WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Лаповок Евгений Владимирович

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ И ТЕРМОАБЕРРАЦИЙ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫХ ЗЕРКАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛЕСКОПОВ И ИХ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре компьютерной теплофизики и энгергофизического мониторинга Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Научный консультант: доктор технических наук Ханков Сергей Иванович

Официальные оппоненты:

Шахно Елена Аркадьевна доктор технических наук, старший научный сотрудник НИУ ИТМО, профессор Наумчик Игорь Васильевич кандидат технических наук ВКА им. А.Ф. Можайского, заместитель начальника кафедры Ведущая организация ФГУП «НПК ГОИ им. С.И. Вавилова»

Защита состоится 31 мая 2012 г. в 1550 на заседании диссертационного совета Д212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ауд.466.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан ___апреля 2012.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.227.доктор физико-математических наук, профессор Козлов С.А.

ВВЕДЕНИЕ Опыт проектирования оптико-электронных приборов (ОЭП) за последние десятилетия показал необходимость разработки аналитических методов расчета тепловых режимов и термоаберраций зеркальных телескопов, являющихся наиболее теплонагруженными и термочувствительными узлами ОЭП. Наиболее плодотворным подходом к решению указанной проблемы является разработка методов, ориентированных на начальную стадию теплового проектирования.

Именно потребности практики вынудили проводить разработку аналитических методов расчета термоаберраций. Однако до настоящего времени не проводились целенаправленные комплексные разработки теории термостабильности ОЭП и зеркальных телескопов, которая включала бы в себя сквозные расчеты от исходных тепловых воздействий до изменения основных характеристик качества изображения.

Актуальность темы исследований определяется практическими потребностями с учетом опыта разработок телескопов, необходимостью исключения ошибок проектирования, выявляемых в процессе эксплуатации телескопов космического базирования. Весьма актуальной задачей является разработка методов расчетов для обеспечения термостабильности телескопов, включающих в едином аналитическом описании тепловые и термоаберрационные процессы от исходных тепловых воздействий (внешних и внутренних) до термонаведенных смещения фокальной плоскости и сферической аберрации с промежуточным определением температур оптических элементов и температурных неоднородностей в них.

Целью исследования является разработка методов расчета тепловых режимов и термоаберраций зеркальных телескопов, и на этой основе – разработка методов выбора параметров конструктивной схемы и системы обеспечения теплового режима, гарантирующих термостабильность телескопов, базируемых на космических аппаратах в околоземном космическом пространстве.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

• разработка аналитических методов расчета термоаберраций телескопов с учетом различия температур оптических элементов и характерных температурных перепадов в главном зеркале;

• разработка аналитических методов расчета совокупности поглощаемых поверхностями телескопа потоков излучения в околоземном космическом пространстве;

• разработка методов обеспечения термостабильности телескопов с активной системой термостабилизации;

• разработка методов обеспечения термостабильности телескопов с пассивной системой тепловой защиты.

Предмет исследования составляют телескопы космического базирования, предназначенные для наблюдения за звездами, и космическими объектами на фоне холодного космоса.

Методы исследования основаны на математическом моделировании тепловых процессов в телескопах от внешних тепловых воздействий до основных характеристик качества изображения с учетом особенностей применяемых систем обеспечения теплового режима, методов терморегулирования и способов тепловой защиты. Разрабатываемые методы направлены на получение аналитических формул, предназначенных для решения как прямых задач (анализа конечных характеристик, определяющих стабильность качества изображения), так и обратных (синтез тепловых схем по заданным характеристикам стабильности качества изображения).

Научная новизна:

• разработаны аналитические методы расчета термоаберрации телескопов Грегори, Кессегрена, Ричи-Критьена с учетом влияния осевых и радиальных перепадов в главном зеркале;

• разработаны аналитические методы расчета внешних тепловых потоков на телескоп в околоземном космическом пространстве;

• разработаны методы расчета активной системы терморегулирования телескопов на основе электронагревателя и радиационных панелей с управляемой амплитудой и периодом изменения мощности электронагревателя;

• разработаны методы расчета пассивной термостабилизации солнечного телескопа СЛ-200, позволяющие осуществлять выбор параметров светоослабляющего фильтра на входном зрачке;

• разработаны методы расчета пассивной теплоизоляции и термостабилизации телескопа космического базирования за счет выбора параметров терморегулирующих покрытий на внешнем корпусе телескопа.

