RU2801979C2 - Method for simulation of external heat transfer conditions of space vehicles in thermal vacuum chamber - Google Patents

Method for simulation of external heat transfer conditions of space vehicles in thermal vacuum chamber Download PDF

Info

Publication number
RU2801979C2
RU2801979C2 RU2023104414A RU2023104414A RU2801979C2 RU 2801979 C2 RU2801979 C2 RU 2801979C2 RU 2023104414 A RU2023104414 A RU 2023104414A RU 2023104414 A RU2023104414 A RU 2023104414A RU 2801979 C2 RU2801979 C2 RU 2801979C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
test object
radiation
heaters
thermal vacuum
autonomous
Prior art date
Application number
RU2023104414A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2023104414A (en
Inventor
Олег Валерьевич Пастушенко
Андрей Александрович Шевчук
Валерий Васильевич Двирный
Original Assignee
Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" filed Critical Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Publication of RU2023104414A publication Critical patent/RU2023104414A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2801979C2 publication Critical patent/RU2801979C2/en

Links

Abstract

FIELD: thermal vacuum testing of spacecraft.
SUBSTANCE: to simulate the conditions of external heat exchange of spacecraft in a thermal vacuum chamber, a solar radiation simulator is assembled from separate sections of autonomous heaters and placed inside the thermal vacuum chamber together with the test object. In sections of autonomous heaters, an array of point sources of radiation is used. Radiation sources of autonomous heaters are equipped with optical elements and can consist of several types with different spectral characteristics. The test object is brought to hot and cold temperatures using a solar simulator and a cooled grate, respectively. The power of sections of independent heaters is regulated separately by a single control system. A uniform working field is obtained by mixing the radiation of point sources. The control system uses feedback based on the readings of the sensors of the level of energy illumination and the spectrum on the surface of the test object.
EFFECT: increase in the reliability and energy efficiency of thermal vacuum tests, a reduction in time costs and labour intensity in the preparation of thermal vacuum tests.
3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области наземной отработки космических аппаратов (далее – объекта испытаний) в условиях термовакуумных испытаний, приближенных к условиям открытого космического пространства. The invention relates to the field of ground testing of space vehicles (hereinafter referred to as the test object) under conditions of thermal vacuum tests, close to the conditions of open space.

Для осуществления моделирования условий внешнего теплообмена, объект испытаний помещают в термовакуумную или тепловакуумную камеру, в вакууме при помощи криогенных экранов создают условия «холодного» и «черного» космоса, а тепловое состояние объекта испытаний получают, в том числе, при помощи имитатора солнечного излучения.To simulate the conditions of external heat transfer, the test object is placed in a thermal vacuum or thermal vacuum chamber, in vacuum, using cryogenic screens, the conditions of "cold" and "black" space are created, and the thermal state of the test object is obtained, including using a solar radiation simulator.

Известен способ имитации солнечного излучения, описанный в патенте RU 2011112413, в котором имитатор содержит расположенные вне тепловакуумной камеры источники солнечного излучения - лампы с эллипсоидными рефлекторами и вспомогательными сферическими зеркалами, входной иллюминатор в виде двояковогнутой линзы, герметично встроенный в корпус тепловакуумной камеры зеркальный смеситель в виде равномерно расположенных в плоскости соприкасающихся своими гранями выпуклых зеркальных линз с квадратными профилями, расположенный в тепловакуумной камере параболический коллимирующий отражатель для отражения имитируемого солнечного излучения на объект испытаний.A known method of simulating solar radiation is described in patent RU 2011112413, in which the simulator contains sources of solar radiation located outside the thermal vacuum chamber - lamps with ellipsoid reflectors and auxiliary spherical mirrors, an entrance porthole in the form of a biconcave lens, a mirror mixer hermetically built into the thermal vacuum chamber housing in the form convex mirror lenses with square profiles evenly located in the plane of contacting their faces, a parabolic collimating reflector located in the thermal vacuum chamber for reflecting simulated solar radiation onto the test object.

Известен также способ имитации солнечного излучения в термобарокамере (пат. RU 2476833 C2), при котором фокусирование и ввод световых потоков от источников света внутрь термобарокамеры осуществляют через герметично установленный на ее корпусе светопроводящий иллюминатор, выполненный в виде двояковыпуклой линзы. Создают параллельный световой поток на испытуемый КА посредством параболического коллимирующего отражателя с обеспечением характеристик потока с параметрами, максимально приближенными к реальному солнечному излучению на орбите КА, с последующим осуществлением отражения его от смесителя с разделением светового потока на отдельные световые потоки с расширением их падающего светового пятна на параболический коллимирующий отражатель.There is also known a method for simulating solar radiation in a thermal vacuum chamber (US Pat. RU 2476833 C2), in which the focusing and input of light fluxes from light sources into the thermal vacuum chamber is carried out through a light-conducting porthole hermetically mounted on its body, made in the form of a biconvex lens. A parallel light flux is created on the test spacecraft by means of a parabolic collimating reflector with the provision of flux characteristics with parameters as close as possible to real solar radiation in the spacecraft orbit, followed by its reflection from the mixer with the separation of the light flux into separate light fluxes with the expansion of their incident light spot by parabolic collimating reflector.

