Автореферат (Разработка методического обеспечения эксплуатации инфракрасных имитаторов внешних тепловых нагрузок на поверхность космического аппарата)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиБолотная Камилла ИгоревнаРазработка методического обеспечения эксплуатацииинфракрасных имитаторов внешних тепловых нагрузокна поверхность космического аппаратаСпециальность05.07.03 – Прочность и тепловые режимы летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2016Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)» на кафедре 610«Управление эксплуатацией ракетно-космических систем»Научный руководитель:д.т.н., с.н.с., профессор кафедры 610 «Управление эксплуатацией ракетнокосмическихсистем»федеральногогосударственногобюджетногообразовательного учреждения высшего образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)» – КолесниковАнатолий ВасильевичОфициальные оппоненты:д.т.н., заведующий кафедрой «Ракетно-космические композитныеконструкции» федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего образования «Московский государственный техническийуниверситет им.

Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»– Сергей Васильевич Резникк.т.н., заведующий лабораторией федерального государственногобюджетного учреждения науки «Институт космических исследований Российскойакадемии наук» – Николай Петрович СеменаВедущая организация:федеральноегосударственноеунитарноепроизводственное объединение им. С.А.

Лавочкина»предприятие«Научно-Защита диссертации состоится «28» декабря 2016 г. в 9:00 часов на заседанииДиссертационного совета 212.125.10 при федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)» по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, направлятьпо адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.

4,федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)» ученому секретарю диссертационного совета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) и насайте http://www.mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=74047Автореферат разослан «___» ______________ 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного Совета,к.т.н., доцентА.Р.Денискина2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыОдним изнепременных условийнадежного функционированиякосмического аппарата (КА) является обеспечение необходимого тепловогорежима всех его элементов.Математическое моделирование теплообмена большинства типовкосмических аппаратов связано с рядом трудностей, обусловленных,главнымобразом,протеканиясложностьюфизико-химическихизначительнойпроцессов,неопределенностьюформирующихтепловоесостояние элементов КА.

В связи с этим большое значение при созданиикосмических аппаратов имеют экспериментальные исследования, припроведении которых осуществляется физическое моделирование процессоввнешнего и внутреннего теплообмена, протекающих в них в условияхштатной эксплуатации. Физическое моделирование внутреннего теплообменане вызывает особых затруднений, если исследуемый объект моделируетсядостаточно корректно, что в большинстве случаев вполне осуществимо.Физическое моделирование внешнего теплообмена гораздо сложнее,так как воспроизведение в наземных экспериментальных установкахфакторов космической среды, оказывающих воздействие на тепловоесостояниеКА,при одновременномвоспроизведении измененияегоориентации относительно источников внешних тепловых потоков – задачачаще всего практически неразрешимая.

Поэтому даже при наличии вэкспериментальной установке достаточно совершенного имитатора Солнцапочти всегда возникает необходимость дооснащения этой установкидополнительными средствами внешнего нагрева. Одни из них могутмоделировать воздействие на КА потоков собственного и отраженногосолнечного излучения планет, другие – влияние на испытуемый объектчастей того же аппарата, не вмещающихся в экспериментальную установку,и т.п. В качестве дополнительных средств нагрева используются различные3по конструкции и по способу подвода энергии упрощенные средства.

Но ониимеют общую особенность, заключающуюся в том, что основная энергияиспускаемогоимиизлучениясосредоточенавсреднейидальнейинфракрасной полосе спектра с длиной волны излучения, превышающей2-3 мкм, где спектральная поглощательная способность подавляющегобольшинства наружных покрытий КА слабо зависит от длины волныпадающего излучения. В этом заключается основное преимуществоинфракрасных имитаторов. Но практическое использование указанныхимитаторов сопряжено с необходимостью преодоления больших трудностей,связанныхсвыборомтаких энергетическихрежимовэксплуатацииимитаторов, при реализации которых обеспечивалась бы требуемая точностьмоделирования тепловых нагрузок.

Трудности обусловлены тем, чтоимитаторы не воспроизводят параметры поля излучения источников,тепловоевоздействиекоторыхнаповерхностьКАонипризванывоспроизводить во время испытаний. С их помощью можно воспроизвеститолько расчетные значения внешних тепловых нагрузок, источникомкоторых могут быть Солнце, тепловое излучение планет и т.п. Возникаетсложная задача управления энергетическими характеристиками имитаторов,заключающаяся в определении и реализации таких режимов эксплуатацииизлучающих элементов, при которых расчетные внешние тепловые нагрузкивоспроизводилисьбынаилучшимобразомврамкахвозможностейприменяемой имитационной системы. Использующиеся методы оптимизацииэнергетических режимов работы инфракрасных имитаторов не в полной мереудовлетворяют потребностям практики.

