устройство и способ контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов

Формула изобретения

1. Устройство контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, отличающееся тем, что приемник лучистой энергии с термочувствительными элементами выполнен из двух рядом расположенных тонкостенных пластин из материалов с высокой теплопроводностью в виде квадрата или круга и установленных на нитях-растяжках в контролируемой области тепловакуумной камеры, на пластины с обеих сторон нанесены терморегулирующие покрытия так, что суммарная толщина пластин с покрытиями h и характерный размер пластин L отвечают соотношению h<<L, на рабочие поверхности пластин, установленные в одной плоскости перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку, нанесены терморегулирующие покрытия - на первой с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s11 ^min) и высоким коэффициентом теплового излучения ( _T11 ^max), отвечающие соотношению _s11 ^min/ _T11 ^max<<1, на второй с высокими коэффициентами поглощения солнечного ( _s21 ^max) и теплового ( _T21 ^max) излучений, отвечающими соотношению _s21 ^max/ _T21 ^max 1, а на нерабочую поверхность первой и второй пластины установлены по электроизолированному термочувствительному элементу, на нерабочую поверхность каждой тонкостенной пластины с термочувствительным элементом нанесено терморегулирующее покрытие с высокой отражательной способностью солнечного и теплового излучений, где коэффициенты поглощения солнечного ( _s12 ^min) и теплового ( _T12 ^min) излучений для первой тонкостенной пластины и коэффициенты поглощения солнечного ( _s22 ^min) и теплового ( _T22 ^min) излучений для второй тонкостенной пластины отвечают соотношениям _s12 ^min/ _T12 ^min 1 и _s22 ^min/ _T22 ^min 1 соответственно.

2. Способ контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, отличающийся тем, что фиксируют состояния теплового равновесия обеих тонкостенных пластин приемника лучистой энергии, после чего измеряют одновременно температуры первой (T₁) и второй (T₂) тонкостенных пластин, а контроль лучистых потоков, разделяющих солнечное излучение (Q_s) от инфракрасных тепловых потоков, составляющих погрешность имитации (Q_ик ), определяют по соотношениям:

Q_s= · (1+E₂)·T₂ ⁴-(1+E₁)·T₁ ⁴ /(A₂-A₁),

Q_ик= ·(1+Е₂)·Т₂ ⁴-Q_s·А₂,

где Е₁= _T12 ^min/ _T11 ^max, Е₂= _T22 ^min/ _T21 ^max - относительный коэффициент теплового излучения первой и второй тонкостенных пластин с терморегулирующими покрытиями соответственно;

A₁= _s11 ^min/ _T11 ^max, А₂= _s21 ^max/ _T21 ^max - оптическая характеристика терморегулирующего покрытия рабочей поверхности первой и второй тонкостенных пластин соответственно;

- постоянная Стефана-Больцмана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космической технике, а именно к контролю теплообмена космических объектов с имитируемой в наземных тепловакуумных камерах (ТВК) космической средой при тепловакуумных испытаниях (ТВИ).

ТВИ направлены на определение работоспособности и ресурса космических объектов (КО), например космического аппарата (КА) или его составных частей, при давлении внешней среды, соответствующем области радиационной теплопередачи, и при воздействии электромагнитного излучения в диапазоне длин волн, соответствующем области теплового излучения [1, с.11]. Принято, что для полного исследования теплового режима КО достаточно воспроизвести следующие основные факторы космического пространства: высокий вакуум, солнечное излучение, излучение планеты, «холод» и «черноту» пространства за пределами телесных углов, занимаемых планетой и Солнцем [2, 127]. В связи с этим при проектировании ТВК, моделирующих космические условия или тепловые режимы КО, всегда возникает вопрос о максимально допустимой погрешности воспроизведения внешних лучистых потоков и космического вакуума. Решение данного вопроса особенно важно при испытании КО с пассивной системой терморегулирования, где необходима повышенная точность воспроизведения падающих лучистых потоков. В первую очередь это относится к спектру, равномерности плотности излучения по объему и угловому распределению. Отклонение этих характеристик от натурных значений приводит к искажению температурного поля конструкции КО [2, с.12].

