eng
Выпуск #2/2014
С.Крат, В.Христич, А.Шаров, М.Шляхтин, А.Филатов
Крупногабаритные имитаторы солнечного излучения для тепловакуумных испытаний негерметичных космических аппаратов
Крупногабаритные имитаторы солнечного излучения для тепловакуумных испытаний негерметичных космических аппаратов
Просмотры: 6725
В статье представлен обзор имитаторов солнечного излучения, построенных на основе принципа суммирования световых потоков от массива газоразрядных ламп, а также проанализированы современные тенденции развития стендов наземной экспериментальной отработки космических аппаратов с использованием имитаторов солнечного излучения.
Теги: ground tests solar radiation simulators space vehicles имитаторы солнечного излучения космические аппараты наземные испытания
Уровень накопленных знаний о механизмах воздействия факторов космической окружающей среды на космические аппараты (КА) привел к необходимости повысить технические характеристики аппаратов для продления их срока активного существования (САС) до 10–15 лет. Столь существенного увеличения САС можно достичь за счет разработки и создания принципиально нового поколения КА. Предполагается, что эти аппараты должны стать бесконтейнерными, обладать пассивной системой терморегулирования (СТР), что связано с развитием и взаимной интеграцией новых технологий производства, отработки и эксплуатации КА. Создаваемые КА используют сотовые панели с встроенными тепловыми трубами, специальными радиационными поверхностями и большим количеством обогревателей.
При переходе на негерметичное исполнение КА отечественные разработчики обнаружили новые негативные эффекты влияния космической окружающей среды на работоспособность систем КА. В свою очередь, отсутствие необходимых мер защиты систем КА от этих угроз может привести к катастрофическим отказам в работе [1]. Поэтому ключевыми наземными испытаниями КА становится отработка режимов их эксплуатации в условиях, имитирующих факторы воздействия космического пространства. Для этого КА помещают в камеру, где подвергают воздействию излучения искусственного источника, имитирующего излучение Солнца.
Система имитации солнечного излучения (имитатор Солнца) является одним из базовых элементов стенда для наземной тепловакуумной отработки. 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 в НПО Машиностроения. В ОАО ИСС имени академика М.Ф.Решетнева эксплуатируется вакуумная установка ТБК-120 с имитатором солнечного излучения с размером светового пятна 2×2 м. Кроме того, в 2011 году введен в эксплуатацию новый имитатор солнечного излучения ИСИ ГВУ-600
с размером пятна 4×4 м, работающий в составе вакуумной установки ГВУ-600. Остановимся подробнее на двух последних имитаторах.
Имитаторы солнечного излучения
ИСИ ТБК-120 и ИСИ ГВУ-600
Исторически большинство имитаторов, построенных в Советском Союзе, проектировались под работу с лампами ДКсРМ-55 000, носивших на профессиональном жаргоне отрасли название "лампа Рабиновича" по фамилии ее изобретателя. Данная лампа имела электрическую мощность 55 кВт, мощность светового потока на выходе составляла 15 кВт. Лампа имела встроенный параболический отражатель, который формировал параллельный пучок лучей диаметром около 200 мм. В лампе предусматривалось двухконтурное 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 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 (рис.1) уже давно были сняты с производства и запасы ламп на предприятиях закончились. Это поставило под угрозу проведение текущих термовакуумных испытаний. В ОАО ИСС было принято решение модернизировать имитатор ИСИ ТБК-120 и адаптировать светооптическую схему к работе 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 проведенной модернизации имитатор Солнца был оснащен двумя новыми световыми щитами, каждый из которых включал семь ламп мощностью по 10 кВт. Оптический дизайн светового щита был выполнен таким образом, чтобы при минимальных изменениях оригинальной конструкции имитатора получить максимальную эффективность (рис.2). С новым световым щитом имитатор позволяет получать на испытуемом изделии пятно размером 2×2 м с диапазоном плотности мощности 400–2880 Вт/м2. Новые лампы требуют лишь воздушного охлаждения и обладают ресурсом более 500 ч.
На рис.3 и 4 показан один 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 учтен при проектировании нового имитатора для горизонтальной вакуумной установки ГВУ-600. Имитатор должен был обладать следующими характеристиками:
размер пятна 4×4 м с возможностью увеличения до 5×5 м;
диапазон плотности мощности в пятне
400–1500 Вт/м2;
неравномерность менее 10%;
спектральный диапазон 200–2500 нм.
