Имитация солнечного излучения в термовакуумных установках

Внешние тепловые потоки, действующие на космический аппарат. Общие сведения и устройство оптических систем вакуумных установок. Спектры солнечного излучения. Классификация имитаторов солнечного излучения. Физические принципы использования имитаторов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Трудно переоценить влияние солнечной радиации на процессы, протекающие в природной и техногенной средах, поэтому испытаниям на воздействие солнечного излучения подвергают изделия и материалы от самых простейших до космических аппаратов и их систем. Проведение испытаний в натурных условиях часто оказывается невозможно или слишком дорого по причинам сложности поддержания одних и тех же условий при проведении серии экспериментов; работы в режиме реального времени, что неоправданно удлиняет сроки испытаний. Эти трудности многократно возрастают при комбинированных воздействиях.

Для того чтобы ракеты-носители, а также космические аппараты удовлетворяли требованиям надежности, долговечности и работоспособности, на Земле они тщательно и всесторонне испытываются в условиях, максимально соответствующих имеющимся при запуске и в ходе орбитального полета. Специалистов, в частности, интересуют ответы на вопрос о том, как приборы перенесут вибрацию и перегрузки, какова степень герметичности аппаратов, как работает система единого питания, как ведут себя различные материалы в глубоком вакууме при экстремальных температурах и многое другое.

1. Внешние тепловые потоки, действующие на космический аппарат

1.1 Тепловые потоки

В космическом пространстве КА подвергается тепловому воздействию.

Корпускулярное излучение - потоки электрически заряженных частиц высокой энергии (ядер атомов химических элементов, электронов и протонов) солнечного или галактического происхождения.

В околоземном пространстве корпускулярное излучение наблюдается в виде солнечного ветра, солнечного и галактического космического излучений и излучения радиационного пояса Земли.

Солнечный ветер - непрерывное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, содержит ~90% протонов, ~9% ядер гелия и 1% других более тяжелых ионов. В последнее время под солнечным ветром подразумевают измеряемый вблизи Земли поток частиц солнечного происхождения с энергией до 10^6 эВ.

Солнечное космическое излучение (СКИ) - интенсивные потоки частиц высокой (от 10^6 до 2*10^10 эВ) энергии, генерируемые Солнцем во время сильных вспышек. В состав СКИ входят в основном протоны, обнаружены также ядра с зарядом z>2 и электроны с >40 кэВ.

Сильные вспышки сравнительно редки и длятся не более суток, но в это время именно СКИ определяют радиационную обстановку в межпланетном пространстве.

Галактическое космическое излучение (ГКИ) - потоки частиц, возникающие вне пределов Солнечной системы и состоящие из ~94% протонов, ~5,5% ядер гелия и небольшого количества тяжелых ядер. Средняя энергия частиц ГКИ, наблюдаемых около Земли, составляет 10^10 эВ, причем энергия некоторых из них может достигать 10^20 эВ и выше, т.е. во много раз превосходит максимальную энергию, полученную на Земле с помощью ускорителей заряженных частиц. Поток частиц движется движется с релятивистскими (близкими к скорости света) скоростями. Его интенсивность практически одинакова во всех направлениях, увеличивается по мере удаления от Солнца.

По своей проникающей способности галактические космические лучи превосходят все другие виды излучений, кроме нейтрино.

Приборы, расположенные на КА, существенно влияют на температурный баланс.

Важное место в наземной отработке космических аппаратов занимает изучение их теплового режима. Жесткие весовые и энергетические ограничения заставляют конструкторов создавать системы терморегулирования без существенных запасов хладо -- или теплопроизводительности. В этих условиях даже незначительные ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, что тепловой режим космического аппарата не будет выдержан в заданных пределах и вызовет выход из строя элементов бортовой аппаратуры.

Радиотехническая, фотографическая, энергетическая другая научная аппаратура, устанавливаемая внутри снаружи станции, потребует поддержания вполне определенной температуры. Большинство элементов современного авиационного и космического оборудования рассчитано на температуры от -60 до +50°С, но некоторые космические приборы нуждаются в еще более узком диапазоне температур.

Как показано на рис. 1, особенности теплового режима (даже в рамках допустимого диапазона) сильно влияют на надежность космического аппарата. Наименьшее число отказов наблюдается при нормальной, комнатной температуре. С ее понижением число отказов возрастает, становясь значительным при пониженных температурах и особенно большим при повышенных.



