RU2449263C1 - Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft - Google Patents

Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft Download PDF

Info

Publication number
RU2449263C1
RU2449263C1 RU2010137456/28A RU2010137456A RU2449263C1 RU 2449263 C1 RU2449263 C1 RU 2449263C1 RU 2010137456/28 A RU2010137456/28 A RU 2010137456/28A RU 2010137456 A RU2010137456 A RU 2010137456A RU 2449263 C1 RU2449263 C1 RU 2449263C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thermal
radiation
max
thin
plates
Prior art date
Application number
RU2010137456/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010137456A (en
Inventor
Владимир Александрович Корнилов (RU)
Владимир Александрович Корнилов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2010137456/28A priority Critical patent/RU2449263C1/en
Publication of RU2010137456A publication Critical patent/RU2010137456A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2449263C1 publication Critical patent/RU2449263C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: apparatus has a radiation energy receiver made from two thin-wall plates placed next to each other. The working surfaces of the thin-wall plates are coated with a thermal control coating - on the first plate with a low solar absorption factor and high thermal emissivity, and on the second plate with a high solar absorption factor and high thermal emissivity. A heat sensitive element is placed on each nonworking surface of the plates. The nonworking surface of each thin-wall plate having a heat sensitive element is coated with a thermal control coating with high solar and thermal radiation reflecting power.
EFFECT: possibility of controlling radiation flux based on spectra of radiation falling on spacecraft in the region of interest of a thermal-vacuum chamber.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике, а именно к контролю теплообмена космических объектов с имитируемой в наземных тепловакуумных камерах (ТВК) космической средой при тепловакуумных испытаниях (ТВИ).The invention relates to space technology, namely, to control the heat transfer of space objects with a space environment simulated in terrestrial thermal vacuum chambers (TCEs) during thermal vacuum tests (TWI).

ТВИ направлены на определение работоспособности и ресурса космических объектов (КО), например космического аппарата (КА) или его составных частей, при давлении внешней среды, соответствующем области радиационной теплопередачи, и при воздействии электромагнитного излучения в диапазоне длин волн, соответствующем области теплового излучения [1, с.11]. Принято, что для полного исследования теплового режима КО достаточно воспроизвести следующие основные факторы космического пространства: высокий вакуум, солнечное излучение, излучение планеты, «холод» и «черноту» пространства за пределами телесных углов, занимаемых планетой и Солнцем [2, 127]. В связи с этим при проектировании ТВК, моделирующих космические условия или тепловые режимы КО, всегда возникает вопрос о максимально допустимой погрешности воспроизведения внешних лучистых потоков и космического вакуума. Решение данного вопроса особенно важно при испытании КО с пассивной системой терморегулирования, где необходима повышенная точность воспроизведения падающих лучистых потоков. В первую очередь это относится к спектру, равномерности плотности излучения по объему и угловому распределению. Отклонение этих характеристик от натурных значений приводит к искажению температурного поля конструкции КО [2, с.12].TWI are aimed at determining the health and resource of space objects (spacecraft), for example, a spacecraft (SC) or its components, at an ambient pressure corresponding to the region of radiation heat transfer, and when exposed to electromagnetic radiation in the wavelength range corresponding to the region of thermal radiation [1 , p.11]. It is accepted that for a complete study of the thermal regime of spacecraft it is enough to reproduce the following basic factors of outer space: high vacuum, solar radiation, planet radiation, “cold” and “blackness” of space outside the solid angles occupied by the planet and the Sun [2, 127]. In this regard, when designing TCEs simulating space conditions or thermal conditions of spacecraft, the question always arises of the maximum permissible error in reproducing external radiant fluxes and cosmic vacuum. The solution to this problem is especially important when testing QoS with a passive thermal control system, where increased accuracy of reproduction of incident radiant fluxes is required. This primarily refers to the spectrum, the uniformity of the radiation density in volume and angular distribution. The deviation of these characteristics from field values leads to a distortion of the temperature field of the KO design [2, p.12].

Как правило, ТВИ подвергается КО с весьма сложной конфигурацией внешней поверхности, температура которой целиком определяется тепловым балансом с окружающими элементами и внутренними источниками тепла. Причем внешняя поверхность КО может быть существенно неоднородна по своим оптическим радиационным характеристикам (например, коэффициенты теплового излучения (εт) и поглощения солнечного излучения (αs)), что отражается на реакции различных участков ее внешней поверхности к различным областям спектра падающего лучистого потока. В ТВК моделируется положение КО, и его ориентация относительно внешних источников энергии, в частности имитаторов солнечного излучения (ИСИ), конструкция которых включает источник излучения и коллимирующий отражатель [1, с.38].As a rule, TWI is subjected to KO with a very complex configuration of the external surface, the temperature of which is entirely determined by the heat balance with the surrounding elements and internal heat sources. Moreover, the outer surface of the CO can be substantially heterogeneous in its optical radiation characteristics (for example, the coefficients of thermal radiation (ε t ) and absorption of solar radiation (α s )), which affects the reaction of different parts of its external surface to different regions of the spectrum of the incident radiant flux. In TCEs, the position of the CO is modeled, and its orientation with respect to external energy sources, in particular, solar radiation simulators (ICI), the design of which includes a radiation source and a collimating reflector [1, p. 38].

Учитывая вышесказанное, принципиальным моментом при организации наземных ТВИ является контроль лучистых потоков, с учетом спектров излучения, на космический объект. Результаты контроля лучистых потоков, с учетом спектров излучения, позволяют ответить на вопрос о допустимости имеющих место погрешностей имитации внешних воздействий. Сведения их к величинам, обеспечивающим в сумме малое влияние на выходные результаты, либо к величинам, обеспечивающим возможность их учета или компенсации [1, с.75].Given the above, the fundamental moment in the organization of ground-based TWEs is the control of radiant fluxes, taking into account the emission spectra, on a space object. The results of the control of radiant fluxes, taking into account the emission spectra, allow us to answer the question of the permissibility of errors in imitation of external influences. Their information to the values that provide in total a small effect on the output results, or to the values that provide the possibility of their accounting or compensation [1, p. 75].

Отметим основные источники, составляющие погрешности имитации. В ряде систем ИСИ присутствует переотражение излучения КО. Т.е. собственное излучение КО, излученное в направлении коллимирующего отражателя ИСИ, частично возвращается к КО обратно [1, с.39]. Кроме того, собственное тепловое излучение коллимирующего зеркального отражателя определяет еще одну составляющую погрешности имитации солнечного излучения. Даже самые совершенные элементы оптических схем поглощают до (10-15) % падающего на них излучения [1, с.39]. Для снятия с зеркальных отражателей тепловых нагрузок, появляющихся при поглощении части падающего на них лучистого потока, может использоваться система охлаждения. Обычно она выполняется на температурных уровнях около 300 К (при охлаждении водой) или около (120-150) К (при охлаждении жидким азотом) [1, с.43]. Кроме того, в ТВК «холод» и «черноту» космического пространства имитируют с помощью теплопоглощающих криоэкранов (КЭ). Однако отсутствие достаточно технологичных черных покрытий, имеющих степень черноты εт>(0,8-0,95) [1, с.28] приводит к отражению КЭ части падающего на них теплового излучения. Таким образом, собственное излучение КЭ и отраженное может приводить к существенным лучистым потокам, испускаемым КЭ внутрь ТВК.Note the main sources that make up the imitation errors. In a number of ISI systems, re-reflection of CO radiation is present. Those. own radiation of the radiation emitted in the direction of the collimating reflector of the ICI partially returns to the radiation back [1, p. 39]. In addition, the intrinsic thermal radiation of a collimating specular reflector determines another component of the error in simulating solar radiation. Even the most advanced elements of optical circuits absorb up to (10-15)% of the radiation incident on them [1, p. 39]. A cooling system can be used to remove thermal loads from the mirror reflectors that appear when some of the radiant flux incident on them is absorbed. Usually it is performed at temperature levels of about 300 K (when cooled by water) or about (120-150) K (when cooled by liquid nitrogen) [1, p. 43]. In addition, in the TCEs, the “cold” and “blackness” of outer space is imitated using heat-absorbing cryoscreens (CE). However, the absence of sufficiently technologically advanced black coatings having a degree of blackness ε m > (0.8-0.95) [1, p.28] leads to the reflection of the CE part of the thermal radiation incident on them. Thus, the FE radiation and reflected radiation can lead to significant radiant fluxes emitted by FE inside the TCE.

