автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Исследование и разработка методов моделирования внешнего теплообмена космических аппаратов с помощью инфракрасных источников излучения

Палешкин Андрей Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНЕШНЕГО ЕПЛООБМЕНА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.07.03 - Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ЯНВ 2012

005008316

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательнол учреждении высшего профессионального образования «Московский авиационньп институт (национальный исследовательский университет)» на кафедре "Управлени эксплуатацией ракетно-космических систем".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Колесников Анатолий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ненарокомов Алексей Владимирович

кандидат технических наук Семена Николай Петрович

Ведущая организация: ФГУП "Научно-производственное

объединение им. С. А. Лавочкина"

Защита диссертации состоится "01 "марта 2012 г. в 16 часов 00 минут на заседани диссертационного совета ДС 212.005.05 «Московского авиационного институ (национального исследовательского университета)» по адресу: г. Москва, А-8 Волоколамское ш., д. 4

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять п адресу: 123993, г. Москва, А-80, Волоколамское ш., д. 4, Федеральное государственн бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образован» «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)1 ученому секретарю диссертационного совета ДС 212.005.05

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационно института.

Автореферат разослан " $ " 201 "ТУ.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н. С. Кудрявцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из непременных условий надежного функционирования космического аппарата (КА), а следовательно и оправдания значительных затрат на его создание является обеспечение необходимого теплового режима всех его элементов.

Поэтому важнейшим видом деятельности при разработке космической техники является тепловое проектирование, заключающееся в решении тепловых аспектов задачи создания космического аппарата при увязке этих решений с задачами общего проектирования. Большое значение при создании КА имеет, так называемая, тепловая отработка, представляющая собой совокупность тепловых экспериментов (испытаний) и проводимых на основе их результатов мероприятий по доработке (в случае необходимости) средств обеспечения теплового режима, а иногда и конструкции аппарата.

Решение задач 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.

Поэтому задача высокоточного моделирования условий внешнего теплообмена КА в наземных экспериментальных установках для некоторых типов аппаратов, особенно околопланетных, является очень сложной и до сих пор ее нельзя считать решенной в той степени, которая, безусловно устраивала бы разработчиков космической техники. В связи с увеличением стоимости услуг организаций, обладающих экспериментальными установками, оснащенными солнечными имитаторами, для разработчиков космической техники актуальной становится задача максимально полного использования собственной экспериментальной базы, доработав ее в пределах целесообразной возможности и повысив требования к уровню разработок методического обеспечения экспериментальных исследований.

Цель работы. Решение задач, обеспечивающих в комплексе подготовку методического и программного обеспечения проведения тепловакуумных, вакуумно-температурных и электрических испытаний КА в наземных тепловакуумных установках, оснащенных инфракрасными источниками излучения, размещенных вокруг испытуемого объекта.

Основные решенные задачи:

1. Анализ условий теплообмена КА с окружающей средой;

2. Разработка численных методов расчета внешнего теплообмена космического аппарата с произвольной формой его наружных поверхностей, с последующей численной диагностикой возможного эффекта взаимного затенения поверхностей, исходящего от Солнца и планеты излучения

3. Анализ приближенных методов физического моделирования внешнего теплообмена КА

4. Разработка метода определения энергетического режима работы

сетчатых нагревателей;

5. Разработка метода оптимизации режима работы имитатора внешних

тепловых нагрузок.

Научная новизна диссертационной работы, заключаются в следующем:

1. Разработан метод и алгоритм расчета тепловых потоков, падающих от Солнца и планет на поверхность КА с произвольной наружной конфигурацией его поверхностей. Задача решена с учетом возможного затенения одних частей аппарата другими;

2. Разработан метод определения оптимального режима работы имитаторов расчетных внешних тепловых нагрузок, выполненных в виде совокупности различного рода условно точечных или линейчатых излучателей, размещенных вокруг испытуемого объекта;

3. Разработан метод расчета облученности объектов различной геометрической формы потоком излучения, исходящего от так называемых сетчатых нагревателей.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

Результаты работы использовались на НПО им С.А. Лавочкина для расчета внешних тепловых потоков, падающих от Солнца и поверхности Фобоса на перелетный модуль изделия Фобос-грунт в условиях пребывания его на поверхности Фобоса. Эти результаты явились теми расчетными тепловыми нагрузками, которые воспроизводились с помощью инфракрасного имитатора тепловакуумной установки ВК600/300. Оптимальный энергетический режим работы определялся с помощью метода определения оптимального режима работы имитаторов расчетных внешних тепловых нагрузок.

Метод и компьютерная программа выбора оптимального режима инфракрасного имитатора использовалась для обеспечения термостатирования изделий Спектр-Р и Электро во время проведения их комплексных электрических испытаний в вакуумных условиях в установке ВК600/300.

