Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Классификация задач теплового проектирования космических телескопов 13
1.1 Классификация телескопов по назначению, циклограммам функционирования и требованиям к качеству изображения 13
1.2 Цели и задачи теплового проектирования телескопов 20
1.3 Основные критерии термостабильности телескопов 23
1.4 Тепловая и математическая модель реакции основных параметров качества изображения на характерные тепловые воздействия 26
1.5 Требования к методам расчетов тепловых режимов и термоаберраций телескопов 30
1.6 Выводы 32
ГЛАВА 2. Аналитические методы расчета термо аберраций двухзеркальных телескопов 34
2.1 Основные принципы, положенные в основу методов расчета термоаберраций 34
2.2 Метод расчета влияния осевых и радиальных температурных перепадов в главном зеркале на термоаберрации телескопов 37
2.3. Методы расчета термонаведенного смещения фокальной плоскости при комплексном воздействии всех типов термоаберраций 43
2.4. Формулы для расчета термонаведенной сферической аберрации...
2.5 Методы минимизации термоаберраций телескопов 51
2.6 Выводы 53
ГЛАВА 3. Аналитические методы описания тепловых воздействий на зеркальные оптические системы в околоземном космическом пространстве и дальнем космосе 55
3.1. Методы описания падающих на телескоп лучистых тепловых потоков через коэффициенты облученности 55
3.2 Методика расчета коэффициента облученности потоком собственного теплового излучения Земли 59
3.3 Методика расчета комбинированного коэффициента облученности . 69
3.4 Методы и границы линеаризации нестационарных уравнений лучистого теплового баланса 73
3.5 Выводы 86
ГЛАВА 4. Методы обеспечения термостабильности телескопов с активной системой термостабилизации ... 85
4.1 Методы и средства активной термостабилизации и тепловой
защиты телескопов космического базирования 85
4.2 Тепловой баланс в телескопе с системой терморегулирования на основе электронагревателя и радиационных панелей 87
4.3 Методы расчета активной системы терморегулирования с управляемой амплитудой и частотой изменения мощности электронагревателя 92
4.4 Выводы ПО
ТЛАВА 5. Методы обеспечения термостабильности телескопов с пассивной системой тепловой защиты 113
5.1 Метод обеспечения термостабильности солнечного телескопа СЛ 200 за счет соответствующего выбора параметров кварцевого светофильтра на входном зрачке 113
5.2 Методы термостабилизации телескопа космического базирования за счет выбора параметров терморегулирующих покрытий на внешнем корпусе 120
5.3 Методы обеспечения термостабильности телескопических систем за счет термической инерционности конструкции при кратковременном функционировании 139
5.4 Выводы 145
Заключение 148
Список литературы 1
- Основные критерии термостабильности телескопов
- Методы расчета термонаведенного смещения фокальной плоскости при комплексном воздействии всех типов термоаберраций
- Методика расчета комбинированного коэффициента облученности
- Методы расчета активной системы терморегулирования с управляемой амплитудой и частотой изменения мощности электронагревателя
Введение к работе
Опыт проектирования оптико-электронных приборов (ОЭП) за последние десятилетия показал необходимость разработки аналитических методов расчета тепловых режимов и термоаберраций зеркальных телескопов, являющихся наиболее теплонагруженными и термочувствительными узлами ОЭП. Наиболее плодотворным подходом к решению указанной проблемы является разработка методов, ориентированных на начальную стадию теплового проектирования.
Именно потребности практики вынудили проводить разработку аналитических методов расчета термоаберраций. Однако до настоящего времени не проводились целенаправленные комплексные разработки теории термостабильности ОЭП и зеркальных телескопов, которая включала бы в себя сквозные расчеты от исходных тепловых воздействий до изменения основных характеристик качества изображения.
Актуальность темы исследований определяется практическими потребностями с учетом опыта разработок телескопов, необходимостью исключения ошибок проектирования, выявляемых в процессе эксплуатации телескопов космического базирования. Весьма актуальной задачей является разработка методов расчетов для обеспечения термостабильности телескопов, включающих в едином аналитическом описании тепловые и термоаберрационные процессы от исходных тепловых воздействий (внешних и внутренних) до термонаведенных смещения фокальной плоскости и сферической аберрации с промежуточным определением температур оптических элементов и температурных неоднородностей в них.
