паров металла – геттера в откачиваемый объем, малая скорость откачки органических соединений и снижение производительности при откачке органических соединений и углекислого газа.

Другой метод криосорбционной откачки основан на использовании в качестве адсорбентов мелкопористых веществ (активированного угля, силикагелей, цеолитов). Адсорбент необходимо периодически регенерировать (восстанавливать адсорбционные свойства) путем нагрева в вакууме для десорбции адсорбента.

Принцип действия электрофизических средств откачки основан на различных комбинациях способов генерации пара геттеров,ионизации молекул откачиваемых газов и ускорения образованных ионов с последующим протеканием различных физико–химических процессов при взаимодействии частиц с поверхностью сорбции. По методу нанесения геттерных покрытий различают ионно-геттерные, магнитные электроразрядные и комбинированные насосы.

Принцип работы ионно-геттерных насосов основан на удалении молекул откачиваемого газа в результате его ионизации, испарения химически активных металлов, хемосорбции активных газов, внедрения ионов инертных газов и их “замуровывания”. Функционально насос разделяется на испарительную и ионизационную системы. Ионизационная система используется также и для диссоциации сложных молекул - паров воды, метана, тяжелых углеводородов. Откачка в ионно-геттерных насосах происходит в результате ускорения ионов откачиваемого газа электрическим полем с последующим внедрением и “ замуровыванием’ обновляемыми слоями геттерного покрытия.

В магнитных электроразрядных насосах для ионизации газа и распыления геттерного материала используется разряд в скрещенных электрических и магнитных полях - разряд Пеннинга. Механизм откачки газа этими насосами во многом сходен с механизмом, определяющим работу испарительных геттерных насосов, но интенсивная ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде дает возможность использовать насосы этого типа как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов.

Комбинированные насосы представляют собой совокупность нескольких откачных средств, размещаемых в едином корпусе: адсорбционного и испарительно-геттерного насосов, испарительно-геттерного и электроразрядного насосов и др. Целесообразность подобных комбинаций определяется тем, что геттерные насосы эффективно откачивают химически активные газы, но не пригодны для откачки инертных газов и углеводородов.

Для вспомогательной откачки используют и турбомолекулярные вакуумные насосы, содержащие ряд статорных и роторных дисков с радиальными косыми пазами. При вращении ротора насоса молекулам откачиваемого газа сообщается импульс в направлении выпускного патрубка. Динамический напор молекулярного газа, образующийся вследствие импульса, уравновешивает перепад давлений в проточной части насоса, которую составляют диски с пазами. Турбомолекулярные вакуумные насосы имеют ряд следующих преимуществ перед другими средствами вакуумной откачки: обладают способностью откачивать все газы независимо от их химической активности, молекулярного веса, величины давления насыщенных паров при той или иной температуре; не загрязняют среду откачиваемого объема парами углеводородов или другими рабочими телами, как диффузионные, геттерные насосы и др.; имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем. Предельное разряжение на входе турбомолекулярных насосов составляет приблизительно при форвакууме порядка.

Моделирование радиационных свойств космического пространства.

“Холод “ и “черноту” космоса моделируют с помощью экранов, охватывающих рабочий объем установки и охлаждаемых до низких температур криогенными хладоносителями. Эти же экраны выполняют и функцию крионасосов основной откачки вакуумной камеры. На экраны наносится покрытие, обладающее высоким значением поглощательной способности во всем диапазоне спектра теплового излучения. Считается, например в [3,8,9], что моделирование “холодного” (т.е. практически ничего не излучающего космического пространства) может осуществляться с удовлетворительной точностью с помощью охлаждаемых до температур кипящего азота экранов (). Однако конструктивные особенности экранов могут явиться источником существенных погрешностей моделирования. Экраны, как правило, выполняются в виде оребренных каналов. Вследствие этого участки оребрения, наиболее удаленные от каналов, по которым циркулирует хладоноситель, могут иметь температуры, существенно превышающие температуру кипящего азота. Из-за этого радиационная температура экрана в целом может значительно превышать температуру хладоносителя и экраны могут явиться источником заметного фонового излучения. Данное обстоятельство необходимо учитывать при анализе результатов экспериментов и при переносе их на натуру.