Как правило, ТВИ подвергается КО с весьма сложной конфигурацией внешней поверхности, температура которой целиком определяется тепловым балансом с окружающими элементами и внутренними источниками тепла. Причем внешняя поверхность КО может быть существенно неоднородна по своим оптическим радиационным характеристикам (например, коэффициенты теплового излучения ( _т) и поглощения солнечного излучения ( _s)), что отражается на реакции различных участков ее внешней поверхности к различным областям спектра падающего лучистого потока. В ТВК моделируется положение КО, и его ориентация относительно внешних источников энергии, в частности имитаторов солнечного излучения (ИСИ), конструкция которых включает источник излучения и коллимирующий отражатель [1, с.38].

Учитывая вышесказанное, принципиальным моментом при организации наземных ТВИ является контроль лучистых потоков, с учетом спектров излучения, на космический объект. Результаты контроля лучистых потоков, с учетом спектров излучения, позволяют ответить на вопрос о допустимости имеющих место погрешностей имитации внешних воздействий. Сведения их к величинам, обеспечивающим в сумме малое влияние на выходные результаты, либо к величинам, обеспечивающим возможность их учета или компенсации [1, с.75].

Отметим основные источники, составляющие погрешности имитации. В ряде систем ИСИ присутствует переотражение излучения КО. Т.е. собственное излучение КО, излученное в направлении коллимирующего отражателя ИСИ, частично возвращается к КО обратно [1, с.39]. Кроме того, собственное тепловое излучение коллимирующего зеркального отражателя определяет еще одну составляющую погрешности имитации солнечного излучения. Даже самые совершенные элементы оптических схем поглощают до (10-15) % падающего на них излучения [1, с.39]. Для снятия с зеркальных отражателей тепловых нагрузок, появляющихся при поглощении части падающего на них лучистого потока, может использоваться система охлаждения. Обычно она выполняется на температурных уровнях около 300 К (при охлаждении водой) или около (120-150) К (при охлаждении жидким азотом) [1, с.43]. Кроме того, в ТВК «холод» и «черноту» космического пространства имитируют с помощью теплопоглощающих криоэкранов (КЭ). Однако отсутствие достаточно технологичных черных покрытий, имеющих степень черноты _т>(0,8-0,95) [1, с.28] приводит к отражению КЭ части падающего на них теплового излучения. Таким образом, собственное излучение КЭ и отраженное может приводить к существенным лучистым потокам, испускаемым КЭ внутрь ТВК.

Наличие рассмотренных выше систематических погрешностей имитации внешних воздействий может быть оправдано только при их учете. Отсюда вытекает необходимость разработки устройств и способов контроля лучистых потоков, с учетом спектров излучения, составляющих погрешность имитации при наземных ТВИ космических объектов.

Существуют устройства и способы определения лучистых потоков при наземных ТВИ космических объектов, например калориметрический метод, термоэлектрический метод, фотометрический метод [2, с.300].

Калориметрический метод основан на измерении количества тепла, воспринимаемого достаточно черной ( _т=0,95-0,98) поверхностью. Достигается с помощью специальных черных эмалей в сочетании с такой геометрией, которая приводит к многократному переизлучению и поглощению в пределах приемника всех падающих на него лучей. К недостаткам калориметрического метода следует отнести большую инерционность и неудобство использования в ТВК устройств, реализующих данный метод.

Термоэлектрический метод основан на использовании термоэлектрических приемников излучения - термоэлементов, термостолбиков или болометров. Недостатком термоприемников (особенно термопар) является их малая чувствительность [2, с.301].

Фотометрический метод основан на использовании элементов солнечных батарей, преобразующих падающее на них излучение непосредственно в электрический ток. Однако эти элементы обладают существенной избирательностью по спектру поглощаемого излучения, а их сигнал зависит от температуры элемента [1, с.131].

Упомянутые устройства и способы не могут быть использованы для контроля лучистых потоков при наземных ТВИ космических объектов, так как не позволяют разделять имитируемые в ТВК лучистые потоки ИСИ от тепловых (инфракрасных) потоков от элементов ТВК, составляющих погрешность имитации.

Прототип предложенного устройства и способа контроля лучистых потоков при наземных ТВИ космических объектов не найден.

