Рис. 1 - схема Кассегрена; схема Ньютона; схема Грегори

Использование вторичных зеркал, устраняя главный недостаток осевых схем, порождает дополнительную проблему - охлаждение зеркал, подвергающихся воздействию лучистых потоков большой плотности.

Из отмеченных классических схем наиболее популярна кассегреновская система, состоящая в классическом варианте из первичного (основного) параболоидного зеркала и выпуклого (рассеивающего) гиперболоидного вторичного зеркала.

Неосевые схемы.

Если точечный источник излучения расположить в фокусе параболоида вращения и в качестве коллиматора взять часть зеркальной поверхности этого параболоида, расположенную в стороне от его оси симметрии (оси вращения), то полученная таким образом излучающая система (система Гершеля) будет обладать рядом положительных особенностей, благодаря которым ее можно использовать для имитации потока излучения Солнца. Отметим эти особенности:

- Источник излучения не затеняет поток излучения, исходящий от зеркала в сторону рабочей зоны тепловакуумной установки.

- На некотором удалении от зеркала имеется зона (объем), обладающим тем свойством, что излучение, исходящее из этой зоны и падающее на зеркало, после переотражения вновь в рабочую зону не возвращается (см. Рис.2).

- Число оптических элементов является минимальным.

Рис.2 Схема Гершеля.

Но рассматриваемая схема обладает недостатком, который заключается в том, что при точечном источнике излучения с независимой от направления интенсивностью плотность параллельного потока излучения по сечению пучка является переменной величиной. Наибольшая плотность потока излучения будет иметь место в области, расположенной ближе к оси симметрии параболоида, наименьшая - в наиболее удаленных от оси симметрии зонах. Очевидно, что степень неоднородности потока излучения по сечению пучка будет зависеть от величины апертурного угла . В большинстве имитаторов, в которых реализована неосевая схема, этот угол является небольшим, что достигается обычно за счет увеличения размеров тепловакуумной установки в целом или ее оптического отсека.

Известно значительное количество вариантов конструктивной реализации неосевой схемы имитатора солнечного излучения. В основном принципиальное их отличие заключается в особенностях оптических схем осветительной части, в которой формируется лучистый поток, падающий после прохождения через входные оптические блоки, например, входные линзы на проекционные зеркала - чаще всего параболоидные, хотя известны и случаи использования сферических зеркал.

Следует заметить, что крупные зеркала сложно изготовит сплошными. Проще выполнить их в виде совокупности плотно уложенных криволинейных или плоских зеркальных элементов (фасет). Однако замена сплошного зеркала фасеточным приводит к появлению дополнительных погрешностей. Уровень этих погрешностей зависит от формы поверхности фасет, относительных их размеров, конструкции каркаса зеркала, условий охлаждения элементов конструкции, качества юстировки, то есть от множества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

---

Схемы с внутрикамерным размещением источников излучения.

Сама по себе идея размещения источников излучения внутри вакуумной камеры, оснащенной криогенными экранами, не выдерживает никакой критики, если речь идет о разработке имитатора солнечного излучения для вновь создаваемой тепловакуумной установки. Однако часто возникает такая ситуация, когда уже имеется вакуумная камера без имитатора Солнца и нужно дооснастить ее имитатором солнечного излучения, не изменяя или почти не изменяя конструкцию вакуумной камеры. В этом случае и появляется интерес к упрощенным схемам имитаторов с внутренним размещением источников излучения.

В одном известном воплощенном в металле и даже применяемом в испытаниях фрагментов КА имитаторе с внутрикамерным размещением источников излучения умеренно расходящийся поток излучения формировался с помощью, так называемой спрямляющей решетки с квадратными ячейками, экранирующей излучение, испускаемое совокупностью источников излучения в сторону рабочей зоны установки. Решетка выполняется двухсекционной. Первая - входная секция, расположенная ближе к излучающей системе, охлаждается водой. Вторая – выходная, охлаждается кипящим азотом. Стенки ячеек имеют покрытие, обладающее высокой поглощательной способностью. Геометрические параметры спрямляющей решетки (отношение длины ячейки к ее ширине ) выбираются такими, чтобы на выходе из решетки расходимость потока излучения была бы приемлемой. Это достигается за счет поглощения стенками ячеек чрезмерно расходящихся лучей.