Для моделирования “черноты” космического пространства (идеальных поглощательных его свойств) на экраны наносятся покрытия, обладающие максимально возможной степенью черноты и поглощательной способностью по отношению к излучению, моделирующему солнечное излучение. Однако возможности всех имеющихся покрытий ограничены в этом отношении. Ни одно из покрытий не имеет степень черноты () и поглощательную способность по отношению к солнечному излучению () выше величины. За счет придания экранам макрошероховатости поглощательную способность экранов можно поднять и до величины. Под макрошероховатостью здесь понимаются различные конструктивные решения по приданию экранам свойств модели абсолютно черного тела. Для этого можно, например, на достаточно толстой стенке экрана создать шероховатости в виде канавок трапециевидного, треугольного, прямоугольного профиля, можно выполнить экраны в виде решеток, открытых сотовых конструкций и т.д. Но в процессе работы тепловакуумной установки из-за образования на экранах криоосадка поглощательная способность экранов может существенно снизиться (до величины 0,9 и даже ниже). Следовательно, достаточно точное моделирование идеальных поглощательных свойств космического пространства для всех возможных случаев – задача практически невыполнимая. Экраны тепловакуумной установки должны иметь максимально достижимую поглощательную способность, например, величину порядка 0,97 – 0,98. А в каждом конкретном случае (для каждого объекта) необходимо тщательное изучение вопроса о благоприятном, в известном смысле, расположении объекта в камере и о режиме работы имитатора Солнца (о размерах “солнечного пятна”, если есть возможность регулирования его размеров). Кроме того, в ряде случаев целесообразно пойти на изменение облицовочного материала матов экранно-вакуумной изоляции или на изменения покрытий наружных поверхностей с целью уменьшения отношениятех частей испытуемого объекта, которые не подвергаются воздействию прямого и отраженного от планеты солнечного излучения.

Лекции N10 и 11

Тема лекции: Воспроизведение в экспериментальных установках влияния солнечного излучения и излучения планет на тепловое состояние КА.

Моделирование воздействия на КА электромагнитного излучения Солнца.

Наиболее естественным и перспективным в отношении требуемого результата является способ моделирования, основанный на максимально полной имитации потока электромагнитного излучения Солнца по основным его параметрам: плотности, спектру, степени параллельности. Имеется уже немалый опыт разработки систем имитации солнечного излучения, который свидетельствует о том, что трудности, встречающиеся на пути создания достаточно совершенных имитаторов Солнца, в принципе преодолимы. Однако существует прямая и весьма сильная связь между точностью и стоимостью разработки и эксплуатации солнечных имитаторов. В связи с этим создают имитаторы, отвечающие разумным требованиям по точности воспроизведения основных параметров потока солнечного излучения.

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.

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, Ньютона и Грегори. В этих системах, схематично изображенных на рисунке 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. 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.

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:

- 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.2).

- Число оптических элементов является минимальным.

Рис.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. Наибольшая 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.

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 источников 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.

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. 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 погрешностейможно осуществить на основе данных о спектральном распределении энергии излучения используемых в имитаторах источников и данных по спектральной поглощательной способностиразличных 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 источника 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 излученияот длины волны излучения для этой лампы представлена на приведенном ниже рисунке. На этом же рисунке для сравнения представлен и спектр излучения Солнца.

Рис. 3 Спектр излучения дуговой ксеноновой лампы ДКсРМ - 55000

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

N	Вид покрытия
1	Серебряное покрытие	0,078	0,064	- 0,18
2	Золоченое покрытие	0,24	0,19	- 0,23
3	Белая эмаль	0,29	0,23	- 0,22
4	Алюминий	0,085	0,088	0,042
5	Керамическое покрытие	0,23	0,17	- 0,26
6	Хромированное покрытие	0,37	0,40	0,097
7	АМГ - 6	0,30	0,31	0,03
8	Белая стеклоткань	0,42	0,37	- 0,11
9	Зеленая эмаль	0,88	0,85	- 0,04
10	Черная эмаль	1	1	0
11	Инконель (поверхность полирована)	0,47	0,46	- 0,018
12	Окись кремния на алюминии	0,17	0,057	- 0,66
13	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 превышающей 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, по-видимому, 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 точечный источник излучения и коллиматор.

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 8и высотой 14. Основные элементы имитатора Солнца смонтированы в десятиметровой надстройке над камерой (см. рис. 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 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. 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 дос помощью гибких металлических шин, 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 числа 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 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. 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.

Практического воплощения неосевой схемы солнечного имитатора в одной из тепловакуумных установок

Что касается неосевой схемы имитатора солнечного излучения, то она нашла практическое воплощение в 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 [] 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. 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 заключается в следующем.

Режим работы имитатора характеризуется величиной интенсивности излучения каждого модуля системы в направлении своих нормалей. Выборобусловлен тем, что эти величины являются выходными функциями модулей и зависят не только от подводимой мощности и конструкции модулей, но и от радиационных характеристик их отражающих поверхностей (если они имеются), режима работы вакуумной камеры и криогенной систем установки. На наружной поверхности испытуемого объекта выделяется какое-то числотепловоспринимающих элементов, представляющих собой элементарные площадки участков поверхности, которые подвергаются воздействию моделируемых тепловых потоков. Каждому тепловоспринимающему элементу присваивают, в зависимости от требуемой точности воспроизведения условий внешнего теплообмена, определенный весовой коэффициент . В качестве критерия оптимальности режима работы имитатора выбирают минимум целевой функции, представляющей собой сумму квадратов “ взвешенных” погрешностейвоспроизведения расчетных значенийвнешних тепловых потоков к выделенным тепловоспринимающим элементам. Величинаравна разности между плотностью потокаизлучения, поглощаемого-ым элементом в условиях экспериментальной установки, и заданным значением плотности теплового потокаподводимого по расчетам к выделенным элементам в штатных условиях эксплуатации:,

где - интегральная поглощательная способность- го элемента по отношению к излучению- го излучателя; - число излучателей, - локальный угловой коэффициент- го элемента поверхности КА и- го излучателя.

