Разработка и моделирование светооптических схемимитаторов солнечного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и моделирование светооптических схемимитаторов солнечного излучения

Введение

Одним из ключевых элементов стенда для наземной тепловакуумной отработки является система имитации солнечного излучения (имитатор Солнца). В настоящее время в России функционируют четыре крупногабаритных имитатора солнечного излучения: совместно с вакуумными установками ВК 600/300 с 1970-х годов эксплуатируются имитаторы ИС-500 в ФКП НИЦ РКП и во ФГУП ЦСКБ Прогресс. В ОАО ИСС им. академика М.Ф. Решетнева эксплуатируется вакуумная установка ТБК-120 с имитатором солнечного излучения (размер светового пятна 2 х 2 м²). Кроме того, в 2011 г. введён в эксплуатацию новый имитатор солнечного излучения ИСИ ГВУ-600 с размером пятна 4 х 4 м², работающий в составе вакуумной установки ГВУ-600. Остановимся подробнее на двух последних имитаторах.

1. ИСИ ТБК-120 и ИСИ ГВУ-600

Исторически большинство имитаторов, построенных в СССР, проектировались под работу с лампами ДКсРМ-55 000. Лампа имела электрическую мощность 55 кВт, мощность светового потока на выходе составляла 15 кВт. Она имела встроенный параболический отражатель, который формировал параллельный пучок лучей диаметром около 200 мм. В лампе предусматривалось 2-х контурное охлаждение. Один контур обеспечивал охлаждение электродов, второй контур, с дистиллированной водой, обеспечивал охлаждение выходного кварцевого окна лампы. По этой причине, в спектре излучения полностью отсутствовала УФ-составляющая в диапазоне длин волн 200-380 нм, что снижало точность воспроизведения факторов пространства.

В частности, на таких лампах работал упомянутый выше имитатор установки ТБК-120, а также некоторые подсистемы имитатора ИС-500. К 2007 году в отрасли сложилась ситуация, когда лампы ДКсРМ-55 000 были сняты с производства, и запасы ламп на предприятиях закончились. Это поставило под угрозу проведение текущих термовакуумных испытаний. В ОАО ИСС было принято решение о модернизации имитатора ИСИ ТБК-120 и адаптации светооптической схемы для работы с современными серийно выпускаемыми лампами. Совместно со специалистами НПП ВОЛО (Санкт-Петербург) была разработана схема суммирования потоков излучения от массива газоразрядных ламп [2,3].

В результате проведённой модернизации имитатор солнца был оснащён двумя новыми световыми щитами, каждый из которых включал 7 ламп мощностью по 10 кВт. Оптический дизайн светового щита был выполнен таким образом, чтобы при минимальных изменениях оригинальной конструкции имитатора получить максимальную эффективность. С новым световым щитом имитатор позволяет получать на испытуемом изделии пятно размеров 2 х 2 м² с диапазоном плотности мощности 400…2880 Вт/м². Новые лампы требуют лишь воздушного охлаждения и обладают ресурсом более 500 часов.

На рис.2 показан вид одного из двух световых щитов, входящих в состав имитатора солнечного излучения ТБК-120.

Успешный опыт эксплуатации 10 кВт ламп на имитаторе ТБК-120 в течение нескольких лет был учтён при проектировании нового имитатора для горизонтальной вакуумной установки ГВУ-600. Имитатор должен был обладать следующими характеристиками:

- размер пятна 4 х 4 м с возможностью увеличения до 5 х 5 м,

- диапазон плотности мощности в пятне 400...1500 Вт/м²,

- неравномерность менее 10%,

- спектральный диапазон 200…2500 нм.

Особенностью создания имитатора ИСИ ГВУ-600 (рис. 3, 4) стал тот факт, что имитатор проектировался под готовую вакуумную установку и готовое помещение, что обусловило ряд нестандартных конструктивных решений. Так, например, осветительная система с 4-мя световыми щитами была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить возможность её быстрого монтажа/демонтажа в помещении ГВУ-600. Это позволяет хранить осветительную систему в других помещениях предприятия, освобождая дополнительное пространство при проведении испытаний, не требующих имитации солнечного излучения. Зеркальный коллиматор также допускает быстрый монтаж/демонтаж и хранение его компонентов в 6-ти модернизированных 20-футовых контейнерах.