Наличие рассмотренных выше систематических погрешностей имитации внешних воздействий может быть оправдано только при их учете. Отсюда вытекает необходимость разработки устройств и способов контроля лучистых потоков, с учетом спектров излучения, составляющих погрешность имитации при наземных ТВИ космических объектов.The presence of the above systematic errors of imitation of external influences can be justified only when they are taken into account. This implies the need to develop devices and methods for controlling radiant fluxes, taking into account the emission spectra that make up the imitation error in terrestrial TWI of space objects.

Существуют устройства и способы определения лучистых потоков при наземных ТВИ космических объектов, например калориметрический метод, термоэлектрический метод, фотометрический метод [2, с.300].There are devices and methods for determining the radiant flux in ground-based TWR of space objects, for example, the calorimetric method, thermoelectric method, photometric method [2, p. 300].

Калориметрический метод основан на измерении количества тепла, воспринимаемого достаточно черной (εт=0,95-0,98) поверхностью. Достигается с помощью специальных черных эмалей в сочетании с такой геометрией, которая приводит к многократному переизлучению и поглощению в пределах приемника всех падающих на него лучей. К недостаткам калориметрического метода следует отнести большую инерционность и неудобство использования в ТВК устройств, реализующих данный метод.Calorimetric method based on measuring the quantity of heat enough perceived black (ε r = 0,95-0,98) surface. It is achieved with the help of special black enamels in combination with such a geometry, which leads to repeated re-emission and absorption of all the rays incident on it within the receiver. The disadvantages of the calorimetric method include the large inertia and inconvenience of using devices implementing this method in TCEs.

Термоэлектрический метод основан на использовании термоэлектрических приемников излучения - термоэлементов, термостолбиков или болометров. Недостатком термоприемников (особенно термопар) является их малая чувствительность [2, с.301].The thermoelectric method is based on the use of thermoelectric radiation detectors - thermocouples, thermo columns or bolometers. The disadvantage of thermal receivers (especially thermocouples) is their low sensitivity [2, p. 301].

Фотометрический метод основан на использовании элементов солнечных батарей, преобразующих падающее на них излучение непосредственно в электрический ток. Однако эти элементы обладают существенной избирательностью по спектру поглощаемого излучения, а их сигнал зависит от температуры элемента [1, с.131].The photometric method is based on the use of solar cells that convert the radiation incident on them directly into electric current. However, these elements have significant selectivity in the spectrum of absorbed radiation, and their signal depends on the temperature of the element [1, p.131].

Упомянутые устройства и способы не могут быть использованы для контроля лучистых потоков при наземных ТВИ космических объектов, так как не позволяют разделять имитируемые в ТВК лучистые потоки ИСИ от тепловых (инфракрасных) потоков от элементов ТВК, составляющих погрешность имитации.The aforementioned devices and methods cannot be used to control the radiant flux in terrestrial TWI of space objects, since they do not allow the separation of the radiated flux from the thermal (infrared) fluxes simulated in the TCEs from the TCEs that constitute the simulation error.

Прототип предложенного устройства и способа контроля лучистых потоков при наземных ТВИ космических объектов не найден.A prototype of the proposed device and method for monitoring radiant flux in ground-based TWI of space objects was not found.

Задачей изобретения является обеспечение достоверной имитации внешних воздействий на космический объект с разделением лучистой энергии, имитируемой солнечным излучателем от лучистых потоков конструкции ТВК, составляющих погрешность имитации, при этом устройство и способ обладали бы достаточной простотой реализации контроля.The objective of the invention is to provide reliable simulation of external influences on a space object with the separation of radiant energy simulated by the solar emitter from the radiant fluxes of the TCE structure constituting an imitation error, while the device and method would have sufficient simplicity of monitoring.

Задача решается устройством контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, в котором приемник лучистой энергии с термочувствительными элементами выполнен из двух рядом расположенных тонкостенных пластин из материалов с высокой теплопроводностью в виде квадрата или круга и установленных на нитях-растяжках в контролируемой области тепловакуумной камеры, на пластины с обеих сторон нанесены терморегулирующие покрытия так, что суммарная толщина пластин с покрытиями h и характерный размер пластин L отвечают соотношению h<<L, на рабочие поверхности пластин, установленные в одной плоскости перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку, нанесены терморегулирующие покрытия - на первой с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения (αs11min) и высоким коэффициентом теплового излучения (εT11max), отвечающие соотношению αs11minT11max<<1, на второй с высокими коэффициентами поглощения солнечного (αs21max) и теплового (εT21max) излучений, отвечающими соотношению αs21maxT21max≈1, а на нерабочую поверхность первой и второй пластины установлены по электроизолированному термочувствительному элементу, на нерабочую поверхность каждой тонкостенной пластины с термочувствительным элементом нанесено терморегулирующее покрытие с высокой отражательной способностью солнечного и теплового излучений, где коэффициенты поглощения солнечного (αs12min) и теплового (εT12min) излучении для первой тонкостенной пластины и коэффициенты поглощения солнечного (αs22min) и теплового (εТ22min) излучении для второй тонкостенной пластины отвечают соотношениям αs12minT12min≈1 и αs22minT22min≈1, соответственно.The problem is solved by a radiant flux control device for ground-based heat-vacuum tests of space objects, in which a radiant energy receiver with heat-sensitive elements is made of two adjacent thin-walled plates of materials with high thermal conductivity in the form of a square or circle and mounted on stretch threads in the controlled area of the heat-vacuum chamber, thermoregulatory coatings are applied to the plates on both sides so that the total thickness of the plates with coatings h and the characteristic size of the plates L correspond to the ratio h << L, on the working surfaces of the plates installed in one plane perpendicular to the controlled radiant flux, thermoregulatory coatings are applied - on the first one with a low absorption coefficient of solar radiation (α s11 min ) and a high coefficient of thermal radiation (ε T11 max ) corresponding to the ratio α s11 min / ε T11 max << 1, on the second with high absorption coefficients of solar (α s21 max ) and thermal (ε T21 max ) emissions, corresponding to the ratio α s21 max / ε T21 max ≈ 1, and to the non-working one surface of the first and second pla the wafers are installed on an electrically insulated thermosensitive element, on the non-working surface of each thin-walled plate with a thermosensitive element, a thermostatic coating is applied with a high reflectivity of solar and thermal radiation, where the absorption coefficients of solar (α s12 min ) and thermal (ε T12 min ) radiation for the first thin-walled plate and the absorption coefficients of solar (α s22 min ) and thermal (ε T22 min ) radiation for the second thin-walled plate correspond to the relations α s12 min / ε T12 min ≈1 and α s22 min / ε T22 min ≈1, respectively.

Задача решается способом контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, в котором фиксируют состояния теплового равновесия обеих тонкостенных пластин приемника лучистой энергии, после чего измеряют одновременно температуры первой (T1) и второй (Т2) тонкостенных пластин, а контроль лучистых потоков, разделяющих солнечное излучение (Qs) от инфракрасных тепловых потоков, составляющих погрешность имитации (Qик), определяют по соотношениям:The problem is solved by the method of controlling radiant fluxes during ground-based heat-vacuum tests of space objects, in which the thermal equilibrium states of both thin-walled plates of the radiant energy receiver are recorded, after which the temperatures of the first (T 1 ) and second (T 2 ) thin-walled plates are measured, and the control of radiant fluxes separating solar radiation (Q s ) from infrared heat fluxes that make up the imitation error (Q ir ), is determined by the ratios:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где Е1T12minТ11mах, Е2T22minТ21mах - относительный коэффициент теплового излучения первой и второй тонкостенных пластин с терморегулирующими покрытиями, соответственно;where E 1 = ε T12 min / ε T11 max , E 2 = ε T22 min / ε T21 max is the relative coefficient of thermal radiation of the first and second thin-walled plates with temperature-controlled coatings, respectively;

A1s11minT11max, А2s21maxT21max - оптическая характеристика терморегулирующего покрытия рабочей поверхности первой и второй тонкостенных пластин, соответственно;A 1 = α s11 min / ε T11 max , A 2 = α s21 max / ε T21 max - optical characteristic of the temperature-controlled coating of the working surface of the first and second thin-walled plates, respectively;

σ - постоянная Стефана-Больцмана.σ is the Stefan-Boltzmann constant.

Предлагается установить в ТВК две рядом расположенные тонкостенные пластины (ТП) устройства контроля лучистых потоков так, чтобы их рабочие поверхности находились в одной плоскости перпендикулярно контролируемому солнечному потоку от ИСИ, что вызвано необходимостью одинакового по спектральному составу и энергии излучения падающего потока на рабочие поверхности двух ТП.It is proposed to install in a TCE two adjacent thin-walled plates (TP) of the radiant flux control device so that their working surfaces are in the same plane perpendicular to the controlled solar flux from the IRF, which is caused by the need for the incident radiation with the same spectral composition and radiation energy on the working surfaces of two TP .