Имитатор включает в себя следующие подсистемы:
осветительная система из четырех световых щитов;
входные блоки, устанавливаемые на откатной крышке вакуумной установки;
зеркальный коллиматор, устанавливаемый внутри вакуумной установки;
система подвода мощности;
автоматизированная система управления;
система измерения параметров излучения.
Имитатор солнечного излучения был разработан и изготовлен НПП ВОЛО (Санкт-Петербург) в кооперации с Томским политехнических университетом (система автоматизированного управления), ООО "Мерлин" (Москва) (система подвода мощности), ФГУП Институт вакуумной техники им.С.А.Векшинского (Москва) (система измерения параметров излучения).
Особенностью создания имитатора ИСИ ГВУ-600 стал тот факт, что имитатор проектировался под готовую вакуумную установку и готовое помещение, что обусловило ряд нестандартных конструктивных решений. Так, например, осветительная система с четырьмя световыми щитами была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить возможность ее быстрого монтажа/демонтажа в помещении ГВУ-600 (рис.5). Это позволяет мобильно перемещать осветительную систему на хранение в другие помещения предприятия, освобождая занимаемое ею пространство при проведении иных испытаний, не требующих имитации солнечного излучения. Зеркальный коллиматор также допускает быстрый монтаж/демонтаж и хранение его компонентов в шести модернизированных 20-футовых контейнерах (рис.6). Имитатор ИСИ ГВУ-600 был построен в довольно сжатые по меркам проекта сроки: проектирование было начато в первой половине 2010 года, а осенью 2011 года имитатор уже был введен в эксплуатацию.
Осветительная система ИСИ ГВУ-600 построена по тому же принципу суммирования световых потоков от массива ламп, что и ТБК-120. Осветительная система – это четыре световых щита, в каждом из которых установлено десять ламп по 8 кВт каждая (рис.7–9).
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, вызвано несколькими причинами. Во-первых, это модернизация и поддержание в работоспособном состоянии уже имеющихся установок. Анализ состояния имитаторов ИС-500 показал, что, несмотря на более чем 40-летний стаж работы, они находятся в неплохом состоянии. Требуется лишь модернизировать световые щиты, заменив лампы с водяным охлаждением на лампы с воздушным охлаждением, ведь они имеют более длительный рабочий ресурс. Также необходимо восстановить зеркальные покрытия. Имитаторы ИС-500 обладают уникальной светооптической схемой, позволяющей создавать на испытуемом изделии зоны с различными значениями плотности мощности (рис.10). Это крайне актуально для тепловакуумных испытаний негерметичных КА, требующих имитации эффектов затенения в процессе полета КА, когда разные участки аппаратуры подвергаются воздействию световых потоков с различными уровнями мощности.
С другой стороны, крайне актуальна задача создания крупногабаритных имитаторов солнечного излучения с площадью засветки 25–40 м2 и возможностью вращения испытуемого КА в процессе испытаний вокруг трех осей. Примером решения такой задачи стал "Большой имитатор космоса" (Large Space Simulator), эксплуатируемый в испытательной центре ESTEC европейского космического агенства ESA (рис.11).
Основная отличительная особенность такого имитатора – высокая объемная однородность светового потока внутри объема вакуумной установки. Это позволяет исследовать тепловые режимы аппарата при вращении его вокруг трех осей с воспроизведением всех возможных положений аппарата на орбите относительно Солнца. Получить высокую объемную однородность светового потока возможно при соблюдении того условия, что весь свет, направляемый на объект испытаний, излучается одним-единственным световым щитом. Однако, это требует использования высокомощных водоохлаждаемых ламп мощностью 25–30 кВт. Так, например, 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 14 400 Вт/м2 в пятне диаметром 2,5 м (непараллельный пучок);
непараллельность ±1,5°;
неравномерность в плоскости ±5%;
неравномерность в объеме ±10%;
световой щит: 19 ламп по 25 кВт.
Выводы
Срок активного существования КА в настоящее время определяет коммерческую целесообразность КА. Продолжительность срока критически зависит от качества его наземной экспериментальной отработки и точности воспроизведения факторов космического пространства, к которым естественно относится солнечное излучение. Это определяет актуальность задачи развития стендов наземной отработки, оснащенных имитаторами солнечного излучения. С той точки зрения, что подавляющее большинство аппаратов будут негерметичными КА со специфическим требованиями к их тепловакуумной отработке, представляется целесообразным путь развития 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 высокомощных водоохлаждаемых ламп мощностью 25–30 кВт.