Вид функции, являющейся функцией переменных, определяется следующим выражением:

.

Решение задачи оптимизации (сводится, следовательно, к минимизации целевой функции. На искомые величины накладываются следующие ограничения, вытекающие из их физического смысла:(1).

Используя необходимое условие существования экстремума функции многих переменных (получим нормальную систему линейных уравнений относительно неизвестных: (k=1,2,..n), где. Принимая во внимание условие (1), ограничивающее область значений, для нахождения минимума функцииможно воспользоваться одним из итерационных методов, например, методом спуска по координатам.

Заметим, что коэффициенты зависят от величин, которые в случае не серых тепловоспринимающих элементов сами являются функциями. Поэтому возникает необходимость в неоднократном решении задачи минимизации целевой функции. Сначала задача решается с целью грубого определения величин. Первое приближение величинможно получить, вводя предположение о независимостиот. Первое приближение значенийявляется основой для определения первого приближения величин. Перерасчетирекомендуется осуществлять два - четыре раза в зависимости от степени нерегулярности спектральных радиационных характеристик излучателей и тепловоспринимающих элементов. Методика расчета величиниизложена в []. Там же представлены некоторые результаты исследования функциональных возможностей упрощенных имитаторов теплового воздействия планет, которые часто используются и для воспроизведения суммарных внешних тепловых потоков к поверхности КА в тепловакуумных установках, не оснащенных имитатором солнечного излучения.

Лекция N12

Тема лекции: Вакуумно-температурные испытания КА. Невакуумные испытания герметичных отсеков. Испытания двигательных установок КА.

Вакуумно-температурные испытания

Рассмотренные на предыдущей лекции тепловакуумные установки используются не только для проведения тепловакуумных испытаний, осуществляемых с целью экспериментального исследования теплового состояния испытуемого объекта (КА или отдельных его частей) в условиях имитации его внешнего и внутреннего теплообмена, но и для проведения вакуумно-температурных испытаний, в процессе которых проверяется работоспособность каких - то узлов и механизмов КА в условиях реализации на элементах конструкции испытуемого объекта экстремальных расчетных или экспериментально выявленных значений температур. В этом случае имитационные системы тепловакуумной установки призваны обеспечить реализацию на элементах конструкции испытуемого объекта, какого - то заданного поля температур, чаще всего равномерного.

Вакуумно-температурные испытания могут проводиться в установках, оснащенных системой вакуумирования, системой криогенных экранов и имитатором расчетных внешних тепловых потоков, выполненным в виде совокупности условно точечных или линейчатых излучателей, которые размещаются на каком - либо каркасе вокруг испытуемого объекта. Здесь речь идет об имитаторах такого же типа, как и имитаторы воспроизведения расчетного теплового воздействия планет на поверхность КА. Об этих имитаторах - их конструктивных особенностях, о методике выбора оптимального режима работы, обеспечивающего максимально возможную точность моделирования расчетных тепловых потоков, - уже говорилось на предыдущей лекции. Однако выбор режима имитатора при вакуумно-температурных испытаниях существенно отличается от решения аналогичной задачи при тепловакуумных испытаниях. Наличие в экспериментальной установке имитатора солнечного излучения не является обязательным.

Следует заметить, что какое - то заданное переменное по поверхности элементов испытуемого объекта поле температур в процессе вакуумно-температурных испытаний воспроизвести в общем случае не удастся хотя бы потому, что задаваемое расчетное или экспериментально выявленное поле температур может формироваться в процессе сложного теплообмена (радиационного, кондуктивного, а часто внутреннего конвективного), надежно смоделировать который в виде функциональной зависимости энергетических параметров излучателей имитатора от геометрических, радиационных, а главное, теплофизических и конструктивных характеристик элементов испытуемого объекта практически невозможно, ввиду сложности и значительной неопределенности внутренних тепловых связей между элементами КА. Осуществимо лишь, и то при определенных условиях и с какой - то степенью приближения, воспроизведение или однородного поля температур, или неоднородного, но по поверхности, у которой локальный тепловой режим формируется в основном за счет внешнего теплообмена.

В первом случае рекомендуется следующий методический подход к выбору режима работы имитатора. В рабочей зоне с объемом, соответствующим объему испытуемого объекта, выбирается какое - то число характерных точек и предполагается, что в каждой точке размещены 6 незатеняющих друг друга элементарных площадок с нормалями, коллинеарными координатным осям некоторой стендовой цилиндрической системы координат. Режим работы имитатора будем выбирать из условия достижения максимальной точности воспроизведения требуемой температурыу введенных в рассмотрениеэлементарных тепловоспринимающих площадок. Количественно точность условимся характеризовать среднеквадратичной погрешностью воспроизведения температурына поверхностиэлементарных площадок. При этом будем предполагать, что радиационные характеристики поверхности элементарных площадок соответствуют локальным (в выбранных точках) характеристикам поверхности испытуемого объекта.