Задачей изобретения является обеспечение достоверной имитации внешних воздействий на космический объект с разделением лучистой энергии, имитируемой солнечным излучателем от лучистых потоков конструкции ТВК, составляющих погрешность имитации, при этом устройство и способ обладали бы достаточной простотой реализации контроля.

Задача решается устройством контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, в котором приемник лучистой энергии с термочувствительными элементами выполнен из двух рядом расположенных тонкостенных пластин из материалов с высокой теплопроводностью в виде квадрата или круга и установленных на нитях-растяжках в контролируемой области тепловакуумной камеры, на пластины с обеих сторон нанесены терморегулирующие покрытия так, что суммарная толщина пластин с покрытиями h и характерный размер пластин L отвечают соотношению h<<L, на рабочие поверхности пластин, установленные в одной плоскости перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку, нанесены терморегулирующие покрытия - на первой с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s11 ^min) и высоким коэффициентом теплового излучения ( _T11 ^max), отвечающие соотношению _s11 ^min/ _T11 ^max<<1, на второй с высокими коэффициентами поглощения солнечного ( _s21 ^max) и теплового ( _T21 ^max) излучений, отвечающими соотношению _s21 ^max/ _T21 ^max 1, а на нерабочую поверхность первой и второй пластины установлены по электроизолированному термочувствительному элементу, на нерабочую поверхность каждой тонкостенной пластины с термочувствительным элементом нанесено терморегулирующее покрытие с высокой отражательной способностью солнечного и теплового излучений, где коэффициенты поглощения солнечного ( _s12 ^min) и теплового ( _T12 ^min) излучении для первой тонкостенной пластины и коэффициенты поглощения солнечного ( _s22 ^min) и теплового ( _Т22 ^min) излучении для второй тонкостенной пластины отвечают соотношениям _s12 ^min/ _T12 ^min 1 и _s22 ^min/ _T22 ^min 1, соответственно.

Задача решается способом контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, в котором фиксируют состояния теплового равновесия обеих тонкостенных пластин приемника лучистой энергии, после чего измеряют одновременно температуры первой (T₁ ) и второй (Т₂) тонкостенных пластин, а контроль лучистых потоков, разделяющих солнечное излучение (Q_s) от инфракрасных тепловых потоков, составляющих погрешность имитации (Q_ик ), определяют по соотношениям:

где Е₁= _T12 ^min/ _Т11 ^mах, Е₂= _T22 ^min/ _Т21 ^mах - относительный коэффициент теплового излучения первой и второй тонкостенных пластин с терморегулирующими покрытиями, соответственно;

A₁= _s11 ^min/ _T11 ^max, А₂= _s21 ^max/ _T21 ^max - оптическая характеристика терморегулирующего покрытия рабочей поверхности первой и второй тонкостенных пластин, соответственно;

- постоянная Стефана-Больцмана.

Предлагается установить в ТВК две рядом расположенные тонкостенные пластины (ТП) устройства контроля лучистых потоков так, чтобы их рабочие поверхности находились в одной плоскости перпендикулярно контролируемому солнечному потоку от ИСИ, что вызвано необходимостью одинакового по спектральному составу и энергии излучения падающего потока на рабочие поверхности двух ТП.

Предлагается выполнять тонкостенные пластины в виде квадрата или круга, отвечающие соотношению h<<L, что вызвано в первую очередь требованиями: малой инерционности устройства контроля лучистых потоков и минимальных утечек тепла через боковые поверхности ТП.

Предлагается установить в контролируемой области ТВК тонкостенные пластины на нитях-растяжках, что вызвано требованием минимальных утечек тепла через конструкцию крепления ТП в ТВК (нити-растяжки). Для удобства размещения устройства контроля лучистых потоков в ТВК можно предложить предварительно установить две тонкостенные пластины, из которых состоит устройство, с помощью нитей-растяжек на рамку, которую также с помощью нитей-растяжек устанавливают в контролируемой области ТВК.

Предлагается выполнять ТП из материалов с высокой теплопроводностью (например из металлов или сплавов на их основе, позволяющих выполнить достаточно упругие тонкостенные пластины). С учетом минимальных потерь тепла через боковую поверхность пластин и через нити-растяжки данное предложение позволяет получить близкие к изотермичным тонкостенные пластины, что учитывается ниже в тепловом балансе ТП устройства контроля лучистых потоков.