Общими недостатками указанных аналогов являются:The general disadvantages of these analogues are:

- крайне низкая энергоэффективность имитации солнечного излучения, обусловленная расположением световых источников за пределами термовакуумной камеры, как следствие - высокими потерями в сложной оптической системе, состоящей из большого числа отражающих и преломляющих оптических элементов. Даже при самом тщательном изготовлении, настройке и юстировке всех оптических элементов эффективность таких имитаторов солнечного излучения не превышает 10% (Крат С.А. Повышение эффективности имитаторов солнечного излучения // Сибирский журнал науки и технологий. 2011. № 2 (35). С. 124–127);- extremely low energy efficiency of solar radiation simulation, due to the location of light sources outside the thermal vacuum chamber, as a result - high losses in a complex optical system consisting of a large number of reflective and refractive optical elements. Even with the most careful manufacturing, adjustment and adjustment of all optical elements, the efficiency of such solar radiation simulators does not exceed 10% (Krat S.A. Improving the efficiency of solar radiation simulators // Siberian Journal of Science and Technology. 2011. No. 2 (35). P. 124-127);

- высокие общая сложность и стоимость необходимых для имитации солнечного излучения мощных световых источников, оптических элементов и другого оборудования, при этом сложная оптическая система требует постоянной трудоемкой настройки и подтверждения требуемых характеристик в процессе эксплуатации квалифицированным персоналом;- high overall complexity and cost of powerful light sources, optical elements and other equipment necessary to simulate solar radiation, while a complex optical system requires constant laborious adjustment and confirmation of the required characteristics during operation by qualified personnel;

- переотражение параболическим коллимирующим отражателем собственного и отраженного теплового излучения объекта испытаний, в результате чего возникает дополнительная составляющая погрешности имитации солнечного излучения;- re-reflection by a parabolic collimating reflector of the own and reflected thermal radiation of the test object, resulting in an additional component of the error in simulating solar radiation;

- перекрытие коллимирующим отражателем расположенных на внутренней поверхности термовакуумной камеры криогенных экранов, в результате чего увеличивается время создания режимов холодных температур или переходных температурных режимов на объекте испытаний;- overlapping of the cryogenic screens located on the inner surface of the thermal vacuum chamber by a collimating reflector, as a result of which the time for creating cold temperature regimes or transient temperature regimes at the test object increases;

- нагрев коллимирующего отражателя тепловым потоком высокой плотности, что требует его принудительного охлаждения и дополнительно увеличивает время создания переходных режимов термовакуумных испытаний от горячих температур к холодным;- heating of the collimating reflector with a high-density heat flux, which requires its forced cooling and additionally increases the time for creating transient modes of thermal vacuum tests from hot to cold temperatures;

- невозможность изменения направления потока имитируемого излучения, что требуется, в частности, для имитации поворота объекта испытаний относительно Солнца. В этом случае применяют сложные и дорогостоящие решения, в частности, поворотные механизмы, адаптированные к условиям термовакуумных испытаний, или же выполняют переустановку объекта испытаний в нормальных условиях, что требует полного прекращения и последующего возобновления всего процесса термовакуумных испытаний и сопровождается неоправданно высокими материальными и временными затратами;- the impossibility of changing the direction of the flow of simulated radiation, which is required, in particular, to simulate the rotation of the test object relative to the Sun. In this case, complex and expensive solutions are used, in particular, rotary mechanisms adapted to the conditions of thermal vacuum tests, or they reinstall the test object under normal conditions, which requires a complete cessation and subsequent resumption of the entire process of thermal vacuum tests and is accompanied by unreasonably high material and time costs. ;

- невозможность облучения отдельных участков рабочего поля различными уровнями мощности, что требуется, в частности, для имитации частичного затенения объекта испытаний.- the impossibility of irradiating individual sections of the working field with different power levels, which is required, in particular, to simulate partial shading of the test object.

