Рис. 5. Горизонтальный вариант воплощения схемы Кассегрена.

Обсуждаемое требование к относительному расположению дуговой лампы в отражателе лампового модуля накладывает значительные ограничения на возможные варианты конструкции имитатора солнечного излучения и тепловакуумной установки в целом. Дело в том, что влияние гравитационных сил на геометрию электрической дуги и ее устойчивость приводит к необходимости эксплуатации дуговых ламп в положении, когда их электроды располагаются вертикально или под относительно небольшими к вертикали углами. Данное обстоятельство определяет наиболее предпочтительную, с точки зрения достижения большей точности моделирования солнечного излучения, компоновку имитатора с в составе тепловакуумной установки, а именно, такое его размещение, при котором реализуется вертикальное или близкое к вертикальному расположение оптической оси имитатора, что предопределяет формирование вертикального или близкого к вертикальному пучка излучения, в то время как часто с конструктивной и эксплуатационной точек зрения предпочтительнее является имитатор с горизонтальным пучком излучения. Однако известен положительный опыт по эксплуатации ламп мощностью 20 - 32 в сильно наклоненном, почти горизонтальном положении.

Практического воплощения неосевой схемы солнечного имитатора в одной из тепловакуумных установок

Что касается неосевой схемы имитатора солнечного излучения, то она нашла практическое воплощение в имитаторах многих тепловакуумных установок. Заслуживает внимание имитатор, изображенный на рисунке 6 в составе введенной в эксплуатацию в 1982 г тепловакуумной установки Европейского центра космических исследований и технологий ( ). Имитатор примечателен не только своими размерами (диаметр имитируемого горизонтального пучка солнечного излучения составляет 6 ), но и точностью воспроизведения основных параметров потока солнечного излучения: угол непараллельности не превышает , неоднородность плотности потока излучения по сечению пучка . В качестве источников излучения в имитаторе используются 19 дуговых ксеноновых ламп мощностью 20 . Источники излучения, включенные в состав ламповых модулей, скомпонованы в ламповый блок, который находится за пределами вакуумной камеры. Оптические оси ламповых модулей, а вместе с ними и электроды дуговых ламп расположены под большими углами по отношению к вертикали (70 - 88 ), то есть некоторые лампы расположены практически горизонтально. Тем не менее, как отмечается в [] никаких отрицательных последствий от такого неблагоприятного (с точки зрения протекания физических процессов в лампе) расположения ламп не наблюдается - форма электрической дуги заметно не изменяется, дуга горит устойчиво.

Рис. 6. Схема имитатора Европейского центра космических исследований и технологий.

---

Моделирование теплового воздействия планет на поверхность КА

Тепловое воздействие планеты на поверхность КА обычно воспроизводится с помощью упрощенных средств, например, совокупности условно линейчатых или точечных диффузных излучателей, а также с помощью излучающих панелей, размещаемых вокруг рабочей зоны экспериментальной установки. Причем здесь речь идет о воспроизведении расчетного теплового воздействия планет на элементы наружной поверхности испытуемого объекта, а не о воспроизведении поля теплового излучения планет по основным параметрам – угловому распределению интенсивности и спектральному составу излучения.

При использовании упрощенных имитаторов каждый раз возникает необходимость в определении такого закона распределения между излучателями энергии, при котором в эксперименте может быть достигнута максимально возможная точность воспроизведения расчетных тепловых нагрузок от планеты. Для определения оптимального (в отмеченном смысле) режима работы имитатора используется методический подход, суть которого заключается в следующем.

Режим работы имитатора характеризуется величиной интенсивности излучения каждого модуля системы в направлении своих нормалей. Выбор обусловлен тем, что эти величины являются выходными функциями модулей и зависят не только от подводимой мощности и конструкции модулей, но и от радиационных характеристик их отражающих поверхностей (если они имеются), режима работы вакуумной камеры и криогенной систем установки. На наружной поверхности испытуемого объекта выделяется какое-то число тепловоспринимающих элементов, представляющих собой элементарные площадки участков поверхности, которые подвергаются воздействию моделируемых тепловых потоков. Каждому тепловоспринимающему элементу присваивают, в зависимости от требуемой точности воспроизведения условий внешнего теплообмена, определенный весовой коэффициент . В качестве критерия оптимальности режима работы имитатора выбирают минимум целевой функции , представляющей собой сумму квадратов “ взвешенных” погрешностей воспроизведения расчетных значений внешних тепловых потоков к выделенным тепловоспринимающим элементам. Величина равна разности между плотностью потока излучения, поглощаемого -ым элементом в условиях экспериментальной установки, и заданным значением плотности теплового потока подводимого по расчетам к выделенным элементам в штатных условиях эксплуатации: ,

где - интегральная поглощательная способность - го элемента по отношению к излучению - го излучателя; - число излучателей, - локальный угловой коэффициент - го элемента поверхности КА и - го излучателя.

