Способ управления процессом имитации солнечного облучения космических объектов инфракрасными излучателями и система для его осуществления

 

Изобретение относится к области наземной отработки космических объектов, в частности термовакуумных испытаний. Предлагаемый способ включает помещение объекта в вакуумную камеру и его облучение инфракрасным излучением. Тепловой поток от излучателей измеряют в местах установки на объекте датчиков. Датчики предварительно оттарированы оптическим имитатором Солнца. Сравнивают величину измеренного теплового потока с величиной излучения указанного имитатора. При неравенстве этих величин регулируют поток от инфракрасных излучателей. Предлагаемая система содержит вакуумную камеру с криогенными экранами, инфракрасные излучатели, оттарированные датчики их теплового потока, блоки сравнения и управления мощностью инфракрасных излучателей, а также задатчик потока. Причем выходы датчиков и задатчика соединены с блоком сравнения, а выход последнего - с указанным блоком управления. Изобретение направлено на повышение достоверности испытаний при сохранении их простоты и дешевизны. 2 с.п. ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к тепловакуумным испытаниям космических объектов ( КО ) в условиях, приближенных к эксплуатации КО в открытом космическом пространстве, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к вопросам теоретических и экспериментальных исследований излучательных, поглощательных и отражательных характеристик энергетических аппаратов, изготовленных из различных материалов или имеющих разные покрытия; проблемам теплопередачи через контакты между отдельными поверхностями; методам расчета теплопередачи в сложных системах, где кроме тепловыделений, происходящих внутри экспериментальной установки, необходимо учитывать внешнее тепловое облучение соседними тепловыми агрегатами или взаимное облучение отдельных частей тела установки при сложной его форме.

Известны способы управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями, заключающиеся в регулировании интенсивности облучения поверхности объекта в соответствии с величиной, эквивалентной солнечному излучению, которую определяют расчетным путем (см. с. 138÷141; 267÷271; 331÷332. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. / Под редакцией академика Г.И.Петрова, М.: Машиностроение, 1971 г.).

Известны системы управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями, содержащие вакуумную камеру с устройством охлаждения ее стенок, где излучателями таких имитаторов служат нагреваемые электрическим током металлические ленты, стержни, трубки, диски, а также йодовольфрамовые лампы в виде сферических колб или удлиненных цилиндров, где интенсивность излучения регулируют по показаниям поверхностных температурных датчиков испытуемого объекта (см. рис.3.14. на с.139; рис.3.16. на с.140; с. 267. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. / Под редакцией академика Г.И. Петрова. М.: Машиностроение, 1971 г.).

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым способу и системе управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями являются система управления и способ, реализованные на установке HIVOS фирмы "Локхид", Space Aeponautics, 1961, No.7, содержащей вакуумную камеру с КО, установленным внутри нее, систему вакуумирования, подсоединенную к вакуумной камере, устройство охлаждения стенок вакуумной камеры, инфракрасные излучатели имитатора солнечного излучения, выполненные из кварцевых ламп с вольфрамовой нитью накала, смонтированных в два ряда на полированных алюминиевых рефлекторах, причем излучатели имитатора разделены на зоны, каждая из которых управляется раздельно.

Управление процессом имитации солнечного облучения каждой зоны производят регулировкой мощности излучателей по заданным значениям температурных датчиков объекта, величины которых определяются расчетным путем в соответствии с суммарным излучением от Солнца и планеты для заданной конфигурации внешней оболочки испытуемого КО.

Схема поперечного сечения имитатора тепловых потоков в установке HIVOS приведена на рис.4.31., с. 270. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. / Под редакцией академика Г.И. Петрова. М.: Машиностроение, 1971 г.

Данный способ и система управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями принят за прототип.

Недостаток аналогов и прототипа заключается в неточности имитации натурных условий солнечного облучения КО, которая приводит к недостоверным результатам тепловых испытаний.

Неточность имитации обуславливается тем, что расчетные методы определения величины солнечного облучения КО инфракрасными излучателями, как правило, приводят к большим погрешностям из-за несовершенства методик расчета, которые не отражают: а) влияния непараллельности лучей имитируемого солнечного потока; б) неадекватность спектра источников инфракрасного излучения спектральному составу солнечного излучения; в) неоднородность плотности потока излучения; г) отражение "солнечных" лучей от теплопоглощающих экранов и поверхностей КО, расположенных вблизи зоны облучения.

