Наземная отработка космического аппарата, в частности тепловая, является одним из важнейших этапов его создания. Если проанализировать историю наземной тепловой отработки отечественной космической техники, акцентируя внимание в первую очередь на методический ее аспект, то можно сделать следующий вывод: во многих случаях тепловая 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. Это вполне объяснимо, учитывая определенную специфику финансирования в 60–90-е годы прошедшего столетия программ космических исследований. Тогда наблюдалось подчас нецелесообразное, а главное, нерационально продолжительное использование дорогостоящих экспериментальных установок. Не менее эффективную наземную отработку можно было провести при значительно меньших материальных затратах, сконцентрировав внимание на создании качественного методического и программного обеспечения проведения экспериментальных исследований. Необходимо было задействовать в необходимой мере имеющуюся у разработчиков космической техники собственную экспериментальную базу, доработав ее в пределах целесообразной возможности и повысив требования к уровню разработок методического обеспечения экспериментальных исследований.
Ключевые слова: производство, эффективность, оборудование, оптимизация, процесс, контроль качества, решение задач
Различные способы физического моделирования внешних тепловых нагрузок на поверхность КА можно разделить на два класса (рисунок 1).
В данной работе рассматриваются только приближенные способы экспериментального моделирования расчетных значений внешних тепловых нагрузок на поверхность КА.
Имитаторы модульного типа с линейчатыми излучателями
Имитаторы выполняются чаще всего в виде совокупности линейчатых модулей, располагающихся вдоль образующих поверхности кругового цилиндра и на торцевых панелях ферменной конструкции. В состав модуля входят излучатель, отражатель, а может входить и теплоизоляция.
В качестве излучателей могут использоваться токопроводящие и нагреваемые электрическим током ленты, полые керамические стержни с встроенными в них электронагревателями, тонкостенные трубы с внешними проволочными нагревателями, сетчатые нагреватели, инфракрасные кварцевые лампы накаливания, в которых главными источниками инфракрасного излучения являются вольфрамовая спираль и кварцевая колба и т. п.
Что касается отражателей и теплоизоляции, которые могут входить в состав модуля, то они используются в основном для увеличения коэффициента полезного использования подводимой к имитатору энергии и, таким образом, снижения нагрузки на криогенную систему установки.
Геометрический вид отражателей главным образом определяется видом излучателя, технологическими и производственными возможностями реализации, а кроме того определенными соображениями методического характера, в первую очередь стремлением никак не портить качество моделирования радиационных свойств космического пространства. Плоскость отражателя может иметь плоскую форму, либо форму цилиндрической поверхности с разной формой направляющей линии. К отражателям не предъявляются специальные требования по формированию индикатрис излучения, отличающихся от диффузных. С финансовой точки зрения предпочтительны отражатели, обеспечивающие излучение модулями энергии излучения только лишь по направлению рабочей области установки. В случае если рассматривать вопрос об использовании отражателей не только лишь в финансовом аспекте, но и с учетом воздействия их на достоверность моделирования идеальных поглощательных качеств космического пространства, в таком случае конкретного заключения при едином анализе вопроса получить не получается, вследствие того, что при этом рассмотрении существенную роль играют такие факторы как характерные черты испытуемого объекта (геометрические, радиационные свойства внешних поверхностей, свойства системы обеспечения теплового режима, условия эксплуатации, требования к тепловому режиму, циклограммам внутренних тепловыделений), длительность тестирований, тип обеспечения тепловакуумной установки криогенным хладоносителем и т. д. Но практическая деятельность эксплуатации имитаторов рассматриваемого класса с модулями, в структуру каковых входят отражатели с площадью выходного сечения, в некоторое количество раз превышающей площадь плоскости излучателя, свидетельствует о возникновении в установке в ряде случаев потоков фонового испускания с неприемлемо огромной плотностью. В данных случаях применение отражателей является неразумным, а с целью снижения издержек энергии возможно применять экранно-вакуумную теплоизоляцию на основе никелевой фольги, экранирующую излучатель с внешней стороны, то есть со стороны криогенных экранов.
Рассматриваемые имитаторы интересны своей сравнительной конструктивной простотой и экономичностью, а благодаря довольно большому количеству излучающих модулей с независимым питанием они позволяют с оптимальной точностью воссоздавать внешние тепловые нагрузки, монотонно изменяющиеся по поверхности объекта.
Монотонный тип изменения этих нагрузок может быть определен общим влиянием определенных факторов (рисунок 2).
Рис. 2. Факторы, обуславливающие монотонный вид изменения нагрузок
В случае объектов с вогнутой формой или неоднородными характеристиками внешних поверхностей, а кроме того, в случае немонотонного распределения внешних тепловых нагрузок по плоскости объекта появляются значительные ошибки моделирования, иногда довольно большие.
