Краткая характеристика структуры тепловых испытаний КА и методических подходов к экспериментальной отработке СОТР КА.

 

По структуре тепловые испытания КА можно разделить на следующие типы:

- тепловакуумные (термовакуумные) испытания;

- испытания систем тепловой защиты, обеспечивающей сохранность конструкции и внутренний тепловой режим спускаемых с орбит аппаратов в условиях кинетического нагрева;

- невакуумные испытания негерметичных отсеков;

- тепловые испытания с воспроизведением условий пребывания в атмосфере планет, в том числе на Земле (климатические испытания);

- ресурсные испытания и испытания на надежность элементов системы терморегулирования, оборудования и комплектующих элементов в условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации;

- исследование работоспособности СОТР в условиях аварийной ситуации, т.е. при частичном или полном отказе отдельных элементов системы, нарушении герметичности, отклонении внутренних тепловыделений от значений, предусмотренных программой полета и т. д.;

- определение теплофизических параметров отдельных частей и элементов КА;

- исследование температурного поля в КА или его отдельных частях с целью коррекции математической модели его теплового состояния;

- проверка работы радиоэлектронной, оптической и другой аппаратуры в условиях реальных температур и температурных градиентов.

Среди отмеченных типов тепловых испытаний особое место по сложности, значимости и трудоемкости, связанной с расходованием больших материальных ресурсов, занимают тепловакуумные испытания, отличительной особенностью которых является моделирование в экспериментальных установках космических условий полета или условий пребывания на поверхности не имеющих атмосферы небесных тел (Луна, астероиды). Подготовка такого рода испытаний сводится, главным образом, к деятельности по трем направлениям:

- моделирование испытываемого объекта;

- подготовке имитационных средств, способных с достаточной точностью воспроизводить основные факторы космического пространства, оказывающие влияние на тепловое состояние КА;

- планирование испытаний, связанное с определением наиболее целесообразных режимов испытаний, определением потребной продолжительности испытаний и т.п.

Достаточно точное моделирование испытываемого объекта является весьма важной задачей, решение которой в значительной степени определяет правомерность перенесения результатов испытаний на “натуру”. Основная трудность моделирования объекта испытаний связана с тем обстоятельством, что в наземных условиях отсутствует имеющая место в космосе невесомость, влияние которой на тепловой режим проявляется через гидродинамику, гидростатику теплоносителей, а также через влияние на процессы конденсации и испарения. Возникают трудности, обусловленные необходимостью воспроизведения в процессе испытаний эффекта изменения радиационных характеристик наружных поверхностей КА, вызванного деградацией покрытий вследствие воздействия на них корпускулярного и жесткого электромагнитного излучения Солнца и воздействием на гладкие поверхности, в частности полированные, микрометеорных потоков. Существенные погрешности в модель объекта испытаний могут вноситься и за счет проводов, по которым выводится информация о температурах, давлении и других параметрах испытываемого объекта.

Несмотря на отмеченные сложности моделирования объекта испытания, решение задачи тепловакуумной отработки КА не вызывало бы особых затруднений, если бы в распоряжении экспериментаторов имелись имитационные средства, позволяющие с высокой точностью воспроизводить все факторы космической среды, оказывающие воздействие на тепловое состояние КА. Однако одновременное воспроизведение всех основных характеристик космического пространства - задача практически неразрешимая. Кроме того, как известно, на способ решения всякой сложной проблемы существенное влияния оказывают соображения организационного и экономического характера. При решении задачи моделирования физических характеристик космической среды экономические соображения имеют важное значение, поскольку между точностью воспроизведения условий космического пространства, стоимостью производства и эксплуатации имитационных средств существует прямая и весьма сильная связь.

Общепринятым является мнение о том, что работы по экспериментальному исследованию влияния факторов космического пространства целесообразно расчленять на группы видов воздействия. Считают, например в [7,9,10], что при исследовании теплового режима КА в целом или его отдельных частей и систем достаточно воспроизводить следующие факторы космического пространства:

- высокий вакуум, тепловое излучение Солнца и планет, практически полное отсутствие теплового излучения по тем направлениям, которые находятся за пределами телесных углов обзора Солнца и планет, а также практически полное поглощение собственного и отраженного излучения самого КА.

Воздействие факторов, оказывающих косвенное влияние на тепловой режим КА – ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, корпускулярная радиация, микрометеорные потоки, исследуется отдельно в специальных установках. Полученные данные учитываются при составлении методики и программы комплексных и автономных испытаний КА посредством выбора режимов испытаний, ориентации испытываемого объекта в экспериментальной установке и режимов работы имитаторов Солнца и планет.