Разработанный метод определения энергетического режима работы сетчатых нагревателей позволил использовать совокупность таких нагревателей в качестве модулей имитаторов внешних тепловых нагрузок.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными на конкретных примерах и модельных задачах.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в журналах, входящих в рекомендованный ВАК Минобрнауки России перечень изданий [1-3].

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и в первом разделе обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, формулируются цели работы, проанализированы основные проблемы, возникающие при исследовании теплообмена космического аппарата с окружающей средой. Рассмотрены особенности экспериментального моделирование тепловых режимов КА в условиях, максимально приближенным к натурным.

На основе проведенного анализа выявлены технические трудности, несмотря на то, что имитационная техника позволяет воспроизводить каждый из отмеченных факторов космического пространства с достаточной точностью, однако необходима техническая организация совместной работы имитационных систем и испытываемого объекта.

Во второй главе произведен анализ известных методов расчета основных составляющих тепловой нагрузки на элементы поверхности аппарата (потоков прямого солнечного излучения, собственного излучения планеты, отраженного планетой солнечного излучения). Применяемые в инженерной практике методики расчета плотности падающих на элементы КА внешних лучистых тепловых потоков основываются на предположении об отсутствии взаимного затенения подвергающихся внешнему тепловому воздействию элементов КА.

Поэтому на основе сравнения различных подходов к исследованию теплообмена КА сделан вывод, что более широкими возможностями, а также большей простотой обладает разработанный численно-аналитический метод определения плотности падающих на КА лучистых тепловых потоков, исходящих от Солнца и планет, с учетом возможного эффекта затенения.

Рассматривалась задача определения плотности падающего на элементы КА, исходящего от Солнца и планеты.

Космический аппарат, подвергающийся воздействию солнечного и планетного излучения, представлял собой совокупность тел с поверхностями любого вида, включая различного рода полости. Поверхности каждой в той или иной степени обособленной части КА заменялись многогранными поверхностями с треугольными гранями. Аппроксимацию реальных поверхностей КА многогранными поверхностями осуществлялась путем ввода координат характерных точек поверхности, которые образовывали вершины граней. Они задавались в виде рядов точек с одинаковым числом в каждом ряде. Для каждой из N граней определялись направляющие косинусы нормалей и координаты центральных точек м;. В качестве этих точек принимались точки пересечения медиан. Из точек А/, (/ = 1,2...^) проводились параллельные лучи направленные на Солнце. Далее

определялись координаты точек пересечения каждого луча с плоскостями

всех граней многогранных поверхностей, аппроксимирующих рассматриваемые

3

части объекта (рисунок 1). Если луч , соответствующий ¡-ой грани

аппроксимируемой поверхности, пересекал все плоскости перебираемых граней вне их пределов, то тогда затенение отсутствует и плотность падающего потока солнечного излучения определялась известным способом:

с ("Л ' Рл-8 )+ \(ПЛ ■ Рл-8 )| , Я л-в = 5---- ■ 1

В случае, когда точка пересечения луча р^-в с плоскостью какой-то грани оказывалась в пределах этой грани, затенение имело место и, следовательно, плотность падающего на /- ую грань потока солнечного излучения равна О (рисунок 2).

Рисунок 1 Схема, поясняющая подход к решению вопроса о затеняемости

Рисунок 2 Схема определения положения точки пересечения луча и грани

I

Видимая с орбиты КА часть поверхности планеты произвольным, но удобным образом разбивается на К элементарных участков АР, ( ] = 1,2..К ).

При рассмотрении радиационного теплообмена в геометрически сложных системах расчет угловых коэффициентов должен осуществлять с учетом возможного взаимного затенения участвующих в теплообмене поверхностей.

Аппроксимация поверхностей исследуемого объекта и видимой с орбиты КА участка поверхности планеты многогранными поверхностями с треугольными гранями создает предпосылки для эффективного использования при расчете угловых коэффициентов для треугольных граней, метода контурного интегрирования дифференциального углового коэффициента

Он основан на использовании формулы Стокса с целью замены интегрирования по поверхности интегрированием по контуру этой поверхности

2л- л Ы I р'-

, А г (у-у1)-<к-(х-х1)-<1у

+ ],-- ; 2

2л ь рс

где р2

I- контур у-ой грани поверхности планеты- треугольника с известными координатами вершин;

х,у, г - текущие координаты контура Ь - сторон треугольника.

Угловой коэффициент между /-ым элементом и у-той гранью не равен О только в том случае, когда косинус угла между нормалями / -ой и у-ой граней имеет положительный знак, а также когда между этими гранями нет экранирующих поверхностей, то есть нет затенения.

