SOLAR SIMULATORS FOR THERMAL VACUUM TESTS OF SPACECRAFT

全文:

Введение. Одной из актуальных проблем в области освоения космического пространства является адекват- ное моделирование условий космического полета для испытаний космических аппаратов (КА) на Земле [1]. Важным фактором термовакуумных испытаний (ТВИ) является имитация солнечного излучения (ИСИ) [2]. Целью данной статьи является анализ некоторых существующих ИСИ для выбора оптимальной базо- вой конструкции с целью дальнейшего совершенство- вания, направленного на снижение энергозатратности эксплуатации имитатора солнечного излучения для испытаний КА и улучшения качества ТВИ. В статье рассмотрено несколько имитаторов промышленного производства с целью выявления наиболее оптималь- ных конструкций и схем, а также рассмотрена возможность создания и последующего применения компактных трансформируемых источников теплового излучения солнечного спектра. Задачей исследования является сравнительный анализ вышеперечисленных параметров различных имитаторов с целью определения наиболее оптималь- ных их значений. В данной статье представлено срав- нительное описание пяти ИСИ по четырем ключевым параметрам. Испытания. При комплексных термовакуумных испытаниях испытываются теплофизические модели или штатные изделия с имитацией внешних тепловых условий окружающего пространства и внутренних тепловыделений приборов и оборудования КА [3]. В этом случае отрабатываются тепловые режимы как внешнего, так и внутреннего оборудования, конст- рукции КА, СТР [4]. Термовакуумная отработка КА и его систем терморегулирования (СТР) проводится в термобарокамерах, имитирующих условия реальной эксплуатации КА с применением специального испы- тательного оборудования, стендов и систем. Проведение ТВИ возможно только в термобарока- мере, имеющей в своем составе: - систему вакуумирования; - имитатор «черного», «холодного» космоса; - имитатор солнечного излучения; - источники инфракрасного излучения; - систему обеспечения ориентации отрабатывае- мого КА (специальные стенды, поворотные устройст- ва и т. п.); - систему регистрации температурных параметров; - систему управления тепловыми имитаторами, электрообогревателями и оборудованием КА. Имитатор солнечного излучения предназначен для имитации прямого солнечного излучения, действую- щего при орбитальном функционировании на КА [5]. Имитируются следующие характеристики излучения: удельная мощность падающего теплового потока, равномерность облучения, параллельность лучей, спектральный состав по длинам волн. Требования к ИСИ для околоземной орбиты: - удельная тепловая мощность падающего тепло- вого потока 1340-1440 Вт/м2; - равномерность облучения до ±15 %; - непараллельность лучей до 4 угловых градусов; - спектральный диапазон имитируемого солнечно- го потока, близкий к диапазону солнечного излучения (200 нм ≤ λ ≤ 2000 нм) [6; 7]. ИСИ состоят из оптических систем (зеркал, линз), источников излучения (дуговых или высокочастотных ксеноновых ламп), систем управления и замера пара- метров. Эти элементы могут применяться в различ- ных сочетаниях между собой, а также сочетаться с различными источниками излучения. Общая схема имитатора солнечного излучения показана на рис. 1. Для анализа выбраны ИСИ, применяемые в термо- барокамерах АО «ИСС имени академика М. Ф. Решет- нева» (г. Железногорск) и ИС-500, применяемые в испытательном центре Роскосмоса НИЦ РКП (пос. Пересвет, Московская область), LSS (Large Space Simulator), расположенный в ESTEC - центре Евро- пейского космического агентства на побережье Север- ного моря в Шипхоле близ Амстердама (рис. 2.), SPF (Space Power Facility), расположенный в Исследова- тельском центре имени Гленна (НАСА) в Кливленде (штат Огайо, США) [8]. Рис. 1. Общая схема ИСИ: 1 - источник излучения; 2 - конденсатор; 3 - корректирующий светофильтр; 4 - регулируемая апертура; 5 - линза Fig. 1. General pattern of sunlight simulation: 1 - emission source; 2 - condenser; 3 - correcting filter; 4 - adjustable aperture; 5 - lens element ТБК-120, ГВУ-600 и ВК 600/300 - полноразмер- ные испытательные криокамеры, оснащенные ИСИ и предназначенные для проведения ТВИ крупногаба- ритных изделий. На основе сравнения проведем анализ и выявим достоинства и недостатки каждого имитатора. В таб- лице приведены значения этих параметров для харак- теристик ИСИ. Рассмотрим некоторые ИСИ по следующим пара- метрам: 1. Источник излучения - определяет спектральный диапазон ИСИ и его близость к спектру излучения Солнца. Основная часть энергии электромагнитного излучения Солнца, непосредственно влияющая на освещенность и тепловой режим КА, заключена в интервале 0,3-2,5 мкм [9; 10]. 2. Площадь облучаемой поверхности - определяет возможность применения имитатора излучения для испытаний КА различного размера. 3. Неоднородность уровней плотностей падающе- го потока излучения - не должна превышать ±15 %, так как в условиях космоса излучение, испускаемое Солнцем, имеет высокую степень однородности потока. 