Научная ценность полученных результатов заключается в том, что впервые методы расчетов теплового режима и термоаберраций объединены в единый алгоритм применительно к типовым объектам и процессам - телескопам космического базирования с активной и пассивной системами терморегулирования и термостабилизации с учетом специфики решаемых задач и циклограмм функционирования. Это закладывает основы развития научно обоснованных методов теплового проектирования со сквозными расчетами от тепловых воздействий до основных характеристик качества изображения, а также с решением задач как анализа так и синтеза телескопов (а более широко – ОЭП), упрощающими выбор базовой схемы СОТР и теплозащиты на начальных стадиях проектирования и при дальнейшем сопровождении конструкторских работ.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанные модели и методы расчетов полностью ориентированы на работу с конструкторами телескопов в диалоговом режиме с целью разработки термостабильных ОЭП космического базирования. В частности получены следующие практически значимые результаты:

• методы минимизации термоаберраций телескопов с учетом термодеформаций зеркал использовались для выбора параметров СОТР и конструкций крепления зеркал в телескопах;

• аналитические методы расчета совокупности поглощаемых разными участками поверхностей телескопов тепловых потоков в околоземном космическом пространстве существенно снижают затраты времени и средств на моделирование теплового баланса телескопов;

• методы расчета активных систем терморегулирования на основе системы электронагреватель- радиационная панель и методы обеспечения термостабильности зеркальных телескопов с такой системой термостабилизации;

• методы выбора параметров систем активной и пассивной термостабилизации применялись в разработке тепломеханической схемы и системы обеспечения теплового режима солнечного лимбографа СЛ-200;

• методы пассивной тепловой защиты с использованием терморегулирующих покрытий используются в разработке телескопов для наблюдения за звездами.

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждена актами о реализации результатов в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории ГАО РАН, ОАО ЛОМО, ГОИ им. С.И. Вавилова, а также в учебном процессе в НИУ ИТМО и ВИКА им. А.Ф. Можайского.

Методы обеспечения термостабильности телескопа, изложенные в Главе 4 и в первой части Главы 5 диссертации, базирующиеся на разработанных автором методах расчета тепловых режимов и термоаберраций, разрабатывались в рамках программы космических исследований ГАО РАН (проект – «Астрометрия»). При этом использовались базовая тепломеханическая схема и параметры солнечного телескопа – лимбографа СЛ–200, разрабатывавшегося под руководством доктора физико-математических наук Х.И. Абдусаматова.

Положения, выносимые на защиту: на защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

• аналитические методы расчета термоаберраций телескопов Грегори, Кессегрена, Ричи-Кретьена с учетом осевых и радиальных температурных градиентов в главном зеркале;

• аналитические методы расчета внешних тепловых воздействий на элементы телескопа в околоземном космическом пространстве;

• методы расчета и выбора параметров активной системы терморегулирования телескопа с электронагревателем и радиационными панелями;

• методы расчета и выбора параметров светоослабляющего фильтра (кварцевого светофильтра) на входном зрачке солнечного телескопа – лимбографа СЛ-200, обеспечивающего заданный уровень температур и необходимую изотермичность конструкции телескопа;

• методы термостабилизации телескопов с терморегулирующими покрытиями на внешней поверхности.

Достоверность разработанных методов расчета подтверждается сопоставлением с результатами численного моделирования с использованием исходных строгих математических моделей.

Апробация результатов исследований. Основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, докладывались на Международных и Всероссийских конференциях: VIII Международной конференции по спиновой электронике. Секции Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике. М. (Фирсановка) – 1999, VI Международной конференции «Прикладная оптика». 18 – 21 октября 2004 г, Санкт – Петербург, Россия, XI Пулковской международной конференции по физике Солнца, VIII Международной конференции «Прикладная оптика – 2008», Балтийской конференции по теплопередаче 19- 21 сентября 2007 г.

Кроме того был сделан доклад на третьей военно- научной конференции Космических войск. Анализ роли и места космических войск в системе операций вооруженных сил Российской федерации при подготовке и ведении военных действий, исследование форм и способов применения объединений, соединений и учреждений космических войск. Военно – космическая академия имени А.Ф. Можайского. Санкт Петербург. 2007.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, в том числе 7 статей в журналах, входящих в Перечень ведущих изданий, рекомендованных ВАК. По теме диссертации получен один патент на полезную модель. Результаты исследований по теме диссертации вошли в две монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 159 страниц текста. Диссертация содержит 4 таблицы и 15 рисунков. Список литературы насчитывает 77 наименований.

Краткое содержание диссертации Во введении обосновывается выбор направления исследования с учетом современного состояния вопроса, актуальность диссертационной работы.

Приведен обзор литературы, начиная от истории становления научного направления термооптических исследований линзовых и зеркальных оптических систем, до современного состояния рассматриваемого научного направления. Сформулированы цели и задачи, предмет и методы исследований, научная новизна, научная ценность и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 Проведена классификация телескопов космического базирования, прежде всего, по назначению – по решаемой задаче. Показано, что задача теплового проектирования, вплоть до выбора базовой схемы и типа системы обеспечения теплового режима, тесно связана с назначением телескопа, которое изначально определяет характер тепловых воздействий и направления движения тепловых потоков в конструкции телескопа.