ЛИТЕРАТУРА
Вшивков А.Ю., Кравченко С.В., Крат С.А., Нестеров С.Б. и др. Тепловакуммные испытания современных космических аппаратов. – Вакуумная техника и технология. "Унивак", 2011, т.21, №3, с.171–176.
Крат С.А., Филатов А.А., Христич В.В. Схема суммирования световых потоков от набора газоразрядных ламп для имитатора солнечного излучения. – Оптический журнал, 2011, №11, с.66–72.
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).
При переходе на негерметичное исполнение КА отечественные разработчики обнаружили новые негативные эффекты влияния космической окружающей среды на работоспособность систем КА. В свою очередь, отсутствие необходимых мер защиты систем КА от этих угроз может привести к катастрофическим отказам в работе [1]. Поэтому ключевыми наземными испытаниями КА становится отработка режимов их эксплуатации в условиях, имитирующих факторы воздействия космического пространства. Для этого КА помещают в камеру, где подвергают воздействию излучения искусственного источника, имитирующего излучение Солнца.
Система имитации солнечного излучения (имитатор Солнца) является одним из базовых элементов стенда для наземной тепловакуумной отработки. 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 в НПО Машиностроения. В ОАО ИСС имени академика М.Ф.Решетнева эксплуатируется вакуумная установка ТБК-120 с имитатором солнечного излучения с размером светового пятна 2×2 м. Кроме того, в 2011 году введен в эксплуатацию новый имитатор солнечного излучения ИСИ ГВУ-600
с размером пятна 4×4 м, работающий в составе вакуумной установки ГВУ-600. Остановимся подробнее на двух последних имитаторах.
Имитаторы солнечного излучения
ИСИ ТБК-120 и ИСИ ГВУ-600
Исторически большинство имитаторов, построенных в Советском Союзе, проектировались под работу с лампами ДКсРМ-55 000, носивших на профессиональном жаргоне отрасли название "лампа Рабиновича" по фамилии ее изобретателя. Данная лампа имела электрическую мощность 55 кВт, мощность светового потока на выходе составляла 15 кВт. Лампа имела встроенный параболический отражатель, который формировал параллельный пучок лучей диаметром около 200 мм. В лампе предусматривалось двухконтурное 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 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 (рис.1) уже давно были сняты с производства и запасы ламп на предприятиях закончились. Это поставило под угрозу проведение текущих термовакуумных испытаний. В ОАО ИСС было принято решение модернизировать имитатор ИСИ ТБК-120 и адаптировать светооптическую схему к работе 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 проведенной модернизации имитатор Солнца был оснащен двумя новыми световыми щитами, каждый из которых включал семь ламп мощностью по 10 кВт. Оптический дизайн светового щита был выполнен таким образом, чтобы при минимальных изменениях оригинальной конструкции имитатора получить максимальную эффективность (рис.2). С новым световым щитом имитатор позволяет получать на испытуемом изделии пятно размером 2×2 м с диапазоном плотности мощности 400–2880 Вт/м2. Новые лампы требуют лишь воздушного охлаждения и обладают ресурсом более 500 ч.
На рис.3 и 4 показан один 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 учтен при проектировании нового имитатора для горизонтальной вакуумной установки ГВУ-600. Имитатор должен был обладать следующими характеристиками:
размер пятна 4×4 м с возможностью увеличения до 5×5 м;
диапазон плотности мощности в пятне
400–1500 Вт/м2;
неравномерность менее 10%;
спектральный диапазон 200–2500 нм.
Имитатор включает в себя следующие подсистемы:
осветительная система из четырех световых щитов;
входные блоки, устанавливаемые на откатной крышке вакуумной установки;
зеркальный коллиматор, устанавливаемый внутри вакуумной установки;
система подвода мощности;
автоматизированная система управления;
система измерения параметров излучения.
Имитатор солнечного излучения был разработан и изготовлен НПП ВОЛО (Санкт-Петербург) в кооперации с Томским политехнических университетом (система автоматизированного управления), ООО "Мерлин" (Москва) (система подвода мощности), ФГУП Институт вакуумной техники им.С.А.Векшинского (Москва) (система измерения параметров излучения).