Эти погрешности в основном обусловлены слишком большим удлинением их модулей (по сравнению с расстоянием до тестируемого объекта), что определяет назначение таких тренажеров в качестве имитаторов расчетного теплового воздействия на объекты в большей степени с линейной формой внешних плоскостей.
На приведенном ниже рисунке 3 в качестве примера представлена заимствованная из схема инфракрасного имитатора с условно линейчатыми излучателями, установленными на цилиндрическом каркасе и в торцевых плоскостях.
Рис. 3. Схема ИКИ с линейными источниками лучистой энергии: 1 — стенка камеры, 2- объект испытаний, 3 — боковые излучатели, 4 — азотные экраны, 5, 6 — торцевые излучатели
Инфракрасные имитаторы модульного типа с условно точечными излучателями
Инфракрасные имитаторы, используемые в крупных тепловакуумных установках, имеют, как правило, обычные линейные излучатели. Такого рода излучатели сужают область эффективного использования инфракрасных тренажеров, в то время как тренажеры с условно точечными излучателями имели бы преимущества перед ними, если бы тестируемый объект имел сложную форму внешней плоскости. По этой причине важной считается задача создания имитатора с условно точечными излучателями, в котором, используя простые в использовании источники энергии, эта энергия подается на излучающие элементы модуля, испускающего излучение в инфракрасной полосе спектра в сторону тестируемого объекта.
В идеале излучатели таких тренажеров должны демонстрировать плоскую черную пластину, масштаб которой незначителен по сравнению с расстоянием до тестируемого объекта. Однако возникает вопрос о подаче тепловой энергии на эту пластину, температура которой может быть довольно высокой (до 1000 К). Безусловно, можно подавать энергию с помощью электрической спирали, прикрепленной изнутри пластины, однако в этом случае возникают конструктивные трудности, связанные с организацией подачи энергии, обеспечением электрической изоляции и теплоизоляции внутренней стороны излучающей пластины и т. д.
Из всех известных источников излучения, рассчитывающих, по крайней мере в некоторой степени, на роль источников инфракрасного излучения, кварцевые галогенные лампы накаливания считаются наиболее спорными. Благодаря широкому применению в светотехнике, технологических процессах, экспериментальном оборудовании, при прочностных и тепловых испытаниях теплонагруженных конструкций кварцевые галогенные лампы накаливания серийно производятся в нашей промышленности и за рубежом в большом ассортименте. Они обладают абсолютными преимуществами в качестве источников излучения:
- относительная простота в эксплуатации;
- высокая светоотдача;
- отсутствие загрязняющих эффектов от нагревательных элементов.
Однако, тем не менее, в литературе кварцевые галогенные лампы накаливания довольно настойчиво представлены в качестве подходящих источников излучения для инфракрасных имитаторов внешних тепловых нагрузок. Такой подход к кварцевым галогенным лампам неверен, поскольку спектральный состав таких ламп создается за счет сложного теплообмена в излучающей системе, содержащей вольфрамовую нить с электрическим приводом, нагретый газ, заполняющий колбу (аргон и пары йода), кварцевую колбу, которая обладает значительным коэффициентом пропускания в краткосрочной перспективе.-волновая область теплового спектра ( (0,2;2,5) мкм и низкая пропускная способность в инфракрасной области спектра ( 3 мкм), самостоятельно нагревается и становится заметным источником излучение в средневолновой части инфракрасной области спектра. По этой причине спектр излучения кварцевых галогенных ламп можно условно рассматривать как комплекс из 3-х компонентов, смещенных друг относительно друга по длине волны . Некоторые из этих элементов и степень смещения, безусловно, изменятся в зависимости от температуры вольфрамовой спирали и, следовательно, от электрической мощности, подаваемой на лампу. По этой причине для несерых теплочувствительных поверхностей испытуемого объекта этот факт неизбежно приведет к ошибкам в воспроизведении рассчитанных внешних тепловых нагрузок в эксперименте и, таким образом, к ошибкам в экспериментальном определении теплового состояния испытуемого объекта.
Приведенные выше соображения, касающиеся особенностей спектрального состава кварцевых галогенных ламп накаливания, носят качественный характер. По этой причине вопрос о целесообразности использования таких ламп заслуживает самого тщательного рассмотрения.
Литература:
- Алифанов О. М. Обратные задачи теплообмена. –М.: Машиностроение, 1988. — 280 c.
- Алифанов О. М., Артюхин Е. А., Румянцев С. В. Экстремальные методы решения некорректных задач. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 288 с.