Излучающая система в таком имитаторе может выполняться по-разному: она может быть образована дуговыми ксеноновыми трубчатыми лампами, заключенных в отражатели; высокочастотными ксеноновыми лампами, размещаемыми в фокусе параболоидного или сферического отражателя.

Источники излучения, используемые в имитаторах солнечного излучения

Как уже отмечалось во второй лекции, основная часть энергии электромагнитного излучения Солнца, непосредственно влияющая на тепловой режим КА, заключена в интервале [0,3 - 3 ]. Используемый в имитаторе солнечного излучения источник излучения считается достаточно совершенным, если в отмеченном диапазоне длин волн относительная величина спектральной интенсивности излучения источника отличается от спектра излучения Солнца не более чем на 5 %. Однако имеющиеся в распоряжении экспериментаторов источники не удовлетворяют этому требованию в полной мере. На том или другом участке отмеченного спектрального диапазона спектральные погрешности превышают 5 %, иногда весьма значительно. Рассмотрим, какие конкретно источники излучения используются в имитаторах солнечного излучения.

Чаще всего используются шаровые дуговые лампы высокого давления с ксеноновым наполнением. Спектр излучения таких ламп несильно отличается от спектра излучения Солнца, кроме интервала длин волн [0,8; 1,05] , где наблюдаются значительные характерные выбросы энергии по относительной величине более чем в два раза, превышающие относительную величину энергии излучения Солнца в этой полосе спектра (см. рис. 3). Для справки следует отметить, что в интервале [0,8; 1,05] содержится приблизительно 15 % интегральной энергии излучения Солнца, а у ксеноновой лампы - более 30% от общей энергии излучения. В одних имитаторах этот характерный выброс энергии излучения ксенона поглощается специальными покрытиями (фильтрами), наносимыми на поверхность линз, через которые излучение заводится внутрь тепловакуумной установки и попадает на проекционную часть имитатора - зеркала. В результате такой корректировки спектр излучения имитатора становится в основном похожим на спектр излучения Солнца. В других же имитаторах спектр ксеноновых ламп не корректируется, поэтому большой интерес представляет информация об уровне возможных спектральных погрешностей. Расчет спектральных погрешностей можно осуществить на основе данных о спектральном распределении энергии излучения используемых в имитаторах источников и данных по спектральной поглощательной способности различных материалов и покрытий, применяемых в космической технике и подвергающихся воздействию солнечного излучения. Ниже представлена таблица, где приведены результаты расчета спектральных погрешностей для 13 материалов и покрытий при использовании в качестве источника излучения лампы - светильника ДКсРМ - 55000, представляющей собой металлическую дуговую лампу с водяным охлаждением корпуса и выходного кварцевого окна. Спектр излучения этого источника в основном соответствует спектру излучения дуговых шаровых ламп высокого давления с ксеноновым наполнением. Однако имеет место существенное отличие при , где у рассматриваемой лампы энергия излучения практически отсутствует, что обусловлено поглощением излучения водой, циркулирующей между двойными стеклами выходного окна лампы - светильника. Зависимость относительной величины спектральной интенсивности излучения от длины волны излучения для этой лампы представлена на приведенном ниже рисунке. На этом же рисунке для сравнения представлен и спектр излучения Солнца.

---

Рис. 3 Спектр излучения дуговой ксеноновой лампы ДКсРМ - 55000

Спектральные погрешности при использовании в качестве источника излучения лампы ДКсРМ - 55000.

N	Вид покрытия
1	Серебряное покрытие	0,078	0,064	- 0,18
2	Золоченое покрытие	0,24	0,19	- 0,23
3	Белая эмаль	0,29	0,23	- 0,22
4	Алюминий	0,085	0,088	0,042
5	Керамическое покрытие	0,23	0,17	- 0,26
6	Хромированное покрытие	0,37	0,40	0,097
7	АМГ - 6	0,30	0,31	0,03
8	Белая стеклоткань	0,42	0,37	- 0,11
9	Зеленая эмаль	0,88	0,85	- 0,04
10	Черная эмаль	1	1	0
11	Инконель (поверхность полирована)	0,47	0,46	- 0,018
12	Окись кремния на алюминии	0,17	0,057	- 0,66
13	Кварцевое стекло	0,012	0.010	- 0,20

