Методы расчета тепловых режимов и термоаберраций для проектирования термостабильных зеркальных космических телескопов и их тепловой защиты

Опыт проектирования, создания и эксплуатации крупногабаритных и малогабаритных оптико-электронных приборов (ОЭП) и систем за последние десятилетия показал необходимость разработки аналитических методов расчета тепловых режимов и термоаберраций зеркальных телескопов, являющихся наиболее теплонагруженными и термочувствительными узлами ОЭП. Наиболее плодотворным подходом к решению указанной проблемы является разработка методов, ориентированных на начальную стадию теплового проектирования. Это позволяет с самого начала избежать недостатков при выборе параметров тепломеханической схемы и системы обеспечения теплового режима телескопа, помогает конструкторам с минимальными затратами сопоставлять варианты технических решений.

Именно потребности практики вынудили проводить разработку аналитических методов расчета термоаберраций [1−23]. Однако до настоящего времени не проводились целенаправленные комплексные разработки аналитической теории термостабильности ОЭП и зеркальных телескопов, которая включала бы в себя сквозные расчеты от исходных тепловых воздействий до изменения основных характеристик качества изображения и была бы основана на аналитических формулах, описывающих процесс формирования термоаберраций.

Актуальность решения практических задач по этому направлению вынуждает специалистов по проектированию телескопических систем и оптико-электронных приборов на достаточно высоком уровне и с определенной степенью детализации исследовать вопросы термостабильности. Этим объясняется большое количество публикаций по разработке и применению численных методов расчетов тепловых режимов оптических и оптико-электронных систем [24−39]. Разработка таких методов, основанных главным образом на методах конечных элементов требует достаточных затрат времени и сил. При этом в каждом конкретном случае практикуется индивидуальный подход к решению задачи. Существенных обобщений методов расчетов до уровня научной методологии в настоящее время в литературе нет.

Актуальность темы

исследований определяется практическими потребностями с учетом опыта разработок телескопов, необходимостью исключения ошибок проектирования, выявляемых в процессе эксплуатации телескопов космического базирования. Весьма актуальной задачей является разработка методов расчетов для обеспечения термостабильности телескопов, включающих в едином аналитическом описании тепловые и термоаберрационные процессы от исходных тепловых воздействий (внешних и внутренних) до термонаведенных смещения фокальной плоскости и сферической аберрации с промежуточным определением температур оптических элементов и температурных неоднород-ностей в них.

Целью исследования является разработка методов расчета тепловых режимов и термоаберраций зеркальных телескопов, и на этой основе — разработка методов выбора параметров конструктивной схемы и системы обеспечения теплового режима, гарантирующих термостабильность телескопов, базируемых на космических аппаратах в околоземном космическом пространстве.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

• разработка аналитических методов расчета термоаберраций телескопов с учетом различия температур оптических элементов и характерных температурных перепадов в главном зеркале;

• разработка аналитических методов расчета совокупности поглощаемых поверхностями телескопа потоков излучения в околоземном космическом пространстве;

• разработка методов обеспечения термостабильности телескопов с активной системой термостабилизации;

• разработка методов обеспечения термостабильности телескопов с пассивной системой тепловой защиты.

Предмет исследования составляют телескопы космического базирования, предназначенные для наблюдения за звездами, и космическими объектами на фоне холодного космоса.

Методы исследования основаны на математическом моделировании тепловых процессов в телескопах от внешних тепловых воздействий до основных характеристик качества изображения с учетом особенностей применяемых систем обеспечения теплового режима, методов терморегулирования и способов тепловой защиты. Разрабатываемые методы направлены на получение аналитических формул, предназначенных для решения как прямых задач (анализа конечных характеристик, определяющих стабильность качества изображения), так и обратных (синтез тепловых схем по заданным характеристикам стабильности качества изображения).

Научная новизна:

• разработаны аналитические методы расчета термоаберрации телескопов Грегори, Кессегрена, Ричи-Критьена с учетом влияния осевых и радиальных перепадов в главном зеркале;

• разработаны аналитические методы расчета внешних тепловых потоков на телескоп в околоземном космическом пространстве;

• разработаны методы расчета активной системы терморегулирования телескопов на основе электронагревателя и радиационных панелей с управляемой амплитудой и периодом изменения мощности электронагревателя;

• разработаны методы расчета пассивной термостабилизации солнечного телескопа СЛ-200, позволяющие осуществлять выбор параметров светоослаб-ляющего фильтра на входном зрачке;

• разработаны методы расчета пассивной теплоизоляции и термостабилизации телескопа космического базирования за счет выбора параметров термо-регулирующих покрытий на внешнем корпусе телескопа.