В условиях тепловакуумной установки температура какого-то- го тепловоспринимающего элемента определяется величинойплотности поглощаемого поверхностью элемента теплового потока и степенью чернотыповерхности элемента, то есть(1).

Если имитатор включает в себя одинаковых по конструкции излучателей (модулей), то(2), где- единичный вектор, направленный от излучателя к тепловоспринимающему элементу;- индикатриса излучения модуля;- поглощательная способность- го тепловоспринимающего элемента по отношению к излучению- го модуля; - локальный угловой коэффициент- го элемента и- го излучателя.

Для удовлетворения критерия оптимальности режима работы имитатора (минимум среднеквадратичной погрешности воспроизведения на элементарных площадках температуры ) введем в рассмотрение функцию

(3), являющуюся функциейпеременных(). Для определения оптимальных значенийвоспользуемся необходимым условием существования экстремума функции многих переменных при наличии следующего ограничения на искомые величины, вытекающего из их физического смысла:. То есть задача минимизации целевой функциирешается также, как решалась задача минимизации целевой функциив случае имитатора, воспроизводящего расчетные внешние тепловые потоки при проведении тепловакуумных испытаний. Эта задача рассматривалась на предыдущей лекции.

Что касается упомянутой выше задачи воспроизведение неоднородного поля температур, но по поверхности, у которой локальный тепловой режим формируется в основном за счет внешнего теплообмена, то ее можно решать используя такой же методический подход, как и при выборе режима работы имитатора, обеспечивающего проведение тепловакуумных испытаний, то есть в качестве целевой функции можно использовать функцию .

Невакуумные испытания герметичных отсеков.

При невакуумных тепловых испытаниях гермоотсеков могут решаться следующие задачи: Определение параметров СТР, обеспечивающих заданные тепловые режимы гермоотсеков; измерение температур теплоносителей, внутренних частей и комплектующих элементов СТР при различных режимах ее работы, а также определение соотношений между температурами характерных элементов и в характерных точках магистралей СТР; получение данных для выбора характеристик внешних теплообменников, обеспечивающих нужный режим работы внутренних элементов СТР; оптимизация настройки элементов автоматики СТР и отработка системы газораспределения в гермоотсеке; измерение фактических расходов жидкого и газообразного теплоносителя в трубопроводах СТР при различных режимах работы насосов, вентиляторов и других агрегатов; исследование влияния различных сочетаний работы контуров терморегулирования и агрегатов СТР на тепловой режим гермоотсека; влияние отказов агрегатов СТР (вентиляторов, насосов и др.) на тепловой режим гермоотсеков; анализ устойчивости работы СТР гермоотсека при различных характеристиках внешних теплообменников.

В состав установок для проведения невакуумных тепловых испытаний гермоотсеков входят натурные гермоотсеки со штатными СТР и стендовыми теплообменниками, устанавливаемыми вместо штатных радиационных теплообменников. Стендовые теплообменники оснащаются системами измерений, позволяющими определить энтальпию теплоносителя на различных режимах работы СТР.

Как правило, при невакуумных испытаниях влияние внешнего теплообмена поверхности гермоотсека на внутренний его тепловой режим не воспроизводится. Это достигается за счет теплоизоляции поверхности отсека от воздействия окружающей среды на стенде. Однако следует заметить, что воспроизведение, даже весьма приближенное, теплопритоков или стоков тепла через оболочку гермоконтейнера позволило бы повысить информативность тепловых испытаний, выявить многие недостатки в системе газораспределения и работе внутренних средств обеспечения теплового режима.

Испытания двигательных установок КА.

Здесь речь будет идти только о ракетном двигателе. Испытание ракетного двигателя – проверка на стендах и летных испытаниях работоспособности и основных характеристик двигателя и его агрегатов. Испытания бывают холодные и огневые. При холодных испытаниях ракетного двигателя сгорание топлива (нагрев рабочего тела) не происходит. Обычно под холодными испытаниями понимают проливку жидкостных и продувку газовых полостей ЖРД соответственно компонентами топлива или модельными жидкостями (например, водой, жидким азотом) и газами (например, воздухом, хладоном). При этом отрабатывается взаимодействие элементов ЖРД, корректируется циклограмма работы, уточняются гидравлические характеристики отдельных элементов и узлов в целом, исследуются гидродинамические процессы, проверяется настройка ЖРД. При холодных испытаниях двигательной установки (ДУ) отрабатываются дополнительно операции наддува баков, захолаживания и т.д.

Огневые испытания проводятся со сгоранием топлива (нагревом рабочего тела). Тяга, развиваемая ракетным двигателем, воспринимается конструкцией испытательного стенда. Огневые испытания являются важной частью программы разработки двигателя, предшествующей его летно-конструкторским испытаниям.