Техническим результатом предлагаемых способа и системы управления является увеличение достоверности тепловых испытаний за счет применения более точного и надежного способа управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями с одновременной простотой и дешевизной системы управления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что: - в предлагаемом способе управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями, включающем помещение КО в вакуумную камеру и облучение объекта инфракрасным излучением, измеряют величину теплового потока от инфракрасных излучателей, по тарировочным характеристикам сравнивают ее с значением теплового потока, соответствующего заданному солнечному излучению, и при неравенстве этих значений регулируют величину теплового потока от инфракрасных излучателей; - в предлагаемой системе управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями, содержащей вакуумную камеру с устройством охлаждения ее стенок и инфракрасные излучатели, введены датчики теплового потока, задатчик значения теплового потока от солнечного источника, при этом выходы датчиков теплового потока и вышеупомянутого задатчика соединены с блоком сравнения потоков, выход из которого подключен к блоку управления мощностью инфракрасных излучателей.

На чертеже представлена функциональная схема системы управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями, где: 1 - стенка цилиндрической вакуумной камеры; 2 - теплопоглотитель с криогенными экранами (устройство охлаждения стенок вакуумной камеры); 3 - космический объект (КО);
4 - экрановакуумная теплоизоляция КО;
5÷9 - инфракрасные излучатели;
10÷11 - датчики теплового потока;
12÷15 - экраны;
16 - задатчик значения теплового потока;
17 - блок сравнения потоков (заданного и измеренного);
18 - блок управления мощностью инфракрасных излучателей.

Система управления процессом имитации солнечного облучения КО 3, размещенного внутри вакуумной камеры 1, оснащенной теплопоглотителем с криогенными экранами 2 и инфракрасными излучателями 5÷9, разделенными экранами 12÷15 на две секции, каждая из которых управляется раздельно, содержит датчики теплового потока 10 и 11, установленные на поверхностях облучения КО, защищенных экрановакуумной теплоизоляцией 4, и задатчик значения теплового потока 16 от "солнечного" источника, выходы из которых соединяют с блоком сравнения потоков 17, подключенному к блоку управления мощностью инфракрасных излучателей 18.

Процесс имитации солнечного облучения КО 3, размещенного внутри вакуумной камеры 1, оснащенной теплопоглотителями с криогенными экранами 2 и инфракрасными излучателями 5÷9, осуществляется следующим образом.

На облучаемые поверхности КО 3 устанавливают датчики теплового потока 10 и 11 с оптическими коэффициентами рабочих поверхностей, соответствующими оптическим коэффициентам облучаемых поверхностей П₁ и П₂ КО 3, т.е.:


где A_s и ε - коэффициент поглощения солнечного излучения и степень черноты облучаемой поверхности.

Каждый датчик имеет свою сравнительную тарировочную характеристику, полученную при поочередном совместном облучении различной мощностью датчика с образцом-имитатором поверхности облучения оптическим имитатором Солнца и инфракрасными излучателями в условиях, приближенных к эксплуатации в открытом космическом пространстве. Результаты тарировки вводят в задатчик значения теплового потока 16, который алгоритмическим путем выдает величину температуры на датчике теплового потока Т_задан., соответствующую той, которая возникает при облучении рабочей поверхности датчика теплового потока с заданными коэффициентами A_s и ε инфракрасными излучателями определенной мощности, эквивалентной заданной мощности имитатора солнечного излучения, спектр лучистого потока которого максимально приближен к спектру естественного Солнца.

При поочередном облучении поверхностей облучения П₁ и П₂ КО 3 соответствующей секцией инфракрасных излучателей 5÷9 значения температур Т_1измер.и Т_2измер., измеряемых датчиками теплового потока 10 и 11 в виде электрических сигналов поступают в блок сравнения потоков (заданного и измеренного) 17, где происходит их идентификация с электрическими сигналами от задатчика значения теплового потока 16, соответствующими заданным значениям температур Т_1задан. и Т_2задан., определяемых алгоритмическим путем в зависимости от заданных оптических коэффициентов облучаемых поверхностей (A_s1 и ε₁;A_s2 и ε₂) и заданного значения мощности теплового потока N_задан. излучения Солнца.