Предлагается выполнять тонкостенные пластины в виде квадрата или круга, отвечающие соотношению h<<L, что вызвано в первую очередь требованиями: малой инерционности устройства контроля лучистых потоков и минимальных утечек тепла через боковые поверхности ТП.It is proposed to make thin-walled plates in the form of a square or circle, corresponding to the ratio h << L, which is caused primarily by the requirements: low inertia of the radiant flux control device and minimal heat leakage through the lateral surfaces of the TP.

Предлагается установить в контролируемой области ТВК тонкостенные пластины на нитях-растяжках, что вызвано требованием минимальных утечек тепла через конструкцию крепления ТП в ТВК (нити-растяжки). Для удобства размещения устройства контроля лучистых потоков в ТВК можно предложить предварительно установить две тонкостенные пластины, из которых состоит устройство, с помощью нитей-растяжек на рамку, которую также с помощью нитей-растяжек устанавливают в контролируемой области ТВК.It is proposed to install thin-walled plates on stretch threads in the controlled area of TCEs, which is caused by the requirement of minimal heat leakage through the design of the TP fastening in TCEs (stretch threads). For the convenience of placing the radiant flux control device in the TCEs, it can be proposed to pre-install two thin-walled plates that make up the device using stretching threads on a frame, which is also installed using stretching threads in the controlled area of the TCEs.

Предлагается выполнять ТП из материалов с высокой теплопроводностью (например из металлов или сплавов на их основе, позволяющих выполнить достаточно упругие тонкостенные пластины). С учетом минимальных потерь тепла через боковую поверхность пластин и через нити-растяжки данное предложение позволяет получить близкие к изотермичным тонкостенные пластины, что учитывается ниже в тепловом балансе ТП устройства контроля лучистых потоков.It is proposed to carry out TP from materials with high thermal conductivity (for example, from metals or alloys based on them, which make it possible to produce sufficiently elastic thin-walled plates). Given the minimum heat loss through the lateral surface of the plates and through the stretching threads, this proposal makes it possible to obtain thin-walled plates close to isothermal, which is taken into account below in the heat balance of the TP of the radiant flux control device.

Предлагается наносить на рабочие поверхности каждой из двух ТП специальные терморегулирующие покрытия (ТРП) (на первой тонкостенной пластине ТРП с высокой способностью отражать солнечную энергию и поглощать энергию в инфракрасной области спектра, на второй тонкостенной пластине ТРП с высокой поглощательной способностью в области спектра от ультрафиолетовых лучей до далекой инфракрасной области), что вызвано необходимостью разделения излучения ИСИ (Qs) от тепловых лучистых потоков ТВК (Qик), составляющих погрешность имитации.It is proposed to apply special thermostatic coatings (TRP) on the working surfaces of each of the two TPs (on the first thin-walled plate of the TPP with high ability to reflect solar energy and absorb energy in the infrared region of the spectrum, on the second thin-walled plate of the TPP with high absorption in the spectral region from ultraviolet rays to the far infrared region), which is caused by the need to separate the radiation from the IRR (Q s ) from the thermal radiant fluxes of TCEs (Q IR ), which constitute a simulation error.

Предлагается наносить на нерабочие поверхности первой и второй тонкостенных пластин ТРП с высокой отражательной способностью во всем интервале спектра от ультрафиолетовых лучей до далекой инфракрасной области, что вызвано необходимостью минимизировать вклад в тепловой баланс каждой из двух ТП эффективного излучения от конструктивных элементов ТВК и КО.It is proposed to apply on non-working surfaces of the first and second thin-walled TRP plates with high reflectivity in the entire spectrum interval from ultraviolet rays to the far infrared region, which is caused by the need to minimize the contribution to the thermal balance of each of the two TPs from the effective radiation from the structural elements of the TVK and KO.

Оценки значений температур элементов КО, отражателя ИСИ [1, с.12-13], показывают, что возможен максимальный нагрев поверхностей этих элементов на уровне до (300-600) К, т.е. при температурах, которым соответствуют лучистые потоки с максимумом интенсивности излучения, согласно закону Вина [3, с.149], в области длин волн, начиная с 4-5 мкм и более. Кроме того, известно, что 99% энергии солнечного спектра лежит в пределах длин волн от 0,2 до 3 мкм [2, с.298], а в диапазоне от 0,3 до 3 мкм сосредоточено 92% всей лучистой энергии Солнца [2, с.20].Estimates of the temperatures of the elements of the KO, ISI reflector [1, p.12-13], show that the maximum heating of the surfaces of these elements at a level of up to (300-600) K is possible, i.e. at temperatures corresponding to radiant fluxes with a maximum radiation intensity, according to Wien's law [3, p.149], in the wavelength region starting from 4-5 microns and more. In addition, it is known that 99% of the energy of the solar spectrum lies within the wavelength range from 0.2 to 3 μm [2, p. 298], and in the range from 0.3 to 3 μm, 92% of the entire radiant energy of the Sun is concentrated [2 , p.20].

Данные обстоятельства позволяют, с помощью подбора соответствующих ТРП для рабочих и нерабочих поверхностей тонкостенных пластин, выделить в ТВК лучистые потоки ИСИ (максимум суммарной энергии которых ограничен пределами длин волн от 0,2 до 3 мкм) от инфракрасных лучистых потоков от конструкций ТВК (излучение которых лежит в области длин волн начиная с 4-5 мкм и более).These circumstances make it possible, by selecting the appropriate TRP for the working and non-working surfaces of thin-walled plates, to isolate in the TCEs the radiant fluxes of ICI (the maximum total energy of which is limited by wavelengths from 0.2 to 3 μm) from infrared radiant fluxes from the designs of TCEs (whose radiation lies in the wavelength region starting from 4-5 microns or more).

Для рабочих поверхностей двух тонкостенных пластин устройства контроля лучистых потоков могут быть рекомендованы ТРП:For working surfaces of two thin-walled plates, radiant flux control devices can be recommended TRP:

1) для первой ТП предлагается ТРП на основе стеклопленок из радиационностойкого стекла с внутренним отражающим слоем из серебра или алюминия. Так ТРП с отражающим слоем из серебра имеет коэффициент поглощения солнечной радиации αsmin=(0,06-0,08) и коэффициент теплового излучения в диапазоне длин волн более 4 мкм, εтmах=0,9 [4, с.166, 170];1) for the first TP, a TRP based on fiberglass from radiation-resistant glass with an internal reflective layer of silver or aluminum is proposed. So TRP with a reflective layer of silver has a coefficient of absorption of solar radiation α s min = (0.06-0.08) and a coefficient of thermal radiation in the wavelength range of more than 4 μm, ε t max = 0.9 [4, p.166 , 170];

2) для второй ТП предлагается выполнить ТРП из рыхлой "черни", представляющей металлическое вещество в мелкораздробленном состоянии, с толщиной слоя, достигающей 30÷40 мкм и более, в соответствии с максимальными величинами длин волн поглощенного излучения. Предлагается этот слой покрытия выполнять, например, из Au в виде рыхлой "черни", как имеющей максимальный коэффициент поглощения в широкой области длин волн [5, с.56]. Можно также предложить для создания поверхности с максимально высокими εтmах и αsmax использовать покрытие, выполненное на основе черной матовой краски, при соответствующих рабочих условиях применения [3, с.372-373].2) for the second TP, it is proposed to perform TRP from loose "black", representing a metallic substance in a finely divided state, with a layer thickness reaching 30–40 μm or more, in accordance with the maximum wavelengths of the absorbed radiation. It is proposed that this coating layer be made, for example, of Au in the form of a loose "mobile", as having a maximum absorption coefficient in a wide range of wavelengths [5, p. 56]. You can also suggest to create a surface with the highest possible ε t max and α s max to use a coating made on the basis of black matte paint, under appropriate operating conditions [3, p.372-373].

Для нерабочих поверхностей каждой из двух тонкостенных пластин предлагается использовать ТРП, выполненное из алюминизированной с одной стороны пленки, металлизацией наружу, закрывающее нерабочую поверхность пластины вместе с установленным на ней термочувствительным элементом. Данное ТРП обладает высокой отражательной способностью (αsmin и εTmin) во всем интервале спектра от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области [6, с.780].For non-working surfaces of each of the two thin-walled plates, it is proposed to use a TRP made of a film aluminized on one side, metallized outward, covering the non-working surface of the plate together with a heat-sensitive element mounted on it. This TRP has a high reflectivity (α s min and ε T min ) in the entire range of the spectrum from ultraviolet to far infrared [6, p.780].