Целью исследования является разработка методов расчета тепловых режимов и термоаберраций зеркальных телескопов, и на этой основе - разработка методов выбора параметров конструктивной схемы и системы обеспечения теплового режима, гарантирующих термостабильность телескопов, базируемых на космических аппаратах в околоземном космическом пространстве.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
разработка аналитических методов расчета термоаберраций телескопов с учетом различия температур оптических элементов и характерных температурных перепадов в главном зеркале;
разработка аналитических методов расчета совокупности поглощаемых поверхностями телескопа потоков излучения в околоземном космическом пространстве;
разработка методов обеспечения термостабильности телескопов с активной системой термостабилизации;
разработка методов обеспечения термостабильности телескопов с пассивной системой тепловой защиты.
Предмет исследования составляют телескопы космического базирования, предназначенные для наблюдения за звездами, и космическими объектами на фоне холодного космоса.
Методы исследования основаны на математическом моделировании тепловых процессов в телескопах от внешних тепловых воздействий до основных характеристик качества изображения с учетом особенностей применяемых систем обеспечения теплового режима, методов терморегулирования и способов тепловой защиты. Разрабатываемые методы направлены на получение аналитических формул, предназначенных для решения как прямых задач (анализа конечных характеристик, определяющих стабильность качества изображения), так и обратных (синтез тепловых схем по заданным характеристикам стабильности качества изображения).
Научная новизна'^
разработаны аналитические методы расчета термоаберрации телескопов Грегори, Кессегрена, Ричи-Критьена с учетом влияния осевых и радиальных перепадов в главном зеркале;
разработаны аналитические методы расчета внешних тепловых потоков на телескоп в околоземном космическом пространстве;
разработаны методы расчета активной системы терморегулирования телескопов на основе электронагревателя и радиационных панелей с управляемой амплитудой и периодом изменения мощности электронагревателя;
разработаны методы расчета пассивной термостабилизации солнечного телескопа СЛ-200, позволяющие осуществлять выбор параметров свето-ослабляющего фильтра на входном зрачке;
разработаны методы расчета пассивной теплоизоляции и термостабилизации телескопа космического базирования за счет выбора параметров тер-морегулирующих покрытий на внешнем корпусе телескопа.
Научная ценность полученных результатов заключается в том, что впервые методы расчетов теплового режима и термоаберраций объединены в единый алгоритм применительно к типовым объектам и процессам - телескопам космического базирования с активной и пассивной системами терморегулирования и термостабилизации с учетом специфики решаемых задач и циклограмм функционирования. Это закладывает основы развития научно обоснованных методов теплового проектирования со сквозными расчетами от тепловых воздействий до основных характеристик качества изображения, а также с решением задач как анализа так и синтеза телескопов (а более широко - ОЭП), упрощающими выбор базовой схемы СОТР и теплозащиты на начальных стадиях проектирования и при дальнейшем сопровождении конструкторских работ.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанные модели и методы расчетов полностью ориентированы на работу с конструкторами телескопов в диалоговом режиме с целью разработки термостабильных ОЭП космического базирования. В частности получены следующие практически значимые результаты:
методы минимизации термоаберраций телескопов с учетом термодеформаций зеркал использовались для выбора параметров СОТР и конструкций крепления зеркал в телескопах;
аналитические методы расчета совокупности поглощаемых разными участками поверхностей телескопов тепловых потоков в околоземном космическом пространстве существенно снижают затраты времени и средств на моделирование теплового баланса телескопов;
методы расчета активных систем терморегулирования на основе системы электронагреватель- радиационная панель и методы обеспечения термостабильности зеркальных телескопов с такой системой термостабилизации;
методы выбора параметров систем активной и пассивной термостабилизации применялись в разработке тепломеханической схемы и системы обеспечения теплового режима солнечного лимбографа СЛ-200;
методы пассивной тепловой защиты с использованием терморегулирую-щих покрытий используются в разработке телескопов для наблюдения за звездами.
Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждена актами о реализации результатов в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории ГАО РАН, ОАО ЛОМО, ГОИ им. СИ. Вавилова, а также в учебном процессе в НИУ ИТМО и ВИКА им. А.Ф. Можайского.
Методы обеспечения термостабильности телескопа, изложенные в Главе 4 и в первой части Главы 5 диссертации, базирующиеся на разработанных автором методах расчета тепловых режимов и термоаберраций, разрабатывались в рамках программы космических исследований ГАО РАН (проект -«Астрометрия»). При этом использовались базовая тепломеханическая схема и параметры солнечного телескопа - лимбографа СЛ-200, разрабатывавшегося под руководством доктора физико-математических наук Х.И. Абдусама-това.
Положения, выносимые на защиту: на защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
аналитические методы расчета термоаберраций телескопов Грегори, Кес-сегрена, Ричи-Кретьена с учетом осевых и радиальных температурных градиентов в главном зеркале;
аналитические методы расчета внешних тепловых воздействий на элементы телескопа в околоземном космическом пространстве;
методы расчета и выбора параметров активной системы терморегулирования телескопа с электронагревателем и радиационными панелями;
методы расчета и выбора параметров светоослабляющего фильтра (кварцевого светофильтра) на входном зрачке солнечного телескопа - лимбографа СЛ-200, обеспечивающего заданный уровень температур и необходимую изотермичность конструкции телескопа;
методы термостабилизации телескопов с терморегулирующими покрытиями на внешней поверхности.
Достоверность разработанных методов расчета подтверждается сопоставлением с результатами численного моделирования с использованием исходных строгих математических моделей.
Апробация результатов исследований. Основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, докладывались на Международных и Всероссийских конференциях: VIII Международной конференции по спиновой электронике. Секции Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике. М. (Фирсановка) - 1999, VI Международной конференции «Прикладная оптика». 18-21 октября 2004 г, Санкт - Петербург, Россия, XI Пулковской международной конференции по физике Солнца, VIII Международной конференции «Прикладная оптика -2008», Балтийской конференции по теплопередаче 19-21 сентября 2007 г. Кроме того был сделан доклад на третьей воєнно- научной конференции Космических войск. Анализ роли и места космических войск в системе операций вооруженных сил Российской федерации при подготовке и ведении военных действий, исследование форм и способов применения объединений, соединений и учреждений космических войск. Воєнно - космическая академия имени А.Ф. Можайского. Санкт Петербург. 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, в том числе 7 статей в журналах, входящих в Перечень ведущих изданий, рекомендованных ВАК. По теме диссертации получен один патент на полезную модель. Результаты исследований по теме диссертации вошли в две монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 159 страниц текста. Диссертация содержит 4 таблицы и 15 рисунков. Список литературы насчитывает 77 наименований.
Основные критерии термостабильности телескопов
Опыт проектирования, создания и эксплуатации крупногабаритных и малогабаритных ОЭП и систем за последние десятилетия показал необходимость разработки аналитических методов расчета тепловых режимов и термоаберраций зеркальных телескопов, являющихся наиболее теплонагруженными и термочувствительными узлами ОЭП. Наиболее плодотворным подходом к решению указанной проблемы является разработка методов, ориентированных на начальную стадию теплового проектирования. Это позволяет с самого начала избежать недостатков при выборе параметров тепломеханической схемы и системы обеспечения теплового режима телескопа, помогает конструкторам с минимальными затратами сопоставлять варианты технических решений.