Осветительная система ИСИ ГВУ-600 построена на том же принципе суммирования световых потоков от массива ламп, как и ТБК-120. Осветительная система - это четыре световых щита, в каждом из которых установлено десять ламп по 8 кВт каждая.

2. Перспективные имитаторы солнечного излучения

Как отмечалось в начале статьи, прогресс в области создания негерметичных КА стимулирует развитие наземной стендовой базы для их экспериментальной отработки. Развитие стендовой базы, связанной с имитаторами солнечного излучения, связано с несколькими аспектами. Во-первых, это модернизация и поддержание в работоспособном состоянии уже имеющихся установок. Анализ состояния имитаторов ИС-500 показывает, что несмотря на более чем 40-летний стаж работы они находятся в неплохом состоянии и требуют лишь модернизации световых щитов с заменой ламп с водяным охлаждением на лампы воздушного охлаждения с существенно более длительным ресурсом работы, а также восстановление зеркальных покрытий. Имитаторы ИС-500 обладают уникальной светооптической схемой, позволяющей формировать на испытуемом изделии зоны с различными значениями плотности мощности. Это крайне актуально для тепловакуумных испытаний негерметичных КА, которые требуют именно создания различных уровней мощности светового потока на различных частях изделия для имитации эффектов затенения в процессе полёта.

С другой стороны крайне актуально создавать крупногабаритные имитаторы солнечного излучения с площадью засветки 25-40 м² и возможностью вращения испытуемого КА в процессе испытаний вокруг 3-х осей. Примером такой установки является «Большой Имитатор Космоса» (Large Space Simulator), эксплуатируемый в испытательном центре ESTEC европейского космического агентства ESA (рис. 6).

Основной отличительной особенностью такого имитатора является высокая объёмная однородность светового потока внутри объёма вакуумной установки. Это позволяет исследовать тепловые режимы аппарата при вращении его вокруг 3-х осей с воспроизведением всех возможных положений аппарата на орбите относительно Солнца. Получение высокой объёмной однородности светового потока получается возможным при условии, что весь свет, направляемый на объект испытаний, излучается одним единственным световым щитом. Однако это требует использования высокомощных ламп 25-30 кВт с водяным охлаждением. Так, например, упомянутый имитатор солнца европейского космического агентства имеет следующие характеристики:

- размер пятна: диаметр 6 м,

- плотность мощности: до 2800 Вт/м2 в пятне диаметром 6 м,

- плотность мощности: до 14400 Вт/м2 в пятне диаметром 2,5 м (непараллельный пучок),

- непараллельность ±1,5 град.,

- неравномерность в плоскости ±5%,

- неравномерность в объёме ±10%,

- световой щит: 19 ламп по 25 кВт.

Выводы

Срок активного существования КА в настоящее время определяет коммерческую целесообразность КА. Его величина критически зависит от полноты и качества наземных испытаний, экспериментальной отработки данных и точности воспроизведения факторов космического пространства. Это определяет актуальность развития стендов наземной отработки, оснащённых имитаторами солнечного излучения. С точки зрения, что подавляющее большинство аппаратов будут негерметичными КА со специфическим требованиями к их тепловакуумной отработке, представляется целесообразным развивать направление имитаторов солнечного излучения среднего класса с площадями засветки от 2 до 10 м² на основе ламп 3-5 кВт, а также направление крупногабаритных имитаторов солнечного излучения с площадями засветки 20-50 м² на основе водоохлаждаемых ламп мощностью 25-30 кВт.

Литература

световой аппарат излучение имитатор

1. А.Ю.Вшивков, С.В. Кравченко, С.А.Крат, С,Б.Нестеров, А.А.Филатов, В.И.Халиманович, В.В.Христич, Тепловакуммные испытания современных космических аппаратов, Вакуумная техника и технология. «Унивак», 2011. Том 21. №3.С.171-176

2. С.А.Крат, А.А.Филатов, В.В.Христич, Схема суммирования световых потоков от набора газоразрядных ламп для имитатора солнечного излучения, Оптический журнал, 2011. №11.-С.66-72

3. Крат С.А., Филатов А.А., Христич В.В./ Тепловакуумные испытания космического аппарата: опыт создания имитатора солнечного излучения на основе современных газоразрядных ламп высокого давления //Вестник СибГАУ. Красноярск, 2010. Вып. 2(28);

Размещено на Allbest.ru