Предлагается наносить на рабочие поверхности каждой из двух ТП специальные терморегулирующие покрытия (ТРП) (на первой тонкостенной пластине ТРП с высокой способностью отражать солнечную энергию и поглощать энергию в инфракрасной области спектра, на второй тонкостенной пластине ТРП с высокой поглощательной способностью в области спектра от ультрафиолетовых лучей до далекой инфракрасной области), что вызвано необходимостью разделения излучения ИСИ (Q_s) от тепловых лучистых потоков ТВК (Q_ик ), составляющих погрешность имитации.

Предлагается наносить на нерабочие поверхности первой и второй тонкостенных пластин ТРП с высокой отражательной способностью во всем интервале спектра от ультрафиолетовых лучей до далекой инфракрасной области, что вызвано необходимостью минимизировать вклад в тепловой баланс каждой из двух ТП эффективного излучения от конструктивных элементов ТВК и КО.

Оценки значений температур элементов КО, отражателя ИСИ [1, с.12-13], показывают, что возможен максимальный нагрев поверхностей этих элементов на уровне до (300-600) К, т.е. при температурах, которым соответствуют лучистые потоки с максимумом интенсивности излучения, согласно закону Вина [3, с.149], в области длин волн, начиная с 4-5 мкм и более. Кроме того, известно, что 99% энергии солнечного спектра лежит в пределах длин волн от 0,2 до 3 мкм [2, с.298], а в диапазоне от 0,3 до 3 мкм сосредоточено 92% всей лучистой энергии Солнца [2, с.20].

Данные обстоятельства позволяют, с помощью подбора соответствующих ТРП для рабочих и нерабочих поверхностей тонкостенных пластин, выделить в ТВК лучистые потоки ИСИ (максимум суммарной энергии которых ограничен пределами длин волн от 0,2 до 3 мкм) от инфракрасных лучистых потоков от конструкций ТВК (излучение которых лежит в области длин волн начиная с 4-5 мкм и более).

Для рабочих поверхностей двух тонкостенных пластин устройства контроля лучистых потоков могут быть рекомендованы ТРП:

1) для первой ТП предлагается ТРП на основе стеклопленок из радиационностойкого стекла с внутренним отражающим слоем из серебра или алюминия. Так ТРП с отражающим слоем из серебра имеет коэффициент поглощения солнечной радиации _s ^min=(0,06-0,08) и коэффициент теплового излучения в диапазоне длин волн более 4 мкм, _т ^mах=0,9 [4, с.166, 170];

2) для второй ТП предлагается выполнить ТРП из рыхлой "черни", представляющей металлическое вещество в мелкораздробленном состоянии, с толщиной слоя, достигающей 30÷40 мкм и более, в соответствии с максимальными величинами длин волн поглощенного излучения. Предлагается этот слой покрытия выполнять, например, из Au в виде рыхлой "черни", как имеющей максимальный коэффициент поглощения в широкой области длин волн [5, с.56]. Можно также предложить для создания поверхности с максимально высокими _т ^mах и _s ^max использовать покрытие, выполненное на основе черной матовой краски, при соответствующих рабочих условиях применения [3, с.372-373].

Для нерабочих поверхностей каждой из двух тонкостенных пластин предлагается использовать ТРП, выполненное из алюминизированной с одной стороны пленки, металлизацией наружу, закрывающее нерабочую поверхность пластины вместе с установленным на ней термочувствительным элементом. Данное ТРП обладает высокой отражательной способностью ( _s ^min и _T ^min) во всем интервале спектра от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области [6, с.780].

Электроизолированные термочувствительные элементы, устанавливаемые на нерабочей поверхности первой и второй ТП, могут быть изготовлены, например, в виде спиральной намотки или в виде прямоугольной намотки (зигзаг) очень тонкой токопроводящей металлической проволоки или ленты, выполненных, например, из Cu или Pt. Каждый электроизолированный термочувствительный элемент имеет предварительно выполненную градуировочную характеристику, выраженную зависимостью сопротивления от температуры. Через электроизолированные токоподводы термочувствительный элемент может включаться либо в мостовую схему, либо в схему с нагрузочным сопротивлением, которые позволяют регистрировать изменение сопротивления термочувствительного элемента.