Хотя проанализированные покрытия и материалы не охватывают все их используемое в космической технике многообразие, все же представленные в таблице результаты расчета спектральных погрешностей позволяют сделать некоторые выводы качественного характера относительно степени пригодности рассматриваемого источника для целей имитации солнечного излучения. Погрешности в ряде случаев не только велики, но еще имеют и отрицательный знак. Это означает, что в эксперименте плотность поглощаемого наружной поверхностью КА потока излучения имитатора Солнца будет меньше, чем в натурных условиях эксплуатации. Данное обстоятельство является особенно неблагоприятным, потому что может усугубляться естественным отличием поглощательной способности многих покрытий, относящихся к классу терморегулирующих, по отношению к излучению Солнца и излучению имитатора. Отличие обусловлено деградацией покрытий под воздействием факторов космического пространства в условиях штатной эксплуатации и меньшей степенью деградации в условиях наземного эксперимента. Следовательно, необходима корректировка спектра дуговых ламп с ксеноновым наполнением – корректировка в направлении уменьшения доли энергии излучения, испускаемого в полосе спектра (0,8; 1,05) .

Известны источники, спектр излучения которых имеет существенно лучшее приближение к солнечному, по сравнению с дуговыми ксеноновыми лампами. К ним можно отнести кварцевые дуговые лампы, наполненные парами ртути с добавками хлорида алюминия ( ), иодида индия ( )и бромида олова. Конструктивно эти лампы мало отличаются от обычных шаровых ксеноновых ламп, однако использование их в имитаторах Солнца, в составе тепловакуумных установок, предназначенных для тепловой отработки космической техники, затруднено из-за недостаточно большой мощности, а также слишком малого ресурса работы.

---

Заслуживают внимание и угольные дуговые источники. В видимой и инфракрасной области спектр их удовлетворительно соответствует солнечному, но практическое применение таких источников наталкивается на трудности, связанные главным образом с большим расходом положительного электрода.

Для имитаторов с внутрикамерным размещением источников излучения могут использоваться дуговые ксеноновые трубчатые лампы мощностью от до . Промышленностью выпускаются трубчатые лампы двух разновидностей: неохлаждаемые (ДКсТ) и лампы с водяным охлаждением кварцевой колбы (ДКсТВ). Первый тип ламп по спектральным характеристикам можно считать непригодным для имитации солнечного излучения, потому что, как показывает опыт их эксплуатации, приблизительно 60 % энергии излучения исходит от кварцевой колбы с температурой, не превышающей 900 . То есть происходит значительное трансформирование спектра излучения дугового разряда, вследствие протекания внутри лампы интенсивных конвективных процессов теплообмена, поглощения части инфракрасного излучения колбой и последующего переизлучения поглощенной энергии в средневолновой части инфракрасной области спектра. Лампы с водяным охлаждением колб свободны от недостатка, свойственного неохлаждаемым лампам. Спектр их излучения, по-видимому, соответствует в основном спектру рассмотренной выше лампы - светильника ДКсРМ - 55000. Однако невысокая объемная, а также поверхностная плотность выделяемой в трубчатых лампах энергии исключает возможность использования этих ламп в качестве источника излучения для имитатора Солнца с оптической схемой, содержащей точечный источник излучения и коллиматор.

Воплощение системы Кассегрена в солнечных имитаторах известных тепловакуумных установок

Система Кассегрена нашла свое практическое воплощение в имитаторе солнечного излучения одной из тепловакуумных установок лаборатории реактивного движения [8]. Вакуумная камера установки представляет собой вертикальный цилиндр диаметром 8 и высотой 14 . Основные элементы имитатора Солнца смонтированы в десятиметровой надстройке над камерой (см. рис. 4). Оптическая ось имитатора совпадает с вертикальной осью камеры. Источниками излучения в этом имитаторе служат ртутно-ксеноновые лампы мощностью 2,5 , расположенные вне вакуумной камеры в надстройке на плоском или вогнутом щите. Каждая лампа, на рисунке 4 обозначенная позицией 1, устанавливается в фокусе отражателя 2, образуя таким образом ламповые модули, излучение которых падает на параболоидное зеркало 3, а после отражения от него концентрируется на псевдогиперболоидном выпуклом зеркале 4. Отразившись от выпуклого зеркала 4, концентрированный пучек лучей проходит через входную линзу 5 и попадает на рассеивающее зеркало 6, отражающее лучи на главное параболоидное зеркало 7, которое и формирует малорасходящийся поток излучения нужной плотности.