Особенностью создания имитатора ИСИ ГВУ-600 стал тот факт, что имитатор проектировался под готовую вакуумную установку и готовое помещение, что обусловило ряд нестандартных конструктивных решений. Так, например, осветительная система с четырьмя световыми щитами была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить возможность ее быстрого монтажа/демонтажа в помещении ГВУ-600 (рис.5). Это позволяет мобильно перемещать осветительную систему на хранение в другие помещения предприятия, освобождая занимаемое ею пространство при проведении иных испытаний, не требующих имитации солнечного излучения. Зеркальный коллиматор также допускает быстрый монтаж/демонтаж и хранение его компонентов в шести модернизированных 20-футовых контейнерах (рис.6). Имитатор ИСИ ГВУ-600 был построен в довольно сжатые по меркам проекта сроки: проектирование было начато в первой половине 2010 года, а осенью 2011 года имитатор уже был введен в эксплуатацию.
Осветительная система ИСИ ГВУ-600 построена по тому же принципу суммирования световых потоков от массива ламп, что и ТБК-120. Осветительная система – это четыре световых щита, в каждом из которых установлено десять ламп по 8 кВт каждая (рис.7–9).
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, вызвано несколькими причинами. Во-первых, это модернизация и поддержание в работоспособном состоянии уже имеющихся установок. Анализ состояния имитаторов ИС-500 показал, что, несмотря на более чем 40-летний стаж работы, они находятся в неплохом состоянии. Требуется лишь модернизировать световые щиты, заменив лампы с водяным охлаждением на лампы с воздушным охлаждением, ведь они имеют более длительный рабочий ресурс. Также необходимо восстановить зеркальные покрытия. Имитаторы ИС-500 обладают уникальной светооптической схемой, позволяющей создавать на испытуемом изделии зоны с различными значениями плотности мощности (рис.10). Это крайне актуально для тепловакуумных испытаний негерметичных КА, требующих имитации эффектов затенения в процессе полета КА, когда разные участки аппаратуры подвергаются воздействию световых потоков с различными уровнями мощности.
С другой стороны, крайне актуальна задача создания крупногабаритных имитаторов солнечного излучения с площадью засветки 25–40 м2 и возможностью вращения испытуемого КА в процессе испытаний вокруг трех осей. Примером решения такой задачи стал "Большой имитатор космоса" (Large Space Simulator), эксплуатируемый в испытательной центре ESTEC европейского космического агенства ESA (рис.11).
Основная отличительная особенность такого имитатора – высокая объемная однородность светового потока внутри объема вакуумной установки. Это позволяет исследовать тепловые режимы аппарата при вращении его вокруг трех осей с воспроизведением всех возможных положений аппарата на орбите относительно Солнца. Получить высокую объемную однородность светового потока возможно при соблюдении того условия, что весь свет, направляемый на объект испытаний, излучается одним-единственным световым щитом. Однако, это требует использования высокомощных водоохлаждаемых ламп мощностью 25–30 кВт. Так, например, 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 14 400 Вт/м2 в пятне диаметром 2,5 м (непараллельный пучок);
непараллельность ±1,5°;
неравномерность в плоскости ±5%;
неравномерность в объеме ±10%;
световой щит: 19 ламп по 25 кВт.
Выводы
Срок активного существования КА в настоящее время определяет коммерческую целесообразность КА. Продолжительность срока критически зависит от качества его наземной экспериментальной отработки и точности воспроизведения факторов космического пространства, к которым естественно относится солнечное излучение. Это определяет актуальность задачи развития стендов наземной отработки, оснащенных имитаторами солнечного излучения. С той точки зрения, что подавляющее большинство аппаратов будут негерметичными КА со специфическим требованиями к их тепловакуумной отработке, представляется целесообразным путь развития 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 высокомощных водоохлаждаемых ламп мощностью 25–30 кВт.
ЛИТЕРАТУРА
Вшивков А.Ю., Кравченко С.В., Крат С.А., Нестеров С.Б. и др. Тепловакуммные испытания современных космических аппаратов. – Вакуумная техника и технология. "Унивак", 2011, т.21, №3, с.171–176.
Крат С.А., Филатов А.А., Христич В.В. Схема суммирования световых потоков от набора газоразрядных ламп для имитатора солнечного излучения. – Оптический журнал, 2011, №11, с.66–72.
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).
Отзывы читателей