Электроизолированные термочувствительные элементы, устанавливаемые на нерабочей поверхности первой и второй ТП, могут быть изготовлены, например, в виде спиральной намотки или в виде прямоугольной намотки (зигзаг) очень тонкой токопроводящей металлической проволоки или ленты, выполненных, например, из Cu или Pt. Каждый электроизолированный термочувствительный элемент имеет предварительно выполненную градуировочную характеристику, выраженную зависимостью сопротивления от температуры. Через электроизолированные токоподводы термочувствительный элемент может включаться либо в мостовую схему, либо в схему с нагрузочным сопротивлением, которые позволяют регистрировать изменение сопротивления термочувствительного элемента.The electrically insulated heat-sensitive elements mounted on the non-working surface of the first and second TP can be made, for example, in the form of a spiral winding or in the form of a rectangular winding (zigzag) of a very thin conductive metal wire or tape made, for example, of Cu or Pt. Each electrically insulated thermosensitive element has a previously performed calibration characteristic, expressed by the dependence of the resistance on temperature. Through electrically insulated current leads, the thermosensitive element can be connected either to the bridge circuit or to the circuit with load resistance, which allows you to register a change in the resistance of the thermosensitive element.

Суть изобретения поясняется на фиг.1-3. На фиг.1 и 2 приведено конструктивное исполнение предлагаемого устройства. На фиг.3 - способ его применения.The essence of the invention is illustrated in figures 1-3. Figure 1 and 2 shows the design of the proposed device. Figure 3 - the method of its application.

Устройство контроля лучистых потоков 1 выполнено из двух рядом расположенных тонкостенных пластин (ТП) 2 и 3 из материалов с высокой теплопроводностью в виде квадрата или круга и установленных на нитях-растяжках 8 на рамке 9 в контролируемой области тепловакуумной камеры (ТВК) 15, на ТП 2 и 3 с обеих сторон нанесены терморегулирующие покрытия (ТРП) 12 и 13 так, что суммарная толщина (h) ТП 2 и 3, с ТРП, и характерный размер (L) ТП 2 и 3 отвечают соотношению h<<L, на рабочие поверхности 10 ТП 2 и 3, установленные в одной плоскости и обращенные в одну сторону перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку 14, нанесены ТРП 12 - на первой ТП 2 с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения (αs11min) и высоким коэффициентом теплового излучения (εT11max), отвечающие соотношению αs11minT11max<<1, на второй ТП 3 с высокими коэффициентами поглощения солнечного (αs21max) и теплового (εT21max) излучений, отвечающие соотношению αs21maxT21max≈1, а на нерабочую поверхность 11 первой ТП 2 и второй ТП 3 устанавливают по электроизолированному термочувствительному элементу 4 и 5 с токовыводами 6 и 7. Наносят на термочувствительные элементы 4 и 5 и нерабочую поверхность 11 каждой ТП 2 и 3 терморегулирующие покрытия 13 с высокой отражательной способностью солнечного и теплового излучений, где коэффициенты поглощения солнечного (αs12min) и теплового (εТ12min) излучений для первой ТП 2 и коэффициенты поглощения солнечного (αS22min) и теплового (εТ22min) излучений для второй ТП 3 отвечают соотношениям αS12minТ12min≈1 и αS22minТ22min≈1, соответственно. ТВК 15 включает: криогенные экраны (КЭ) 17; имитатор солнечного излучения (ИСИ), включающий источник излучения ИСИ 19 и коллимирующий отражатель ИСИ 16; исследуемый космический объект (КО) 18; устройство контроля лучистых потоков 1, установленное в контролируемой области ТВК 15, на рабочие поверхности пластин которого падает лучистый поток 14 от коллимирующего отражателя ИСИ 16.The radiant flux monitoring device 1 is made of two adjacent thin-walled plates (TP) 2 and 3 of materials with high thermal conductivity in the form of a square or circle and mounted on stretch braids 8 on frame 9 in the controlled area of the thermal vacuum chamber (TCE) 15, on TP 2 and 3, thermal control coatings (TRP) 12 and 13 are applied on both sides so that the total thickness (h) of TP 2 and 3, with TPP, and the characteristic size (L) of TP 2 and 3 correspond to the ratio h << L, on the workers surface 10 TP 2 and 3, installed in the same plane and facing in the same direction dikulyarno controlled solar radiant flux 14 applied TRP 12 - 2 on the first TP with low solar radiation absorption coefficient (α s11 min) and high thermal emissivity (ε T11 max), corresponding to the relation α s11 min / ε T11 max << 1 on the second TP 3 with high absorption coefficients of solar (α s21 max ) and thermal (ε T21 max ) radiation, corresponding to the ratio α s21 max / ε T21 max ≈1, and on the non-working surface 11 of the first TP 2 and the second TP 3 are installed on an electrically insulated temperature sensitive element 4 and 5 with current leads 6 and 7. thermosensitive elements 4 and 5 and non-working surface 11 of each TP 2 and 3 thermoregulatory coatings 13 with high reflectivity of solar and thermal radiation, where the absorption coefficients of solar (α s12 min ) and thermal (ε T12 min ) radiation for the first TP 2 and absorption coefficients solar (α S22 min ) and thermal (ε T22 min ) radiation for the second TP 3 correspond to the relations α S12 min / ε T12 min ≈1 and α S22 min / ε T22 min ≈1, respectively. TCEs 15 include: cryogenic screens (CE) 17; a solar radiation simulator (ISI), including an ISI 19 radiation source and an ISI 16 collimating reflector; space object under study (KO) 18; a radiant flux control device 1, installed in the controlled area of the TVK 15, on the working surfaces of the plates of which the radiant flux 14 from the collimating reflector ISI 16 falls.

Устройство и способ контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов работают следующим образом.A device and method for monitoring radiant fluxes during ground-based thermal vacuum tests of space objects operate as follows.