Суть изобретения поясняется на фиг.1-3. На фиг.1 и 2 приведено конструктивное исполнение предлагаемого устройства. На фиг.3 - способ его применения.

Устройство контроля лучистых потоков 1 выполнено из двух рядом расположенных тонкостенных пластин (ТП) 2 и 3 из материалов с высокой теплопроводностью в виде квадрата или круга и установленных на нитях-растяжках 8 на рамке 9 в контролируемой области тепловакуумной камеры (ТВК) 15, на ТП 2 и 3 с обеих сторон нанесены терморегулирующие покрытия (ТРП) 12 и 13 так, что суммарная толщина (h) ТП 2 и 3, с ТРП, и характерный размер (L) ТП 2 и 3 отвечают соотношению h<<L, на рабочие поверхности 10 ТП 2 и 3, установленные в одной плоскости и обращенные в одну сторону перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку 14, нанесены ТРП 12 - на первой ТП 2 с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s11 ^min) и высоким коэффициентом теплового излучения ( _T11 ^max), отвечающие соотношению _s11 ^min/ _T11 ^max<<1, на второй ТП 3 с высокими коэффициентами поглощения солнечного ( _s21 ^max) и теплового ( _T21 ^max) излучений, отвечающие соотношению _s21 ^max/ _T21 ^max 1, а на нерабочую поверхность 11 первой ТП 2 и второй ТП 3 устанавливают по электроизолированному термочувствительному элементу 4 и 5 с токовыводами 6 и 7. Наносят на термочувствительные элементы 4 и 5 и нерабочую поверхность 11 каждой ТП 2 и 3 терморегулирующие покрытия 13 с высокой отражательной способностью солнечного и теплового излучений, где коэффициенты поглощения солнечного ( _s12 ^min) и теплового ( _Т12 ^min) излучений для первой ТП 2 и коэффициенты поглощения солнечного ( _S22 ^min) и теплового ( _Т22 ^min) излучений для второй ТП 3 отвечают соотношениям _S12 ^min/ _Т12 ^min 1 и _S22 ^min/ _Т22 ^min 1, соответственно. ТВК 15 включает: криогенные экраны (КЭ) 17; имитатор солнечного излучения (ИСИ), включающий источник излучения ИСИ 19 и коллимирующий отражатель ИСИ 16; исследуемый космический объект (КО) 18; устройство контроля лучистых потоков 1, установленное в контролируемой области ТВК 15, на рабочие поверхности пластин которого падает лучистый поток 14 от коллимирующего отражателя ИСИ 16.

Устройство и способ контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов работают следующим образом.