Плотность теплового потока, приходящего от планеты к каждой тепловоспринимающей элементарной площадке dF¡, расположенной в центре /'-ой грани (/ = 1,2...ТУ), определялось путем суммирования потоков излучения, которые попадают на с!!7, от элементарных участков А[<) поверхности планеты. При этом для расчета величины использовалось следующее выражение:

К

ЧсИ = Е/л-у -Фа-) -Е] , з

м

где /л-! - коэффициент, учитывающий отсутствие или наличие затенения /-го тепловоспринимающего элемента от излучения у -го участка поверхности планеты

/</,-/=М };

-полусферическая плотность излучения ]-го участка поверхности планеты; -

локальный угловой коэффициент /-го элемента и у -ым участком поверхности планеты.

В качестве иллюстрации представлены результаты расчета распределения локальной плотности потоков излучения, падающих от Солнца (рисунок 4) и от планеты (рисунок 5) на внутреннюю поверхность полости, изображенной на рисунке 3

Рисунок 3 Аппроксимированная полость многогранной поверхностью образованной

треугольными гранями

5

Рассматривались различные ориентации облучаемого объекта относительно источников тепловых потоков. Ориентация относительно Солнца определялась углом у5 , образованным продольной осью объекта (осью о:) и вектором 50. Ориентация относительно Земли характеризовалась углом а, образованным осью о: объекта и вектором е, направленным на центр Земли.

Рисунок 4 Зависимость от азимутального угла в относительной величины локальной плотности потоков излучения , падающих от Солнца на элементы полости, расположенные в 4-х характерных ее поперечных сечениях.

Для отмеченных углов интегральные относительные погрешности <3() расчета составили величины соответственно равные - 0,017,-0,011,-0,001,-0,028.

I

I Рисунок 5 Зависимость от азимутального угла в эффективных локальных угловых

коэффициентов (р\_т элементов полости, расположенных в 4-х характерных I поперечных ее сечениях, и излучающей поверхностью Земли.

Для отмеченных значений углов а относительные погрешности расчета составили величины соответственно равные — 0,023,—0,034,—0,038.

Метод апробирован в процессе расчета распределения локальной плотности потоков излучения, от Солнца и Земли на элементы различных невыпуклых поверхностей, в основном полостей - полусферических, цилиндрических, конических. Погрешности, имеющие, как правило, отрицательный знак, уменьшаются по мере увеличения числа граней. Следовательно, они обусловлены, главным образом, погрешностями аппроксимации реальной поверхности многогранными поверхностями.

Таким образом, предлагаемый для использования метод расчета внешних тепловых нагрузок на поверхность КА произвольной наружной конфигурации обеспечивает достаточно хорошую точность определения локальной плотности падающих на КА потоков излучения, источником которых может быть Солнце и планета.

В третьей главе произведен анализ приближенных методов физического моделирования внешнего теплообмена КА. Рассмотрены имитаторы расчетного внешнего теплового воздействия на основе сетчатых нагревателей, линейчатых и условно точечных излучателей, размещаемых на некотором удалении от испытываемого объекта. Представлены алгоритмы решения задач: выбора энергетического режима работы сетчатых нагревателей и оптимизации энергетического режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок

В первом случае разработан и реализован в виде программы метод расчета распределения плотности потока излучения, падающего от сетчатого излучателя на элементы непрерывных поверхностей различной формы.

Расчетные формулы при этом записываются следующем образом:

Величина теплового потока, приходящего от элемента dF* к тепловоспринимающему элементу dF! характеризуется следующим известным соотношением:

*

i2/~\ ¿г?* cos<prdFi d Qdj^di = ~dFj -coscpj-r--4

* Pdj-d,

* d

где

d

Тогда плотность теплового потока , падающего на тепловоспринимающий элемент dF„ определяется выражением

d ,

Ял = Чф —г ■ d(pd,_dj; 5

COSCPj-COSCPj *

где d(pdj_dj = - dFdj - дифференциальный угловой коэффициент di -

K'Pdj-di

го элемента с фиктивным dj- ым элементом с площадью dFf, а

W-4

4d} =—у-,— • 6

jt-a-1-m

W - мощность, подводимая к сетчатому нагревателю, / - длина одной нити, т - число нитей.

Надстрочный индекс * для обозначения величин площади элемента излучателя с фиктивным диаметром d (dFf ) и для обозначения плотности потока его излучения (q * ).

При наличии предположения, что каждая нить участвует в облучении испытуемого объекта автономно, локальный угловой коэффициент тепловоспринимающего элемента dF] со всеми излучающими нитями сетчатого

нагревателя (<Рл-нагр) определяется путем суммирования локальных угловых коэффициентов этого элемента со всеми нитями нагревателя, то есть

ФсИ-

нагр.

Т.<РсИ-к

Эффективность данного подхода иллюстрируется на примере решения конкретных задач. Алгоритм был реализован в виде программы расчета распределения плотности потока излучения, падающего от сетчатого излучателя на элементы непрерывных поверхностей различной формы.