Впервые теоретические исследования термоаберраций проводились Слю-саревым Г.Г. и Волосовым Д.С., которых можно считать основоположниками нового научного направления - термооптики [1,2]. Слюсарев Г.Г. ввел понятие термооптической постоянной для линз и стекол, а Волоеов Д.С. ввел термоаберрации положения и увеличения. В дальнейшем выяснилось, что для всех оптических материалов термооптические постоянные зависят от температуры [3,4]. Тем не менее они активно исследовались и использовались как для линз, так и для активных сред твердотельных лазеров [4-6]. Для зеркальных элементов оптических систем исследования термодеформаций проводил ученик профессора Г.Н. Дульнева и сотрудник Д.С. Волосова Ю.П Шрамко [7]. Моделирование тепловых режимов проводилось Г.Н. Дульневым с сотрудниками, что нашло отражение в ряде публикаций, например, в статьях [8 - 10]. Особое место в ряду работ, посвященных вопросам моделирования тепловых режимов космических объектов (КО) в околоземном космическом пространстве (ОКП) занимает книга [11]. В ней изложены методики расчета величин падающих на элементы поверхности КО тепловых потоков. Эти данные с соответствующей переработкой могут использоваться для формирования граничных условий (ГУ) на поверхностях элементов телескопов космического базирования, а также при составлении уравнений нестационарного теплового баланса в телескопах с последующим расчетом их тепловых режимов.
Необходимо отметить книгу [12], в которой изложены общие методики расчета тепловых режимов приборов, которые можно использовать для моделирования тепловых процессов в телескопах.
В последние годы исследования в этом направлении не прекращались и на эту тему были защищены кандидатские диссертации В.Р. Мешковым [13] и А.М. Савицким [14]. В первой из них метод исследований основывался на численном математическом моделировании тепловых процессов, во второй основной упор сделан на методах разработки термостабильных зеркально-линзовых оптико-электронных систем.
В течение длительного времени разработкой методов расчетов термоаберраций занимался ученик профессора Г.Н. Дульнева СИ. Ханков [15-22]. Эти исследования переросли впоследствии в разработку методов обеспечения термостабильных зеркальных телескопов [22]
Именно потребности практики вынудили проводить разработку аналитических методов расчета термоаберраций. Однако до настоящего времени не проводились целенаправленные комплексные разработки теории термостабильности ОЭП и зеркальных телескопов, которая включала бы в себя сквозные расчеты от исходных тепловых воздействий до изменения основных характеристик качества изображения.
Телескопы космического базирования как класс оптических приборов отличаются многообразием конкретных признаков и существенно различаются по оптическим и конструктивным схемам в зависимости от их назначения. В дальнейших исследованиях рассматриваются только классические схемы телескопов без промежуточного изображения (система Кассегрена) и с промежуточным изображением (система Грегори), схемы которых изображены на рис. 1. Обе схемы телескопов в случае, когда главное зеркало имеет профиль рабочей поверхности отличный от параболического, объединяются под общим названием схемы Риччи - Кретьена. Телескопы, построенные по такой схеме обеспечивают изображение в фокальной плоскости (или в промежуточном фокусе в случае, когда за ним расположены дополнительные оптические элементы) удаленных предметов.
Рассматриваемый класс телескопов имеет весьма широкую область применения. Они могут использоваться для зондирования земной поверхности, наблюдения за звездами или за удаленными малоразмерными объектами на фоне холодного космоса, за Солнцем и Луной.
Особый класс телескопов составляют телескопы для зондирования земной поверхности, обеспечивающие наблюдение и регистрацию объектов с требуемым разрешением в различных спектральных диапазонах. Телескопы данного класса независимо от рабочего спектрального диапазона испытывают характерную тепловую нагрузку вследствие прямого попадания на входной зрачок собственного теплового излучения Земли и отраженного Землей солнечного излучения. Конструкции таких телескопов и их системы обеспечения теплового режима (СОТР) должны строиться с учетом этих факторов теплового воздействия. Телескопы для наблюдения за Землей, как правило, должны обеспечивать достаточно большое поле изображения, и в них важным узлом является конструкция оптической системы за промежуточным фокусом, в то время как телескопы другого назначения могут во многих случаях основываться на использовании только двухзеркальных классических схем, приведенных на рис. 1.