Помещают космический объект 18 в ТВК 15, оснащенную криогенными экранами 17 и имитатором солнечного излучения, включающим источник излучения ИСИ 19 и коллимирующий отражатель ИСИ 16. Для имитации солнечного спектра в качестве источника излучения ИСИ 19 могут быть использованы, например, ксеноновые лампы. Спектральная кривая ксеноновой лампы идет близко к солнечной кривой, начиная от ультрафиолетового конца спектра и до инфракрасного участка. С помощью специальных светофильтров (на рисунке не показаны) удается еще более приблизить спектр лампы к спектру Солнца [2, с.289]. Для контроля солнечного лучистого потока от коллимирующего отражателя ИСИ 16 и инфракрасных лучистых потоков (на рисунке не показаны) от элементов конструкций ТВК 15 и коллимирующего отражателя ИСИ 16, составляющих погрешность имитации внешних условий в контролируемой области ТВК 15, устанавливают устройство контроля лучистых потоков 1. Устройство контроля лучистых потоков 1 выполняют из двух рядом расположенных тонкостенных пластин 2 и 3, установленных на нитях-растяжках 8, или непосредственно в ТВК 15 или на рамке 9, в контролируемой области ТВК 15. Рабочие поверхности 10 пластин 2 и 3 устанавливают в одной плоскости и обращают в одну сторону перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку 14. С целью минимизации влияния на процессы лучистого теплообмена, используемого в эксперименте устройства контроля лучистых потоков 1, его характерный размер должен быть намного меньше характерного размера контролируемого участка космического объекта 18. После выполнения операций по подготовке космического объекта 18 и ТВК 15 к ТВИ, тепловакуумную камеру 15 закрывают, герметизируют и начинают обеспечивать в ТВК 15 рабочие условия эксплуатации КО 18, близкие к космическим. По достижению в ТВК требуемого давления в пределах (10-3-10-4) Па и охлаждения криогенных экранов, например, до температуры жидкого азота, начинают эксперимент. Включается источник излучения ИСИ 19. После включения источника излучения ИСИ 19, отраженный от коллимирующего отражателя ИСИ 16 лучистый поток 14, близкий к спектру Солнца, и инфракрасный поток (на рисунке не показан), от конструктивных элементов ТВК, падают на рабочие поверхности 10 первой ТП 2 и второй ТП 3 устройства контроля лучистых потоков 1. Поскольку рабочая поверхность первой ТП 2 покрыта ТРП с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения (αs11min) и высоким коэффициентом теплового излучения (εT11max), то эта поверхность будет максимально отражать солнечный лучистый поток 14 ИСИ и по максимуму поглощать инфракрасные лучистые потоки от конструктивных элементов ТВК. А рабочая поверхность второй ТП 3, покрытая ТРП с высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения (αs21max) и высоким коэффициентом теплового излучения (εT21max), будет максимально поглощать лучистые потоки от коллимирующего отражателя ИСИ 16 и инфракрасные лучи от конструктивных элементов ТВК 15. Нерабочие поверхности первой ТП 2 и второй ТП 3 поглощают пренебрежимо малую долю лучистой энергии, падающей от конструктивных элементов ТВК 15, в частности КЭ 17, и КО 18, благодаря нанесенному на эти поверхности ТРП с минимальным коэффициентом поглощения солнечного излучения и с минимальным коэффициентом теплового излучения. Лучистые потоки от ИСИ и ТВК, поглощаемые первой ТП 2 и второй ТП 3 устройства контроля лучистых потоков 1, равномерно нагревают каждую ТП, благодаря высокой теплопроводности материала ТП, использованию нитей-растяжек и выполнению условия h<<L. Токопроводящая металлическая лента или проволока (на рисунке не показаны) термочувствительного элемента 4 и 5 каждой ТП 2 и 3 нагревается до соответствующей для каждой ТП средней равновесной температуры. Токопроводяшую металлическую ленту или проволоку термочувствительных элементов 4 и 5 включают с помощью токовыводов 6 и 7 в цепь тока небольшой величины. При этом напряжение на концах ленты или проволоки, меняющееся в зависимости от температуры среды (температуры ТП 2 и 3), подводят к фиксирующему прибору (на рисунке не показан). После достижения равновесного теплового состояния каждой ТП 2 и 3 одновременно измеряют электрическое сопротивление ленты или проволоки термочувствительных элементов 4 и 5 и по градуировочной характеристике определяют температуры первой ТП 2 (Т1) и второй ТП 3 (Т2) устройства контроля лучистых потоков 1. Подставляем в соотношения (1) и (2) известные оптические характеристики ТРП для рабочей и нерабочей поверхностей первой ТП 2 и второй ТП 3, а также зафиксированные значения T1 и Т2. Контроль лучистых потоков, разделяющих солнечное излучение (Qs) ИСИ от тепловых (инфракрасных) потоков (Qик) ТВК 15, составляющих погрешность имитации, определяем по соотношениям (1) и (2).A space object 18 is placed in the TCE 15, equipped with cryogenic screens 17 and a solar radiation simulator, including an ISI 19 radiation source and an ISI 16 collimating reflector. For example, xenon lamps can be used as an radiation source of ISI 19. The spectral curve of the xenon lamp goes close to the solar curve, starting from the ultraviolet end of the spectrum and to the infrared region. Using special filters (not shown in the figure), it is possible to bring the spectrum of the lamp even closer to the spectrum of the Sun [2, p. 289]. To control the solar radiant flux from the collimating reflector ISI 16 and infrared radiant fluxes (not shown) from the structural elements of the TVC 15 and the collimating reflector ISI 16, which constitute an error in simulating the external conditions in the controlled area of the TVC 15, install a device for monitoring radiant flux 1. Device control radiant flux 1 is performed from two adjacent thin-walled plates 2 and 3, mounted on the strands-braces 8, or directly in the TCE 15 or on the frame 9, in the controlled area TCE 15. The working surfaces of 10 plates 2 and 3 are installed in the same plane and turned in one direction perpendicular to the controlled solar radiant flux 14. In order to minimize the effect on the processes of radiant heat exchange used in the experiment, the radiant flux control device 1, its characteristic size should be much smaller than the characteristic size of the controlled portion of the space object 18. After performing operations to prepare the space object 18 and TCE 15 for TWI, the thermal vacuum chamber 15 is closed, sealed and begin to provide in TCE 15 Operating conditions 18 KO's close to space. Upon reaching the required pressure in TCEs in the range of (10 -3 -10 -4 ) Pa and cooling the cryogenic screens, for example, to the temperature of liquid nitrogen, an experiment is started. The radiation source ISI 19 is turned on. After switching on the radiation source ISI 19, reflected from the collimating reflector ISI 16, the radiant flux 14, close to the spectrum of the Sun, and the infrared flux (not shown), from the TCE structural elements, fall onto the working surfaces 10 of the first TP 2 and a second 3 TA radiant flux control device 1. since the working surface of the first TP 2 TRP covered with low solar radiation absorption coefficient (α s11 min) and a high coefficient of thermal emission (ε T11 max), then this surface is max mally reflect the solar radiant flux 14 of ICI and the maximum absorbing infrared radiant fluxes from TCEs structural elements. And the working surface of the second TP 3, covered with TRP with a high coefficient of absorption of solar radiation (α s21 max ) and a high coefficient of thermal radiation (ε T21 max ), will absorb radiation from the collimating reflector ISI 16 and infrared rays from the structural elements of TVK 15 to the maximum. The non-working surfaces of the first TP 2 and the second TP 3 absorb a negligible fraction of the radiant energy incident from the structural elements of the TVC 15, in particular KE 17, and KO 18, due to the TPP deposited on these surfaces with a minimum coefficient of absorption of solar radiation and with a minimum coefficient of thermal radiation. The radiant fluxes from the ISI and TCEs absorbed by the first TP 2 and the second TP 3 of the radiant flux control device 1 evenly heat each TP due to the high thermal conductivity of the TP material, the use of stretch threads and the fulfillment of the condition h << L. The conductive metal strip or wire (not shown in the figure) of the temperature-sensitive element 4 and 5 of each TP 2 and 3 is heated to the corresponding average equilibrium temperature for each TP. A conductive metal strip or wire of thermosensitive elements 4 and 5 is connected using current leads 6 and 7 to a small current circuit. In this case, the voltage at the ends of the tape or wire, which varies depending on the temperature of the medium (temperature TP 2 and 3), is fed to a fixing device (not shown in the figure). After reaching the equilibrium thermal state of each TP 2 and 3, the electrical resistance of the tape or wire of the thermosensitive elements 4 and 5 is simultaneously measured and the temperature of the first TP 2 (T 1 ) and second TP 3 (T 2 ) of the radiant flux monitoring device are determined by the calibration characteristic. in relations (1) and (2), the known optical characteristics of the TRP for the working and non-working surfaces of the first TP 2 and the second TP 3, as well as the recorded values of T 1 and T 2 . Control radiant flux separating solar radiation (Q s) from ICI thermal (infrared) flow (Q ik) TCEs 15 constituting simulation error is determined from the relations (1) and (2).

Вывод функциональных зависимостей (1) и (2) выполнен при следующих допущениях:The derivation of functional dependencies (1) and (2) is made under the following assumptions:

1) энергия воспринимаемых тонкостенными пластинами лучистых потоков отводится через рабочую и нерабочую поверхности ТП в окружающую среду только излучением;1) the energy of radiant fluxes perceived by thin-walled plates is removed through the working and non-working surfaces of the TP into the environment only by radiation;

2) потери тепла через боковые поверхности ТП, нити-растяжки и токовыводы термочувствительных элементов пренебрежимо малы и в тепловом балансе не учитываются;2) heat loss through the lateral surfaces of the TP, stretching threads and current leads of thermally sensitive elements are negligible and are not taken into account in the heat balance;

3) каждая ТП считается изотермичной при установившемся тепловом состоянии рассматриваемой системы;3) each TP is considered isothermal with the steady thermal state of the system in question;

4) поглощенная нерабочими поверхностями каждой тонкостенной пластины лучистая энергия считается малой, в сравнении с поглощенной рабочими поверхностями, и в тепловом балансе ТП не учитывается.4) the radiant energy absorbed by the non-working surfaces of each thin-walled plate is considered small in comparison with the absorbed surfaces of the working surfaces, and TP is not taken into account in the heat balance.

Приведем уравнения теплового баланса для двух тонкостенных пластин устройства контроля лучистых потоков помещенного в контролируемую область ТВК. На рабочие поверхности первой и второй ТП, установленных рядом в одной плоскости, перпендикулярно этим поверхностям падает контролируемый солнечный лучистый поток Qs от ИСИ. Кроме того, на рабочую и нерабочую поверхности каждой ТП и на их боковые поверхности падает инфракрасное излучение от конструктивных элементов ТВК, включая и от конструктивных элементов ИСИ.We present the heat balance equations for two thin-walled plates of a radiant flux control device placed in a controlled region of a TCE. On the working surfaces of the first and second TP, installed side by side in the same plane, a controlled solar radiant flux Q s from the ISI falls perpendicular to these surfaces. In addition, on the working and non-working surfaces of each transformer substation and on their side surfaces, infrared radiation from the structural elements of the TCEs, including from the structural elements of the ICI, is incident.