На рисунках 6-8 приводятся результаты расчета локальных относительных погрешностей /Щ воспроизведения заданных тепловых нагрузок на плоские тепловоспринимающие поверхности, имеющие форму квадрата. Результаты расчета погрешностей приводятся лишь для элементов с координатами г0 е/"0,0,56/ и х0 е [0;0,5а].

Рисунок 6 Локальные относительные погрешности воспроизведения заданной тепловой нагрузки на панель размером

0,1x0,1 м .

Рисунок 7 Локальные относительные погрешности воспроизведения заданной тепловой нагрузки на панель размером

0,25 х 0,25 м .

-Ц -о*--13 2? |

Рисунок 8 Локальные относительные погрешности воспроизведения заданной тепловой нагрузки на панель размером 0,5 х 0,5 м.

Полученный результат сопоставлялся с результатом расчета того же углового коэффициента с помощью известных выражений для угловых коэффициентом между соосно расположенными квадратными пластинами. Проверка осуществлялась для излучателя и тепловоспринимающей поверхности одинаковых размеров квадратной формы. Расстояние между ними принималось равным двум длинам стороны квадрата. Относительная разность значений угловых коэффициентов, вычисленных разным способом, оказалась меньше двух процентов.

Во втором случае разработан и реализован в виде программы метод определения оптимального режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок.

Излучатели по принципу подвода энергии, геометрической форме, конструкции могут быть самыми различными. Часто они применяются в совокупности с отражателями и теплоизоляцией с целью повышения коэффициента полезного использования подводимой энергии.

Однако, какие бы источники лучистого теплового потока мы не применяли для воспроизведения внешних тепловых нагрузок, всегда возникает необходимость в определении такого распределения подводимой к излучателям энергии, при которых в экспериментах достигается максимальная возможная точность воспроизведения расчетных внешних тепловых нагрузок.

В 80-90 -е годы в МАИ Колесниковым A.B. разработана методика решения задачи определения оптимального режима работы имитатора, выполненного в виде совокупности каких-то дискретных излучателей.

Режим работы имитатора характеризуется совокупностью значений интенсивности излучения его элементов (модулей) в направлении своих нормалей -величинами Jj(0) j = \...п, где п - число излучателей.

В качестве критерия оптимальности режима работы имитатора в выбирается минимум целевой функции у/, представляющей собой:

^(J,(0),J2(0),..J„(0)) = tbfctn-Aij-Va.j-OiryjjW-q?)2 8 i=i j=i

1=1

где Ли - интегральная поглощательная способность /-го элемента по отношению к излучению у -го излучателя ;

Jj(0)- интенсивность излучения модулей в направлении своей нормали;

Vdi-j " локальный угловой коэффициент i -го элемента и j -го излучателя;

Ф(?)- индикатриса излучения;

г - единичный вектор, направленный от j -го излучателя к г-му элементу;

п- число излучателей.

о

с], - плотность теплового потока, подводимого по расчетам к выделенным элементам в штатных условиях эксплуатации

Однако при разработке методического обеспечения тепловакуумной отработки ряда объектов обнаружились некоторые недостатки рассматриваемого

подхода. Для некоторых испытуемых объектов важно обеспечить не только минимально возможные, но и пренебрежимо малые погрешности воспроизведения среднеинтегральных внешних тепловых нагрузок на некоторые характерные поверхности испытуемого объекта, например, радиационные поверхности с аксиальными тепловыми трубами. В связи с этим возникла необходимость изменить рекомендуемый в подход к выбору оптимального режима работы имитатора, а именно, решать задачу оптимизации значений Jj(0) как задачу на условный

экстремум целевой функции ПРИ наличии условия:

п т

/=1 У=1

В этом случае функция Лагранжа имеет вид:

п т

Ф(У„У2,.Л)=1>,2 '(2>• 4 • <р*ч ■ I, -яТ)~ +

п т

1=1 у=1

где /I - множитель Лагранжа.

Дифференцируя функцию (11) по переменным JX,J■Í,..J „,Л, запишем необходимое условие экстремума функции ц/ при наличии требования (10):

5Ф

— = 0, к = 1,2...п

ЭК

дХ

дФ п 2 т о п

где — = ) > 12

Ык 1=1 у=1 /=1

ЯсА и я*

17=2(2(^-^-9?). 13

см. /=] у=)

а0■=п-Ф(г)-<рш_] -А0 , 14

Ф(г)- индикатриса излучения модуля, /1(/ - поглощательная способность / -го тепловоспринимающего элемента по отношению к излучению /' -го модуля.

Коэффициенты я, зависят от величины , которые в случае несерых тепловоспринимающих элементов сами являются функциями ./, (0).