На начальном этапе огневых испытаний ставится лишь задача обеспечения надежного запуска ЖРД на установившийся режим работы (который может быть ниже номинального). При этом продолжительность испытаний исчисляется немногими секундами. Постепенно программа огневых испытаний усложняется.

Проведение огневых испытаний ракетных двигательных установок имеет ряд характерных особенностей:

- Продолжительность работы двигателя за одно включение - от нескольких секунд до нескольких минут. В связи с этим необходима максимально возможная автоматизация процесса управления и измерения.

- Применяемые в ЖРД высокоактивные топливные компоненты являются источником повышенной опасности испытаний. При высоких температурах в камерах сгорания двигателя во время испытаний могут проявиться всевозможные дефекты, которые могут привести к аварийному исходу испытаний - пожару, взрыву.

- Высокая стоимость испытаний, обусловленная большими расходами компонентов топлива и использованием уникального испытательного оборудования.

В связи с отмеченными обстоятельствами огневые испытания должны быть высокоинформативными. Число измеряемых параметров должно быть достаточно большим – исчисляться сотнями.

Огневые испытания ракетных двигателей осуществляются на специально оснащенных испытательных станциях (испытательных комплексах). Испытательные станции состоят из стендов для установки двигателей; наблюдательных бункеров, из которых осуществляется управление процессом испытаний; емкостей для хранения компонентов топлива; химических, измерительных, вычислительных и других лабораторий; производственных и приборных мастерских, монтажных помещений для проведения работ с двигателем до и после испытаний; различных энергетических систем для обеспечения стендов и производственных служб водой, паром, воздухом, инертными газами высокого давления; административных и бытовых помещений, а также вспомогательных служб (ремонтных, транспортных и т.д.).

Испытательные стенды представляют собой сложные инженерные сооружения. Размещаются в корпусе из монолитного железобетона с мощным стальным каркасом и обычно располагаются на склоне оврагов. Ниже приведена, заимствованная из [1] схема вертикального стенда для испытаний мощных ЖРД.

Все помещения стенда, за исключением бокса 4, - закрытого типа. Для выхода взрывной волны в конструкции стенда предусматриваются легкоразрушаемые элементы - большие окна, легкие крыши боксов и т. д.

Основным помещением стенда является бокс 4 (огневой отсек), расположенный консольно по отношению к корпусу стенда. В огневом отсеке двигатель 5 монтируется к раме тягоизмерительного устройства 8. Над огневым отсеком расположена система измерения и тарировки тяги двигателя. Усилие передается на рамы двигателя посредством вертикальных штанг, проходящих через окно в потолке огневого бокса. В верхней части стенда расположены отсеки горючего и окислителя, в которых размещаются топливные расходные баки 10 и 11 с системами термостатирования, системы питания двигателя топливом 6, 12; рядом находятся баллоны со сжатым газом 7 для наддува топливных баков. Для обеспечения гидродинамического подобия в отсеке тягоизмерительного устройства расположены взаимоизолированные разделительные емкости 9.

Ниже нулевой отметки размещены дополнительные топливные баки 13, предназначенные для обеспечения возможности проведения опытных работ на новых, более перспективных компонентах. Наддув баков осуществляется из баллона 14.

Система отвода продуктов сгорания состоит из следующих элементов: газоотводной трубы 3; лотков 2 для отвода струи и ее охлаждения с целью предотвращения эрозии стенда; охлаждение струи и лотка производится с помощью специальной системы 16. Отработанная вода по каналу 1 попадает в нейтрализационную систему. В нижних помещениях размещаются системы отопления, вентиляции 15, связи и оповещения, пожаротушения. На определенном удалении размещается топливохранилище 17. Пункт управления, как правило, бронируется и выносится более чем за 100 от стенда в зависимости от тяги испытуемого двигателя. Визуальное наблюдение осуществляется через бронестекла, перископические устройства или при помощи телевизионных устройств из пультовой 20. В бункере размещены и пульты управления испытаниями, регистрирующие приборы системы измерения 21. Команды из бункера на стенд и получение информации со стенда в измерительную передаются по кабельным каналам, расположенным в тоннеле 18.

Наряду со стендами, предназначенными для общей отработки и проверки ракетных двигателей, существуют стенды для специфических исследований, например, для исследования работы двигателя в высотных условиях. Это достигается за счет создания пониженного давления в районе реактивного сопла. В обычных стендах эти условия создаются при помощи сверхзвуковых диффузоров (эжекторов). В том случае, когда их активной средой является реактивная струя ракетного двигателя, давление окружающей среды может быть снижено до значения, соответствующего высоте 20 - 25 км.

Лекция N13

Тема лекции: Методические вопросы воспроизведением расчетных тепловых нагрузок на испытуемый объект при проведении тепловакуумных, вакуумно-температурных, теплопрочностных и электрических испытаний.