В качестве ближайшего аналога выбран свободный от указанных недостатков способ испытания космических аппаратов, раскрытый в патенте «Стенд для испытаний космических аппаратов» (патент RU 2172709 C2), включающий вакуумную камеру с КА внутри нее, имитатор солнечного излучения, устройство охлаждения стенок вакуумной камеры, систему вакуумирования. Имитатор солнечного излучения выполнен в виде автономных нагревателей, установленных на ферме, закрепленной внутри вакуумной камеры, при этом источники света нагревателей расположены в фокусе параболических отражателей; нагреватели разделены посекционно между собой, секции нагревателей изолированы друг от друга экранами, а сам имитатор солнечного излучения снабжен блоком управления поочередного включения (выключения) и регулировки мощности каждой секции нагревателей; кроме того, каждый источник света выполнен в виде кварцевой галогенной термоизлучательной лампы.As the closest analogue, a method for testing spacecraft, free from these shortcomings, was chosen, disclosed in the patent "Test bench for spacecraft" (patent RU 2172709 C2), including a vacuum chamber with a spacecraft inside it, a solar radiation simulator, a device for cooling the walls of the vacuum chamber, a system vacuuming. The solar radiation simulator is made in the form of autonomous heaters installed on a truss fixed inside the vacuum chamber, while the light sources of the heaters are located at the focus of the parabolic reflectors; the heaters are sectionally divided among themselves, the sections of the heaters are isolated from each other by screens, and the solar radiation simulator itself is equipped with a control unit for switching on (off) in turn and adjusting the power of each section of the heaters; in addition, each light source is made in the form of a quartz halogen heat-emitting lamp.

Воздействие солнечного потока имитируется автономными нагревателями, создающими расчетное поле температур по каждой отдельно взятой поверхности КО, которое контролируется по показаниям температурных датчиков, установленных на облучаемых поверхностях объекта испытания. Все автономные нагреватели разделены на секции; все секции нагревателей имеют автономные системы электропитания, которые объединены в единый блок управления имитатора солнечного излучения, обеспечивающий поочередное включение (выключение) и регулировку мощности излучения каждой секции нагревателей. Каждая секция нагревателей оснащена расчетным количеством нагревателей в зависимости от площади и конфигурации облучаемой поверхности и расположена на заданном расстоянии от этой поверхности.The impact of the solar flux is simulated by autonomous heaters, which create a calculated temperature field for each individual surface of the SO, which is controlled by the readings of temperature sensors installed on the irradiated surfaces of the test object. All autonomous heaters are divided into sections; All sections of the heaters have autonomous power supply systems, which are combined into a single control unit of the solar radiation simulator, which provides sequential switching on (off) and adjustment of the radiation power of each section of the heaters. Each heater section is equipped with a calculated number of heaters depending on the area and configuration of the irradiated surface and is located at a given distance from this surface.

Для предотвращения облучения поверхностей от нагревателей, предназначенных для нагрева других поверхностей, а также для исключения бокового отражения от элементов конструкции и нагревателей, расположенных на ней, на кронштейнах фермы предусмотрены разделяющие нагреватели экраны, выполненные из экрановакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), покрытой с обеих сторон стеклотканью с прошивкой стеклолентой по краям. Наружная поверхность матов имеет степень черноты ε ≥ 0,9, что обеспечивает практически полное поглощение всех боковых тепловых излучений от нагревателей и конструкции фермы, тем самым обеспечивается моделирование плоскопараллельного потока излучения.To prevent irradiation of surfaces from heaters intended for heating other surfaces, as well as to exclude lateral reflection from structural elements and heaters located on it, screens separating the heaters are provided on the truss brackets, made of screen-vacuum thermal insulation (EVTI), covered on both sides with fiberglass with fiberglass stitching around the edges. The outer surface of the mats has a degree of emissivity ε ≥ 0.9, which ensures almost complete absorption of all lateral thermal radiation from the heaters and the truss structure, thereby providing a simulation of a plane-parallel radiation flux.

Этот аналог принят за прототип изобретения.This analog is taken as a prototype of the invention.

Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: имитатор солнечного излучения собирают из раздельных секций автономных нагревателей и размещают внутри термовакуумной камеры, получают холодные температуры на объекте испытаний при помощи охлаждающего устройства, источники излучения автономных нагревателей оснащают оптическими элементами, мощности секций автономных нагревателей регулируют раздельно.For the claimed method, the following essential features in common with the prototype have been identified: a solar radiation simulator is assembled from separate sections of autonomous heaters and placed inside a thermal vacuum chamber, cold temperatures are obtained at the test object using a cooling device, radiation sources of autonomous heaters are equipped with optical elements, the power of autonomous heater sections is regulated apart.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- размещение нагревателей, разделяющих их экранов из ЭВТИ и элементов их подвески между криогенными экранами термовакуумной камеры и объектом испытаний. При этом в режиме холодных температур тепловое излучение объекта испытаний к криогенным экранам частично перекрывается указанными элементами, что увеличивает время создания на объекте испытаний режимов холодных температур или переходных режимов и приводит к дополнительному расходу жидкого азота;- placement of heaters, screens separating them from EVTI and elements of their suspension between the cryogenic screens of the thermal vacuum chamber and the test object. At the same time, in the cold temperature mode, the thermal radiation of the test object to the cryogenic screens is partially blocked by the specified elements, which increases the time for creating cold temperature or transient modes on the test object and leads to additional consumption of liquid nitrogen;

- неустранимые полностью неравномерность рабочего поля и непараллельность лучистого потока, создаваемого автономными нагревателями на объекте испытаний, обусловленные свойством параболических отражателей перенаправлять только боковые лучи источника излучения и не перенаправлять центральные;- completely unremovable non-uniformity of the working field and non-parallelism of the radiant flux created by autonomous heaters at the test object, due to the property of parabolic reflectors to redirect only the side rays of the radiation source and not to redirect the central ones;