Помещают космический объект 18 в ТВК 15, оснащенную криогенными экранами 17 и имитатором солнечного излучения, включающим источник излучения ИСИ 19 и коллимирующий отражатель ИСИ 16. Для имитации солнечного спектра в качестве источника излучения ИСИ 19 могут быть использованы, например, ксеноновые лампы. Спектральная кривая ксеноновой лампы идет близко к солнечной кривой, начиная от ультрафиолетового конца спектра и до инфракрасного участка. С помощью специальных светофильтров (на рисунке не показаны) удается еще более приблизить спектр лампы к спектру Солнца [2, с.289]. Для контроля солнечного лучистого потока от коллимирующего отражателя ИСИ 16 и инфракрасных лучистых потоков (на рисунке не показаны) от элементов конструкций ТВК 15 и коллимирующего отражателя ИСИ 16, составляющих погрешность имитации внешних условий в контролируемой области ТВК 15, устанавливают устройство контроля лучистых потоков 1. Устройство контроля лучистых потоков 1 выполняют из двух рядом расположенных тонкостенных пластин 2 и 3, установленных на нитях-растяжках 8, или непосредственно в ТВК 15 или на рамке 9, в контролируемой области ТВК 15. Рабочие поверхности 10 пластин 2 и 3 устанавливают в одной плоскости и обращают в одну сторону перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку 14. С целью минимизации влияния на процессы лучистого теплообмена, используемого в эксперименте устройства контроля лучистых потоков 1, его характерный размер должен быть намного меньше характерного размера контролируемого участка космического объекта 18. После выполнения операций по подготовке космического объекта 18 и ТВК 15 к ТВИ, тепловакуумную камеру 15 закрывают, герметизируют и начинают обеспечивать в ТВК 15 рабочие условия эксплуатации КО 18, близкие к космическим. По достижению в ТВК требуемого давления в пределах (10^-3-10^-4 ) Па и охлаждения криогенных экранов, например, до температуры жидкого азота, начинают эксперимент. Включается источник излучения ИСИ 19. После включения источника излучения ИСИ 19, отраженный от коллимирующего отражателя ИСИ 16 лучистый поток 14, близкий к спектру Солнца, и инфракрасный поток (на рисунке не показан), от конструктивных элементов ТВК, падают на рабочие поверхности 10 первой ТП 2 и второй ТП 3 устройства контроля лучистых потоков 1. Поскольку рабочая поверхность первой ТП 2 покрыта ТРП с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s11 ^min) и высоким коэффициентом теплового излучения ( _T11 ^max), то эта поверхность будет максимально отражать солнечный лучистый поток 14 ИСИ и по максимуму поглощать инфракрасные лучистые потоки от конструктивных элементов ТВК. А рабочая поверхность второй ТП 3, покрытая ТРП с высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s21 ^max) и высоким коэффициентом теплового излучения ( _T21 ^max), будет максимально поглощать лучистые потоки от коллимирующего отражателя ИСИ 16 и инфракрасные лучи от конструктивных элементов ТВК 15. Нерабочие поверхности первой ТП 2 и второй ТП 3 поглощают пренебрежимо малую долю лучистой энергии, падающей от конструктивных элементов ТВК 15, в частности КЭ 17, и КО 18, благодаря нанесенному на эти поверхности ТРП с минимальным коэффициентом поглощения солнечного излучения и с минимальным коэффициентом теплового излучения. Лучистые потоки от ИСИ и ТВК, поглощаемые первой ТП 2 и второй ТП 3 устройства контроля лучистых потоков 1, равномерно нагревают каждую ТП, благодаря высокой теплопроводности материала ТП, использованию нитей-растяжек и выполнению условия h<<L. Токопроводящая металлическая лента или проволока (на рисунке не показаны) термочувствительного элемента 4 и 5 каждой ТП 2 и 3 нагревается до соответствующей для каждой ТП средней равновесной температуры. Токопроводяшую металлическую ленту или проволоку термочувствительных элементов 4 и 5 включают с помощью токовыводов 6 и 7 в цепь тока небольшой величины. При этом напряжение на концах ленты или проволоки, меняющееся в зависимости от температуры среды (температуры ТП 2 и 3), подводят к фиксирующему прибору (на рисунке не показан). После достижения равновесного теплового состояния каждой ТП 2 и 3 одновременно измеряют электрическое сопротивление ленты или проволоки термочувствительных элементов 4 и 5 и по градуировочной характеристике определяют температуры первой ТП 2 (Т₁) и второй ТП 3 (Т₂) устройства контроля лучистых потоков 1. Подставляем в соотношения (1) и (2) известные оптические характеристики ТРП для рабочей и нерабочей поверхностей первой ТП 2 и второй ТП 3, а также зафиксированные значения T₁ и Т₂. Контроль лучистых потоков, разделяющих солнечное излучение (Q_s) ИСИ от тепловых (инфракрасных) потоков (Q_ик) ТВК 15, составляющих погрешность имитации, определяем по соотношениям (1) и (2).

Вывод функциональных зависимостей (1) и (2) выполнен при следующих допущениях:

1) энергия воспринимаемых тонкостенными пластинами лучистых потоков отводится через рабочую и нерабочую поверхности ТП в окружающую среду только излучением;

2) потери тепла через боковые поверхности ТП, нити-растяжки и токовыводы термочувствительных элементов пренебрежимо малы и в тепловом балансе не учитываются;

3) каждая ТП считается изотермичной при установившемся тепловом состоянии рассматриваемой системы;

4) поглощенная нерабочими поверхностями каждой тонкостенной пластины лучистая энергия считается малой, в сравнении с поглощенной рабочими поверхностями, и в тепловом балансе ТП не учитывается.

