Исследование и разработка методов моделирования внешнего теплообмена космических аппаратов с помощью инфракрасных источников излучения

Одним из непременных условий надежного функционирования космического аппарата (КА), а следовательно и оправдания значительных затрат на его создание является обеспечение необходимого теплового режима всех его элементов. Задача обеспечения теплового режима изделий космической техники, функционирующих, как правило, в условиях, неблагоприятных для реализации эксплуатационных характеристик всех их систем и элементов, имеет особую специфику, заключающуюся в том, что процесс ее решения в той или иной мере влияет на выбор проектных и частных технических решений, касающихся почти всех систем КА. Поэтому важнейшим видом деятельности при разработке космической техники является тепловое проектирование, заключающееся в решении тепловых аспектов задачи создания космического аппарата при увязке этих решений с задачами общего проектирования.

Надежное математическое моделирование теплообмена большинства типов космических аппаратов связано с рядом трудностей, обусловленных не столько недостатками математических методов и вычислительных средств, сколько сложностью и значительной неопределенностью протекания физических процессов.

В связи с этим большое значение при создании КА 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 [3,18].

Среди всех видов тепловых испытаний КА в целом или его отдельных элементов особое место по сложности, значимости 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).

При создании входящих в состав тепловакуумных установок имитационных систем наиболее сложной проблемой оказалась разработка имитаторов потоков излучения от Солнца и планет. В России практическое решение проблемы имитации солнечного излучения в крупных тепловакуумных установках затянулось до конца 70-х годов 20 века.

Решение задач 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, поэтому общепринятым является мнение о том, что работы по экспериментальному исследованию влияния факторов космического пространства целесообразно расчленять на группы видов воздействия.

Так например в [3, 4, 27] считают, 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, практическое 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 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.

Однако, несмотря на явное упрощение, вызванное раздельным моделированием внешних факторов космической среды по группам, задача высокоточного моделирования условий внешнего теплообмена КА в наземных экспериментальных установках для некоторых типов аппаратов, особенно околопланетных, является очень сложной и до сих пор ее нельзя считать решенной в той степени, которая, безусловно устраивала бы разработчиков космической техники, хотя нельзя сказать, что этой задаче уделялось недостаточно внимания.

Работы по созданию средств моделирования космических условий полета начались одновременно с развитием космической техники. Исследовались методы моделирования, создавались имитационные системы и тепловакуумные установки, синтезирующие в себе достижения вакуумной техники, светотехники, оптики, инфракрасной техники, автоматики, теории теплообмена. По вопросам моделирования тепловых режимов КА и окружающей его среды появилось много журнальных публикаций, главным образом, зарубежных, которые периодически по мере накопления новых результатов обобщались в книгах [3, 4, 27, 44].

Если проанализировать историю наземной тепловакуумной отработки отечественной космической техники, акцентируя внимание в первую очередь на методический ее аспект, то можно сделать вывод, что во многих случаях тепловакуумная отработка проводилась далеко не рационально с точки зрения материальных затрат. Это происходило, главным образом, по причине недостаточного внимания к качеству разрабатываемого для проведения тепловой отработки методического обеспечения, что вполне объяснимо, учитывая определенную специфику финансирования в 60 — 90 годы программ космических исследований. Наблюдалось подчас нецелесообразное, а главное, нерационально продолжительное использование дорогостоящих экспериментальных установок, тогда как не менее эффективную наземную отработку можно было провести при значительно меньших материальных затратах, сконцентрировав внимание на создание качественного методического и программного обеспечения проведения экспериментальных исследований, задействовав в необходимой мере имеющуюся у разработчиков космической техники собственную экспериментальную базу, возможно доработав ее в пределах целесообразной возможности и повысив требования к уровню разработок методического обеспечения экспериментальных исследований.

В связи с кардинальным изменением условии создания космической техники, особенно с изменением ситуации в части финансирования, привлекательной становится концепция поотсечной тепловой отработки как крупногабаритных, так и среднеразмерных космических аппаратов (КА), поскольку тепловую отработку отдельных относительно небольших частей КА можно осуществить в некрупных относительно недорогих в эксплуатации экспериментальных установках, при большей свободе выбора этих установок и, что немаловажно, при меньшем влиянии на сроки проведения экспериментальных исследований организационных факторов процесса разработки КА и его систем.

Анализируя конструктивные, радиационно-оптические, энергетические и теплофизические характеристики известных и доступных для изучения отечественных и зарубежных КА, в первую очередь крупногабаритных, можно констатировать, что они, как правило, допускают деление на достаточно независимые в отношении внутреннего теплообмена отсеки, в то время как во внешнем теплообмене взаимное влияние может проявляться и у довольно разобщенных в конструктивном отношении частей. Если первое обстоятельство создает благоприятные условия для реализации метода поотсечной отработки КА, то второе — затрудняет его реализацию.