При проведении тепловакуумных, вакуумно-температурных, электрических испытаний в условиях имитации космических условий полета, а также термопрочностных испытаний внешние тепловые нагрузки часто воспроизводят с помощью упрощенных средств, представляющих собой совокупность условно линейчатых или точечных источников излучения, расположенных перед или вокруг испытуемого объекта. Излучатели выполняются в виде: токопроводящих и нагреваемых электрическим током лент, стеклографитовых, например; полых керамических стержней с вмонтированными в них электронагревателями; кварцевых галогенных ламп накаливания - одиночных, расположенных в линию, блоками в виде панелей; сетчатых панелей, изготовленных из нихромовой проволоки; тонкостенных труб с наружными проволочными электронагревателями, установленными путем намотки и т.д. То есть излучатели по принципу подвода энергии, геометрической форме, конструкции могут быть самыми различными. В конструкции излучателей могут присутствовать отражатели и теплоизоляция, применяемые для уменьшения тепловых потерь и, следовательно, для повышения коэффициента полезного использования подводимой к излучателям энергии. Кроме того, в ряде случаев отражатели позволяют, в принципе, снизить уровень спектральных погрешностей в эксперименте. Однако использование в конструкции излучающих модулей отражателей имеет и отрицательные последствия, которые заключаются в увеличении потоков фонового излучения в экспериментальной установке из-за переотражения в рабочую зону поверхностью отражателей падающей на них извне лучистой энергии.

Из отмеченных выше типов излучателей наибольшее распространение и за рубежом и в нашей стране получили кварцевые галогенные лампы накаливания. Они привлекательны своими благоприятными эксплуатационными параметрами, доступностью. Благодаря широкому применению в светотехнике, экспериментальной технике при проведении прочностных и тепловых испытаний теплонагруженных конструкций кварцевые галогенные лампы накаливания серийно выпускаются нашей промышленностью в относительно широком ассортименте. Однако следует заметить, что в силу особенности спектрального состава испускаемого этими лампами излучения, бесспорно их можно применять в том случае, когда наружная поверхность испытуемого объекта является серой, то есть когда спектральная поглощательная способность поверхности объекта не зависит от длины волны падающего излучения. Особенность спектрального состава исходящего от кварцевых галогенных ламп накаливания излучения обусловлена сложностью излучающей системы, включающей в себя вольфрамовую нить накала и кварцевую колбу, которая обладая селективной пропускательной способностью, сама нагревается и становится заметным источником излучения, особенно в вакууме, где нет возможности организовать ее интенсивное охлаждение. Относительная доля исходящей от колбы энергии может колебаться в широких пределах (ориентировочно от 1 до 0,1). Поэтому спектр излучения кварцевых галогенных ламп можно рассматривать как совокупность двух составных частей, смещенных друг относительно друга по длине волны. Относительная доля этих частей и степень смещения изменяется в зависимости от температуры вольфрамовой спирали и, следовательно, в зависимости от подводимой к лампе электрической мощности. В связи с этим, с точки зрения точности моделирования внешнего теплообмена, более предпочтительными являются излучатели, спектр которых был бы близок к спектру излучения черных тел, а температура была бы как можно ниже. Поэтому целесообразно излучение удобных в эксплуатации кварцевых галогенных ламп накаливания использовать как источник лучистой энергии, нагревающий какую-либо теплопроводную черную пластину, которая и станет для испытуемого объекта излучателем.

Однако какие бы источники лучистого теплового потока мы не применяли для воспроизведения внешних тепловых нагрузок, всегда возникает необходимость в определении таких пространственных законов распределения подводимой к излучателям энергии, при которых в экспериментах достигается максимальная точность воспроизведения расчетных внешних тепловых нагрузок.

В МАИ разработан и реализован в виде компьютерных программ для некоторых установок аэрокосмической отрасли следующий подход к решению задачи определения оптимального в отмеченном смысле энергетического режима работы имитатора. Режим работы в общем случае целесообразно характеризовать совокупностью значений интенсивности излучения его модулей в направлении своих нормалей - величин . Выборв качестве оптимизируемых энергетических характеристик модулей обусловлен тем, что эти величины являются выходными функциями модулей и зависят не только от подводимой мощности и конструкции модулей, но и от радиационных характеристик их отражающих поверхностей, режима работы вакуумной и криогенной систем установки. Хотя контроль величинявляется непростой задачей, однако всегда можно для каждой конкретной радиационно-оптической схемы и конструкции модуля имитатора и заданной тепловакуумной камеры установить зависимость междуи другими проще контролируемыми параметрами модулей, например, подводимой к модулю электрической мощности, температурой его излучающих поверхностей. Это можно сделать с помощью специально организованного эксперимента, предшествующего проведению одного из штатных испытаний.