В результате идентификации сигналов от датчиков теплового потока 10 и 11 и от задатчика значения теплового потока 16 блок сравнения потоков 17 выдает сигнал в блок управления мощностью инфракрасных излучателей 18, с помощью которого регулируют мощность каждой секции инфракрасных излучателей.

Использование предлагаемого способа и системы управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями дает следующие положительные результаты:
а) увеличение достоверности тепловых испытаний за счет применения более точного способа управления процессом имитации солнечного облучения КО инфракрасными излучателями, которое достигается посредством установки на облучаемые поверхности КО датчиков теплового потока и введением в систему управления задатчика значения теплового потока от "солнечного" источника, блока сравнения потоков (заданного и измеренного) и блока управления мощностью инфракрасных излучателей, с помощью которых измеренная величина теплового потока от инфракрасных излучателей (в температурном эквиваленте) сравнивается с значением теплового потока, соответствующим заданному "солнечному" излучению, и при неравенстве этих значений осуществляется регулировка теплового потока от инфракрасных излучателей.

б) обеспечение высокой динамичности системы управления процессом имитации солнечного облучения, позволяющей с большой точностью воспроизводить рост значения температур облучаемых поверхностей в зависимости от времени облучения инфракрасными излучателями мощностью, эквивалентной заданной мощности излучения Солнца, что достигается за счет введения в задатчик значения тепловых потоков динамических тарировочных характеристик датчиков теплового потока;
обеспечение высокой динамичности системы управления процессом имитации солнечного облучения играет большую роль при моделировании неустановившихся тепловых процессах, обусловленных частой сменой ориентации КО относительно Солнца или пассивным полетом вокруг Земли, где в течение одного витка КО 1час находится на "солнце" и 30 минут в "тени";
в) автоматизация управления процессом имитации солнечного облучения;
г) простота и дешевизна способа управления процессом имитации солнечного облучения, надежность системы управления в эксплуатации;
д) возможность проведения тепловых испытаний космических аппаратов большой, средней и малой размерности в более экономичном режиме, чем при использовании дорогостоящих и сложных оптических имитаторов солнечного излучения.

Предлагаемые способ и система управления процессом имитации солнечного облучения инфракрасными излучателями может иметь широкое практическое применение для получения экспериментальных данных при решении проблем, связанных с обеспечением теплового режима аппаратов, находящихся в открытом космическом пространстве; для решения проблем теплопередачи через контакты между отдельными поверхностями; для получения методик расчета теплопередачи в сложных космических системах; для решения проблем переноса тепла через многослойную экрановакуумную изоляцию, а также для исследования элементов системы терморегулирования космических аппаратов.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом имитации солнечного облучения космических объектов инфракрасными излучателями, включающий помещение космического объекта в вакуумную камеру, облучение космического объекта инфракрасным излучением, отличающийся тем, что измеряют величину теплового потока от излучателей в местах установки датчиков теплового потока на космическом объекте, имеющих оптические коэффициенты рабочих поверхностей, соответствующие оптическим коэффициентам облучаемых поверхностей космического объекта и предварительно оттарированных оптическим имитатором Солнца и инфракрасными излучателями, сравнивают указанную величину с величиной теплового потока, соответствующей излучению указанного имитатора, и при неравенстве этих значений регулируют величину потока инфракрасных излучателей.

2. Система управления процессом имитации солнечного облучения космических объектов инфракрасными излучателями, содержащая вакуумную камеру, оборудованную теплопоглотителем с криогенными экранами, инфракрасные излучатели, отличающаяся тем, что в нее введены датчики теплового потока, установленные на облучаемых поверхностях космического объекта, задатчик значения теплового потока от солнечного источника, при этом выходы датчиков теплового потока и вышеупомянутого задатчика соединены с блоком сравнения потоков от инфракрасных излучателей и солнечного источника, а выход этого блока сравнения подключен к блоку управления мощностью инфракрасных излучателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1