Несмотря на явное упрощение, связанное с разделением внешних факторов космической среды на группы, задача высокоточного моделирования условий внешнего теплообмена КА в наземных экспериментальных установках для широкого класса околопланетных аппаратов, например, околоземных, все еще является исключительно сложной не только в техническом, но и в методическом отношении. Сложности обусловлены тем, что в большинстве случаев возникает необходимость воссоздания в экспериментальной установке нестационарных во времени и пространстве лучистых полей, формируемых и Солнцем и планетой (чаще всего Землей). По ряду причин технического характера имитатор солнечного излучения обычно является неподвижным. Следовательно, для воспроизведения возможного изменения ориентации испытываемого объекта относительно потока солнечного излучения необходимо оснащение тепловакуумной установки устройством, позволяющим поворачивать испытываемый объект относительно двух взаимно перпендикулярных осей, расположенных в плоскости, перпендикулярной вектору . Кроме того при неподвижном имитаторе солнечного излучения имитируемое поле излучения планеты должно изменять свою ориентацию, что может быть достигнуто либо за счет поворота имитатора излучения планеты относительно оси, перпендикулярной вектору , либо за счет использования специального и очень сложного имитатора с модулями, оснащенными приводами. Вращение КА относительно двух взаимно перпендикулярных осей практически осуществимо только для небольших КА. Для больших тяжелых КА не вызывает трудности лишь вращение относительно своей вертикальной оси, а вращение относительно двух осей - сложная техническая задача. Но еще более сложной задачей является воспроизведение поля излучения планеты, изменяющего свою пространственную ориентацию в камере.

Таким образом, экспериментальное моделирование тепловых режимов КА в условиях, максимально приближенных к натурным, сопряжено с большими техническими трудностями, несмотря на то, что имитационная техника позволяет воспроизводить каждый из отмеченных факторов с достаточной точностью. Сложности вызваны тем, что необходима техническая организация совместной работы имитационных систем и испытываемого объекта. Поэтому важное значение приобретают приближенные методы моделирования внешнего теплообмена.

Рассмотрим три приближенных метода моделирования внешнего теплообмена в тепловакуумных установках, оснащенных системами вакуумирования и криогенными экранами, имитирующими космический вакуум и идеальные поглощательные свойства космического пространства.

1 ) Воспроизведение экстремальных внешних тепловых нагрузок.

Метод применяется в тепловакуумных установках, оснащенных помимо отмеченных систем вакуумирования и криогенных экранов имитатором солнечного излучения и имитатором поля излучения планет. В данном случае может осуществляться проверка теплового режима КА в условиях имитации наиболее неблагоприятных сочетаний внутренних тепловыделений и стационарных внешних тепловых нагрузок. Неблагоприятные сочетания выбираются на основании результатов расчета теплового режима КА при наличии предположения о квазистационарности процессов внутреннего и внешнего теплообмена. Тепловакуумная установка с неподвижными имитаторами излучения Солнца и планеты должна быть оснащена устройством, позволяющим размещать испытываемый объект нужным образом по отношению к оптической оси имитатора Солнца. Получив при таком способе исследования положительную информацию о тепловом состоянии испытываемого объекта, можно быть уверенным в том, что в реальных, менее жестких тепловых условиях эксплуатации, требуемый тепловой режим КА будет обеспечиваться. Однако получение отрицательного результата не может служить убедительным доказательством недостаточной эффективности средств обеспечения теплового режима, так как условия эксперимента заведомо ужесточались.

2) Воспроизведение внешних тепловых нагрузок с помощью имитатора Солнца и упрощенного имитатора теплового воздействия планет.

Данный способ целесообразно применять в одном из двух случаев:

- тепловое состояние КА определяется главным образом воздействием солнечного излучения, а влияние планеты является второстепенным фактором;

- наружная поверхность гладкая и однородная в отношении радиационных характеристик.

В этих условиях, используя опорно-поворотное устройство тепловакуумной установки, можно воспроизводить реальные ориентации КА относительно Солнца, что создает условия для достаточно точной имитации тепловых потоков от Солнца. Тепловое воздействие планеты воспроизводится с помощью упрощенных средств, например, совокупности условно линейчатых, точечных диффузных излучателей или излучающих панелей, размещенных вокруг рабочей зоны экспериментальной установки. Причем речь идет о воспроизведении расчетного теплового воздействия планет на элементы наружной поверхности испытываемого объекта, а не воспроизведении поля теплового излучения планет по основным параметрам - угловому распределению интенсивности и спектральному составу излучения.

Если использовать упрощенные имитаторы, то каждый раз возникает необходимость в воспроизведении таких пространственных законов распределения подводимой к излучателям энергии, при которых в экспериментах достигается максимальная точность воспроизведения расчетных внешних тепловых нагрузок. В 80-е годы в МАИ разработана методика и компьютерная программа определения оптимального режима работы таких имитаторов [10]. Эта методика и программа успешно применяется на предприятиях аэрокосмической отрасли при проведении тепловакуумных вакуумно-температурных испытаниях изделий различного назначения.

3 ) Воспроизведение суммарных внешних тепловых нагрузок с помощью упрощенных излучающих систем и поверхностных электронагревателей.

При отсутствии в тепловакуумной установке имитатора солнечного излучения расчетные тепловые нагрузки от Солнца, планеты, а для низколетящих КА и тепловые потоки за счет столкновения с частицами атмосферного газа, можно воспроизводить с помощью уже вышеупомянутых упрощенных излучающих систем, расположенных на значительном расстоянии от испытываемого объекта, а также сетчатых секционированных излучателей, размещаемых в непосредственной близости от поверхности испытываемого объекта. Каждая секция такого излучателя участвует в облучении лишь определенного участка поверхности испытываемого объекта. Для приближенного моделирования внешнего теплообмена КА используются и так называемые конформные управляемые электронагреватели, представляющие собой регулируемые по мощности секции электронагревателей, устанавливаемые непосредственно на наружную поверхность испытываемого объекта. Такие электронагреватели называют также пленочными, поверхностными, а иногда и “ нагревательными рубашками”.