---

Рис. 4. Схема тепловакуумной установки лаборатории реактивного движения NASA.

Согласно данным, приведенным в работе [8], характеризуемый имитатор имеет следующие параметры: сечение потока излучения плоскостью, перпендикулярной оси имитатора, представляет собой шестиугольник с диаметром вписанной окружности приблизительно равным 6 . Пространственная неоднородность потока по сечению составляет %. На 50 % площади сечения угол непараллельности не превышает , на остальной площади доходит до . Каждая лампа имитатора освещает свой участок в рабочей зоне, поэтому для обеспечения равномерности поля излучения предусмотрена индивидуальная регулировка каждой лампы с пульта управления. Представляют интерес следующие конструктивные параметры имитатора: рассеивающее зеркало является фасеточным. Каждая фасета отражает излучение на отдельную секцию большого внутреннего параболоидного зеркала, которое состоит из 324 отдельных секций. Каждая секция устанавливается с помощью трех регулировочных винтов и охлаждается до с помощью гибких металлических шин, обладающих большой теплопроводностью и связанных с запитываемым жидким или кипящим азотом трубопроводом.

Рассматриваемый имитатор обладает рядом серьезных недостатков. Во-первых, недостатком, свойственным всем имитаторам, выполненным по осевой схеме, и заключающимся в переотражении на испытываемый объект части лучистого потока, который исходит из рабочей зоны установки и попадает на зеркала проекционной части имитатора. Во - вторых, юстировка имитатора является весьма сложным и кропотливым делом и не всегда приводит к желаемому результату. В третьих, имитатор имеет низкий КПД. С учетом потерь в электрических преобразователях энергии КПД лишь ненамного превышает 1%. Это связано с наличием большого числа оптических элементов. Возникают сложности и с охлаждением находящихся в вакуумной камере рассеивающих зеркал.

КПД имитатора повышается, конструкция существенно упрощается, а стоимость имитатора снижается, если система Кассегрена реализуется в упрощенном и несколько видоизмененном варианте, схематично изображенном на рисунке 5. При таком исполнении имитатор можно разделить на две части: осветительную и проекционную. Осветительная часть установлена за пределами вакуумной камеры и выполняется в виде щита 1 с установленными на нем модулями 2 - прожекторами. Проекционная часть включает в себя входной блок и блок зеркал. В простейшем случае входной блок состоит из линзы 3, на плоскую поверхность которой наносится специальное покрытие, предназначенное для корректировки спектра излучения имитатора с тем, чтобы приблизить его к спектру излучения Солнца. В блок зеркал входят основное параболоидное (4) и вспомогательное эллипсоидное (5) проекционные зеркала, а также большое (6) и малое (7) рассеивающие обратные гиперболоидные зеркала. Ламповые модули являются источником малорасходящегося и, по возможности, однородного (по сечению пучка) потока излучения, падающего на входную линзу. Выполнение этого условия является одной из предпосылок достижения удовлетворительных характеристик имитируемого потока излучения - однородности и степени параллельности. В связи с этим появляется одно из требований к относительному расположению источника излучения - дуговой шаровой ксеноновой или ртутно-ксеноновой лампы и отражателя лампового модуля: электроды лампы должны располагаться на оптической оси отражателя. При таком расположении лампы в отражателе затеняемость дуги электродами, в первую очередь анодом, минимальна, а главное, изображение источника в зеркале отражателя в этом случае является практически осесимметричным относительно оптической оси лампового модуля. Если лампа в модуле располагается так, что ее электроды перпендикулярны оптической оси отражателя, то изображение дуги в зеркале отражателя имеет сложную и неблагоприятную для интегрирования форму. Это является следствием затенения дуги электродами лампы, несферичности геометрической формы дуги, а также неоднородности в распределении объемной плотности выделяемой в дуговом разряде энергии.

---

Смотрите также файлы

• Метод простой итерации.doc

• Московский Авиационный Институт (Государственный Технический Уни.doc

• Московский авиационный институт государственный технический унив.doc

• Московский Государственный Институт (Университет) Международных .doc

• Организационные структуры систем обучения.doc