- дополнительная неравномерность рабочего поля, вызванная размещением автономных нагревателей на расстоянии друг от друга;- additional non-uniformity of the working field, caused by the placement of autonomous heaters at a distance from each other;

- значительное отличие спектрального распределения кварцевых галогенных термоизлучающих ламп от спектрального распределения Солнца в условиях открытого космоса. При этом использование на объекте испытаний отражающих или поглощающих покрытий, спектрально селективных в области, отличной от спектрального диапазона применяемых ламп, приводит к значительной погрешности имитации солнечного излучения;- a significant difference in the spectral distribution of quartz halogen thermal-emitting lamps from the spectral distribution of the Sun in open space conditions. At the same time, the use of reflective or absorbing coatings on the test object, which are spectrally selective in a region different from the spectral range of the lamps used, leads to a significant error in simulating solar radiation;

- невозможность контроля уровня энергетической освещенности расположенными на объекте испытаний температурными датчиками, показания которых зависят от отражающих или поглощающих свойств применяемых покрытий объекта испытаний;- the impossibility of controlling the level of energy illumination by temperature sensors located on the test object, the readings of which depend on the reflective or absorbing properties of the applied coatings of the test object;

- сложность и трудоемкость монтажа и настройки конструкции из множества автономных нагревателей, разделяющих секции нагревателей экранов, элементов их крепления, конфигурация которых определяется в каждом конкретном случае в зависимости от геометрических свойств объекта испытаний и требований программы и методики испытаний.- the complexity and laboriousness of installation and configuration of the structure of a plurality of autonomous heaters separating the sections of the screen heaters, their fastening elements, the configuration of which is determined in each specific case depending on the geometric properties of the test object and the requirements of the program and test methodology.

Техническими проблемами изобретения являются:The technical problems of the invention are:

- увеличение достоверности термовакуумных испытаний;- increasing the reliability of thermal vacuum tests;

- повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения;- improving the energy efficiency of simulating solar radiation;

- сокращение временных затрат и трудоемкости при подготовке и проведении термовакуумных испытаний с использованием имитатора солнечного излучения.- reduction of time costs and labor intensity in the preparation and conduct of thermal vacuum tests using a solar radiation simulator.

Поставленная техническая проблема решается благодаря тому, что в способе моделирования условий внешнего теплообмена космических аппаратов в термовакуумной камере моделируют условия горячих температур на объекте испытаний имитатором солнечного излучения, который собирают из раздельных секций автономных нагревателей и размещают внутри термовакуумной камеры вместе с объектом испытаний, при этом источники излучения автономных нагревателей оснащают оптическими элементами, получают холодные температуры на объекте испытаний при помощи охлаждающего устройства, мощности секций автономных нагревателей регулируют раздельно единой системой управления, отличающийся тем, что в секциях автономных нагревателей используют массив из точечных источников излучения, получают равномерное рабочее поле на объекте испытаний смешиванием излучения точечных источников, а между имитатором солнечного излучения и объектом испытаний размещают охлаждаемую решетку. При этом возможна реализация, в которой комбинируют, по меньшей мере, два вида точечных источников излучения с различными спектральными характеристиками, а в системе управления применяют обратную связь на основании показаний датчиков уровня энергетической освещенности и спектра на поверхности объекта испытаний.The technical problem posed is solved due to the fact that in the method of modeling the conditions of external heat exchange of spacecraft in a thermal vacuum chamber, hot temperature conditions are simulated at the test object by a solar radiation simulator, which is assembled from separate sections of autonomous heaters and placed inside the thermal vacuum chamber together with the test object, while the sources radiation of independent heaters is equipped with optical elements, cold temperatures are obtained at the test object using a cooling device, the power of sections of independent heaters is regulated separately by a single control system, characterized in that an array of point sources of radiation is used in the sections of independent heaters, a uniform working field is obtained at the test object by mixing the radiation of point sources, and a cooled grating is placed between the solar radiation simulator and the test object. At the same time, an implementation is possible in which at least two types of point radiation sources with different spectral characteristics are combined, and feedback is used in the control system based on the readings of the sensors of the energy illumination level and the spectrum on the surface of the test object.

Принцип предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1, в виде примера, изображен общий вид имитатора солнечного излучения, состоящего из четырех секций автономных нагревателей с охлаждаемой решеткой, на фиг. 2 в горизонтальном разрезе изображена схема формирования направленного потока излучения, на фиг. 3 изображена секция автономных нагревателей, на фиг. 4 и фиг. 5 в горизонтальном разрезе показан принцип работы охлаждаемой решетки в режимах создания на объекте испытаний горячих температур и холодных температур соответственно.The principle of the proposed method is illustrated by drawings, where in Fig. 1, as an example, shows a general view of the simulator of solar radiation, consisting of four sections of autonomous heaters with a cooled grate, in Fig. 2 in a horizontal section shows a diagram of the formation of a directed radiation flux, in Fig. 3 shows a section of independent heaters, in Fig. 4 and FIG. 5 in horizontal section shows the principle of operation of the cooled grate in the modes of creating hot temperatures and cold temperatures at the test object, respectively.