Методы расчета термонаведенного смещения фокальной плоскости при комплексном воздействии всех типов термоаберраций
Задачи построения термостабильных телескопов связаны с минимизацией неизбежно возникающих в реальных условиях эксплуатации термоаберраций. При этом, как показывают результаты исследований, в типовых конструкциях телескопов Грегори и Кассегрена основной преобладающей термоаберрацией является аберрация положения, а сферическая термоаберрация всегда значительно меньше, но поскольку она возрастает с увеличением аберрации положения, именно минимизация термоаберрации положения является главной задачей ТП.
Наиболее важным является решение задачи ограничения термоаберрации температурного уровня. Технически такая задача решается с использованием систем терморегулирования (активных элементов СОТР), а также пассивных систем тепловой защиты корпуса объектива от внешних засветок излучением Земли, а также прямым и отраженным от Земли солнечным излучением (соответствующие методы разработаны и исследованы в Главах 4 и 5).
Термоаберрации температурной неоднородности между элементами объектива не всегда усиливают термонаведенное смещение фокальной плоскости, а могут даже приводить к ее самокомпенсации. Условие полной компенсации можно получить из (2.17), полагая Afi = 0. В этом случае оно может быть записано в виде соотношения: 3K - DrSr + DBSB; (2.34) —= A- D =Ь=2 .А Вк оок 21/ в Вк а„ Lc При аг = ав = а и при равных перегревах зеркал Sr = SB - &3 из (2.34) сле дует 8.=— КЗз; К. - +— 33 (2.35) а. v2L Ley Поскольку для конкретного телескопа коэффициент пропорциональности К является величиной постоянной, отношение коэффициентов линейного расширения материалов зеркал а и корпуса ак, должно удовлетворять равенству — =— (2.36) а К & Из (2.36) следует, что при выборе материала корпуса телескопа, когда материал зеркал определен, не следует стремиться обеспечить минимальный коэффициент линейного расширения otk, а необходимо заранее оценивать реальные неоднородности нагревов зеркал и корпуса в предполагаемых условиях эксплуатации. Например, в изотермичном телескопе ( к &3) выбирать материал корпуса следует, руководствуясь условием ак = К а, по крайней мере, необходимо приближаться к выполнению этого условия.
Минимизация температурной неравномерности в главном зеркале обеспечивается тремя способами; за счет повышения коэффициента отражения рабочей поверхности зеркала, соответствующего выбора материала зеркала (с минимальным отношением коэффициента линейного расширения к коэффициенту теплопроводности) и соответствующим выбором конструкции крепления зеркала к корпусу или к установочной платформе.
Принятие всех указанных мер с целью обеспечения термостабильности телескопа должно осуществляться на основе результатов расчетов итоговой термоаберрации, при этом должны разрешаться противоречивые требования к условиям минимизации каждой из компонент, формирующих общую термоаберрацию, в случае возникновения таких противоречий. 2.6. Выводы
В данной главе сформулированы принципы, положенные в основу методов расчетов термоаберраций зеркальных телескопов. Поставлена и решена задача получения аналитических формул, описывающих итоговую термоаберрацию через ее частные компоненты, обусловленные общим уровнем нагрева, различием температур между зеркалами и температурной неравномерностью в зеркалах.
Решения получены для частных, но весьма типичных случаев: для одномерных температурных перепадов в зеркале (осевых и радиальных), при этом из формул следует, что осевые температурные перепады оказывают гораздо более существенное влияние на величину итоговой термоаберрации.
Полученные формулы имеют ограничения по области применения: они обеспечивают хорошую для практики точность расчетов для длиннофокусных телескопов (при относительном отверстии А 0,2).
Проанализированы способы повышения термостабильности телескопов и получена формула, описывающая условие тепловой компенсации аберрации положения.
Получены формулы для расчетов продольной и поперечной компонент термонаведенной сферической аберрации. При этом показано, что поперечная сферическая термоаберрация для длиннофокусных телескопов значительно меньше продольной, а продольная сферическая термоаберрация значительно меньше термонаведенной аберрации положения (термонаведенного смещения фокальной плоскости).