Научная ценность полученных результатов заключается в том, что впервые методы расчетов теплового режима и термоаберраций объединены в единый алгоритм применительно к типовым объектам и процессам — телескопам космического базирования с активной и пассивной системами терморегулирования и термостабилизации с учетом специфики решаемых задач и циклограмм функционирования. Это закладывает основы развития научно обоснованных методов теплового проектирования со сквозными расчетами от тепловых воздействий до основных характеристик качества изображения, а также с решением задач как анализа, так и синтеза телескопов (а более широко — ОЭП), упрощающими выбор базовой схемы СОТР и теплозащиты на начальных стадиях проектирования и при дальнейшем сопровождении конструкторских работ.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанные модели и методы расчетов полностью ориентированы на работу с конструкторами телескопов в диалоговом режиме с целью разработки термостабильных ОЭП космического базирования. В частности получены следующие практически значимые результаты:

• методы минимизации термоаберраций телескопов с учетом термодеформаций зеркал использовались для выбора параметров СОТР и конструкций крепления зеркал в телескопах;

• аналитические методы расчета совокупности поглощаемых разными участками поверхностей телескопов тепловых потоков в околоземном космическом пространстве существенно снижают затраты времени и средств на моделирование теплового баланса телескопов;

• методы расчета активных систем терморегулирования на основе системы электронагреватель — радиационная панель и методы обеспечения термостабильности зеркальных телескопов с такой системой термостабилизации;

• методы выбора параметров систем активной и пассивной термостабилизации применялись в разработке тепломеханической схемы и системы обеспечения теплового режима солнечного лимбографа СЛ-200;

• методы пассивной тепловой защиты с использованием терморегулирующих покрытий используются в разработке телескопов для наблюдения за звездами.

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждена актами о реализации результатов в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории ГАО РАН, ОАО ЛОМО, ГОИ им. С. И. Вавилова, а также в учебном процессе в НИУ ИТМО и ВИКА им. А. Ф. Можайского.

Методы обеспечения термостабильности телескопа, изложенные в Главе 4 и в первой части Главы 5 диссертации, базирующиеся на разработанных автором методах расчета тепловых режимов и термоаберраций, разрабатывались в рамках программы космических исследований ГАО РАН (проект — «Астрометрия»). При этом использовались базовая тепломеханическая схема и параметры солнечного телескопа — лимбографа СЛ-200, разрабатывавшегося под руководством доктора физико-математических наук Х. И. Абдусаматова.

Положения, выносимые на защиту, на защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

• аналитические методы расчета термоаберраций телескопов Грегори, Кессег-рена, Ричи-Кретьена с учетом осевых и радиальных температурных градиентов в главном зеркале;

• аналитические методы расчета внешних тепловых воздействий на элементы телескопа в околоземном космическом пространстве;

• методы расчета и выбора параметров активной системы терморегулирования телескопа с электронагревателем и радиационными панелями;

• методы расчета и выбора параметров светоослабляющего фильтра (кварцевого светофильтра) на входном зрачке солнечного телескопа — лимбографа СЛ-200, обеспечивающего заданный уровень температур и необходимую изотермичность конструкции телескопа;

• методы термостабилизации телескопов с терморегулирующими покрытиями на внешней поверхности.

Достоверность разработанных методов расчета подтверждается сопоставлением с результатами численного моделирования с использованием исходных строгих математических моделей.

Апробация результатов исследований. Основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, докладывались на Международных и Всероссийских конференциях: VIII Международной конференции по спиновой электронике. Секции Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике. М. (Фирсановка) — 1999, VI Международной конференции «Прикладная оптика». 18−21 октября 2004 г, Санкт-Петербург, Россия, XI Пулковской международной конференции по физике Солнца, VIII Международной конференции «Прикладная оптика — 2008», Балтийской конференции по теплопередаче 19−21 сентября 2007 г. Кроме того был сделан доклад на третьей военнонаучной конференции Космических войск. Анализ роли и места космических войск в системе операций вооруженных сил Российской федерации при подготовке и ведении военных действий, исследование форм и способов применения объединений, соединений и учреждений космических войск. Военно — космическая академия имени А. Ф. Можайского. Санкт Петербург. 2007.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, в том числе 7 статей в журналах, входящих в Перечень ведущих изданий, рекомендованных ВАК. По теме диссертации получен один патент на полезную модель. Результаты исследований по теме диссертации вошли в две монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 159 страниц текста. Диссертация содержит 4 таблицы и 15 рисунков.

Список литературы

насчитывает 77 наименований.

5.4 Выводы.

Проведенные в данной Главе исследования позволяют на основе полученных результатов сделать выводы о высокой эффективности рассмотренных способов пассивной тепловой защиты телескопов для обеспечения их термостабильности в ОКП. При этом установлены следующие основные закономерности.