А,у зависит от характера распределения по Л спектральной поглощательной способности Ад поверхности тепловоспринимающего элемента и от характера распределения по Л спектральной интенсивности излучателя. Для вычисления Ал воспользуемся известным в теории теплообмена излучением соотношением:

И

оо

2-С,

Л5-(ехр^А^ )-\)

2

Л

С] «0.595-10~16б/и-л/2, С2 « 1.44-10"2л/-А" .

При известной зависимости /!я = /(Л), интегралы, входящие в выражение для Ау можно определить численно.

Вот почему возникает необходимость в неоднократном решении задачи минимизации у/. Сначала задача решается с целью грубого определения величин ./ДО). Первое приближение величин J1((У) можно получить вводя предположение о независимости от .7,(0). Первое приближение значений ^(0) является основой для определения первого приближения А^. Потребное количество приближений зависит от степени нерегулярности спектральных радиационных характеристик излучателей и тепловоспринимающих элементов.

Входящую в выражение для коэффициента а,у величину локального углового

коэффициента () можно определить как угловой коэффициент между

элементарными площадками, но при условии если между тепловоспринимающий элемент сИ не экранируется от излучения элемента ф какими-то участками поверхности испытуемого объекта. Поэтому расчету углового коэффициента должна предшествовать процедура выявления возможного эффекта затенения.

В процессе решения апробирован на модельных задачах. В качестве облучаемых объектов были выбраны два гипотетических имитатора, которые воспроизводят заданные внешние тепловые нагрузки на три абстрактных испытуемых объекта.

В первом случае с помощью имитатора необходимо было с наибольшей точностью воспроизвести распределение величин плотности потока солнечного излучения, падающего на элементы внутренней поверхности полусферы (рисунок 9) при ориентации ее продольной оси на Солнце.

Рисунок 9 Пример аппроксимации поверхностью многогранника с треугольными гранями испытываемого объекта

Результаты решения задачи, иллюстрируются на графике рисунка 10, где приводятся локальные погрешности воспроизведения заданных тепловых потоков для элементов внутренней поверхности полусферы, расположенных в 5 поперечных сечения, отстоящих от плоскости выходного сечении полости.

Рисунок 10 Локальные погрешности воспроизведения воздействия потока солнечного излучения на элементы внутренней поверхности полусферы в имитаторе с условно точечными излучателями.

Абсолютные погрешности относились к характерной для данного случая величине, в качестве которой принималась величина солнечной постоянной

5 = 1400^/2 . Локальные погрешности находятся в пределах /-0,23,-0,257, в т0

время как среднеинтегральные погрешности не превышают величину 0,012, а среднеквадратичные погрешности составляют 0,101.

В качестве второго имитатора рассматривался имитатор с условно линейчатыми излучателями, расположенными вдоль образующих поверхности кругового цилиндра

В рассматриваемом случае имитатор должен был воспроизвести две ситуации внешнего теплового нагружения цилиндрической поверхности:

- Поверхность подвергается только воздействию потока солнечного излучения, падающего на нее сбоку (перпендикулярно продольной оси).

- Помимо потока прямого солнечного излучения поверхность подвергается воздействию потока собственного излучения Земли.

Предполагалось, что объект находится на расстоянии 300км от поверхности Земли, а его продольная ось направлена на центр Земли.

Результаты расчета погрешностей воспроизведения внешних тепловых нагрузок для двух рассматриваемых ситуаций представлены на графиках рисунков

11 и 12. Погрешности приводятся для 5 приблизительно равноотстоящих друг от друга поперечных сечений ^ = {0.,0,2,0,4,0,6;0,8}

Рисунок 11 Погрешности воспроизведения воздействия потока солнечного излучения на элементы цилиндрической поверхности в имитаторе с условно линейчатыми излучателями.

Рисунок 12 Погрешности воспроизведения воздействия солнечного излучения и собственного излучения Земли на цилиндрическую поверхность в имитаторе с линейчатыми излучателями.

Из графиков следует, что для двух рассматриваемых случаев локальные погрешности отличаются несущественно. Среднеинтегральные погрешности для первого случая не превосходят величину 0,0053 , а для второго - 0,0005.

14

Среднеквадратичные погрешности для рассмотренных случаев составляют величины соответственно равные 0,0269 и 0,0195 .

В четвертой главе представлены результаты исследований в обеспечение осуществления термостатирования с помощью инфракрасного имитатора изделий "ЭЛЕКТРО" и "Спектр-Р" в процессе проведения их комплексных электрических испытаний в вакуумной камере ВК600/300.

Заключение

Результаты выполненных исследований можно сформулировать в виде следующих выводов:

В диссертационной работе получены решения ряда нижеперечисленных задач, обеспечивающих в комплексе подготовку методического и программного обеспечения проведения тепловакуумных, вакуумно-температурных и электрических испытаний КА в наземных тепловакуумных установках, оснащенных какими-либо источниками излучения, размещенных вокруг испытуемого объекта.