Разработанные методы расчета термоаберраций могут использоваться для решения как прямых, так и обратных задач на этапе выбора параметров конструкции телескопа, что особенно ценно на начальных стадиях теплового проектирования. Для практических расчетов необходимо определение изменения во времени перегревов элементов телескопа при движении КА по заданной орбите и при конкретной циклограмме функционирования телескопа. Для этого необходим промежуточный этап расчетов - определение поглощаемых тепловых потоков, выражаемых через соответствующие коэффициенты облученности. Этому вопросу посвящена Глава 3 данной диссертации.
Методика расчета комбинированного коэффициента облученности
Основу расчетов тепловых режимов телескопов, установленных на КА, движущихся по различным траекториям в ОКП, составляет адекватное описание математической модели процессов теплообмена с учетом всех компонент тепловых потоков [47-57]. Последние задаются с помощью коэффициентов облученности, определение которых является первоочередной задачей любых расчетов, связанных с определением нестационарных температурных полей в элементах телескопа.
Описания входящих в систему уравнений нестационарного теплообмена элементов телескопа вида (1.7) удельных тепловых потоков Qc и Q представлены в книге [11] в виде аналитических формул Qo=Ciq); 0 = А-Е-q , (3.1) где сі - удельный собственный тепловой поток - поверхностная плотность мощности, излучаемой Землей, С1 = 235 Вт/м ; А - среднее альбедо Земли (А = 0,31); ф - коэффициент облученности объекта Землей; ф - комбинированный коэффициент облученности, определяющий облучение объекта отраженным Землей потоком солнечного излучения.
Как следует из соотношений (3.1), величины падающих потоков определяются значениями соответствующих коэффициентов облученности. В формулы (3.1) входят интегральные коэффициенты облученности ф и ф , то есть такие значения коэффициентов облученности, которые определяют средний ин 56 тегральный лучистый поток от Земли к объекту. Интегральные коэффициенты Ф и фк не могут служить универсальной характеристикой подсветки, поскольку их значения зависят от конфигурации внешней поверхности всех элементов телескопа. Наиболее подробной характеристикой может служить локальный коэффициент облученности, описывающий облученность элемента поверхности в зависимости от его пространственной ориентации. Зная конфигурацию поверхности элемента, можно задать угол наклона \/ касательной плоскости в каждой точке поверхности объекта к плоскости местного горизонта. Имея информацию о функциональных зависимостях ф(\/) и фк(м/), можно определить распределение тепловых лучистых потоков по поверхности элемента. Результаты таких теоретических исследований представлены в книге [11], их можно использовать, ставя целью получение на этой основе упрощенных аналитических формул, пригодных для практических расчетов тепловых режимов телескопов.
Анализ тепловых моделей телескопов указывает на необходимость введения трех характерных типов коэффициентов облученности фО),фк(\/,у5Д) -локальные значения (а) Ф Фк(У5) -интегральные значения (б) ф , фкэ - эффективнез значени( (в) (3.2) В обозначениях (3.2а) угловые координаты ys и 5з соответствуют: ys - углу между направлением на солнце и прямой линией, проходящей через рассматриваемый элемент поверхности и центр Земли; 5з - углу между плоскостью, проходящей через элемент, центр Земли и центр Солнца, и плоскостью перпендикулярной касательной плоскости в точке данного элемента поверхности и также проходящей через центр Земли. Все заданные координаты в наглядном виде представлены нарис.
Иллюстрация для вывода формул, описывающих коэффициент облученности площадки Землей (а) и отраженным от Земли солнечным излучением (б). Угол \/ определяет наклон площадки по отношению к плоскости местного горизонта, а 20о- угол, под которым из точки О видна Земля. Локальные значения коэффициентов облученности будем рассматривать для произвольно ориентированного элемента поверхности, интегральные рассмотрим на примере сферы и конуса (в частном случае - цилиндра). Эффективные значения фэ и ф э вводятся для объектов, поверхности которых нельзя описать монотонной функцией - для параллелепипеда, цилиндра и конуса с учетом торцевых поверхностей и других фигур, разные поверхности которых описываются разными уравнениями (в частности, уравнениями плоскостей).