С учетом принятых допущений систему уравнений теплового баланса для первой и второй ТП, при установившемся тепловом состоянии каждой пластины, помещенных в ТВК с ИСИ, запишем в следующем виде:Taking into account the assumptions made, the system of heat balance equations for the first and second TP, with the steady state of each plate placed in a TCE with ISI, we write in the following form:

- для первой тонкостенной пластины- for the first thin-walled plate

Figure 00000003
Figure 00000003

- для второй тонкостенной пластины- for the second thin-walled plate

Figure 00000004
Figure 00000004

В уравнениях (3) и (4) в левой части приведено поглощенное излучение (солнечное Qs и инфракрасное Qик) рабочими поверхностями каждой ТП, а в правой части - собственное излучение с рабочей и нерабочей поверхностей каждой ТП.In equations (3) and (4) on the left side shows the absorption of radiation (solar infrared Q s and Q ik) working surfaces of each TP, and the right side - the intrinsic radiation from the working and non-working surfaces of each TA.

Используя относительные параметры Е1T12minT11max, Е2Т22minТ21max, А1s11minТ11max, А2s21maxТ21max, систему уравнений (3) и (4) преобразуем к виду:Using the relative parameters E 1 = ε T12 min / ε T11 max , E 2 = ε T22 min / ε T21 max , A 1 = α s11 min / ε T11 max , A 2 = α s21 max / ε T21 max , the system of equations ( 3) and (4) we transform to the form:

- для первой тонкостенной пластины- for the first thin-walled plate

Figure 00000005
Figure 00000005

- для второй тонкостенной пластины- for the second thin-walled plate

Figure 00000006
Figure 00000006

Решая систему уравнений (5) и (6), получаем выражения (1) и (2) для контролируемых в данной области ТВК лучистых потоков Qs и Qик.Solving the system of equations (5) and (6), we obtain expressions (1) and (2) for the radiant fluxes Q s and Q ir controlled in this TCE region.

Приведем расчетный пример применения устройства контроля лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических объектов и способ его реализации.We give a calculated example of the application of the radiant flux control device during thermal vacuum tests of space objects and the method for its implementation.

Размерности всех параметров в расчетном примере приведены в Международной системе единиц.The dimensions of all parameters in the calculation example are given in the International system of units.

Помещаем КО в ТВК, оснащенную криогенными экранами и имитатором солнечного излучения, включающим источник излучения ИСИ и коллимирующий отражатель ИСИ. Для имитации солнечного спектра в качестве источника излучения ИСИ используем ксеноновую лампу, спектральная кривая ксеноновой лампы идет близко к солнечной кривой, начиная от ультрафиолетового конца спектра и до инфракрасного участка. С помощью специальных светофильтров (на рисунке не показаны) еще более приближаем спектр лампы к спектру Солнца [2, с.289].We place the CO in a TCE equipped with cryogenic screens and a simulator of solar radiation, including an ISI radiation source and an ISI collimating reflector. To simulate the solar spectrum, we use a xenon lamp as the radiation source of the ICI, the spectral curve of the xenon lamp goes close to the solar curve, starting from the ultraviolet end of the spectrum and to the infrared region. Using special filters (not shown in the figure) we further approximate the spectrum of the lamp to the spectrum of the Sun [2, p. 289].

Для контроля солнечного лучистого потока от ИСИ и инфракрасных тепловых потоков от ТВК, составляющих погрешность имитации внешних условий, в контролируемой области ТВК устанавливаем устройство контроля лучистых потоков. Устройство контроля лучистых потоков выполняем из двух рядом расположенных тонкостенных пластин, каждая из которых выполнена предположим из сплава бронзы БрБ2 (твердое состояние) [6, с.59] в виде квадрата со стороной предположим L=20 мм и толщиной h=0,1 мм, установленных на нитях-растяжках, выполненных из швейных ниток [7], в контролируемой области ТВК. На рабочую поверхность первой ТП наносим ТРП предположим на основе стеклопленок из радиационностойкого стекла с внутренним отражающим слоем из серебра с коэффициентом поглощения солнечной радиации αs11min=0,06 и коэффициентом теплового излучения, в диапазоне длин волн более 4 мкм, εT11max=0,9 [4, с.166, 170]. Предположим, что на рабочую поверхность второй ТП наносим ТРП, используя покрытие, выполненное на основе черной матовой краски, с εT21max=0,98 и αs21max=0,99 [3, с.372-373]. Для нерабочих поверхностей каждой из двух тонкостенных пластин предположим используем ТРП, выполненное из алюминизированной с одной стороны пленки, металлизацией наружу, закрывающее нерабочую поверхность ТП вместе с установленным на ней термочувствительным элементом. Предположим, что данное ТРП обладает высокой отражательной способностью (αsmin и εTmin) во всем интервале спектра от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области с αsmin=0,08 и εTmin=0,025 [6, с.780]. С учетом принятого допущения (4), в выводе зависимостей (1) и (2), учитываем в расчетном примере только εTminT12minT22min=0,025.To control the solar radiant flux from the ISI and infrared heat fluxes from TCEs, which constitute an error in the simulation of external conditions, we install a radiant flux control device in the controlled area of the TCEs. The radiant flux monitoring device is made of two adjacent thin-walled plates, each of which is assumed to be made of BrB2 bronze alloy (solid state) [6, p. 59] in the form of a square with a side suppose L = 20 mm and thickness h = 0.1 mm installed on stretch threads made of sewing thread [7] in the controlled area of TCEs. We apply TRP to the working surface of the first TP, suppose, based on fiberglass made of radiation- resistant glass with an internal reflective layer of silver with a solar radiation absorption coefficient α s11 min = 0.06 and thermal radiation coefficient, in the wavelength range of more than 4 μm, ε T11 max = 0 9 [4, p. 166, 170]. Suppose that on the working surface of the second TP we apply TRP using a coating made on the basis of black matte paint with ε T21 max = 0.98 and α s21 max = 0.99 [3, p.372-373]. For non-working surfaces of each of the two thin-walled plates, suppose we use a TRP made of a film aluminized on one side, metallized outward, covering the non-working surface of the TP together with a heat-sensitive element mounted on it. Suppose that this TRP has a high reflectivity (α s min and ε T min ) in the entire spectrum range from ultraviolet to far infrared with α s min = 0.08 and ε T min = 0.025 [6, p. 780]. Taking into account the accepted assumption (4), in the derivation of dependencies (1) and (2), we take into account in the calculation example only ε T min = ε T12 min = ε T22 min = 0.025.

Определяем относительные коэффициенты теплового излучения первой и второй ТП с терморегулирующими покрытиями:We determine the relative coefficients of thermal radiation of the first and second TP with temperature-controlled coatings:

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

Figure 00000008
.
Figure 00000008
.

Определяем оптические характеристики терморегулирующего покрытия рабочей поверхности первой и второй ТП:We determine the optical characteristics of the thermostatic coating of the working surface of the first and second TP:

Figure 00000009
,
Figure 00000009
,

Figure 00000010
.
Figure 00000010
.

Рабочие поверхности ТП устанавливаем в одной плоскости и обращаем в одну сторону перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку.We install the working surfaces of TP in one plane and turn in one direction perpendicular to the controlled solar radiant flux.

После выполнения операций по подготовке космического объекта и тепловакуумной камеры к ТВИ тепловакуумную камеру закрываем, герметизируем и начинаем обеспечивать в ТВК рабочие условия эксплуатации космического объекта, близкие к космическим. По достижению в ТВК требуемого давления в пределах (10-3-10-4) Па и охлаждения криогенных экранов, например, до температуры жидкого азота начинаем эксперимент. Включается источник излучения ИСИ.After completing the operations to prepare the space object and the thermal vacuum chamber for the TWI, we close the heat vacuum chamber, seal and begin to provide in the TCE the operating conditions of the space object that are close to the space ones. Upon reaching the required pressure in TCEs in the range of (10 -3 -10 -4 ) Pa and cooling the cryogenic screens, for example, to the temperature of liquid nitrogen, we begin the experiment. ISI radiation source is turned on.