В качестве объекта исследований выбран класс телескопов, осуществляющих наблюдение за объектами с малыми угловыми размерами на фоне холодного космоса. К таким объектам относятся звезды, малоразмерные объ екты искусственного и естественного происхождения, а также Солнце и Луна (угловой размер 32 угловых минуты).

На рис. 1 представлены конструктивные схемы телескопов Кассегрена (без промежуточного изображения) – рис 1а и Грегори (с промежуточным изображением) – рис. 1б.

Показателями качества изображения телескопов выбраны термонаведенное смещение фокальной плоскости f1 (термоаберрация положения) и термонаведенная сферическая аберрация f2. Основным критерием термостабильности принята величина термоаберрации положения, по которой осуществляется оптимизация конструктивно – функциональной схемы и системы обеспечения теплового режима.

Рассмотрено современное состояние теории термоаберраций оптических систем и обосновано необходимое направление развития методов расчета и обеспечения термостабильности телескопов. На современном этапе необходима разработка методов, в которых телескоп рассматривается как единая система тел с учетом всех компонент внутреннего теплообмена и с учетом всех факторов внешних тепловых воздействий в околоземном космическом пространстве (ОКП).

В Главе 2 изложены и обоснованы основные принципы, положенные в основу методов расчетов термоаберраций. На примере осевых зеркальных систем изложены критерии термостабильности телескопа при его наблюдении за точечными и малоразмерными (с конечными угловыми размерами) объектами. В качестве критериев выбраны наглядные показатели: термонаведенное смещение фокальной плоскости и термонаведенная сферическая аберрация. Показано, что главным и наиболее удобным показателем в типовых ситуациях является термонаведенное смещение фокальной плоскости (термоаберрация положения).

Впервые разработаны методы расчета термоаберрации положения и термонаведенной сферической аберрации телескопа при наличии в главном зеркале осевых и радиальных температурных перепадов.

Главное зеркало наиболее подвержено тепловым воздействиям, больший диаметр и условия теплоотвода, связанные с особенностями его крепления, способствуют развитию температурных неоднородностей, которые вносят основной вклад в термоаберрации телескопа.

Термонаведенное смещение фокальной плоскости (термоаберрация положения) телескопа описывается соотношением:

R а 1+ е ; А = , (1) г f = A h - L + 2 1 г к к к в в А 1-е где е – эксцентриситет эллиптической или гиперболической поверхности вторичного зеркала; а – большая полуось эллипса; Rг – параксиальный радиус главного зеркала; L – расстояние между зеркалами; i коэффициент линейного расширения материала i – го элемента; i – перегрев i – го элемента; i = г, в, к – относятся соответственно к главному и вторичному зеркалам, а также к корпусу; hг – единичная деформация главного зеркала.

а) б) Рис.1 - Конструктивные схемы телескопов Кассегрена (а) и Грегори (б) 1 - главное зеркало, 2 - вторичное зеркало, 3 – внутренний корпус, 4 – экранно-вакуумная теплоизоляция; 5 – наружный корпус; 6 - оправа главного зеркала; 7 - оправа вторичного зеркала; 8 – пилон; 9 – фотоприемник.

Термонаведенная продольная сферическая аберрация может быть представлена формулой:

R 2 г f = h - L + а(1-е) Ф ( - );

2 г к к в в г m о (2) е 1+ е r r m о Ф =8 ; = ; =, г m о 1-е 1-е R R г г где rm и rо – радиусы внешней поверхности зеркала и центрального отверстия.

Единичная деформация hг зависит от направления теплоотвода.

Осевой теплоотвод может осуществляться с тыльной поверхности зеркала при креплении его с корпусом через эту поверхность. Максимальный перепад температур по оси реализуется при теплоизоляции его боковой поверхности, тогда единичная деформация описывается соотношением:

R Bi k b 1+ В ; В = г г x x h = ; Bi =, (3) г г х х x В b 1+ Bi х x где Biх – безразмерный критерий Био, характеризующий интенсивность теплообмена на тыльной поверхности; b – толщина зеркала; kx – коэффициент теплоотдачи от тыльной поверхности зеркала; - коэффициент теплопроводности материала зеркала.

Соотношение (3) можно представить в виде:

R k b q q b г x x x h = ( + ) г г х х x x 1+ b + k b = k ; = , (4) ;

x x где qx – удельный тепловой поток (или его поверхностная плотность), проходящий через зеркало в осевом направлении; г – перегрев тыльной поверхности зеркала относительно начальной температуры.