Для реализации разработанного подхода к решению рассматриваемой задачи необходимо иметь геометрические модели испытываемого объекта и имитатора, а также информацию о спектральных и интегральных радиационных характеристиках элементов наружной поверхности объекта и излучателей имитатора. В случае, когда принимается во внимание не поглощаемый наружной поверхностью испытуемого объекта поток излучения, а падающий поток, информация о радиационных характеристиках не нужна.

Геометрическая модель объекта испытаний может быть представлена в виде данных о координатах достаточно большого числа точек его наружной поверхности. Такого числа, чтобы наружную поверхность можно было заменить поверхностью многогранника, каждая грань которого представляет собой треугольник с вершинами в заданных соседних точках. Центр каждой грани условно считается элементарной площадкой. Под центрами граней понимаются точка пересечения медиан треугольников, составляющих грани. Зная координаты и нумерацию вершин треугольника нетрудно выявить ориентацию и координаты введенных в рассмотрение элементарных площадок.

Геометрическая модель имитатора внешних тепловых нагрузок представляется в виде данных о координатах и ориентации его излучателей.

Каждому из тепловоспринимающих элементов испытуемого объекта присваивается, в зависимости от требуемой точности воспроизведения внешней тепловой нагрузки, определенный весовой коэффициент(. В качестве критерия оптимальности режима работы имитатора выбирается минимум целевой функции, представляющей собой сумму квадратов “ взвешенных” погрешностейвоспроизведения расчетных значенийвнешних тепловых потоков к выделенным тепловоспринимающим элементам. Величинаравна разности между плотностью потокаизлучения, поглощаемого-ым элементом в условиях экспериментальной установки и заданным значением плотности теплового потока , подводимого по расчетам к выделенным элементам в штатных условиях эксплуатации. При этом, где- интегральная поглощательная способность- го элемента по отношению к излучению- го излучателя; - локальный угловой коэффициент- го элемента и- го излучателя;- индикатриса излучения;- единичный вектор, направленный от-го излучателя к-му элементу; - число излучателей.

Вид функции , являющейся функциейпеременныхопределяется следующим выражением:

. (1)

Для определения оптимальных значений воспользуемся необходимым условием существования экстремума функции многих переменных (,) при наличии следующего ограничения на искомые величины, вытекающего из их физического смысла:. (2)

Получим так называемую нормальную систему линейных уравнений относительно неизвестных :

() (3),

где .

Если определитель системы (3) отличен от 0, то решение системы (3) определяет положение критической точки функции в неограниченной области значений. Поскольку производныелинейно зависят оти возрастают с их увеличением (), то в критической точке, следовательно, имеет место минимум.

Принимая во внимание условие (2), ограничивающее область значений , для нахождения минимума функцииможно воспользоваться известным методом спуска по координатам. При этом шаг по направлениювыбирается исходя из следующего соотношения, полученного из уравнений (3):

.

Коэффициенты зависят от, которые в случае не серых тепловоспринимающих элементов сами являются функциями.Вот почему возникает необходимость в неоднократной минимизации функции. Сначала решается задача с целью грубого определения. Первое приближениеможно получить, вводя предположение о независимостиот. Первое приближение значенийявляется основой для определения первого приближения. Потребное количество приближений зависит от степени нерегулярности спектральных радиационных характеристик излучателей и тепловоспринимающих элементов.

Входящие в выражения для коэффициентов величиныиможно определить по методике, изложенной в работе [9].

Кратко охарактеризованный методический подход к выбору оптимального режима имитатора расчетных внешних тепловых нагрузок в 80 –е годы был реализован в МАИ в виде Фортран - программы, состоящей из головной программы () и 11 подпрограмм типа.

В головной программе описываются массивы переменных и параметров, открывается файл для записи результатов, описываются в операторах FORMATспецификации, в соответствии с которыми результаты решения задачи выводятся в открытый для их записи файл, вызываются подпрограммы и осуществляется вывод результатов.

Геометрическая модель имитатора и радиационные характеристики его модулей задаются в подпрограмме с именем IKI0.

Геометрическая модель испытуемого объекта и радиационные характеристики его поверхностей (интегральные или спектральные), внешние тепловые нагрузки вводятся в подпрограмме с именем OBEKT. Геометрическая модель вводится в виде координат точек поверхности в какой либо связанной с объектом системе координат.

Формирование треугольных граней на поверхности объекта, их нумерация, вычисление площадей граней, координат их центральных точек и направляющих косинусов нормалей каждой грани осуществляется в подпрограмме с именем GRANI.

В подпрограмме с именем STENDпроисходит перевод всей геометрической информации об испытуемом объекте из связанной с ним системы координат в стендовую систему координат, т.е. в систему координат имитатора.

Возможное затенение одних граней объекта другими от излучения, исходящего от модулей имитатора, выявляется в подпрограммах с именами UKFT00 иUKFT.

Угловые коэффициенты между тепловоспринимающими элементами испытуемого объекта и излучателями имитатора вычисляются в подпрограммах с именами BOK0 иTOREZ0. При этом в первой подпрограмме определяются угловые коэффициенты с излучателями, расположенными на условной цилиндрической части имитатора, а во второй - с излучателями торцевой поверхности имитатора.