Во всех дальнейших расчетах принято, что поверхность Земли имеет одинаковую во всех точках температуру (допущение о изотермичности), а излучение с поверхности Земли подчиняется закону Ламберта.
Локальные коэффициенты облученности элемента поверхности Землей ср и отраженным Землей солнечным излучением фк описываются формулами [11] 1 "R 1 F Ф=—JJ-гdS; (p -JJ-г-cosq dS (3.3) где Р - площадь поверхности в пределах элементарного телесного угла в заданном направлении; Fn - площадь, нормальная этому направлению; dS - площадь элементарной площадки; ф„ - угол между нормалью к элементарной площадке земного шара и направлением на Солнце.
Коэффициент облученности ф равен отношению лучистого потока, падающего на поверхность площадки площадью Рп ко всему потоку, излучаемому видимой с площадки поверхностью Земли площадью F3 и определяется интегралом. ф 1 jjcos osp (34) где Pi и р2 углы между направлением излучения и нормалью к поверхностям площадок; L3n - расстояние между излучающей и принимающей площадками.
Задача состоит в максимально компактном описании коэффициентов облученности ф] и ф2 в виде зависимостей от высоты К А над поверхностью Земли, угла наклона площадки к плоскости местного горизонта, а для ф2 также и от угла ys между направлением на Солнце и на облучаемую площадку объекта в ОКП при размещении вершины этого угла на поверхности Земли.
Методы расчета активной системы терморегулирования с управляемой амплитудой и частотой изменения мощности электронагревателя
Важнейшей задачей при обеспечении термостабильности телескопа является поддержание его общего температурного уровня в допуетимом диапазоне изменения. Общий температурный уровень в силу оболочечной структуры телескопа (зеркала размещены внутри трубчатого корпуса) определяется, как правило, температурным уровнем корпуса телескопа.
Температурный уровень корпуса телескопа обеспечивается совокупностью технических решений, которые требуют общей классификации: в режиме наблюдения за звездами или за малоразмерными объектами в ОКП на фоне холодного космоса температурный уровень обеспечивается применением пассивной теплоизоляции, в качестве которой применяются: - экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), являющаяся постоянным компонентом тепловой защиты от внешних тепловых воздействий в ОКП и от влияния окружающей телескоп внешней среды (элементов конструкции КА и холодного космического пространства); - защита вторичного зеркала от теплового влияния космического пространства в моменты наблюдения с помощью экранов; - защитная крышка на входном зрачке телескопа, закрывающаяся в перерывах между циклами наблюдений для восстановления температурного уровня оптических элементов и корпуса с использованием активной системы терморегулирования, обеспечивающей подогрев охлажденных в процессе наблюдения зеркал и корпус телескопа; - светозащитная бленда, совмещающая функции защиты фокальной плоскости, в которой установлены ФЧЭ, от фоновой засветки (Солнцем и Землей) и экранирования полости телескопа от падающего лучистого потока, который мог бы поглотиться элементами телескопа, вызывая их нагрев. в режиме наблюдения за Солнцем регулирование температурного уровня телескопа может обеспечиваться применением сочетания активной и пассивной СОТР: - активная система терморегулирования, состоящая из электронагревателя (ЭН) на корпусе телескопа и радиационной панели (РП), соединенной с корпусом тепловым мостом со значительной тепловой проводимостью (в идеальном случае тепловым сопротивлением моста можно пренебречь), способна управлять температурным уровнем особенно эффективно при наличии в качестве тепловой защиты помимо ЭВТИ светозащитного окна на входном зрачке со специально подобранными характеристиками покрытий на наружной и внутренней поверхностях (в солнечном телескопе - лимбо-графе СЛ -200 с этой целью использовался кварцевый светофильтр, ослабляющий излучение Солнца в сотни раз); - пассивная система теплозащиты может включать помимо ослабителя солнечного излучения ЭВТИ, искусственную «Луну» (экран в промежуточном фокусе, отражающий большую часть солнечного излучения в открытый космос через специальное отверстие в корпусе телескопа), систему экранов на тыльной поверхности вторичного зеркала, предохраняющую это зеркало от избыточного перегрева при поглощении солнечного излучения, трубу из теплопроводного металла (дюралюминия) для выравнивания температуры корпуса главным образом по угловой координате, светозащитную кольцевую бленду, которая может устанавливаться внутри корпуса. Проведенная классификация относительно условная, и в различных конкретных приложениях в зависимости от решаемой задачи и циклограммы функционирования могут применяться различные сочетания элементов СОТР.