Радиальный теплоотвод может осуществляться в случае крепления зеркала по его внешней образующей. Если в зеркале с центральным отверстием область отверстия теплоизолирована, то единичная деформация зеркала может быть описана следующим приближенным соотношением:

1+ k r r 1+ Bi r r o h = (1- ); Bi = ; =, (5) г г r r Bi 4 r r где r и rо – наружный радиус зеркала и радиус его центрального отверстия;

r - перепад температур по радиусу зеркала; kr – коэффициент теплоотдачи на боковой поверхности зеркала; - коэффициент Пуассона материала зеркала.

Формулу (5) можно представить в виде:

1+ q r q r r r r h = + (1- ); = ; =, (6) г г r r r 2 4 2bk 4b r где r – перегрев на внешней образующей зеркала; qr – удельный поток, поглощенный рабочей поверхностью зеркала.

Получена общая формула для расчета термоаберрации положения телескопов Грегори и Кассегрена с учетом всех ее компонент в виде:

f = B + B + B + D ; i = 1,2; j = x,r ; (7) 1 г i г j j в в к R R г г B = =1+ ; D=B + В -В ; с B = 2aс ;

;

г г 1 г в к в в b 1 + е с = Bк = кLс2 ; ; = - ; = -.

i i к в в к 1 - е В формуле (7) сосредоточены основные компоненты общей термоаберрации: вызванных минимальным значением перегрева главного зеркала относительно корпуса i (1 – перегрев тыльной поверхности зеркала при осевом теплоотводе, 2 - перегрев боковой поверхности зеркала при радиальном теплоотводе), определяемый температурным перепадом в зеркале в преимущественном направлении (x – в осевом, r – в радиальном), создаваемых перегревом вторичного зеркала относительно корпуса в, а также перегревом корпуса к относительно начальной температуры.

Термоаберрация температурного уровня, описываемая компонентой Dк, определяется уровнем температуры корпуса и в значительной степени определяет величину термоаберрации положения.

Термоаберрация температурной неоднородности состоит из двух составляющих: Bгi и Bвв Последняя составляющая мала, но неустранима, поскольку перегрев вторичного зеркала относительно корпуса всегда существует, что связано с конечной суммарной тепловой проводимостью пилонов, которыми вторичное зеркало крепится к корпусу. Величина Bгi зависит от тепловой проводимости конструктивных элементов крепления зеркала к корпусу или платформе.

Термоаберрация температурной неравномерности в главном зеркале описывается произведением Bгii. Эта компонента значима и особенно велика при осевом теплоотводе, вследствие обычно реализуемых значений x Rг/b.

С использованием полученных формул были проведены расчеты термоаберраций телескопов Грегори и Кассегрена с конкретными параметрами и в заданных условиях эксплуатации. В случае равномерного температурного поля в зеркалах (i = 0) и при большом уровне перегрева, создающим термоаберрацию температурного уровня, а также при большой неоднородности перегревов зеркал и корпуса (hг = 210-4, hк = 1,510-4, hв = 10-4) различия термоаберраций положения, вычисленные с помощью полученных формул и по программе ФРТ (функция рассеяния точки) без учета дифракции не превышают 6% для телескопа Грегори и 3% для телескопа Кассегрена при относительном отверстии оптической системы А < 0,1. Сопоставление вычисленных разработанным аналитическим методом и по программе ФРТ значений поперечной сферической аберрации показало различие до 30%. Такая заметная погрешность обусловлена тем, что в программе ФРТ расчеты проводились для плоскости наилучшей установки, а не для Гауссовой плоскости, как в аналитическом методе. Граница применимости полученных аналитических формул определяется условием А 0,1.

Анализ полученных соотношений показывает наиболее сильное влияние на термоаберрации телескопа осевого температурного перепада в главном зеркале. При допуске на стабильность положения фокальной плоскости 25 мкм даже для зеркала из карбида кремния (очень термостабильный материал с теплопроводностью = 185 Вт/мК и коэффициентом линейного расширения = 2,4106 К-1) допустимое значение осевого температурного перепада составляет 10-3 К, что соответствует величине поглощаемого удельного теплового потока q = 40 Вт/м2. Чрезвычайно жесткий допуск на величину осевого температурного перепада, который трудноизмерим, требует принятия особых мер на этапе выбора тепловой схемы телескопа.

Полученные результаты соответствуют случаю свободного расширения зеркала. Если жестко закрепить тыльную торцевую поверхность главного зеркала к посадочной плоскости (если это допустимо), осевой перепад температур в зеркале создаст термоаберрацию телескопа не более той, которая может возникнуть при радиальном температурном перепаде.

Получены формулы для расчетов продольной и поперечной термонаведенной сферической аберрации. Поперечная сферическая термоаберрация для длиннофокусных телескопов значительно меньше продольной, а продольная сферическая термоаберрация значительно меньше термонаведенной аберрации положения (термонаведенного смещения фокальной плоскости).