Остается нерешенным вопрос оединственности получаемого решения. В этой связи весьма актуальнопроведение исследований по данному вопросу.В известном методическом подходе энергетический режим работыимитаторахарактеризуетсясовокупностьюзначенийинтенсивностиизлучения его элементов (модулей) в направлении своих нормалей, то естьвеличинами J j (0) j  1...n , где n - число излучателей.

Выбор J j (0) в качестве4оптимизируемых энергетических характеристик модулей обусловлен тем,что эти величины являются выходными функциями модулей и зависят нетолько от подводимой мощности и конструкции их, но и от радиационныххарактеристик их отражающих поверхностей (если в состав модулей входятотражатели), режимов работы вакуумной и криогенной систем установки.Контроль величин J j (0) является очень сложной технической задачей,поэтому актуальной является задача определения связи между J i (0) идругимипрощеконтролируемымипараметрамимодулей,например,подводимой к модулю электрической мощностью или температурой егоизлучающих поверхностей.Применяемые в крупных тепловакуумных установках инфракрасныеимитаторы имеют, как правило, условно линейчатые излучатели.

Такой типизлучателей сужает область эффективного применения инфракрасныхимитаторов, в то время как имитаторы с условно точечными излучателямиимели бы перед ними преимущество в случае сложной формы наружнойповерхности испытуемого объекта. Поэтому актуальной является задачасоздания имитатора с условно точечными излучателями, в котором бы сиспользованием удобных в эксплуатации источников энергии обеспечивалсяее подвод к элементам модуля, испускающим излучение в инфракраснойполосе спектра.Цель работыЦелью является разработка методов определения энергетическихрежимовработыинфракрасныхимитаторов,обеспечивающихболеевысокую, по сравнению с известными, точность моделирования внешнихтепловых нагрузок на поверхность космического аппарата.Основные решаемые задачи1.Совершенствование методического подхода к решению задачивыбора оптимальных, в отношении точности моделирования тепловых5нагрузок, энергетических режимов работы имитаторов и исследованиевопроса о единственности решения.2.Определениезависимостимеждуподводимойкмодулямимитаторов электрической мощностью и интенсивностью их излучения сцелью обеспечения технической возможности реализации выявленныхоптимальных режимов работы имитаторов.3.Разработка более простого и удобного в использовании методарешения задачи экспериментального моделирования внешних тепловыхнагрузок с помощью сетчатых нагревателей.4.Исследование возможности создания инфракрасных имитаторовс условно точечными излучателями, имеющими преимущества в отношенииточности имитации при сложной форме поверхности испытуемого объекта.Научная новизна1.

Установлено наличие не одного, а нескольких минимумов целевойфункции, характеризующей погрешности воспроизведения заданныхтепловых нагрузок на элементы поверхности испытуемого объекта прииспытаниях с использованием имитаторов с дискретными источникамиизлучения.2. Разработаны экспериментальный и аналитический методы определениякоэффициентов связи между подводимой к линейчатому модулюимитатора электрической мощностью и интенсивностью его излучения.3. Разработанновыйметодрасчетаоблученностиповерхностииспытуемых объектов излучающими нитями сетчатых нагревателей.4. Разработанапринципиальнаясхемаусловноточечногомодуляинфракрасного имитатора, основанного на использовании галогенныхкварцевых ламп накаливания как источников энергии для излучающейчерной рабочей поверхности модуля.6Практическое значение работыРезультаты работы использовались на НПО им. С.А. Лавочкина:1.

Для подготовки методического и программного обеспечениярешения задачи термостатирования изделия «Спектр-РГ» при проведении егокомплексных электрических испытанийвтепловакуумнойустановкеВК600/300.2. Градиентные методы оптимизации – при подготовке методическогообеспечения тепловакуумных испытаний изделия «Луна-Глоб» в установкеВК600/300.3. Разработанный новый подход к расчету облученности нитямисетчатых нагревателей плоских поверхностей испытуемых объектов – приподготовкеавтономныхиспытанийнебольшихфрагментовизделий,создаваемых на предприятии НПО им. С.А. Лавочкина.ПубликацииОсновныерезультатыработыопубликованыв4статьяхврецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК по специальности 05.07.03«Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов».Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения исписка использованных источников из 69 наименований; содержит 120 стр.основного текста, 20 рисунков, 6 таблиц.7СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобосновываетсяактуальностьтемыдиссертации,определяется цель работы и перечисляются задачи, которые должны бытьрешены для достижения поставленной цели.В первой главе диссертации анализируются различные способыфизического моделирования внешних тепловых нагрузок на поверхность КА.Эти способы можно разделить на два класса:1.