7.5. Моделирование теплового воздействия планет на поверхность ка

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

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

7.6. Вакуумно-температурные испытания ка.

Рассмотренные в предыдущем разделе 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-температурныз 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 а 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 температуры у введенных в рассмотрение элементарных тепловоспринимающих площадок. Количественно точность условимся характеризовать среднеквадратичной погрешностью воспроизведения температуры на поверхности элементарных 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 величиной плотности поглощаемого поверхностью элемента теплового потока и степенью черноты поверхности 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 функцией переменных ( ) . Для определения оптимальных значений воспользуемся необходимым условием существования экстремума функции многих переменных при наличии следующего ограничения на искомые величины, вытекающего из их физического смысла : . То есть задача минимизации целевой функции решается также, как решалась задача минимизации целевой функции в 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 .