В Главе 3 формулируются тепловые и математические модели, описывающие процесс формирования температурных полей в телескопе и его элементах в результате совокупности тепловых воздействий в ОКП.

Компоненты тепловых потоков задаются с помощью коэффициентов облученности. Описания падающих на космические объекты (КО) удельных тепловых потоков собственного теплового излучения Земли Qc и отраженного Землей солнечного излучения Q представляются в виде аналитических формул.

Анализ тепловых моделей КО указывает на необходимость введения трех характерных типов коэффициентов облученности: локальных, интегральных и эффективных Локальные коэффициенты облученности рассмотрены для произвольно ориентированного элемента поверхности, интегральные – для фигур с единой поверхностью, эффективные - для объектов, разные поверхности которых описываются разными уравнениями. Получена достаточно простая аппроксимационная зависимость, локального коэффициента облученности Землей элементарной площадки от угла ее наклона к плоскости местного горизонта, погрешность которой не превышает 15%. Интегральные коэффициенты облученности описывают полный поток излучения, падающий на КО, и предназначен для определения среднеповерхностной температуры. Эффективный коэффициент облученности может быть введен для изотермичных КО, когда важно определить суммарную величину падающего и затем поглощенного лучистого потока на все подсвечиваемые Землей поверхности одного объекта (например, разные грани призмы).

С использованием коэффициента облученности э можно получить формулу для температуры изотермического КО:

n isi i э i= T = 2504 ; э =, (8) n 1-э si i i=где э – эффективный коэффициент облученности; si – площадь i –той поверхности КО (например, i –той грани призмы, пирамиды или иной фигуры);

i- степень черноты i – той поверхности; i – интегральный коэффициент облученности i – той поверхности Землей; n – количество поверхностей КО (конфигурация может быть произвольной).

Особо выделяются по простоте рассмотрения цилиндр и параллелепипед, которые удобны при выделении отдельных фрагментов из сложносоставных конструкций космических объектов. Эффективный коэффициент облученности для эталонных фигур (цилиндр и параллелепипед) при одинаковой степени черноты i всех поверхностей может быть представлен в виде 0 Sн +Б SБ Э = ;S = Sн + SB + SБ = 2Sн + SБ, (9) S где Sн - площадь поверхности плоской нижней грани; SВ- площадь поверхности плоской верхней грани, SВ= SН ; SБ- площадь боковой поверхности фигуры; S - суммарная площадь наружной поверхности фигуры; 0 - коэффициент облученности Землей нижней грани фигуры; Б - коэффициент облученности Землей боковой поверхности фигуры.

В результате преобразований выражение (9) для любой фигуры данного класса может быть приведено к универсальному виду 1 + 4 K 0 1 1 S Б = ; = (arcsin 0 - 0 1 - 0 ); К = . (10) Э 1 + 2K 2 0 4 S н Разработаны формулы для расчетов комбинированных коэффициентов облученности, описывающих доли потоков солнечного излучения, отраженного Землей и падающего на объект в околоземном космическом пространстве.

В конце главы изложены принципы линеаризации нестационарных уравнений теплового баланса телескопов, находящихся в условиях нелинейного теплообмена излучением с космическим пространством, с целью получения аналитических формул, в самом наглядном виде описывающих взаимосвязь определяющих параметров и критериев качества изображения.

В Главе 4 разработана теория методов обеспечения термостабильности телескопов за счет применения активной системы термостабилизации.

Исследована система терморегулирования, включающая электронагреватель (ЭН) на корпусе телескопа и радиационную панель (РП) для сброса тепловой энергии излучением в открытый космос. Отвод тепловой энергии от корпуса телескопа помимо РП исключен благодаря теплоизоляции внешней поверхности корпуса многослойной экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ). Учитывая весьма высокие требования к сохранению качества изо бражения телескопа, проведено исследование влияния колебаний мощности ЭН на формирование термоаберраций.

Для стационарного теплового режима получены соотношения для перегревов, входящих в формулы для расчетов термоаберраций:

г = Рг / гк; в = Рв /вк; г = г - к = Тг - Тк; в = в - к = Тв - Т (11) Po к = Т0(Р + Рз )/ 4; Р = Р / Р0; Рз = (Рг + Рв )/ Р0 ; T0 =1Spo где P – абсолютная погрешность поддержания мощности ЭН; Рo – номинальное значение мощности; Рз – отношение суммарной мощности поглощенного в зеркалах солнечного излучения к номинальному значению мощности ЭН; 0 – приведенная постоянная Стефана–Больцмана; Sр – площадь РП.

Дальнейшие расчеты проводились для параметров, соответствующих телескопу – лимбографу СЛ – 200 (Рис. 2).