Непосредственно внутри термовакуумной камеры 1, вблизи объекта испытаний 2 установлен имитатор солнечного излучения, собранный из секций автономных нагревателей 3. В секциях автономных нагревателей 3 используется массив из размещенных с равномерным чередованием точечных источников излучения 6. Directly inside the thermal vacuum chamber 1, near the test object 2, a solar radiation simulator is installed, assembled from sections of autonomous heaters 3. In sections of autonomous heaters 3, an array of point radiation sources 6 placed with uniform alternation is used.

В качестве точечных источников излучения 6 в секциях автономных нагревателях 3 используют, в том числе, газоразрядные лампы, галогенные лампы накаливания, люминофорные или монохромные светодиоды различных длин волн, а также сборки из таких светодиодов. В частном случае, для получения необходимых спектрального диапазона и спектрального соответствия, комбинируют в массиве с равномерным чередованием несколько или, по меньшей мере, два вида точечных источников излучения 6 с различными спектральными характеристиками. Как пример комбинирования, секции автономных нагревателей 3 состоят из двух видов точечных источников излучения 6: галогенных ламп 7 и светодиодных сборок 8 из светодиодов различных длин волн.As point sources of radiation 6 in sections of autonomous heaters 3, gas discharge lamps, halogen incandescent lamps, phosphor or monochrome LEDs of various wavelengths, as well as assemblies of such LEDs are used. In a particular case, in order to obtain the required spectral range and spectral correspondence, several or at least two types of point radiation sources 6 with different spectral characteristics are combined in an array with uniform alternation. As an example of combination, sections of independent heaters 3 consist of two types of point sources of radiation 6: halogen lamps 7 and LED assemblies 8 of LEDs of different wavelengths.

Точечные источники излучения 6 оснащают собственными оптическими отражающими и/или преломляющими оптическими элементами 9, формирующим узкоугольное распределение излучения, в частности, оптическими элементами, работающим по принципу полного внутреннего отражения (TIR), рефлекторами, световодами, линзами или же комбинацией нескольких оптических элементов, в результате чего создают секциями автономных нагревателей 3 направленный поток излучения с малым углом распределения. Оптические элементы 9 жестко закреплены в секциях автономных нагревателей 3 и настройки во время эксплуатации не требуют. На обратной стороне секции автономных нагревателей 3 расположены электрический и тепловой интерфейсы 10.Point sources of radiation 6 are equipped with their own optical reflective and/or refractive optical elements 9, which form a narrow-angle radiation distribution, in particular, optical elements operating on the principle of total internal reflection (TIR), reflectors, light guides, lenses, or a combination of several optical elements, in as a result, sections of autonomous heaters 3 create a directed radiation flux with a small distribution angle. The optical elements 9 are rigidly fixed in the sections of autonomous heaters 3 and do not require adjustment during operation. On the reverse side of the autonomous heater section 3, electrical and thermal interfaces 10 are located.

При условии, что расстояние от точечных источников излучения 6 до объекта испытаний 2 в несколько раз превышает расстояние между соседними точечными источниками 6 массива, сформированные направленные потоки излучения всех указанных точечных источников 6, равномерно перемешиваясь между собой, образуют на объекте испытаний 2 единое рабочее поле с высокой равномерностью. Более подробно принцип формирования рабочего поля на объекте испытаний 2 показан на фиг. 2. Необходимые уровни энергетической освещенности в различных участках рабочего поля получают раздельной регулировкой мощности секций автономных нагревателей 3.Provided that the distance from the point sources of radiation 6 to the test object 2 is several times greater than the distance between adjacent point sources 6 of the array, the formed directed radiation fluxes of all these point sources 6, evenly mixing with each other, form a single working field on the test object 2 with high uniformity. The principle of forming the working field on the test object 2 is shown in more detail in Fig. 2. The required levels of energy illumination in different parts of the working field are obtained by separately adjusting the power of sections of autonomous heaters 3.