Приведем уравнения теплового баланса для двух тонкостенных пластин устройства контроля лучистых потоков помещенного в контролируемую область ТВК. На рабочие поверхности первой и второй ТП, установленных рядом в одной плоскости, перпендикулярно этим поверхностям падает контролируемый солнечный лучистый поток Q_s от ИСИ. Кроме того, на рабочую и нерабочую поверхности каждой ТП и на их боковые поверхности падает инфракрасное излучение от конструктивных элементов ТВК, включая и от конструктивных элементов ИСИ.

С учетом принятых допущений систему уравнений теплового баланса для первой и второй ТП, при установившемся тепловом состоянии каждой пластины, помещенных в ТВК с ИСИ, запишем в следующем виде:

- для первой тонкостенной пластины

- для второй тонкостенной пластины

В уравнениях (3) и (4) в левой части приведено поглощенное излучение (солнечное Q_s и инфракрасное Q_ик) рабочими поверхностями каждой ТП, а в правой части - собственное излучение с рабочей и нерабочей поверхностей каждой ТП.

Используя относительные параметры Е ₁= _T12 ^min/ _T11 ^max, Е₂= _Т22 ^min/ _Т21 ^max, А₁= _s11 ^min/ _Т11 ^max, А₂= _s21 ^max/ _Т21 ^max, систему уравнений (3) и (4) преобразуем к виду:

- для первой тонкостенной пластины

- для второй тонкостенной пластины

Решая систему уравнений (5) и (6), получаем выражения (1) и (2) для контролируемых в данной области ТВК лучистых потоков Q_s и Q_ик.

Приведем расчетный пример применения устройства контроля лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических объектов и способ его реализации.

Размерности всех параметров в расчетном примере приведены в Международной системе единиц.

Помещаем КО в ТВК, оснащенную криогенными экранами и имитатором солнечного излучения, включающим источник излучения ИСИ и коллимирующий отражатель ИСИ. Для имитации солнечного спектра в качестве источника излучения ИСИ используем ксеноновую лампу, спектральная кривая ксеноновой лампы идет близко к солнечной кривой, начиная от ультрафиолетового конца спектра и до инфракрасного участка. С помощью специальных светофильтров (на рисунке не показаны) еще более приближаем спектр лампы к спектру Солнца [2, с.289].

Для контроля солнечного лучистого потока от ИСИ и инфракрасных тепловых потоков от ТВК, составляющих погрешность имитации внешних условий, в контролируемой области ТВК устанавливаем устройство контроля лучистых потоков. Устройство контроля лучистых потоков выполняем из двух рядом расположенных тонкостенных пластин, каждая из которых выполнена предположим из сплава бронзы БрБ2 (твердое состояние) [6, с.59] в виде квадрата со стороной предположим L=20 мм и толщиной h=0,1 мм, установленных на нитях-растяжках, выполненных из швейных ниток [7], в контролируемой области ТВК. На рабочую поверхность первой ТП наносим ТРП предположим на основе стеклопленок из радиационностойкого стекла с внутренним отражающим слоем из серебра с коэффициентом поглощения солнечной радиации _s11 ^min=0,06 и коэффициентом теплового излучения, в диапазоне длин волн более 4 мкм, _T11 ^max=0,9 [4, с.166, 170]. Предположим, что на рабочую поверхность второй ТП наносим ТРП, используя покрытие, выполненное на основе черной матовой краски, с _T21 ^max=0,98 и _s21 ^max=0,99 [3, с.372-373]. Для нерабочих поверхностей каждой из двух тонкостенных пластин предположим используем ТРП, выполненное из алюминизированной с одной стороны пленки, металлизацией наружу, закрывающее нерабочую поверхность ТП вместе с установленным на ней термочувствительным элементом. Предположим, что данное ТРП обладает высокой отражательной способностью ( _s ^min и _T ^min) во всем интервале спектра от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области с _s ^min=0,08 и _T ^min=0,025 [6, с.780]. С учетом принятого допущения (4), в выводе зависимостей (1) и (2), учитываем в расчетном примере только _T ^min= _T12 ^min= _T22 ^min=0,025.

Определяем относительные коэффициенты теплового излучения первой и второй ТП с терморегулирующими покрытиями:

,

.