Рис. 2 – Тепловая схема лимбографа СЛ-21 – корпус телескопа; 2 – светофильтр; 3 – главное зеркало; 4 – вторичное зеркало; 5 – «луна»; 6 – ФПУ; 7 – ЭВТИ; 8 – радиатор; 9 – теплозащитная крышка объектива; 10 – щелевидная радиационная панель; 11 – кольца светозащитной бленды; 12 – разрезы для пропускания излучения, отражаемого «луной»; 13 – теплозащитная крышка трубы; 14 – радиационные экраны; 15 – теплозащитная бленда из алюминия; 16 – тепловыравнивающая труба.

На рис. 3 отображена ситуация внезапных изменений мощности ЭН.

Расчеты проводились на основе численного моделирования. В динамике выбросы величины f1 многократно превышают допустимое значение вследствие запаздывания перегрева главного зеркала относительно перегревов корпуса и вторичного зеркала, теплоемкость которого в 50 раз меньше, чем корпуса, а мощность тепловыделения в этом зеркале на четыре порядка ниже, чем изменение мощности ЭН.

1.2 1i, K f,мкм 1.0 10.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 --0.4 --0.6 -2 -0.8 -, мин 0 1000 2000 3000 4000 50Рис 3 - Изменение во времени перегревов: главного зеркала (1), вторичного зеркала (2) и корпуса (3). До 2000 минуты телескоп выходит на стационарный тепловой режим при исходной мощности ЭН Ро = 67,8 Вт. После чего мощность ЭН увеличилась скачком до 69 Вт. После 3000 минуты мощность ЭН упала скачком до 67 Вт. Штриховой линией дана зависимость от времени термонаведенного смещения фокальной плоскости.

Для практики наибольший интерес представляет ситуация периодически изменяющейся во времени величины Р, когда Р=P0+Psin(nmг), когда критерием значимости термоаберраций выбираются значения максимального f1max и минимального f1min смещения фокальной плоскости. Влияние на максимальные и минимальные термоаберрации положения величин n и k=Сэ/Сэ0 (где Сэ0 - номинальное значение полной теплоемкости) заметно только при больших значениях параметров (при n=10 и k=50). Что особенно важно, при k=0, то есть при Сэ=0, погрешность расчетов мала.

В соответствии с данными расчета с использованием общей математической модели при n=1000 (период колебаний ~25 с) и k=1температура зеркал устанавливается без колебаний, а температура корпуса колеблется в пределах ~0,02 К. При этом f1max=8,6 мкм, f1min=7,7 мкм. Из результатов расчетов, представленных на рисунке 4, можно сделать вывод о наличии максимума в зависимостях f1max(n) и f1min(n). Таким образом при быстром регулировании мощности в пределах P=±0,25 Вт реализуются минимальные термоискажения, которые будут еще меньше с ростом теплоемкости корпуса (при k>1). При очень больших значениях n (быстрое изменение приращения мощности P) размах колебаний термоаберрации положения снижается, пройдя максимум при n10 (своеобразная область резонанса – рис. 4), однако в этом случае необходим учет демпфирующего влияния полной теплоемкости корпуса.

f,мкм i -n 0 1 10 100 1000 100Рис. 4 - Зависимости минимумов (1) и максимумов (2) функции f1 от n при k=1, вычисленные из решения системы дифференциальных уравнений, описывающих теплообмен между элементами телескопа и с окружающей средой, с использованием формулы для расчета термонаведенного смещения фокальной плоскости.

Среднее значение величины f1, равное алгебраической полусумме 0,5(f1max+f1min) составляет f18 мкм, что соответствует термоаберрации нагрузки лимбографа в режиме непрерывного наблюдения за Солнцем при полном постоянстве мощности ЭН.

В Главе 5 разработана теория методов обеспечения термостабильности телескопов за счет применения систем пассивной тепловой защиты. Описаны методы управление тепловым балансом телескопов за счет выбора параметров кварцевого светофильтра на входном зрачке (на примере солнечного телескопа СЛ-200), а также за счет выбора параметров терморегулирующих покрытий на внешнем корпусе телескопа для наблюдения за звездами.

Показана возможность обеспечения термостабильности лимбографа на низких орбитах, когда необходим учет падающих на внешнюю поверхность кварцевого светофильтра на входном зрачке лимбографа потоков излучения от Земли и отраженного Землей солнечного излучения. Для сохранения термостабильности лимбографа необходимо обеспечить равенство температур телескопа и светофильтра. Это требование задается соотношением:

Sp Р= P2 -P1, (12) нS где Р – мощность нагревателя; Р1 – мощность потока излучения, поглощенная главным зеркалом телескопа; Р2 – мощность потока излучения, поглощенная светофильтром; S – площадь входного зрачка лимбографа; Sр – площадь радиационных панелей, предназначенных для отвода в космическое простран ство избытка тепловой энергии; н – степень черноты наружной поверхности светофильтра.

