СПОСОБ ИМИТАЦИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕРМОБАРОКАМЕРЕ
METHOD OF SIMULATING SOLAR RADIATION IN THERMAL PRESSURE CHAMBER

Изобретение относится к способам имитации солнечного излучения (ИСИ) в тепловакуумной камере (ТВК) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях космического аппарата (КА) или его составных частей.
Известен способ ИСИ, реализованный в ТВК «Дженерал электрик» с ИСИ неосевой оптической схемы (О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. Москва. «Машиностроение». 1982. Стр.23, рис.3.1; стр.51, рис.3.25), в котором создают имитирующий поток солнечной радиации от источников света вне термобарокамеры, фокусирование и ввод световых потоков от источников света внутрь термобарокамеры через герметично установленный на ее корпусе светопроводящий иллюминатор, создание параллельного светового потока на испытуемый космический аппарат посредством параболического коллимирующего отражателя (ПКО) с обеспечением характеристик потока с параметрами, максимально приближенными к реальному солнечному излучению на орбите космического аппарата.
Недостаток этого способа заключается в невысоком коэффициенте полезного действия (КПД) и в неудовлетворительной равномерности облучения поверхности испытуемого объекта. Причиной этому является то, что в процессе его реализации при последовательном прохождении светового потока от ламп через ряд оптических поверхностей световой поток значительно ослабевает и тем самым снижается КПД ИСИ. Кроме того, реализация данного способа не содержит специального устройства, обеспечивающего повышенную степень равномерности облучения поверхности испытуемого объекта путем разделения общего светового потока на отдельные с увеличением размеров их пятен, падающих на ПКО с площадью, равной или близкой к площади упомянутого отражателя.
В качестве прототипа выбран способ ИСИ в ТВК для испытаний КА, реализованный неосевым имитатором солнечного излучения в ТВК (О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. Москва. «Машиностроение». 1982. Стр.38, рис.3.10, б). В указанном способе линза-конденсор, размещенная во входном блоке термобарокамеры, объединяет световые потоки от отдельных источников излучения - ламп, размещенных снаружи термобарокамеры. Далее объединенный световой поток проходит через герметично установленный в этом же входном блоке иллюминатор и поступает на ПКО с определенным углом расходимости. При этом входной блок расположен в фокусе ПКО. ПКО преобразует поступивший на него расходящийся световой поток в параллельный и направляет его на испытуемый КА. Недостатки прототипа аналогичны недостаткам, указанным в вышеописанном аналоге.
Задачи изобретения заключаются в повышении КПД ИСИ и равномерности облучения поверхности испытуемого объекта или его составной части.
Задачи решены за счет того, что в предложенном способе ИСИ в ТВК для испытаний КА ввод светового потока внутрь термобарокамеры осуществляют через двояковогнутый линзовый иллюминатор с обеспечением параллельности лучей потока на его выходе. Последующее отражение, перемешивание и расходимость потока до размеров ПКО осуществляют с помощью зеркального смесителя. При этом каждый источник излучения выполнен с эллипсоидным рефлектором и вспомогательным сферическим зеркалом для возврата не охваченных рефлектором лучей в зону прохождения светового потока. Расчет оптимальных параметров имитатора солнечного излучения для конкретной термобарокамеры осуществляют с применением формулы для расчета радиуса кривизны плосковогнутой линзы, обеспечивающей параллельность светового потока на ее выходе:
где
R - радиус кривизны плосковогнутой линзы;
d - диаметр плосковогнутой линзы;
A - половина угла сходимости потока, поступающего на двояковогнутую линзу (угол падения «крайнего луча» потока).
Суть предложенного способа показана на фиг.1, 2, 3 и 4. На фиг.1 показан общий вид неосевого имитатора солнечного излучения тепловакуумной камеры. На фиг.2 показан фрагмент зеркального смесителя, выполненного в виде равномерно расположенных в плоскости соприкасающихся своими гранями выпуклых зеркальных линз с квадратными профилями. На фиг.3 показана лампа с эллипсоидным рефлектором и вспомогательным сферическим зеркалом. На фиг.4 показаны геометрические построения, поясняющие методику расчета радиуса плосковогнутой линзы для получения после нее строго параллельного потока.