1) Разработан метод, алгоритм и компьютерная программа расчета тепловых потоков, падающих от Солнца и планет на поверхность КА с произвольной наружной конфигурацией его поверхностей. Задача решена с учетом возможного затенения одних частей аппарата другими.

2) Разработан метод определения оптимального режима работы имитаторов расчетных внешних тепловых нагрузок, выполненных в виде совокупности различного рода условно точечных или линейчатых излучателей, размещенных вокруг испытуемого объекта. Задача решалась как обратная задача управления, где в качестве управляющего эффекта рассматривались воспроизводимые с максимально возможной точностью (в пределах принципиальной возможности используемой излучающей системы) расчетные внешние тепловые нагрузки, а в качестве управляющего воздействия - энергетический режим работы имитатора, выражающийся в распределении между модулями имитатора подводимой к ним мощности.

3) Разработан метод расчета облученности объектов различной геометрической формы потоком излучения, исходящего от так называемых сетчатых нагревателей, что позволило использовать совокупность таких нагревателей в качестве модулей имитаторов внешних тепловых нагрузок.

4) Результаты работы использовались на НПО им С.А. Лавочкина для расчета внешних тепловых потоков, падающих от Солнца и поверхности Фобоса на перелетный модуль изделия Фобос-грунт в условиях пребывания его на поверхности Фобоса. Эти результаты явились теми расчетными тепловыми нагрузками, которые воспроизводились с помощью инфракрасного имитатора тепловакуумной установки ВК600/300 , оптимальный энергетический режим работы которого определялся с помощью метода и программы, о которых говорилось в разделе 2 данного заключения.

5) Метод и компьютерная программа выбора оптимального режима инфракрасного имитатора использовалась для обеспечения термостатирования

изделий Спектр-Р и Электро во время проведения их комплексных электрических испытаний в вакуумных условиях в установке ВК600/300.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Палешкин A.B., Колесников A.B. Численный метод моделирования внешнего теплообмена космического аппарата с произвольной формой наружных поверхностей. // Вестник МАИ 2010 г. №17 т.4

2. Палешкин A.B., Колесников A.B. Оптимизация энергетического режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок. // Электронный журнал «Труды МАИ» 2010 г. №37

3. Палешкин A.B., Колесников A.B. Численный метод выбора энергетического режима работы сетчатых нагревателей. // Электронный журнал «Труды МАИ» 2010 г. №39

61 - 2-5/1734

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИАНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ПАЛЕШКИН АНДРЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.07.03 - прочность и тепловые режимы летательных

аппаратов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор Колесников А.В.

Москва 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ КА В УСЛОВИЯХ, МАКСИМАЛЬНО ПРИБЛИЖЕННЫМ К НАТУРНЫМ..........................................................................................................13

1.1. Моделирование испытываемого объекта..................................................15

1.2. Моделирование внешнего теплообмена КА.............................................16

1.2.1. Воспроизведение космического вакуума и радиационных свойств космического пространства.........................................................................16

1.2.3. Имитация планетного излучения.......................................................21

1.2.4. Имитация солнечного излучения.........................................................25

1.2.4. Исследование внешнего теплообмена КА с помощью его маломасштабной модели...............................................................................32

1.3. Выводы..........................................................................................................39

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА КА............................................................................................40

2.1. Анализ известных методов расчета внешнего теплообмена КА............40

2.2. Математическое моделирование внешнего теплообмена КА с

произвольной геометрической формой его наружных поверхностей...........50

2.2.1. Методический подход к решению задачи..............................................53

2.2.2 Численно-аналитический метод определения угловых коэффициентов...............................................................................................57

2.2.3 Расчет плотности потока солнечного излучения, падающего

на КА................................................................................................................60

2.2.4 Расчет облученности поверхности КА потоком исходящего от планеты излучения..........................................................................................64

2.3 Выводы...........................................................................................................68

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБЛИЖЕННЫХ МЕТОДОВ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА КА...............................69

3.1 Конформные управляемые электронагреватели........................................69

3.2. Сетчатые электронагреватели.......................................................... 71

3.2.1 Имитаторы расчетного внешнего теплового воздействия на основе сетчатых нагревателей..............................................................................................................72

3.2.2. Методический подход к решению задачи выбора энергетического режима работы сетчатых нагревателей...................................................74

3.2.3. Расчет плотности тепловых потоков, падающих на тепловоспринимающие элементы испытываемого объекта от излучающих нитей нагревателя........................................................ 73

3.3. Системы из автономных линейчатых или условно точечных излучателей, расположенных вокруг испытываемого объекта......................83

3.4. Имитаторы расчетного внешнего теплового воздействия на основе линейчатых и условно точечных излучателей, размещаемых на некотором удалении от испытываемого объекта......................................................................................................34

3.4.1. Имитаторы с линейчатыми излучателями......................................85

3.4.2. Методический подход к решению задачи определения оптимального режима работы имитатора.............................................................