Рис. 1. Зависимость количества отказов приборов 11 космических аппаратов от окружающей температуры: 1 -- комнатная температура; 2 -- фаза перехода от максимально допустимой к минимально допустимой температуры приборов; 3 -- минимально допустимая температура приборов; 4 -- максимально допустимая температура приборов.

Солнце производит лучи в диапазоне от инфракрасного до жесткого ультрафиолетового излучения. Фоновое космическое излучение состоит из рентгеновских и гамма лучей, а также частиц высоких энергий.

1.2 Спектры солнечного излучения

Оптическая область спектра электромагнитные излучений состоит из трех участков: невидимых ультрафиолетовых излучений (длина волн 10--400 нм), видимых световых излучений (длина волн 400--750 нм), воспринимаемых глазом как свет и невидимых инфракрасных излучений (длина волн 740 нм -- 1--2 мм).

Световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяют на простые (монохроматические) и сложные. Излучение с определенной длиной волны называют монохроматическим.

Спектр -- последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания.

При разложении белого света призмой в непрерывный спектр цвета в нем постепенно переходят один в другой. Принято считать, что в некоторых границах длин волн (нм) излучения имеют следующие цвета:

390--440 - фиолетовый

440--480 - синий

480--510 - голубой

510--550 - зеленый

550--575 - желто-зеленый

575--585 - желтый

585--620 - оранжевый

630--770 - красный

Различают три зоны излучения: сине-фиолетовая (длина волн 400--490 нм), зеленая (длина 490--570 нм) и красная (длина 580--720 нм). Свет, излучаемый обычными источниками, а также свет, отраженный от несветящихся тел, всегда имеет сложный спектральный состав, т. е. - состоит из суммы различных монохроматических излучений.

2. Моделирующие установки

2.1 Общие сведения и устройство барокамер

Для проведения тепловых испытаний на Земле в специальных барокамерах (рис. 2) воспроизводятся некоторые условия космического пространства, прежде всего давление, температура и солнечная радиация. В полной мере имитация этих условий сложна, поэтому на практике обычно ограничиваются той или иной степенью приближения. Так, например, уже при давлении 10-8-10-10 кгс/см2 теплопроводность газов становится пренебрежимо малой, и ею можно пренебречь. Отвод тепла от космического аппарата в окружающую среду в этом случае будет происходить так же, как и в космосе, -- только излучением.

Температура космического пространства с достаточной для практических целей точностью имитируется путем охлаждения внутренних стенок (экранов) барокамер жидким азотом (77 К). Изнутри эти экраны покрывают специальными покрытиями, обеспечивающими степень их черноты, близкую к единице. Это делается для того, чтобы излучаемый объектом тепловой поток поглощался стенкой, а не отражался ею обратно на объект.

Вообще говоря, ряд специалистов считает, что имитация истинных условий космоса, возможно, никогда не будет достигнута, но любая степень приближения к ним стоит затраченных усилий. Однако на практике всегда ограничиваются разумной степенью приближения, определяемой некоторым пересечением технической осуществимости и экономической целесообразности создания наземных экспериментальных установок.

На начальном этапе развития космонавтики наземная экспериментальная база была сравнительно слабой. В США, например, первая установка, предназначенная для проведения тепловых испытаний космических аппаратов, построена только в 1958 г. и была весьма примитивной. Она представляла собой камеру диаметром 2,4 м и длиной 4,6 м. Ее экраны охлаждались протекавшим по ним жидким азотом. С помощью трех механических и одного диффузионного насосов в ней можно было поддерживать давление порядка 10-11-10-12 кг/см2. Имитация внешнего теплового потока, поступавшего на установленный в камере аппарат, производилась с помощью инфракрасных нагревателей, количественно воспроизводивших потоки, вычисленные аналитически.

Практический опыт, однако, вскоре показал, что экспериментальная техника должна быть более совершенной прежде всего в аспекте имитации внешних тепловых потоков. В результате в 60-е годы в разных странах начали проводиться работы по созданию имитаторов солнечного излучения. Их применение, кроме более полного исследования тепловых режимов космических аппаратов, позволяло также решать широкий круг других весьма важных задач: испытывать оптические приборы системы ориентации и солнечные батареи, снабжающие аппарат электрической энергией, изучать влияние излучения Солнца на свойства материалов и т.д.



Рис. 2. Схема барокамеры [правая половина условно повернута на 45 градусо...