Между излучающими поверхностями секций автономных нагревателей 3 и объектом испытаний 2 установлена охлаждаемая решетка 4. Принцип работы охлаждаемой решетки показан на фиг. 4 и 5. Охлаждение ребер решетки 4 происходит благодаря циркуляции жидкого азота по соединенным с ребрами решетки 4 трубопроводам 5. В режиме горячих температур на объекте испытаний 2 излучение каждого автономного нагревателя 3, а именно, для примера, излучение точечных источников 7, 8, благодаря сформированной оптическими элементами 9 высокой направленности проходит через решетку 4 с малыми потерями, проходит охлаждаемую решетку 4 и попадает на объект испытаний 2. Кроме этого, стенки решетки 4 дополнительно повышают направленность потока излучения за счет поглощения чрезмерно расходящихся лучей. A cooled grate 4 is installed between the radiating surfaces of the autonomous heater sections 3 and the test object 2. The principle of operation of the cooled grate is shown in Fig. 4 and 5. Cooling of the lattice ribs 4 occurs due to the circulation of liquid nitrogen through pipelines 5 connected to the lattice ribs 4. In the hot temperature mode at the test object 2, the radiation of each autonomous heater 3, namely, for example, the radiation of point sources 7, 8, The high directivity formed by the optical elements 9 passes through the grating 4 with low losses, passes through the cooled grating 4 and enters the test object 2. In addition, the walls of the grating 4 additionally increase the directivity of the radiation flux due to the absorption of excessively divergent rays.

Уровень потерь лучистого потока находится в прямой зависимости от угла его непараллельности и может быть определен по формуле (Колесников А.В., Сербин В.И. Моделирование условий внешнего теплообмена космических аппаратов. М. : Информация - XXI век, 1997, стр. 84):The level of losses of the radiant flux is directly dependent on the angle of its non-parallelism and can be determined by the formula (Kolesnikov A.V., Serbin V.I. Modeling the conditions for external heat transfer of spacecraft. M .: Information - XXI century, 1997, p. 84 ):

где J(0) интенсивность излучения с углом непараллельности β на входе спрямляющей решетки; WhereJ(0) - radiation intensity with non-parallelism angleβ at the inlet of the straightening grid;

l и a – соответственно глубина и размер стороны квадратной ячейки спрямляющей решетки; l and a are, respectively, the depth and size of the side of the square cell of the straightening grating;

J(β) интенсивность излучения на выходе спрямляющей решетки. J(β) - radiation intensity at the output of the rectifying grating.

Так, при угле непараллельности 4° и соотношении l/a = 1 значение интенсивности J(β) составит 0,93 от J(0), что соответствует уровню потерь 7 %.Thus, at a non-parallelism angle of 4° and the ratio l/a = 1, the intensity value J(β) will be 0.93 of J( 0 ) , which corresponds to a loss level of 7%.

Наоборот, при создании режима холодных температур, при неизлучающих секциях автономных нагревателей 3, решетка 4, за счет охлаждения ее стенок циркуляцией жидкого азота, выполняет роль криогенного экрана. При этом тепловое излучение объекта испытаний 2, имеющее исключительно диффузный характер, практически полностью поглощается стенками решетки 4. Так, при прохождении диффузного излучения через спрямляющую решетку с тем же соотношением l/a = 1 уровень потерь составит 88% (Колесников А.В., Сербин В.И. Моделирование условий внешнего теплообмена космических аппаратов. М.: Информация - XXI век, 1997, стр. 87, рис. 4.28). Оставшаяся часть поглощается имеющими холодные температуры поверхностями секций автономных нагревателей 3, а неизлучающие точечные источники 6, в силу малой площади излучающей поверхности, на процесс теплообмена существенного влияния не оказывают.On the contrary, when creating a cold temperature mode, with non-radiating sections of autonomous heaters 3, the grate 4, due to the cooling of its walls by the circulation of liquid nitrogen, acts as a cryogenic screen. In this case, the thermal radiation of test object 2, which is exclusively diffuse in nature, is almost completely absorbed by the walls of grating 4. Thus, when diffuse radiation passes through a rectifying grating with the same ratio l/a = 1, the loss level will be 88% (Kolesnikov A.V., Serbin VI Simulation of conditions of external heat transfer of space vehicles, Moscow: Information - XXI century, 1997, p. 87, Fig. 4.28). The remaining part is absorbed by the surfaces of sections of autonomous heaters 3 having cold temperatures, and non-radiating point sources 6, due to the small area of the radiating surface, do not significantly affect the heat transfer process.

Из формулы (1) следует, что необходимая степень поглощения теплового излучения объекта испытаний может настраиваться изменением параметра l, в наиболее простом случае – добавлением дополнительных секций охлаждающей решетки.From formula (1) it follows that the required degree of absorption of thermal radiation of the test object can be adjusted by changing the parameter l , in the simplest case, by adding additional sections of the cooling grid.

Переходные температурные режимы получают совместной работой охлаждающей решетки 4 и секций автономных нагревателей 3 на пониженных уровнях мощности.Transitional temperature regimes are obtained by the joint operation of the cooling grate 4 and sections of independent heaters 3 at reduced power levels.