• Использование в качестве теплозащитного элемента в солнечном лимбогра-фе кварцевого светофильтра позволяет обеспечить термостабильность телескопа — лимбографа СЛ — 200 только при условии удовлетворения сравнительно жестким требованиям к характеристикам покрытия на внешней поверхности светофильтра. Разработанные в диссертации методы расчета позволяют определить при заданных значениях коэффициентов отражения солнечного излучения требования к степени черноты на внешней поверхности светофильтра. При этом показана необходимость сочетания пассивной тепловой защиты с активной системой терморегулирования на основе ЭН и РП. В результате определены допустимые диапазоны изменения как степени черноты, так и мощности ЭН. Важно подчеркнуть, что в этих расчетах учитывались все факторы тепловых воздействий в ОКП, а также определялся вклад каждого фактора.

• Для телескопов без активной системы терморегулирования и без теплозащитного окна (наблюдающих за звездами и объектами в ОКП) разработана методика расчета для выбора радиационных характеристик на внешней поверхности наружного корпуса телескопа, являющаяся основой пассивного метода обеспечения термостабильности. Показано, что при выходе за допустимый диапазон изменения отношения коэффициента поглощения солнечного излучения к степени черноты покрытия поверхности внешнего корпуса термостабильность телескопа обеспечить не удается. Расчетная методика ориентирована на конкретные типы траекторий и циклограмм функционирования телескопов.

• Разработана методика расчета термоаберраций, развивающихся в процессе охлаждения элементов телескопа при относительно длительном наблюдении за звездами. Методика позволяет анализировать границы по длительности функционирования таких телескопов с сохранением термостабильности, а также определять технические решения, направленные на повышение длительности рабочих циклов наблюдений. Такие телескопы представляют отдельный класс и их термостабильность основана на сохранении качества изображения за счет собственной термической инерции. В телескопах данного класса выявляются термоаберрации как температурного уровня, так и температурной неоднородности между элементами телескопа. Математичеекая модель построена так, что по значениям входящих в нее параметров Ь] можно оценивать термоинерционные свойства отдельных элементов телескопа и без всяких численных расчетов априорно прогнозировать развитие аберраций температурных неоднородностей.

• Разработанные математические модели имеют общий характер и просты для практических расчетов. Они позволяют исследовать любые комбинации систем управления тепловым режимом и проектировать тепловые схемы и СОТР для обеспечения термостабильности телескопов в зависимости от решаемой ими задачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе сформулированной концепции актуальных на современном этапе методов комплексного обеспечения термостабильности телескопов космического базирования определены требования к методам расчета тепловых режимов и термоаберраций телескопов, проведены теоретические исследования и получены следующие основные результаты.

1. Для выбранного объекта исследований — телескопов космического базирования, предназначенных для наблюдения малоразмерных элементов на фоне холодного космоса, разработаны математические модели, описывающие тепловые процессы. Разработаны критерии термостабильности телескоповпо допустимым величинам термонаведенного смещения фокальной плоскости, которая должна находиться в пределах глубины резкости, а также по величине термонаведенной сферической аберрации.

2. Введены понятия термоаберраций температурного уровня, температурных неоднородностей между элементами и температурных неравномерностей в зеркалах и получена общая формула для расчета термоаберрации положения с учетом этих составляющих.

3. Разработаны аналитические методы расчетов тепловых воздействий на зеркальные телескопы в околоземном космическом пространстве. Получены формулы для расчетов локальных, интегральных и эффективных коэффициентов облученности для типовых ситуаций.

4. Разработаны методы линеаризации нестационарных уравнений лучистого теплообмена, упрощающие анализ и позволяющие получить аналитические формулы, удобные для изучения основных закономерностей формирования нестационарных тепловых режимов.

5. Разработаны методы обеспечения термостабильности телескопов с активной системой термостабилизации, основанной на поддержании теплового баланса между электронагревателем на корпусе телескопа и радиационной панелью, соединенных тепловым мостом. Исследованы динамические свойства такой системы. Определены допустимые амплитуды колебаний мощности электронагревателя, а также критерий большой частоты колебаний мощности, начиная с которого прекращаются колебания температурного уровня относительно среднего значения. Обоснована недопустимость скачкообразного изменения мощности электронагревателя даже на относительно небольшие величины.

6. Разработаны методы обеспечения термостабильности телескопов с пассивной тепловой защитой, не потребляющей энергию. Рассмотрены два способа пассивной защиты — светоослабитель на входном зрачке телескопа и термо-регулирующие покрытия на наружном корпусе телескопа. Разработаны также методы расчета термоаберраций телескопов, термостабильность которых обеспечивается за счет собственной термической инерции. Разработанные расчетные методы выбора параметров тепловой схемы и СОТР телескопов имеют универсальный характер и могут использоваться для анализа и синтеза любых комбинаций систем обеспечения термостабильности телескопов.

7. Разработанные в диссертации методы обеспечения термостабильности внедрены на ряде предприятий в проектировании конкретных телескопов.