Однако трудности, обусловленные внешним тепловым взаимным влиянием отдельных частей КА, могут быть преодолены в случае успешного решения нескольких задач, одна из которых заключается в достаточно корректном расчёте внешнего теплообмена КА в условиях его штатной эксплуатации, другая — в достаточно точном воспроизведении расчётных локальных внешних тепловых нагрузках с помощью имеющихся в распоряжении экспериментаторов средств имитации внешних тепловых потоков, например, системы установленных вокруг рабочей зоны экспериментальной установки условно линейчатых или точечных источников лучистых потоков или системы каких-либо излучающих панелей, сетчатых нагревателей и т. п.

Таким образом, для проведения тепловакуумной отработки в наземных экспериментальных установках разработка новых методов обеспечения является актуальной и практически полезной.

Целью диссертации является подготовка методического и программного обеспечения проведения тепловакуумных, вакуумно-температурных и электрических испытаний КА в наземных тепловакуумных установках. Для этого требуется разработка методов решения ряда задач, обеспечивающих в комплексе подготовку испытаний КА в наземных тепловакуумных установках, оснащенных инфракрасными источниками излучения, размещенных вокруг испытуемого объекта.

В связи с изложенным представляется целесообразным в рамках настоящей диссертационной работы поставить следующие основные задачи: Постановка задач исследования.

— провести анализ условий теплообмена КА с окружающей средой;

— на основе проведенногог анализа разработать численные методы расчета внешнего теплообмена космического аппарата, с последующей численной диагностикой возможного эффекта взаимного затенения поверхностей, от исходящего от Солнца и планеты излучения.

— провести анализ приближенных методов физического моделирования внешнего теплообмена КА.

— разработать метод определения энергетического режима работы сетчатых нагревателей;

— разработать метод оптимизации режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок, обеспечивающего максимальную в пределах возможности принятой схемы имитатора точность воспроизведения заданных тепловых нагрузок на поверхность испытуемого объекта.

— реализовать разработанные методы в виде пакета прикладных программ;

— определить области эффективного использования методов и оценить точность результатов разработанных методов.

На защиту выносятся:

1. Метод расчета внешнего теплообмена космического аппарата, с последующей численной диагностикой возможного эффекта взаимного затенения граней, от исходящего от Солнца и планеты излучения.

2. Метод определения энергетического режима работы сетчатых нагревателей.

3. Метод оптимизации режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок, обеспечивающего максимальную в пределах возможности принятой схемы имитатора точность воспроизведения заданных тепловых нагрузок на поверхность испытуемого объекта.

Работа включает в себя 4 раздела.

Первый раздел носит обзорно-аналитический характер. Рассмотрены особенности экспериментального моделирование тепловых режимов КА в условиях, максимально приближенным к натурным. Выявлены технические трудности, несмотря на то, что имитационная техника позволяет воспроизводить каждый из отмеченных факторов космического пространства с достаточной точностью. Также сложности, вызванные тем, что необходима техническая организация совместной работы имитационных систем и испытываемого объекта.

Во втором разделе решались первая задача данной работы.

Теплообмен КА с окружающей средой является важным фактором, определяющим тепловой режим аппарата. Характер внешних источников тепла зависит от участка полета или места расположения КА. В данном разделе рассматриваются внешние тепловые потоки только на этапах орбитального полета и перелета между планетами. Сложный характер поля внешних тепловых потоков, особенности конфигурации поверхности объекта, необходимость учета затенений требующие разработки специальных математических моделей и методов их расчета, обеспечивающих высокую точность, быстродействие и возможность применения современной вычислительной техники.

В результате разработан метод и программа расчёта внешнего теплообмена космического аппарата, с произвольной геометрической формой его наружных поверхностей, исходящего от Солнца и планет излучения с учетом возможного эффекта взаимного затенения.

Методический подход апробирован в процессе расчета распределения локальной плотности потоков излучения, от Солнца и Земли на элементы различных невыпуклых поверхностей, в основном полостейполусферических, цилиндрических, конических. При этом всегда осуществлялась интегральная проверка точности решения задачи.

В третьем разделе рассматривались вопросы, связанные с приближенными методами моделирования внешнего теплообмена КА с помощью инфракрасных источников излучения, таких как условно точечные, условно линейчатые излучатели и сетчатые нагреватели.

Разработчики космической техники используют для тепловой отработки упрощенные, приближенные методы имитации, которые часто не удовлетворяют требованиям по точности моделирования внешнего теплообмена. Используются контактные средства подвода энергии к поверхности испытуемого объекта, например, пленочные конформные электронагреватели, применяют сетчатые излучатели, нерозрачные и полупрозрачные терморегулируемые панели, а также системы излучателей устанавливаемых вокруг испытуемого объекта и выполненных чаще всего в виде условно линейчатых или точечных инфракрасных излучателей.