3.4.4. Решение задач, сопутствующих задаче оптимизации режима работы имитатора......................................................................................................................................92

3.4.5. Анализ функциональных возможностей рассматриваемых имитаторов................................................................................................................................................97

3.6. Выводы...............................................................................

4. ИЛЛЮСТРАЦИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ...........................................................................................................

4.1. Термостатирование изделия «Электро» в вакуумной камере при проведении электрических испытаний.........................................................

4.2. Термостатирование изделия «Спектр -р» в вакуумной камере при проведении электрических испытаний......................................................\ ю

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................П8

ВВЕДЕНИЕ

Одним из непременных условий надежного функционирования космического аппарата (КА), а следовательно и оправдания значительных затрат на его создание является обеспечение необходимого теплового режима всех его элементов. Задача обеспечения теплового режима изделий космической техники, функционирующих, как правило, в условиях, неблагоприятных для реализации эксплуатационных характеристик всех их систем и элементов, имеет особую специфику, заключающуюся в том, что процесс ее решения в той или иной мере влияет на выбор проектных и частных технических решений, касающихся почти всех систем КА. Поэтому важнейшим видом деятельности при разработке космической техники является тепловое проектирование, заключающееся в решении тепловых аспектов задачи создания космического аппарата при увязке этих решений с задачами общего проектирования.

Надежное математическое моделирование теплообмена большинства типов космических аппаратов связано с рядом трудностей, обусловленных не столько недостатками математических методов и вычислительных средств, сколько сложностью и значительной неопределенностью протекания физических процессов.

В связи с этим большое значение при создании КА имеет, так называемая, тепловая отработка, представляющая собой совокупность тепловых экспериментов (испытаний) и проводимых на основе их результатов мероприятий по доработке (в случае необходимости) средств обеспечения теплового режима, а иногда и конструкции аппарата [3,18].

Среди всех видов тепловых испытаний КА в целом или его отдельных элементов особое место по сложности, значимости 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).

При создании входящих в состав тепловакуумных установок имитационных систем наиболее сложной проблемой оказалась разработка имитаторов потоков излучения от Солнца и планет. В России практическое решение проблемы имитации солнечного излучения в крупных тепловакуумных установках затянулось до конца 70-х годов 20 века.

Решение задач 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, поэтому общепринятым является мнение о том, что работы по экспериментальному исследованию влияния факторов космического пространства целесообразно расчленять на группы видов воздействия.

Так например в [3, 4, 27] считают, 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, практическое 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 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.

Однако, несмотря на явное упрощение, вызванное раздельным моделированием внешних факторов космической среды по группам, задача высокоточного моделирования условий внешнего теплообмена КА в наземных экспериментальных установках для некоторых типов аппаратов, особенно околопланетных, является очень сложной и до сих пор ее нельзя считать решенной в той степени, которая, безусловно устраивала бы разработчиков космической техники, хотя нельзя сказать, что этой задаче уделялось недостаточно внимания.

Работы по созданию средств моделирования космических условий полета начались одновременно с развитием космической техники. Исследовались методы моделирования, создавались имитационные системы и тепловакуумные установки, синтезирующие в себе достижения вакуумной техники, светотехники, оптики, инфракрасной техники, автоматики, теории теплообмена. По вопросам моделирования тепловых режимов КА и окружающей его среды появилось много журнальных публикаций, главным образом, зарубежных, которые периодически по мере накопления новых результатов обобщались в книгах [3, 4, 27, 44].

Если проанализировать историю наземной тепловакуумной отработки отечественной космической техники, акцентируя внимание в первую очередь на методический ее аспект, то можно сделать вывод, что во многих случаях тепловакуумная отработка проводилась далеко не рационально с точки зрения материальных затрат. Это происходило, главным образом, по причине недостаточного внимания к качеству разрабатываемого для проведения тепловой отработки методического обеспечения, что вполне объяснимо, учитывая определенную специфику финансирования в 60 - 90 годы программ космических исследований. Наблюдалось подчас нецелесообразное, а главное, нерационально продолжительное использование дорогостоящих экспериментальных установок, тогда как не менее эффективную наземную

отработку можно было провести при значительно меньших материальных затратах, сконцентрировав внимание на создание качественного методического и программного обеспечения проведения экспериментальных исследований, задействовав в необходимой мере имеющуюся у разработчиков космической техники собственную экспериментальную базу, возможно доработав ее в пределах целесообразной возможности и повысив требования к уровню разработок методического обеспечения экспериментальных исследований.

В связи с кардинальным изменением условии создания космической техники, особенно с изменением ситуации в части финансирования, привлекательной становится концепция поотсечной тепловой отработки как крупногабаритных, так и среднеразмерных космических аппаратов (КА), поскольку тепловую отработку отдельных относительно небольших частей КА можно осуществить в некрупных относительно недорогих в эксплуатации экспериментальных установках, при большей свободе выбора этих установок и, что немаловажно, при меньшем влиянии на сроки проведения экспериментальных исследований организационных факторов процесса разработки КА и его систем.