4. Максимальная интенсивность солнечного излу- чения - удельная тепловая мощность на уровне 1340- 1440 Вт/м2. Сравнительный анализ ИСИ. Для сравнительного анализа были выбраны следующие модели ИСИ и присвоены соответствующие номера: ИСИ ТБК-120 - № 1; ИСИ ГВУ-600 - № 2; ИС-500 ВК 600/300 - № 3; ИСИ LSS (Large Space Simulator) - № 4; ИСИ SPF (Space Power Facility) - № 5. В рассматриваемых имитаторах в качестве источ- ника света используются ксеноновые лампы. В ИСИ № 1, 2, 3, 4 применяются газоразрядные ксеноновые лампы, а в ИСИ № 5 - дуговые ксеноновые лампы. Для имитаторов солнечного излучения важны такие характеристики ксеноновых ламп, как мощ- ность и идентичность спектрального состава излуче- ния солнечному [11; 12]. Спектр ксеноновой лампы - приблизительно равномерный по всей области види- мого света, близкий к дневному свету. Излучение чистого ксенона в процессе электрического газового разряда при сверхвысоком давлении имеет спектральное распределение с цветовой температурой около 6000 К, наиболее совпадающее с распределением солнечного излучения. При этом размеры излучаю- щей поверхности при очень высокой яркости неболь- шие, что позволяет рассматривать их как точечные источники излучения и, соответственно, с большей точностью проектировать оптические системы. Но негативным моментом, если посмотреть на спектр, является отличие излучения по спектральному соста- ву от солнечного в области длин волн 800, 1050 нм, где наблюдаются значительные выбросы энергии, более чем в два раза превышающей величину энергии излучения Солнца в этой полосе спектра [13]. В этом интервале содержится приблизительно 15 % от инте- гральной энергии излучения Солнца, а у ксеноновой лампы - более 30 % от общей энергии излучения. Одним из важных параметров ИСИ является пло- щадь облучаемой поверхности с равномерной плот- ностью излучения [14; 15]. Имитаторы № 3, 4 и 5 имеют наибольший размер светового пятна, что по- зволяет проводить испытания более крупногабарит- ных КА и их узлов, чем имитаторы № 1 и 2. Критерий равномерности плотности падающего потока энергии имитатора солнечного излучения является ключевым при определении эффективной площади облучаемой поверхности, которая может быть использована для испытаний солнечных элемен- тов и их модулей [16; 17]. Максимальную интенсив- ность солнечного излучения имеет ИСИ № 5. Анализируя все вышерассмотренные параметры имитаторов в комплексе, можно сделать вывод, что все рассматриваемые ИСИ удовлетворяют предъяв- ляемым требованиям. Имитатор № 5 имеет наиболь- ший размер светового пятна и максимальную интен- сивность солнечного излучения. Имитатор № 4 может предложить наибольшее соответствие по неоднород- ности уровней плотностей падающего потока излуче- ния. Имитаторы № 1 и 2 имеют небольшую площадь светового пятна. Наиболее оптимальной базовой конструкцией для ИСИ являются конструкции № 4 и 5, имеющие наи- большие размеры светового пятна, которые позволяют проводить ТВИ крупногабаритных КА. В качестве источника излучения рекомендуется использовать газоразрядные и дуговые ксеноновые лампы как наи- более соответствующие по спектральному составу солнечному излучению. Рис. 2. Большой имитатор космического пространства Европейского космического агентства Fig. 2. Big space simulator of European space agency Сравнительная характеристика ИСИ Имитатор Источник излучения Площадь облучаемой поверхности, м Максимальный диаметр пятна ИСИ Неоднородность уровней плотностей падающего потока излучения, % Максимальная интенсивность солнечного излучения № 1. ИСИ ТБК-120 Газоразрядные ксеноновые лампы 2×2 < 10 1600 № 2. ИСИ ГВУ-600 Газоразрядные ксеноновые лампы 4×4 < 10 1600 № 3. ИС-500 Газоразрядные ксеноновые лампы 3×8 < 10 1500 № 4. ИСИ LSS Газоразрядные ксеноновые лампы 6×5 0,5 2600 № 5. ИСИ SPF Дуговые ксеноновые лампы D = 15 1 4200 Заключение. В статье были рассмотрены 5 образ- цов современных ИСИ, среди них 2 - зарубежных. Проведен анализ этих установок по 4 ключевым параметрам, сделаны выводы о достоинствах и недос- татках каждого имитатора, выбрана оптимальная базовая конструкции ИСИ. Перспективным в области термовакуумных испы- таний является возможность создания и последую- щего применения компактных трансформируемых источников теплового излучения солнечного спектра с целью повышения качества ТВИ для КА различных классов. Конструктивно трансформируемый источник сол- нечного излучения (ТИСИ) будет представлять собой набор отдельных блоков, из которых будет собирать- ся цельный имитатор солнечного излучения, исходя из требований к термовакуумной отработке каждого конкретного КА. В состав каждого отдельного блока будут входить источники света, собирательная оптика (для фокусирования и смешения света, генерируемого источниками), устройства для когеренции света и система термостабилизации. Конструкция устройства ТИСИ будет выполнена таким образом, чтобы обес- печивать возможность проведения ТВИ в термобаро- камерах, спроектированных без специально отведен- ного места для имитатора солнечного излучения (возможность межцехового транспортирования). Преимуществом таких компактных источников также является и их способность подстраиваться под любые размеры и формы испытуемого изделия, что приведет к рациональному использованию термоба- рокамеры и её ресурсов. С помощью ТИСИ станет возможна имитация витковой засветки КА от Солнца, как при орбитальном функционировании (невозмож- но осуществить при помощи стационарных ИСИ). Компактные трансформируемые источники солнечно- го излучения позволят увеличить размеры светового пятна и, как следствие, размеры рабочего поля.

作者简介

R. Aslanyan

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”; Siberian Federal University

Email: roksana_a@list.ru
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation; 26a, Kirenskogo Str., Krasnoyarsk, 660074, Russian Federation

D. Anisimov

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”; Siberian Federal University

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation; 26a, Kirenskogo Str., Krasnoyarsk, 660074, Russian Federation

I. Marchenko

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

V. Panteleev

Siberian Federal University

26a, Kirenskogo Str., Krasnoyarsk, 660074, Russian Federation

参考

补充文件