Уровни мощности автономных нагревателей 3 регулируют раздельно единой системой управления, контролирующей независимое питание секций указанных нагревателей от отдельных регулируемых источников. Благодаря этому получают максимальную равномерность рабочего поля или создают различные уровни энергетической освещенности в различных участках рабочего поля и таким образом имитируют частичное затенение или поворот объекта испытаний 2 относительно Солнца, а в случае комбинирования нескольких типов источников излучения с различными спектральными диапазонами – получают необходимое спектральное соответствие. В частном случае в системе управления применяют обратную связь с использованием одного или нескольких подключенных к системе датчиков уровня энергетической освещенности 11 и/или спектра 12, которые размещают в рабочем поле имитатора солнечного излучения на поверхности объекта испытаний 2. В свою очередь, система управления на основании показаний указанных датчиков поддерживает в автоматическом режиме такие характеристики имитируемого солнечного излучения на объекте испытаний 2, как уровень, неравномерность энергетической освещенности и спектральное соответствие. Кроме этого, энергоэффективность имитатора солнечного излучения дополнительно повышают оптимальной конфигурацией секций автономных нагревателей, в результате чего геометрические размеры рабочего поля соответствуют геометрическим размерам объекта испытаний 2.The power levels of autonomous heaters 3 are regulated separately by a single control system that controls the independent power supply of the sections of these heaters from separate regulated sources. Due to this, the maximum uniformity of the working field is obtained or different levels of energy illumination are created in different parts of the working field and thus simulate partial shading or rotation of the test object 2 relative to the Sun, and in the case of combining several types of radiation sources with different spectral ranges, the necessary spectral correspondence is obtained. In a particular case, the control system uses feedback using one or more sensors of the energy illumination level 11 and / or spectrum 12 connected to the system, which are placed in the working field of the solar radiation simulator on the surface of the test object 2. In turn, the control system based on readings of these sensors automatically supports such characteristics of the simulated solar radiation at the test object 2, as the level, unevenness of energy illumination and spectral compliance. In addition, the energy efficiency of the solar radiation simulator is additionally increased by the optimal configuration of the autonomous heater sections, as a result of which the geometric dimensions of the working field correspond to the geometric dimensions of test object 2.

За пределами термовакуумной камеры размещают такие элементы системы раздельного управления, как источники питания секций автономных нагревателей 3 с регулируемой мощностью и ПЭВМ с программным обеспечением или программируемый логический контроллер, при помощи которых осуществляют управление указанными источниками питания оператором или в автоматическом режиме на основании показаний датчиков 11 и/или 12. Дополнительно, в случае использования требующих термостабилизации источников излучения, таких, как светодиодные, в секции автономных нагревателей устанавливают теплообменники, которые соединяют с устройствами, рассеивающими избыточное тепловыделение указанных источников за пределами термовакуумной камеры. Например, в случае жидкостного охлаждения используют радиатор или холодильную машину (чиллер).Outside the thermal vacuum chamber, such elements of the separate control system are placed, such as power supplies for sections of autonomous heaters 3 with adjustable power and a PC with software or a programmable logic controller, with the help of which these power supplies are controlled by the operator or in automatic mode based on the readings of sensors 11 and /or 12. Additionally, in the case of using radiation sources requiring thermal stabilization, such as LEDs, heat exchangers are installed in the section of autonomous heaters, which are connected to devices that dissipate excess heat from these sources outside the thermal vacuum chamber. For example, in the case of liquid cooling, a radiator or a refrigeration machine (chiller) is used.

Техническими результатами изобретения являются:The technical results of the invention are:

-  увеличение достоверности термовакуумных испытаний за счет повышения таких характеристик имитатора солнечного излучения, как равномерность рабочего поля, параллельность лучистого потока, спектральный диапазон и спектральное соответствие; - increasing the reliability of thermal vacuum tests by improving such characteristics of the solar radiation simulator as uniformity of the working field, parallelism of the radiant flux, spectral range and spectral correspondence;

повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения за счет размещения имитатора солнечного излучения с простой оптической системой в непосредственной близости от объекта испытаний; - increasing the energy efficiency of solar radiation simulation by placing a solar radiation simulator with a simple optical system in close proximity to the test object;

дополнительное повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения за счет оптимальной формы рабочего поля имитатора солнечного излучения; - additional increase in the energy efficiency of solar radiation simulation due to the optimal shape of the working field of the solar radiation simulator;

- сокращение временных затрат и расхода жидкого азота при проведении термовакуумных испытаний за счет размещения охлаждающей решетки в непосредственной близости от объекта испытаний;- reduction of time costs and consumption of liquid nitrogen during thermal vacuum tests due to the placement of the cooling grid in close proximity to the test object;

- сокращение временных затрат и трудоемкости при подготовке термовакуумных испытаний за счет простой конструкции имитатора солнечного излучения, не требующей длительных, трудоемких монтажа и настройки.- reduction of time costs and labor intensity in the preparation of thermal vacuum tests due to the simple design of the solar radiation simulator, which does not require long, laborious installation and adjustment.