Анализируя конструктивные, радиационно-оптические, энергетические и теплофизические характеристики известных и доступных для изучения отечественных и зарубежных КА, в первую очередь крупногабаритных, можно констатировать, что они, как правило, допускают деление на достаточно независимые в отношении внутреннего теплообмена отсеки, в то время как во внешнем теплообмене взаимное влияние может проявляться и у довольно разобщенных в конструктивном отношении частей. Если первое обстоятельство создает благоприятные условия для реализации метода поотсечной отработки КА, то второе - затрудняет его реализацию.

Однако трудности, обусловленные внешним тепловым взаимным влиянием отдельных частей КА, могут быть преодолены в случае успешного решения нескольких задач, одна из которых заключается в достаточно

корректном расчёте внешнего теплообмена КА в условиях его штатной эксплуатации, другая - в достаточно точном воспроизведении расчётных локальных внешних тепловых нагрузках с помощью имеющихся в распоряжении экспериментаторов средств имитации внешних тепловых потоков, например, системы установленных вокруг рабочей зоны экспериментальной установки условно линейчатых или точечных источников лучистых потоков или системы каких-либо излучающих панелей, сетчатых нагревателей и т.п.

Таким образом, для проведения тепловакуумной отработки в наземных экспериментальных установках разработка новых методов обеспечения является актуальной и практически полезной.

Целью диссертации является подготовка методического и программного обеспечения проведения тепловакуумных, вакуумно-температурных и электрических испытаний КА в наземных тепловакуумных установках. Для этого требуется разработка методов решения ряда задач, обеспечивающих в комплексе подготовку испытаний КА в наземных тепловакуумных установках, оснащенных инфракрасными источниками излучения, размещенных вокруг испытуемого объекта.

В связи с изложенным представляется целесообразным в рамках настоящей диссертационной работы поставить следующие основные задачи: Постановка задач исследования

- провести анализ условий теплообмена КА с окружающей средой;

- на основе проведенногог анализа разработать численные методы расчета внешнего теплообмена космического аппарата, с последующей численной диагностикой возможного эффекта взаимного затенения поверхностей, от исходящего от Солнца и планеты излучения

- провести анализ приближенных методов физического моделирования внешнего теплообмена КА

- разработать метод определения энергетического режима работы сетчатых нагревателей;

- разработать метод оптимизации режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок, обеспечивающего максимальную в пределах возможности принятой схемы имитатора точность воспроизведения заданных тепловых нагрузок на поверхность испытуемого объекта.

- реализовать разработанные методы в виде пакета прикладных программ;

- определить области эффективного использования методов и оценить точность результатов разработанных методов.

На защиту выносятся:

1. Метод расчета внешнего теплообмена космического аппарата, с последующей численной диагностикой возможного эффекта взаимного затенения граней, от исходящего от Солнца и планеты излучения.

2. Метод определения энергетического режима работы сетчатых нагревателей

3. Метод оптимизации режима работы имитатора внешних тепловых нагрузок, обеспечивающего максимальную в пределах возможности принятой схемы имитатора точность воспроизведения заданных тепловых нагрузок на поверхность испытуемого объекта.

Работа включает в себя 4 раздела.

Первый раздел носит обзорно-аналитический характер. Рассмотрены особенности экспериментального моделирование тепловых режимов КА в условиях, максимально приближенным к натурным. Выявлены технические трудности, несмотря на то, что имитационная техника позволяет воспроизводить каждый из отмеченных факторов космического пространства с достаточной точностью. Также сложности, вызванные тем, что необходима техническая организация совместной работы имитационных систем и испытываемого объекта.

Во втором разделе решались первая задача данной работы.

Теплообмен КА с окружающей средой является важным фактором, определяющим тепловой режим аппарата. Характер внешних источников тепла зависит от участка полета или места расположения КА. В данном разделе рассматриваются внешние тепловые потоки только на этапах орбитального полета и перелета между планетами. Сложный характер поля внешних тепловых потоков, особенности конфигурации поверхности объекта, необходимость учета затенений требующие разработки специальных математических моделей и методов их расчета, обеспечивающих высокую точность, быстродействие и возможность применения современной вычислительной техники.

В результате разработан метод и программа расчёта внешнего теплообмена космического аппарата, с произвольной геометрической формой его наружных поверхностей, исходящего от Солнца и планет излучения с учетом возможного эффекта взаимного затенения.

Методический подход апробирован в процессе расчета распределения локальной плотности потоков излучения, от Солнца и Земли на элементы различных невыпуклых поверхностей, в основном полостей -полусферических, цилиндрических, конических. При этом всегда осуществл