Устройство, взятое для примера реализации предложенного способа, содержит входной иллюминатор 1, параболический коллимирующий отражатель 3, источники солнечного излучения 5 и зеркальный смеситель 7. Входной иллюминатор 1 выполнен в виде двояковогнутой линзы и герметично встроен в корпус 2 тепловакуумной камеры. ПКО 3 служит для отражения имитируемого солнечного излучения на объект испытаний 4, расположенный в тепловакуумной камере. Источники солнечного излучения 5 - это лампы с эллипсоидными рефлекторами и вспомогательными сферическими зеркалами, расположенные вне тепловакуумной камеры. Эллипсоидный рефлектор направляет часть излучения лампы, поступившую на его поверхность, на двояковогнутую линзу 1. Вспомогательное сферическое зеркало 6 возвращает оставшуюся часть излучения лампы, не попавшую на поверхность рефлектора, отражая ее снова на рефлектор, и далее - на двояковогнутую линзу 1. Зеркальный смеситель 7 расположен по ходу светового потока между ПКО 3 и двояковогнутой линзой 1 и выполнен в виде равномерно расположенных в плоскости соприкасающихся своими гранями выпуклых зеркальных линз 8 с квадратными профилями. Каждая из выпуклых зеркальных линз 8 отражает поступившую на нее после двояковогнутой линзы 1 часть параллельного светового потока в виде расходящегося пучка лучей на ПКО 3, занимая всю его поверхность.
Для обеспечения повышения КПД и равномерности облучения поверхности испытуемого объекта 4 за счет оптимальной работы системы в целом в предложенном устройстве двояковогнутая линза 1, выпуклые зеркальные линзы 8 с квадратными профилями и параболический коллимирующий отражатель 3 выполнены с оптимальными параметрами (для условия, что объектом испытания является крупногабаритное изделие, например космический аппарат):
- наружный и внутренний радиусы кривизны двояковогнутой линзы, равны соответственно минус 1,050 и плюс 1,050 м;
- диаметр двояковогнутой линзы равен 0,6 м;
- половина угла сходимости потока, поступающего на двояковогнутую линзу (угол падения «крайнего луча» потока) равна 14 градусам;
- габариты выпуклых зеркальных линз с квадратными профилями равны 0,04×0,04 м, радиусы их кривизны равны 0,16 м.
- габариты ПКО равны 2,5×2,588 м.
- радиус кривизны и диаметр вспомогательных сферических зеркал ламп равны соответственно 0,11 и 0,12 м.
Способ имитации солнечного излучения рассмотрим на примере реализации его в устройстве-имитаторе солнечного излучения.
Предложенное устройство работает следующим образом. Объект испытаний (КА) 4 устанавливают в ТВК неподвижно для проведения стационарного теплового режима или с возможностью вращения с помощью поворотного устройства (не показано) относительно направления имитируемого потока солнечной радиации, соответственно отрабатываемому варианту движения КА 4 на его орбите для проведения нестационарного теплового режима. При этом включают лампы и световой поток заданной суммарной мощности от них фокусируется на двояковогнутую линзу 1, проходит через нее и параллельными световыми лучами поступает на зеркальный смеситель 7, расположенный на расстоянии 4,5 м по оптической оси от двояковогнутой линзы 1.
В предложенном устройстве по пути светового потока между ПКО 3 и двояковогнутой линзой 1 установлен зеркальный смеситель 7, выполненный в виде равномерно расположенных в плоскости соприкасающихся своими гранями выпуклых зеркальных линз 8 с квадратными профилями, для отражения падающего на каждую из них имитируемого солнечного излучения на ПКО 3 в виде расходящегося пучка лучей с площадью падающего на ПКО 3 пятна, равной или близкой к площади ПКО 3. При указанном отражении световых потоков от каждой выпуклой зеркальной линзы 8 и отражении их с увеличением размеров светового потока до площади, равной площади поверхности ПКО 3 обеспечивается повышение равномерности облучения поверхности испытуемого объекта 4.