Определяем оптические характеристики терморегулирующего покрытия рабочей поверхности первой и второй ТП:

,

.

Рабочие поверхности ТП устанавливаем в одной плоскости и обращаем в одну сторону перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку.

После выполнения операций по подготовке космического объекта и тепловакуумной камеры к ТВИ тепловакуумную камеру закрываем, герметизируем и начинаем обеспечивать в ТВК рабочие условия эксплуатации космического объекта, близкие к космическим. По достижению в ТВК требуемого давления в пределах (10^-3-10^-4) Па и охлаждения криогенных экранов, например, до температуры жидкого азота начинаем эксперимент. Включается источник излучения ИСИ.

После включения источника излучения ИСИ отраженный от коллимирующего отражателя ИСИ лучистый поток, близкий к спектру Солнца, и инфракрасный поток от конструктивных элементов ТВК падают на рабочие поверхности первой и второй ТП устройства контроля лучистых потоков.

Поскольку рабочая поверхность первой ТП покрыта ТРП с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s11 ^min) и высоким коэффициентом теплового излучения ( _T11 ^max), то эта поверхность будет максимально отражать лучистый поток ИСИ и по максимуму поглощать инфракрасные лучистые потоки от конструктивных элементов ТВК. А рабочая поверхность второй ТП, покрытая ТРП с высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s21 ^max) и высоким коэффициентом теплового излучения ( _T21 ^max), будет максимально поглощать лучистые потоки от коллимирующего отражателя ИСИ и инфракрасные лучи от конструктивных элементов ТВК. Нерабочие поверхности первой и второй ТП поглощают пренебрежимо малую долю лучистой энергии, падающей от криоэкранов и космического объекта, благодаря установленному на этих поверхностях ТРП с минимальным коэффициентом поглощения солнечного излучения ( _s ^min) и с минимальным коэффициентом теплового излучения ( _T ^min).

Лучистые потоки, поглощаемые первой и второй ТП устройства контроля лучистых потоков, равномерно нагревают каждую ТП, благодаря высокой теплопроводности материала ТП, использованию нитей-растяжек, с минимальными потерями тепла через них, а также выполнения условия h<<L, позволяющего получить минимальные потери тепла через боковые поверхности ТП.

Токопроводящая металлическая лента или проволока термочувствительного элемента каждой ТП нагревается до соответствующей для каждой ТП средней равновесной температуры. После достижения равновесного теплового состояния каждой ТП одновременно измеряют электрическое сопротивление ленты или проволоки термочувствительных элементов и по градуировочной характеристике определяют температуры первой ТП (положим T₁=263 К) и второй ТП (положим Т₂=403 К) устройства контроля лучистых потоков.

Подставляем в соотношения (1) и (2) известные оптические характеристики ТРП для рабочей и нерабочей поверхностей первой и второй ТП, а также зафиксированные значения Т₁ и Т₂:

,

где =5.67·10^-8 Вт/(м²·К ⁴).

Применение предлагаемой конструкции устройства контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов и способ его реализации позволяют:

1) осуществить контроль величины лучистых потоков, с учетом определенных областей спектров излучения, падающих на космический объект в интересующем месте тепловакуумной камеры;

2) разделять имитируемые лучистые потоки ИСИ от тепловых потоков ТВК, составляющих погрешность имитации;

3) сократить стоимость наземной экспериментальной отработки космических объектов, в условиях моделирования космического излучения и вакуума в ТВК, благодаря простоте конструкции устройства и способа его реализации;

4) определять величину интенсивности лучистых потоков по предложенным функциональным зависимостям, включающим минимальное число контролирующих процесс параметров, влияющих на точность измерений;

5) автоматизировать процесс экспериментального определения лучистых потоков в тепловакуумной камере, используя информацию, поступающую с соответствующих термочувствительных элементов.

ЛИТЕРАТУРА

1. О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982.

2. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. Под ред. акад. Г.И.Петрова. - М.: Машиностроение, 1971.

3. М.А.Михеев. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.

4. Л.А.Новицкий, Б.М.Степанов. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. - М.: Машиностроение, 1980.

5. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983.

6. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

7. ГОСТ 6309-93 "Нитки швейные хлопчатобумажные и синтетические. Технические условия".