Вид функции, являющейся функцией переменных , определяется следующим выражением:

---

.

Решение задачи оптимизации ( сводится, следовательно, к минимизации целевой функции . На искомые величины накладываются следующие ограничения, вытекающие из их физического смысла: (1).

Используя необходимое условие существования экстремума функции многих переменных ( получим нормальную систему линейных уравнений относительно неизвестных : (k=1,2,..n), где . Принимая во внимание условие (1), ограничивающее область значений , для нахождения минимума функции можно воспользоваться одним из итерационных методов, например, методом спуска по координатам .

Заметим, что коэффициенты зависят от величин , которые в случае не серых тепловоспринимающих элементов сами являются функциями . Поэтому возникает необходимость в неоднократном решении задачи минимизации целевой функции . Сначала задача решается с целью грубого определения величин . Первое приближение величин можно получить, вводя предположение о независимости от . Первое приближение значений является основой для определения первого приближения величин . Перерасчет и рекомендуется осуществлять два - четыре раза в зависимости от степени нерегулярности спектральных радиационных характеристик излучателей и тепловоспринимающих элементов. Методика расчета величин и изложена в []. Там же представлены некоторые результаты исследования функциональных возможностей упрощенных имитаторов теплового воздействия планет, которые часто используются и для воспроизведения суммарных внешних тепловых потоков к поверхности КА в тепловакуумных установках, не оснащенных имитатором солнечного излучения.

Лекция N 12

Тема лекции: Вакуумно-температурные испытания КА. Невакуумные испытания герметичных отсеков. Испытания двигательных установок КА.

Вакуумно-температурные испытания

Рассмотренные на предыдущей лекции тепловакуумные установки используются не только для проведения тепловакуумных испытаний, осуществляемых с целью экспериментального исследования теплового состояния испытуемого объекта (КА или отдельных его частей) в условиях имитации его внешнего и внутреннего теплообмена, но и для проведения вакуумно-температурных испытаний, в процессе которых проверяется работоспособность каких - то узлов и механизмов КА в условиях реализации на элементах конструкции испытуемого объекта экстремальных расчетных или экспериментально выявленных значений температур. В этом случае имитационные системы тепловакуумной установки призваны обеспечить реализацию на элементах конструкции испытуемого объекта, какого - то заданного поля температур, чаще всего равномерного.

Вакуумно-температурные испытания могут проводиться в установках, оснащенных системой вакуумирования, системой криогенных экранов и имитатором расчетных внешних тепловых потоков, выполненным в виде совокупности условно точечных или линейчатых излучателей, которые размещаются на каком - либо каркасе вокруг испытуемого объекта. Здесь речь идет об имитаторах такого же типа, как и имитаторы воспроизведения расчетного теплового воздействия планет на поверхность КА. Об этих имитаторах - их конструктивных особенностях, о методике выбора оптимального режима работы, обеспечивающего максимально возможную точность моделирования расчетных тепловых потоков, - уже говорилось на предыдущей лекции. Однако выбор режима имитатора при вакуумно-температурных испытаниях существенно отличается от решения аналогичной задачи при тепловакуумных испытаниях. Наличие в экспериментальной установке имитатора солнечного излучения не является обязательным.

---

Следует заметить, что какое - то заданное переменное по поверхности элементов испытуемого объекта поле температур в процессе вакуумно-температурных испытаний воспроизвести в общем случае не удастся хотя бы потому, что задаваемое расчетное или экспериментально выявленное поле температур может формироваться в процессе сложного теплообмена (радиационного, кондуктивного, а часто внутреннего конвективного), надежно смоделировать который в виде функциональной зависимости энергетических параметров излучателей имитатора от геометрических, радиационных, а главное, теплофизических и конструктивных характеристик элементов испытуемого объекта практически невозможно, ввиду сложности и значительной неопределенности внутренних тепловых связей между элементами КА. Осуществимо лишь, и то при определенных условиях и с какой - то степенью приближения, воспроизведение или однородного поля температур, или неоднородного, но по поверхности, у которой локальный тепловой режим формируется в основном за счет внешнего теплообмена.