Коэффициенты нормальной системы уравнений определяются в подпрограмме KFT.

Оптимальное распределение подводимой к модулям имитатора электрической мощности, а также значения радиационной температуры излучателей имитатора выявляются в подпрограмме с именем INT.

Погрешности воспроизведения заданных тепловых нагрузок определяются в подпрограмме DELTA. При этом вычисляются локальные погрешности, а также среднеинтегральная и среднеквадратичная погрешности.

Лекция N14

Тема лекции: Экспериментальное исследование тепловой защиты КА.

Задачи экспериментального исследования

Успешное применение в конструкции тепловой защиты теплозащитных материалов зависит от того, насколько подробно изучены поведение и свойства материалов в различных условиях конвективного и радиационного нагрева. Воспроизведение подобных условий является, как правило, очень сложной технической задачей, требующей значительных материальных затрат. Поэтому экспериментальное исследование взаимодействия теплозащитных материалов с высокотемпературной средой проводится последовательно в три основных этапа.

Сначала проводят сравнительные (отборочные) испытания вновь разработанных рецептур теплозащитных материалов. Параметры среды и метод испытания подбирают таким образом, чтобы выявить наиболее важные свойства материала, характеризующие его поведение и возможности в заданных условиях. Сравнительные испытания проводят при постоянных параметрах набегающего потока на одном режиме работы установки. При исследованиях такого типа необходимо учитывать воспроизводимость условий испытаний, надежность и точность методов контроля параметров высокотемпературной среды, достаточность объема получаемой информации для того, чтобы с заданной точностью проводить сравнение материалов. По результатам сравнительных испытаний отбирают наиболее эффективные материалы, которые подлежат дальнейшему изучению.

Второй этап исследований посвящен изучению механизма разрушения материала и определению его основных характеристик в широком диапазоне изменения параметров высокотемпературной среды (энтальпии, давления, скорости, cостава). Результаты этих исследований используются для построения модели разрушения материала, проверки теоретических методов расчета, рекомендации области преимущественного использования данного материала и т.п.

Третий этап исследований охватывает широкий круг вопросов, связанных с изучением теплофизических свойств материалов, в том числе степени черноты поверхности, теплоты физико-химических превращений, молекулярной массы продуктов разложения связующего и ряда других свойств, которые могут зависеть от характера воздействия набегающего потока, а также технологии изготовления, структуры наполнителя и связующего и т.д. Проведение исследований такого типа требует разработки специальных методик и целого комплекса измерений в условиях высокотемпературной среды.

Резюмируя сказанное, можно следующим образом сформулировать основные задачи экспериментальных исследований разрушающихся теплозащитных материалов:

1) Проведение сравнительных испытаний вариантов теплозащитных материалов при определенных “ стандартных” режимных параметрах, обусловленных условиями их будущего применения.

2) Выяснение определяющего механизма разрушения при изменении условий воздействия потока в широких пределах, в том числе и в нестационарных тепловых условиях, с последующим использованием этой модели для расчета теплозащитных свойств покрытия и выбора необходимой толщины теплозащитных материалов.

3) Определение теплофизических и кинетических характеристик разрушающихся теплозащитных материалов в условиях, моделирующих натурные.

Проведенный в курсе “ Тепловое проектирование КА” анализ конвективного и радиационного теплового воздействия, а также исследование различных механизмов разрушения позволяет указать следующие основные параметры, воспроизведение которых важно при экспериментальной отработке теплозащитных материалов:

1) энтальпия заторможенного потока газа ;

2) химический состав набегающего газового потока, в особенности концентрация химически активных компонент;

3) давление заторможенного потока газа ;

4) режим течения в пограничном слое – ламинарный или турбулентный;

5) уровень сдвигающих напряжений на разрушающейся поверхности - градиент давления, силы трения (и).

Указанный перечень, конечно, не может считаться достаточно полным для всех этапов отработки теплозащитных материалов. В нем указаны лишь те параметры, которые влияют на механизм разрушения в условиях конвективного нагрева.

При анализе совместного конвективного и лучистоготеплового воздействия на материал появляются дополнительные определяющие параметры, причем главные из них - отношение тепловых потокови энтальпия торможения.

Что касается габаритов модели, то они должны быть достаточно большими, чтобы исключить неодномерность прогрева материала, а также зависимость результатов испытаний от соотношения между структурой материала и размеров модели.

Так как при лабораторной отработке теплозащитных материалов обычно не удается смоделировать сразу все перечисленные особенности теплового и силового воздействия, то выбирают такую методику, которая позволяет воспроизводить наиболее важные параметры набегающего потока газа, т. е. Ставится задача о частичном моделировании одного или нескольких параметров и о переносе результатов отдельных экспериментальных исследований на натурные условия с помощью теоретических моделей разрушения. Это требует осуществления комплексных программ испытаний при высоких точности измерения всех важнейших параметров потока.