Во многих случаях использование приближенных методов воспроизведения тепловых нагрузок может приводить к появлению больших погрешностей в тепловом режиме испытуемого объекта. Причины возникновения погрешностей различны в зависимости от особенностей применяемого метода и типа испытуемого объекта. Так точность имитации внешнего теплового воздействия с помощью пленочных конформных электронагревателей ограничена, во-первых, точностью расчета плотности поглощаемого внешней поверхностью КА потока излучения от планеты, а во-вторых, неизбежным изменением теплофизических и радиационных характеристик поверхности испытуемого объекта при установке контактных средств нагрева. Это не только снижает ценность эксперимента, но и может явиться причиной ошибочных выводов по результатам испытаний.

Поэтому основное внимание уделялось решению задачи выбора энергетического режима работы сетчатых нагревателей, используемых для имитации внешних тепловых нагрузок на элементы наружной поверхности космического аппарата и разработке метода определения оптимального режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок, обеспечивающего максимальную в пределах возможности принятой схемы имитатора точность воспроизведения заданных тепловых нагрузок на поверхность испытуемого объекта.

В первом случае разработан и реализован в виде Фортран — программы метод расчета распределения плотности потока излучения, падающего от сетчатого излучателя на элементы непрерывных поверхностей различной формы. Эффективность данного подхода иллюстрируется на примере решения конкретных задач.

Во втором случае разработан и реализован в виде фортран — программы метод определения оптимального режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок. В процессе решения апробирован на модельных задачах.

В качестве облучаемых объектов были выбраны два гипотетических имитатора, которые воспроизводят заданные внешние тепловые нагрузки на три абстрактных испытуемых объекта.

Анализ результатов показывает, что для двух рассматриваемых случаев локальные погрешности отличаются несущественно. Среднеинтегральные погрешности для первого случая не превосходят величину 0,0053, а для второго — 0,0005. Среднеквадратичные погрешности для рассмотренных случаев составляют величины соответственно равные 0,0269 и 0,0195 .

Кратко охарактеризованные результаты работы, в совокупности с положительными результатами экспериментальной ее проверки свидетельствуют о том, что в рамках диссертационной работы решены актуальные задачи:

• расчета внешних тепловых нагрузок на поверхность КА произвольной наружной конфигурации с учетом возможного затенения;

• определения энергетического режима работы сетчатых нагревателей;

• оптимизации режима работы имитаторов внешних тепловых нагрузок.

Рассмотренные в диссертации вопросы могут иметь дальнейшее развитие с целью создания автоматизированного комплекса для расчета и моделирования тепловых режимов КА.

3.6. Выводы.

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 возможная точность воспроизведения расчетных внешних тепловых нагрузок.

Приведенные результаты решения модельных задач свидетельствуют об эффективности рекомендуемого для использования методического подхода и алгоритма оптимизации режима работы имитаторов внешних тепловых нагрузок, выполненных в виде совокупности какихлибо излучателей, установленных вокруг испытуемого объекта на некотором от него расстоянии.

Охарактеризованный методический подход и алгоритм решения задачи оптимизации энергетического режима работы имитатора реализован в виде Фортран-программы, которая использовалась при подготовки методического обеспечения тепловакуумной отработки ряда конкретных объектов.

4. ИЛЛЮСТРАЦИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.

4.1. Термостатироеание изделия «Электро» в вакуумной камере при проведении электрических испытаний.

Представлены результаты исследований в обеспечение осуществления термостатирования с помощью инфракрасного имитатора (ИКИ) изделия «ЭЛЕКТРО» в процессе проведения его комплексных электрических испытаний в вакуумной камере ВК600/300. Для проведения данных испытаний модули ИКИ размещаются в соответствии с приведенной на рис. 4.1 и рис. 4.2 схемой. При этом 72 модуля расположены вдоль образующих поверхности кругового цилиндра, соосного с вакуумной. Это так называемые боковые или вертикально расположенные модули.

Рис. 4.1. Схема размещения модулей ИКИ.

Рис. 4.2. Схема размещения торцевых модулей ИКИ.

Кроме того, будут использоваться и 10 торцевых модулей, размещаемых в плоскости, перпендикулярной оси камеры, и предназначенных для термостатирования донной части испытуемого объекта. В имитаторе используются модули метровой и двухметровой длины. Боковые модули расположены в три яруса по высоте. В каждом ярусе по 24 расположенных равномерно по окружности модуля. Модули первого яруса имеют длину 2 м.

Нижние их концы находятся над плоскостью опорно-поворотного стола на расстоянии 1 м. Боковые модули второго яруса сосны с модулями первого яруса и имеют длину 1 м. Модули третьего яруса имеют длину 2 м.