Отдельный класс СОТР составляют встроенные криостаты в глубокоох-лаждаемых оптико-электронных приборах (ГО ОЭП) [23], предназначенных для работы в РЖ спектре излучения. В таких приборах зачастую требуется поддержание температур различных узлов (ФПУ, телескопа, бленды и т.д.) на разных температурных уровнях, но уровень температур всех элементов телескопа (зеркал и корпуса) задается одинаковым, хотя при криогенных температурах коэффициенты линейного расширения материалов значительно ниже, чем при комнатных. Поэтому здесь преобладают термоаберрации температурного уровня, которые компенсируются в значительной степени общим понижением температур всех узлов. В данной диссертации ГО ОЭП как класс оптических систем не рассматривается.
Отдельным способом обеспечения относительной термостабильности телескопов независимо от рабочего спектрального диапазона и рабочего температурного уровня является удержание качества изображения при кратковременных режимах наблюдения за счет собственной термической инерции конструкции телескопа, что требует применения специальных технических решений.
Большую практическую значимость представляет исследование типовых частных случаев реализации способов обеспечения термостабильности телескопов. В данной Главе рассмотрены активные методы регулирования теплового режима с целью обеспечения термостабильности по главной конечной характеристике - термоаберрации положения.
Телескоп, установленный на КА, находится в условиях переменных тепловых воздействий при движении КА по орбите, а кроме того, циклограммы работы телескопа могут отличаться длительностью рабочих и восстановительных циклов. Поэтому любой телескоп космического базирования работает в условиях нестационарного теплового режима и изменяющихся во времени термо 88 аберрациях. Основной задачей для обеспечения термостабильности является принятие мер по обеспечению двух условий: поддержание температур элементов телескопа на среднем уровне, соответствующем заданному рабочему значению в течение всего времени функционирования на заданной орбите, что соответствует стационарному тепловому режиму; реализация тепловой схемы и СОТР телескопа с учетом требований к минимальному отклонению температур элементов от заданного среднего уровня на всех участках траектории в нестационарном тепловом режиме.
Для удовлетворения первому требованию необходимо заранее спроектировать активную систему терморегулирования с учетом требований к параметрам стационарного теплового баланса, обеспечивающих минимальные отклонения температурных уровней от допустимых значений. Это возможно только в тех случаях, когда система либо может выходить на стационарный тепловой режим (например, при наблюдении за Солнцем), либо при кратковременных сериях наблюдения за звездами или объектами в ОКП. При длительном наблюдении на фоне холодного космоса телескоп находится в условиях непрерывного охлаждения (сугубо нестационарный тепловой режим) и рассмотрение стационарного теплового баланса не имеет смысла.
Необходимо отметить, что телескоп - лимбограф СЛ - 200 изначально предназначался для размещения на Российском сегменте Международной космической станции (МКС). Этот КА имеет орбиту с периодическим заходом в тень Земли, при этом осуществляется циклическое наблюдение за Солнцем. Циклограмма работы: 30 минут наблюдение за Солнцем; 60 минут - перерыв с закрытой крышкой (всего 12 циклов с последующим длительным перерывом). При таком режиме работы телескоп - лимбограф непрерывно находится в условиях нестационарного теплового режима [43]. Однако впоследствии рассматривался вопрос о работе СЛ - 200 на борту КА с солнечнопостоянной орбитой. При этом встает вопрос об обеспечении термостабильности телескопа в уело 89 виях стационарного теплового режима при непрерывном наблюдении за Солнцем, что требует соответствующего выбора и пересчета параметров элементов СОТР. в общем виде уравнение стационарного теплового баланса корпуса телескопа в ОКП описывается уравнением