Существенно новым является учет двух дополнительных компонент, помимо удельной мощности поглощенного излучения от прямой солнечной засветки q1с, а именно: доли поглощенного удельного потока q1з от падающего на наружную поверхность светофильтра мощности потока собственного теплового излучения Земли q1з, а также доли поглощенной мощности q1п от падающего потока переотраженного Землей солнечного излучения q1п.

Определены требования к значению степени черноты наружного покрытия светофильтра, при котором температура светофильтра будет равна температуре телескопа:

qc +(1-R1)1q1п н =. (13) P -q1з Sp Установлена, необходимость учета теплового излучения Земли при определении требований к степени черноты наружной поверхности светофильтра. Отраженным Землей солнечным излучением можно пренебречь.

Необходимо определение требований к степени черноты наружной поверхности светофильтра для обеспечения допустимого температурного перепада по его толщине. Допустимое значение осевого перепада температур, при котором термическая деформация светофильтра не превысит /50, составляет Тm = ± 0,08 К. Определены допустимые значения степени черноты и мощности нагревателя: 0,071 < н < 0,1 при 100 >P > 76.

Самостоятельный класс телескопов составляют те, которые предназначены для наблюдения за звездами или КО в околоземном космическом пространстве на фоне холодного космоса, не имеющие ослабителя на входном зрачке. Их термостабильность должна обеспечиваться ограничением колебаний температуры зеркал относительно корпуса в допустимых пределах, что позволяет уменьшить термоаберрацию температурной неоднородности.

Параметры зеркал должны быть связаны соотношениями:

4 0 Т* 0 Т* гSгг

Для снижения термоаберрации температурного уровня наружный корпус должен иметь покрытие, обеспечивающее требуемый баланс поглощаемого и излучаемого потоков. Такое терморегулирующее покрытие на внеш ней поверхности наружного корпуса должно иметь отношение коэффициента поглощения солнечного излучения s к степени черноты , определяемое по формуле * T 1- Т s 0 0 п n = =0,336 Ф; Ф =1+ -, (15) * 300 f Т где Т* - расчетное номинальное значение рабочей температуры телескопа, Тп – температура платформы, к которой крепится через тепловую развязку телеf скоп, - функция, определяемая средним по траектории значением косинуса угла между осью телескопа и направлением на Солнце, о - коэффициент облученности наружного корпуса телескопа платформой.

Функция f () может задаваться различными аналитическими соотношениями, примеры которых рассмотрены в диссертации. Для поддержания центра колебаний температур на уровне Т* необходимо выбирать значения определяющих параметров, задаваясь средним значением функции f () = f, которое может быть определено интегрированием по полному периоду = п.

В конце главы рассмотрены возможности обеспечения термостабильности телескопических систем за счет термической инерционности конструкции с максимальной продолжительностью функционирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе сформулированной концепции актуальных на современном этапе методов комплексного обеспечения термостабильности телескопов космического базирования определены требования к методам расчета тепловых режимов и термоаберраций телескопов, проведены теоретические исследования и получены следующие основные результаты.

1. Для выбранного объекта исследований – телескопов космического базирования, предназначенных для наблюдения малоразмерных элементов на фоне холодного космоса, разработаны математические модели, описывающие тепловые процессы. Разработаны критерии термостабильности телескопов – по допустимым величинам термонаведенного смещения фокальной плоскости, которая должна находиться в пределах глубины резкости, а также по величине термонаведенной сферической аберрации.

2. Введены понятия термоаберраций температурного уровня, температурных неоднородностей между элементами и температурных неравномерностей в зеркалах и получена общая формула для расчета термоаберрации положения с учетом этих составляющих.

3. Разработаны аналитические методы расчетов тепловых воздействий на зеркальные телескопы в околоземном космическом пространстве. Получены формулы для расчетов локальных, интегральных и эффективных коэффициентов облученности для типовых ситуаций.

4. Разработаны методы линеаризации нестационарных уравнений лучистого теплообмена, упрощающие анализ и позволяющие получить аналитиче ские формулы, удобные для изучения основных закономерностей формирования нестационарных тепловых режимов.

5. Разработаны методы обеспечения термостабильности телескопов с активной системой термостабилизации, основанной на поддержании теплового баланса между электронагревателем на корпусе телескопа и радиационной панелью, соединенных тепловым мостом. Исследованы динамические свойства такой системы. Определены допустимые амплитуды колебаний мощности электронагревателя, а также критерий большой частоты колебаний мощности, начиная с которого прекращаются колебания температурного уровня относительно среднего значения. Обоснована недопустимость скачкообразного изменения мощности электронагревателя даже на относительно небольшие величины.

6. Разработаны методы обеспечения термостабильности телескопов с пассивной тепловой защитой, не потребляющей энергию. Рассмотрены два способа пассивной защиты – светоослабитель на входном зрачке телескопа и терморегулирующие покрытия на наружном корпусе телескопа. Разработаны расчетные методы выбора параметров.