Геометрическая модель испытуемого объекта, используемая для определения оптимального энергетического режима работы ИКИ заменялась.

V/ Л совокупностью цилиндрическои поверхности с диаметром 3 м и двумя торцевыми поверхностями, имеющими форму круга с диаметром 3 м. Высота цилиндрической поверхности принималась равной 1.5 м.

Методический подход реализовывался для различных уровней температур термостатирования (-10- 0- 10- 20- 30 в град. С) выявлены оптимальные значения подводимой к каждому модулю имитатора электрической мощности и определены погрешности воспроизведения требуемых температур рис. 4.3.

Расчеты проводились для двух возможных режимов работы имитатора:

1) отслеживается приоритет датчиков плотности тепловых потоков путем наделения соответствующих им элементарных площадок высокими значениями весовых коэффициентов и заданием для остальных 1200 элементов малых значений этих коэффициентов;

2) все 1218 тепловоспринимающих элементов наделяются одинаковыми весовыми коэффициентами, то есть датчикам плотности не отдается предпочтение при выборе режима работы имитатора. Результаты расчетов представлены в виде графиков см. рис. 4.4.

Т—10 с.

1 23 456 789 10 Номер торцевого модуля.

— Подводимые к модулям имитатора мои"юсти (Вт).

ТМОС.

Вт.

23 456 789 10 Номер торцевого модуля.

— Подводимые к модулям имитатора мощности (Вт) |.

Рис. 4.3 Оптимальные значения подводимой к каждому модулю имитатора электрической мощности.

3000 2500 2000 1500 1000 500 0.

1 а 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 Номер вертикального модуля.

— Гсдводкмье «модулам им|» этсоа мои^ост/ Вт).

2000 1500 1000 500 О д /.

Л-д.

1 2 3 4 5 6 7 8 Номер торцевого модуля 9 10.

— ГЬдводимые к модулям имитатора м0и*ости (Вт).

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 О.

1 4 7 10 13 16 19 72 25 28 31 34 37 40 «46 49 52 55 58 61 64 67 70 Номер исртикального модуля.

— Падводдмые к модулям имитатора мои^ост* (Зт).

1234 $ 6789 Ю Номер торцевого модули иад}!"ч, т^г'а':^" «ъл^осл*.

1 4 7 10 13 16 15 22 25 28 31 34 37 40 43 46 <9 52 65 Номер цортикальиого модуля.

— ГЬдаодимыа к модуля" имтатора «оиност* (Вт).

123 456 789 1011 1213 14 151 617 18 1920 Номер торцового модуля.

— Подоодимыи к модулям имитатора моц^ости (Вт).

2500 2000 1500 1000 500 0.

Г д (д, А А > /.

ЛЛ.АЛАЛа Шч 1 **.

1 4 7 10 13 16 13 22 25 28 31 34 37 40 43 46 45 52 55 58 61 64 б' 70 Номоо вертикального модуля.

— Подводимые «модулям имктатсоа моилостм (Вт).

1400 1200 1000 800 еоо.

400 200 о.

1234 56 789 10 Номер торцевого модул".

Гс^с&гмме кмодугам малйтэр" здйи^лдл*. 4В1).

Рис. 4.3 (Продолжение) Оптимальные значения подводимой к каждому модулю имитатора электрической мощности.

1 4 7 10 13 И 19 а «2» м, а 3? «о и «М И И 6! 6< 67 70 Номер вертикального модуля.

— ГЬдвозпмые ¿-модулям им. татора моц^юсти (Вт).

Номер торцевого модуля.

ГЪдаедимыа к модулям имитатора моь^ости {Вт).

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 О.

1 4 7 10 13 16 19 22 25 23 31 34 37 40 43 46 45 52 55 55 61 64 67 70 Номер вертикального модуля.

— Псщцодимме к модулям имитатора мои4<�ости (Вт).

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 Номер вертикального модуля —•—ГЪдаодимые к модулям имитатора моц*<�ости ¡-8т)|.

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200.

1 23 456 769 10 Номер торцевого модуля.

Гсдвгдимые к модулям имитатора мощюеги |Вт|.

-.- / д.

Ц, А Г 1 — -1 — Л р=£ У.

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0.

1 м I шзпяшш н.

— т.

1 4 7 10 13 16 10 22 25 26 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 Номер вертикального модули [ —*— Подаодимрр к модулей имитатора моцлости (8т).

2000 1600 1000 500 О.

123 456 789 10 11 Номер торцевого модули Гкздвздимьё к модулям имитатора мо^ости (Вт) I.

Рис. 4.3 (Продолжение) Оптимальные значения подводимой к каждому модулю имитатора электрической мощности.

Рис. 4.-1. I Ки роишисI и иоспроишс. юппя |роосмы. гсмисра1>р