В первом случае рекомендуется следующий методический подход к выбору режима работы имитатора. В рабочей зоне с объемом, соответствующим объему испытуемого объекта, выбирается какое - то число характерных точек и предполагается, что в каждой точке размещены 6 незатеняющих друг друга элементарных площадок с нормалями, коллинеарными координатным осям некоторой стендовой цилиндрической системы координат. Режим работы имитатора будем выбирать из условия достижения максимальной точности воспроизведения требуемой температуры у введенных в рассмотрение элементарных тепловоспринимающих площадок. Количественно точность условимся характеризовать среднеквадратичной погрешностью воспроизведения температуры на поверхности элементарных площадок. При этом будем предполагать, что радиационные характеристики поверхности элементарных площадок соответствуют локальным (в выбранных точках) характеристикам поверхности испытуемого объекта.

В условиях тепловакуумной установки температура какого-то - го тепловоспринимающего элемента определяется величиной плотности поглощаемого поверхностью элемента теплового потока и степенью черноты поверхности элемента, то есть (1).

Если имитатор включает в себя одинаковых по конструкции излучателей (модулей), то (2), где - единичный вектор, направленный от излучателя к тепловоспринимающему элементу; - индикатриса излучения модуля; - поглощательная способность - го тепловоспринимающего элемента по отношению к излучению - го модуля; - локальный угловой коэффициент - го элемента и - го излучателя.

Для удовлетворения критерия оптимальности режима работы имитатора (минимум среднеквадратичной погрешности воспроизведения на элементарных площадках температуры ) введем в рассмотрение функцию

---

(3), являющуюся функцией переменных ( ). Для определения оптимальных значений воспользуемся необходимым условием существования экстремума функции многих переменных при наличии следующего ограничения на искомые величины, вытекающего из их физического смысла: . То есть задача минимизации целевой функции решается также, как решалась задача минимизации целевой функции в случае имитатора, воспроизводящего расчетные внешние тепловые потоки при проведении тепловакуумных испытаний. Эта задача рассматривалась на предыдущей лекции.

Что касается упомянутой выше задачи воспроизведение неоднородного поля температур, но по поверхности, у которой локальный тепловой режим формируется в основном за счет внешнего теплообмена, то ее можно решать используя такой же методический подход, как и при выборе режима работы имитатора, обеспечивающего проведение тепловакуумных испытаний, то есть в качестве целевой функции можно использовать функцию .

Невакуумные испытания герметичных отсеков.

При невакуумных тепловых испытаниях гермоотсеков могут решаться следующие задачи: Определение параметров СТР, обеспечивающих заданные тепловые режимы гермоотсеков; измерение температур теплоносителей, внутренних частей и комплектующих элементов СТР при различных режимах ее работы, а также определение соотношений между температурами характерных элементов и в характерных точках магистралей СТР; получение данных для выбора характеристик внешних теплообменников, обеспечивающих нужный режим работы внутренних элементов СТР; оптимизация настройки элементов автоматики СТР и отработка системы газораспределения в гермоотсеке; измерение фактических расходов жидкого и газообразного теплоносителя в трубопроводах СТР при различных режимах работы насосов, вентиляторов и других агрегатов; исследование влияния различных сочетаний работы контуров терморегулирования и агрегатов СТР на тепловой режим гермоотсека; влияние отказов агрегатов СТР (вентиляторов, насосов и др.) на тепловой режим гермоотсеков; анализ устойчивости работы СТР гермоотсека при различных характеристиках внешних теплообменников.

В состав установок для проведения невакуумных тепловых испытаний гермоотсеков входят натурные гермоотсеки со штатными СТР и стендовыми теплообменниками, устанавливаемыми вместо штатных радиационных теплообменников. Стендовые теплообменники оснащаются системами измерений, позволяющими определить энтальпию теплоносителя на различных режимах работы СТР.

Как правило, при невакуумных испытаниях влияние внешнего теплообмена поверхности гермоотсека на внутренний его тепловой режим не воспроизводится. Это достигается за счет теплоизоляции поверхности отсека от воздействия окружающей среды на стенде. Однако следует заметить, что воспроизведение, даже весьма приближенное, теплопритоков или стоков тепла через оболочку гермоконтейнера позволило бы повысить информативность тепловых испытаний, выявить многие недостатки в системе газораспределения и работе внутренних средств обеспечения теплового режима.

---

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