Claims (3)

1. Способ моделирования условий внешнего теплообмена космических аппаратов в термовакуумной камере, заключающийся в том, что моделируют условия горячих температур на объекте испытаний имитатором солнечного излучения, который собирают из раздельных секций автономных нагревателей и размещают внутри термовакуумной камеры вместе с объектом испытаний, при этом источники излучения автономных нагревателей оснащают оптическими элементами, получают холодные температуры на объекте испытаний при помощи охлаждающего устройства, мощности секций автономных нагревателей регулируют раздельно единой системой управления, отличающийся тем, что в секциях автономных нагревателей используют массив из точечных источников излучения, получают равномерное рабочее поле на объекте испытаний смешиванием излучения точечных источников, а между имитатором солнечного излучения и объектом испытаний размещают охлаждаемую решетку. 1. A method for modeling the conditions of external heat exchange of spacecraft in a thermal vacuum chamber, which consists in simulating hot temperature conditions at a test object with a solar radiation simulator, which is assembled from separate sections of autonomous heaters and placed inside the thermal vacuum chamber together with the test object, while radiation sources autonomous heaters are equipped with optical elements, cold temperatures are obtained at the test object using a cooling device, the power of the autonomous heater sections is regulated separately by a single control system, characterized in that an array of point radiation sources is used in the autonomous heater sections, a uniform working field is obtained at the test object by mixing radiation from point sources, and a cooled grating is placed between the solar radiation simulator and the test object. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в автономных нагревателях комбинируют, по меньшей мере, два вида точечных источников излучения с различными спектральными характеристиками.2. The method according to p. 1, characterized in that autonomous heaters combine at least two types of point sources of radiation with different spectral characteristics. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в системе управления применяют обратную связь на основании показаний датчиков уровня энергетической освещенности и спектра на поверхности объекта испытаний.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the control system uses feedback based on the readings of the sensors of the level of energy illumination and the spectrum on the surface of the test object.
RU2023104414A 2023-02-28 Method for simulation of external heat transfer conditions of space vehicles in thermal vacuum chamber RU2801979C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2023104414A RU2023104414A (en) 2023-07-13
RU2801979C2 true RU2801979C2 (en) 2023-08-22

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2172709C2 (en) * 1999-09-23 2001-08-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Stand for thermal tests of space objects
RU2208564C1 (en) * 2001-11-15 2003-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" Method of thermal vacuum tests and device for realization of this method
RU2302983C1 (en) * 2005-10-07 2007-07-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Stand for conducting the spacecraft heat and vacuum tests
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
CN106184831B (en) * 2016-06-29 2018-04-13 上海微小卫星工程中心 Vacuum thermal test device for high heat flux density satellite

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2172709C2 (en) * 1999-09-23 2001-08-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Stand for thermal tests of space objects
RU2208564C1 (en) * 2001-11-15 2003-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" Method of thermal vacuum tests and device for realization of this method
RU2302983C1 (en) * 2005-10-07 2007-07-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Stand for conducting the spacecraft heat and vacuum tests
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
CN106184831B (en) * 2016-06-29 2018-04-13 上海微小卫星工程中心 Vacuum thermal test device for high heat flux density satellite

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gallo et al. High flux solar simulators for concentrated solar thermal research: A review
CN103328882B (en) Solar simulator and the method for running solar simulator
US10408446B2 (en) Illumination device simulating the natural illumination and including an infrared light source
US6820509B2 (en) Ultra-accelerated natural sunlight exposure testing facilities
US6548819B1 (en) Infrared enhanced pulsed solar simulator
TWI440794B (en) Solar light simulator
CN101441326A (en) Zoom apparatus for simulating sun irradiation light source
CN102338323A (en) Steady state solar simulator
Bodnár et al. Design and construction of a sun simulator for laboratory testing of solar cells
RU2172709C2 (en) Stand for thermal tests of space objects
Martínez-Manuel et al. Optimization of the radiative flux uniformity of a modular solar simulator to improve solar technology qualification testing
RU2801979C2 (en) Method for simulation of external heat transfer conditions of space vehicles in thermal vacuum chamber
KR101304980B1 (en) U-value and g-value measuring apparatus
EP2790469B1 (en) Multi-lamp solar simulator
US3239660A (en) Illumination system including a virtual light source
Shevchuk Alternative method of solar simulation for thermal vacuum tests of spacecraft
Buck et al. Receiver for solar-hybrid gas turbine and combined cycle systems
Peamsuwan et al. Investigation of tungsten halogen lamp for possible usage as heat source for testing solar collector
RU2801956C2 (en) Method for simulating solar radiation
Boubault et al. Design and characterization of a 7.2 kW solar simulator
EP2742278B1 (en) Led light projector with fresnel or planar - convex lens, in particular for cinema illumination
Abuseada An experimental and numerical study on the heat transfer driven dynamics and control of transient variations in a solar reactor
Martinez-Manuel OPTICAL THERMAL CHARACTERIZATION OF A HIGH FLUX SOLAR SIMULATOR FOR THE DEVELOPMENT OF SPECTRAL ABSORPTION APPLICATIONS
KR100980804B1 (en) Heating device using radiation and outdoor heating apparatus using the same
Laaber Solar simulators