7. Разработанные в диссертации методы обеспечения термостабильности внедрены на ряде предприятий в проектировании конкретных телескопов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Каменев А.А., Лаповок Е.В., Ханков С.И. Аналитические методы расчета тепловых режимов и характеристик собственного теплового излучения объектов в околоземном космическом пространстве. Малая оперативная полиграфия НТЦ им. Л.Т. Тучкова, 2006, 186 с.

2. Абдусаматов Х.И., Лаповок Е.В., Ханков С.И. Методы обеспечения термостабильности космического телескопа – солнечного лимбографа. Санкт – Петербург. Издательство Санкт – Петербургского политехнического университета, 2008, 195 с.

3. Лаповок Е.В., Ханков С.И. Характеристики теплового излучения неизотермических областей // Инженерно – физический журнал. – 1992. – Т. 62, №6, С. 866 – 872.

4. Каменев А.А., Лаповок Е.В., Скороводько С.Н., Ханков С.И. Аналитическое описание долей энергии излучения серых тел в заданных спектральных диапазонах // Теплофизика высоких температур. – 2000. – Т. 38, №3, С 519 – 520.

5. Каменев А.А., Лаповок Е.В., Скороводько С.Н., Ханков С.И. Методы расчета нестационарного теплового режима изотермических космических объектов // Теплофизика высоких температур. – 2004. – Т. 42, №5, С 802 – 809.

6. Каменев А.А., Лаповок Е.В., Скороводько С.Н., Ханков С.И. Методика определения температур объектов в околоземном космическом пространстве многоспектральным ИК радиометром на фоне холодного космоса // Теплофизика высоких температур. – 2006. – Т. 44, №2, С 313 – 316.

7. Абдусаматов Х.И., Лаповок Е.В, Ханков С.И. Методы обеспечения термостабильности Солнечного лимбографа с учетом всех факторов теплового влияния в околоземном космическом пространстве // Оптический журнал, т. 74, № 10, 2007 С. 13 – 16.

8. Абдусаматов Х.И., Богоявленский А.И., Лаповок Е.В, Ханков С.И. Исследование термостабильности зеркального телескопа – солнечного лимбографа в режиме непрерывного наблюдения за Солнцем // Оптический журнал, т. 76, № 5, 2009 С. 51 – 59.

9. Лаповок Е.В., Ханков С.И. Аналитическое описание нестационарных температур изотермического объекта в условиях его лучистого теплообмена с окружающей средой // Известия Вузов. Приборостроение т. 55, № 3, 2012.

С. 56-10. Патент РФ на полезную модель № 102120 под названием «Космический телескоп», приоритет от 30.07.2010, заявители Цыпкин Ю.В., Гаврилов Е.В., Ханков С.И., Лаповок Е.В., Богоявленский А. И.,Волынкин В.М.

Опуб. 10.02 2011, МПК. G02B23/00. (2006.01) 11. Лаповок Е.В., Ханков С.И. Аналитические методы расчета для теплового проектирования оптических систем и оптико - электронных приборов космического базирования // VI Международная конференция «Прикладная оптика». Сборник трудов. т. 3. Компьютерные технологии в оптики. 18 – октября 2004 г, Санкт – Петербург, Россия. С. 62 – 66.

12. Лаповок Е.В. Аналитические методы расчета термостабильности оптико – электронных систем космического базирования. Труды третьей военно- научной конференции Космических войск. Анализ роли и места космических войск в системе операций вооруженных сил Российской федерации при подготовке и ведении военных действий, исследование форм и способов применения объединений, соединений и учреждений космических войск. Военно – космическая академия имени А.Ф. Можайского. Санкт Петербург. 2007, С.96 – 98.

13. Каменев А.А., Лаповок Е.В., Ханков С.И. Возможности определения температур космических объектов многоспектральными радиометрами. Труды Оптического общества им. Д.С. Рождественского. VIII Международная конференция «Прикладная оптика – 2008» том 1 Оптическое приборостроение. с.131-134.

14. Абдусаматов Х.И., Богоявленский А.И., Лаповок Е.В., Ханков С.И. Система обеспечения термостабильности солнечного лимбографа космического базирования. Труды Оптического общества им. Д.С. Рождественского. VIII Международная конференция «Прикладная оптика – 2008» том 1 Оптическое приборостроение. С.135-138.

15. Лаповок Е.В., Ханков С.И. Аналитическая методика расчета термоаберраций зеркального телескопа с учетом температурных градиентов в главном зеркале. Труды Оптического общества им. Д.С. Рождественского. VIII Международная конференция «Прикладная оптика – 2008» том 1. Оптическое приборостроение. С.139-142.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.