После включения источника излучения ИСИ отраженный от коллимирующего отражателя ИСИ лучистый поток, близкий к спектру Солнца, и инфракрасный поток от конструктивных элементов ТВК падают на рабочие поверхности первой и второй ТП устройства контроля лучистых потоков.After turning on the radiation source of the IRR, the radiant flux reflected from the collimating reflector of the IRR, close to the spectrum of the Sun, and the infrared flux from the structural elements of the TCEs fall on the working surfaces of the first and second TPs of the radiant flux control device.

Поскольку рабочая поверхность первой ТП покрыта ТРП с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения (αs11min) и высоким коэффициентом теплового излучения (εT11max), то эта поверхность будет максимально отражать лучистый поток ИСИ и по максимуму поглощать инфракрасные лучистые потоки от конструктивных элементов ТВК. А рабочая поверхность второй ТП, покрытая ТРП с высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения (αs21max) и высоким коэффициентом теплового излучения (εT21max), будет максимально поглощать лучистые потоки от коллимирующего отражателя ИСИ и инфракрасные лучи от конструктивных элементов ТВК. Нерабочие поверхности первой и второй ТП поглощают пренебрежимо малую долю лучистой энергии, падающей от криоэкранов и космического объекта, благодаря установленному на этих поверхностях ТРП с минимальным коэффициентом поглощения солнечного излучения (αsmin) и с минимальным коэффициентом теплового излучения (εTmin).Since the working surface of the first TP is covered with TRP with a low coefficient of absorption of solar radiation (α s11 min ) and a high coefficient of thermal radiation (ε T11 max ), this surface will reflect the radiant flux of the ICI to the maximum and absorb infrared radiant flux from the structural elements of the TCE to the maximum. And the working surface of the second TP, covered with TRP with a high coefficient of absorption of solar radiation (α s21 max ) and a high coefficient of thermal radiation (ε T21 max ), will absorb radiation from the collimating reflector of the ICI and infrared rays from the structural elements of the TVC to the maximum. The non-working surfaces of the first and second TP absorb a negligible fraction of the radiant energy incident from the cryoscreens and the space object due to the TPD installed on these surfaces with a minimum coefficient of absorption of solar radiation (α s min ) and with a minimum coefficient of thermal radiation (ε T min ).

Лучистые потоки, поглощаемые первой и второй ТП устройства контроля лучистых потоков, равномерно нагревают каждую ТП, благодаря высокой теплопроводности материала ТП, использованию нитей-растяжек, с минимальными потерями тепла через них, а также выполнения условия h<<L, позволяющего получить минимальные потери тепла через боковые поверхности ТП.The radiant flux absorbed by the first and second TPs of the radiant flux control device uniformly heats each TP due to the high thermal conductivity of the TP material, the use of stretch threads with minimal heat loss through them, and also the fulfillment of the condition h << L, which allows to obtain minimal heat loss through the side surfaces of the TP.

Токопроводящая металлическая лента или проволока термочувствительного элемента каждой ТП нагревается до соответствующей для каждой ТП средней равновесной температуры. После достижения равновесного теплового состояния каждой ТП одновременно измеряют электрическое сопротивление ленты или проволоки термочувствительных элементов и по градуировочной характеристике определяют температуры первой ТП (положим T1=263 К) и второй ТП (положим Т2=403 К) устройства контроля лучистых потоков.The conductive metal strip or wire of the thermosensitive element of each TP is heated to the average equilibrium temperature corresponding to each TP. After reaching the equilibrium thermal state of each TP, the electrical resistance of the tape or wire of thermosensitive elements is simultaneously measured and the temperature of the first TP (put T 1 = 263 K) and the second TP (put T 2 = 403 K) of the radiant flux control device are determined by the calibration characteristic.

Подставляем в соотношения (1) и (2) известные оптические характеристики ТРП для рабочей и нерабочей поверхностей первой и второй ТП, а также зафиксированные значения Т1 и Т2:We substitute into the relations (1) and (2) the known optical characteristics of the TRP for the working and non-working surfaces of the first and second TP, as well as the fixed values of T 1 and T 2 :

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
,
Figure 00000012
,

где σ=5.67·10-8 Вт/(м2·К4).where σ = 5.67 · 10 -8 W / (m 2 · K 4 ).

Применение предлагаемой конструкции устройства контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов и способ его реализации позволяют:The application of the proposed design of the radiant flux control device for ground-based thermal vacuum tests of space objects and the method for its implementation allow:

1) осуществить контроль величины лучистых потоков, с учетом определенных областей спектров излучения, падающих на космический объект в интересующем месте тепловакуумной камеры;1) to control the magnitude of the radiant flux, taking into account certain areas of the radiation spectra incident on the space object in the place of interest in the thermal vacuum chamber;

2) разделять имитируемые лучистые потоки ИСИ от тепловых потоков ТВК, составляющих погрешность имитации;2) to separate the simulated radiant fluxes of the ISI from the heat fluxes of the TCEs, which constitute the imitation error;

3) сократить стоимость наземной экспериментальной отработки космических объектов, в условиях моделирования космического излучения и вакуума в ТВК, благодаря простоте конструкции устройства и способа его реализации;3) reduce the cost of ground-based experimental testing of space objects, under the conditions of modeling cosmic radiation and vacuum in TCEs, due to the simplicity of the design of the device and its implementation;

4) определять величину интенсивности лучистых потоков по предложенным функциональным зависимостям, включающим минимальное число контролирующих процесс параметров, влияющих на точность измерений;4) determine the magnitude of the intensity of the radiant flux from the proposed functional dependencies, including the minimum number of process-controlling parameters that affect the accuracy of measurements;

5) автоматизировать процесс экспериментального определения лучистых потоков в тепловакуумной камере, используя информацию, поступающую с соответствующих термочувствительных элементов.5) automate the process of experimental determination of radiant fluxes in a heat-vacuum chamber, using information from the corresponding heat-sensitive elements.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982.1. O. B. Andreychuk, N. N. Malakhov. Thermal tests of spacecraft. - M.: Mechanical Engineering, 1982.

2. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. Под ред. акад. Г.И.Петрова. - М.: Машиностроение, 1971.2. Modeling the thermal conditions of the spacecraft and its environment. Ed. Acad. G.I. Petrova. - M.: Mechanical Engineering, 1971.

3. М.А.Михеев. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.3. M.A. Mikheev. The basics of heat transfer. Gosenergoizdat, 1956.

4. Л.А.Новицкий, Б.М.Степанов. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. - М.: Машиностроение, 1980.4. L.A. Novitsky, B.M. Stepanov. Optical properties of materials at low temperatures. Directory. - M.: Mechanical Engineering, 1980.

5. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983.5. Physical encyclopedic dictionary. - M.: Soviet Encyclopedia, 1983.

6. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991.6. Physical quantities. Handbook Ed. I.S. Grigorieva, E.Z. Meilikhova. - M .: Energoatomizdat, 1991.

7. ГОСТ 6309-93 "Нитки швейные хлопчатобумажные и синтетические. Технические условия".7. GOST 6309-93 "Sewing cotton and synthetic threads. Technical conditions."

Claims (2)

1. Устройство контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, отличающееся тем, что приемник лучистой энергии с термочувствительными элементами выполнен из двух рядом расположенных тонкостенных пластин из материалов с высокой теплопроводностью в виде квадрата или круга и установленных на нитях-растяжках в контролируемой области тепловакуумной камеры, на пластины с обеих сторон нанесены терморегулирующие покрытия так, что суммарная толщина пластин с покрытиями h и характерный размер пластин L отвечают соотношению h<<L, на рабочие поверхности пластин, установленные в одной плоскости перпендикулярно контролируемому солнечному лучистому потоку, нанесены терморегулирующие покрытия - на первой с низким коэффициентом поглощения солнечного излучения (αs11min) и высоким коэффициентом теплового излучения (εT11max), отвечающие соотношению αs11minT11max<<1, на второй с высокими коэффициентами поглощения солнечного (αs21max) и теплового (εT21max) излучений, отвечающими соотношению αs21maxT21max≈1, а на нерабочую поверхность первой и второй пластины установлены по электроизолированному термочувствительному элементу, на нерабочую поверхность каждой тонкостенной пластины с термочувствительным элементом нанесено терморегулирующее покрытие с высокой отражательной способностью солнечного и теплового излучений, где коэффициенты поглощения солнечного (αs12min) и теплового (εT12min) излучений для первой тонкостенной пластины и коэффициенты поглощения солнечного (αs22min) и теплового (εT22min) излучений для второй тонкостенной пластины отвечают соотношениям αs12minT12min≈1 и αs22minT22min≈1 соответственно.1. A radiant flux control device for ground-based heat-vacuum tests of space objects, characterized in that the radiant energy receiver with heat-sensitive elements is made of two adjacent thin-walled plates made of materials with high thermal conductivity in the form of a square or circle and mounted on stretch threads in the controlled heat-vacuum region chamber, thermo-regulating coatings are applied to the plates on both sides so that the total thickness of the plates with coatings h and the characteristic plate size L from correspond to the ratio h << L, on the working surfaces of the plates installed in one plane perpendicular to the controlled radiant flux, thermoregulatory coatings are applied - on the first with a low absorption coefficient of solar radiation (α s11 min ) and a high coefficient of thermal radiation (ε T11 max ), corresponding to the ratio α s11 min / ε T11 max << 1, to the second with high absorption coefficients of solar (α s21 max ) and thermal (ε T21 max ) radiation, corresponding to the ratio α s21 max / ε T21 max ≈ 1, and to the idle surface first and second plast s mounted on electrically insulated thermal sensing element in a non-working surface of each thin-walled plate with a thermosensitive element coated with thermal control coating with high reflectivity of solar and thermal radiation, wherein the absorption coefficients of sunlight (α s12 min), and thermal (ε T12 min) radiation for a first thin-walled plates and the absorption coefficients of solar (α s22 min ) and thermal (ε T22 min ) radiation for the second thin-walled plate correspond to the relations α s12 min / ε T12 min ≈1 and α s22 min / ε T22 min ≈1, respectively. 2. Способ контроля лучистых потоков при наземных тепловакуумных испытаниях космических объектов, отличающийся тем, что фиксируют состояния теплового равновесия обеих тонкостенных пластин приемника лучистой энергии, после чего измеряют одновременно температуры первой (T1) и второй (T2) тонкостенных пластин, а контроль лучистых потоков, разделяющих солнечное излучение (Qs) от инфракрасных тепловых потоков, составляющих погрешность имитации (Qик), определяют по соотношениям:
Qs=σ·(1+E2)·T24-(1+E1)·T14/(A2-A1),
Qик=σ·(1+Е2)·Т24-Qs·А2,
где Е1T12minT11max, Е2T22minT21max - относительный коэффициент теплового излучения первой и второй тонкостенных пластин с терморегулирующими покрытиями соответственно;
A1s11minT11max, А2s21maxT21max - оптическая характеристика терморегулирующего покрытия рабочей поверхности первой и второй тонкостенных пластин соответственно;
σ - постоянная Стефана-Больцмана.
2. A method for controlling radiant fluxes during ground-based thermal vacuum tests of space objects, characterized in that the thermal equilibrium states of both thin-walled plates of the radiant energy receiver are recorded, after which the temperatures of the first (T 1 ) and second (T 2 ) thin-walled plates are measured, and the control of radiant fluxes separating solar radiation (Q s ) from infrared heat fluxes that make up the imitation error (Q IR ), is determined by the ratios:
Q s = σ ·  (1 + E 2 ) · T 2 4 - (1 + E 1 ) · T 1 4  / (A 2 -A 1 ),
Q ir = σ · (1 + E 2 ) · T 2 4 -Q s · А 2 ,
where E 1 = ε T12 min / ε T11 max , E 2 = ε T22 min / ε T21 max is the relative coefficient of thermal radiation of the first and second thin-walled plates with temperature-controlled coatings, respectively;
A 1 = α s11 min / ε T11 max , A 2 = α s21 max / ε T21 max - optical characteristic of the temperature-controlled coating of the working surface of the first and second thin-walled plates, respectively;
σ is the Stefan-Boltzmann constant.
RU2010137456/28A 2010-09-08 2010-09-08 Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft RU2449263C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010137456/28A RU2449263C1 (en) 2010-09-08 2010-09-08 Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010137456/28A RU2449263C1 (en) 2010-09-08 2010-09-08 Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010137456A RU2010137456A (en) 2012-03-20
RU2449263C1 true RU2449263C1 (en) 2012-04-27

Family

ID=46029690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010137456/28A RU2449263C1 (en) 2010-09-08 2010-09-08 Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2449263C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104071360A (en) * 2014-06-12 2014-10-01 上海微小卫星工程中心 Transient heat balance test method and system based on radiation coupling heat-transfer equivalent simulation
RU2530446C1 (en) * 2013-02-13 2014-10-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device and method for measurement of incident heat flow density at heat vacuum tests of spacecraft
RU2562277C1 (en) * 2014-05-16 2015-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Temperature field simulating unit
RU2773268C1 (en) * 2021-04-16 2022-06-01 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Apparatus and method for measuring the density of incident heat fluxes in thermal vacuum testing of spacecraft

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5825092A (en) * 1996-05-20 1998-10-20 Harris Corporation Integrated circuit with an air bridge having a lid
RU2353923C1 (en) * 2007-07-02 2009-04-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts
RU2354960C9 (en) * 2007-07-02 2009-08-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measuring intensity of luminous flux in thermal-vacuum tests of spacecraft and method of using it
RU2397458C1 (en) * 2009-08-03 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Thermal receiver of optical radiation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5825092A (en) * 1996-05-20 1998-10-20 Harris Corporation Integrated circuit with an air bridge having a lid
RU2353923C1 (en) * 2007-07-02 2009-04-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts
RU2354960C9 (en) * 2007-07-02 2009-08-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measuring intensity of luminous flux in thermal-vacuum tests of spacecraft and method of using it
RU2397458C1 (en) * 2009-08-03 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Thermal receiver of optical radiation

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2530446C1 (en) * 2013-02-13 2014-10-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device and method for measurement of incident heat flow density at heat vacuum tests of spacecraft
RU2562277C1 (en) * 2014-05-16 2015-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Temperature field simulating unit
CN104071360A (en) * 2014-06-12 2014-10-01 上海微小卫星工程中心 Transient heat balance test method and system based on radiation coupling heat-transfer equivalent simulation
CN104071360B (en) * 2014-06-12 2016-07-06 上海微小卫星工程中心 A kind of transitional heat balance test method based on radiation Coupled Heat Transfer equivalent simulation and system
RU2773268C1 (en) * 2021-04-16 2022-06-01 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Apparatus and method for measuring the density of incident heat fluxes in thermal vacuum testing of spacecraft

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010137456A (en) 2012-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Raman et al. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight
Kim et al. Measurement of two-phase flow and heat transfer parameters using infrared thermometry
JP6573809B2 (en) Simulation of solar cell module
EP2793006A2 (en) Improved blackbody function
Krenzinger et al. Accurate outdoor glass thermographic thermometry applied to solar energy devices
Paradis et al. A 2-D transient numerical heat transfer model of the solar absorber plate to improve PV/T solar collector systems
Kraemer et al. Accurate determination of the total hemispherical emittance and solar absorptance of opaque surfaces at elevated temperatures
RU2449263C1 (en) Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft
Sebastián et al. Radiometric and angular calibration tests for the MEDA-TIRS radiometer onboard NASA’s Mars 2020 mission
Schmitz et al. On-sun optical characterization of a solar dish concentrator based on elliptical vacuum membrane facets
Coates et al. The fundamentals of radiation thermometers
Niu et al. Apparent directional spectral emissivity determination of semitransparent materials
RU2354960C9 (en) Device for measuring intensity of luminous flux in thermal-vacuum tests of spacecraft and method of using it
RU2353923C9 (en) Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts
Demiryont et al. Variable emittance electrochromic devices for satellite thermal control
Perez-Grande et al. Thermal design of the air temperature sensor (ATS) and the thermal InfraRed sensor (TIRS) of the Mars environmental dynamics analyzer (MEDA) for Mars 2020
CN106501305A (en) Measuring method based on the infra-red radiation film transmission rate of thermal infrared imager
Khoukhi et al. Combined non-gray radiative and conductive heat transfer in solar collector glass cover
Saggin et al. Design and optimization of the calibration procedure for a miniaturized Fourier transform spectrometer
Terry et al. Diagnostic tools for studying divertor detachment: bolometry, spectroscopy, and thermography for surface heat-flux
Feierabend et al. Bilateral comparison of irradiance scales between PMOD/WRC and PTB for longwave downward radiation measurements
Pinto et al. Outdoor Thermal Performance of Photovoltaic Devices with Enhanced Daytime Radiative Cooling Glass
Walter et al. Spectrally integrated window transmittance measurements for a cryogenic solar absolute radiometer
Weckmann Dynamic electrothermal model of a sputtered thermopile thermal radiation detector for earth radiation budget applications
RU2180098C2 (en) Device determining intensity of infrared irradiation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160909