Зеркальный смеситель состоит из 400 одинаковых зеркальных линз 8 (элементов смесителя) квадратного профиля размерами 0,04×0,04 м, толщиной 0,01 м и радиусами кривизны 0,16 м. Учитывая небольшую расходимость потока ввиду реально «неточечного» источника габариты зеркального смесителя приняты 0,8×0,8 м. Радиусы кривизны зеркальных линз 8 рассчитаны так, что параллельный поток, поступивший на поверхность одной зеркальной линзы 8, отражается от нее с углом расходимости 26 градусов, занимая всю поверхность ПКО 3. Таким образом, зеркальный смеситель выполняет функцию 2-х элементов: разворот потока с его последующим увеличением на коллимирующее зеркало 3 и его 400-кратное перемешивание. Поскольку для выполнения этих функций необходимо, как минимум, два оптических элемента, соответственно и потери КПД на этих элементах составили бы примерно 16% на зеркале и 8% на смесителе. В данном случае исключаются потенциальные потери на двух поверхностях элементов смесителя. Это дает общее повышение КПД имитатора солнечного излучения примерно на 8%.
Каждая из 400 зеркальных линз 8 отражает световой поток на ПКО 3 и увеличивает его до размеров, близких размерам ПКО. При таком отражении пучок лучей от каждой зеркальной линзы 400 раз перемешивается с пучками лучей других линз, что обеспечивает высокую степень равномерности падающего потока на ПКО и далее на поверхности испытуемого объекта (КА) 4 при одновременной высокой степени параллельности светового потока.
Сферические зеркала 6 расположены на расстоянии 0,05 м по оптической оси от первых фокусов эллипсоидных рефлекторов, в которых находятся дуги вертикально установленных ламп, практически сразу за кварцевыми колбами ламп. В предложенном устройстве применяют лампы типа ХВО 10000 W/HS OFR. Изготовитель (OSRAM) предусматривает как вертикальную (относительно горизонта), так и горизонтальную установку ламп - на усмотрение разработчика оптической системы. Однако горизонтальная (или под углом) установка требует встраивание дополнительных элементов в конструкцию - магнитов для стабилизации дуги. Вертикальная же установка встраивания магнитов не требует и, кроме этого, поскольку лампа имеет вытянутую форму (фиг.3), позволяет сразу за колбой ламп разместить сферические зеркала.
Диаметры сферических зеркал 0,12 м, радиусы кривизны - 0,11 м. Без применения вспомогательных сферических зеркал КПД связки «Рефлектор-лампа» составил бы около 60% - примерно настолько эллипсоидный рефлектор охватывает равномерно исходящие во все стороны от лампы лучи. Ввод в связку «Рефлектор-лампа» вспомогательного сферического зеркала позволяет возвратить ту часть излучения лампы, которая не попала на поверхность эллипсоидного рефлектора, снова на этот рефлектор, и далее, на двояковогнутую линзу 1.
Таким образом, КПД связок «Рефлектора-Лампы» повышаются примерно на 30% за счет сбора не охваченных рефлектором лучей и возврата их на него.
Дополнительно КПД устройства повышен за счет того, что иллюминатор выполнен в виде двояковогнутой линзы 1. Указанный положительный эффект получен за счет того, что уменьшены потери мощности светового потока за счет уменьшения числа поверхностей светопроводящих элементов, снижающих его мощность.
Расчет указанных параметров двояковогнутой линзы 1, исходя из требований по обеспечению площади пятна светового потока имитируемого солнечного излучения на объект испытаний 4, осуществлен по вновь разработанной нижеприведенной методике расчета.
На фиг.4 изображены плосковогнутая линза, падающий и преломленный лучи. В соответствии с законом преломления, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и является показателем преломления второй среды относительно первой (Г.Шредер, X.Трайбер. Техническая оптика. Москва: Техносфера, 2006). В случае преломления «воздух-стекло» показатель преломления равен 1,5. В случае неровной поверхности, угол падения - угол между падающим лучом и перпендикуляром к касательной в точке падения, а угол преломления - угол между перпендикуляром к касательной и преломленным лучом соответственно.
Таким образом, применительно к плоско-вогнутой линзе для получения за ней параллельного потока (фиг.4) имеем:
где
A - угол падения «крайнего» луча светового потока;
B - угол между перпендикуляром к касательной и преломленным «крайним» лучом.
Для определения радиуса R плосковогнутой линзы найдем сначала угол В (угол преломления).
Разложив синус суммы и проведя соответствующие преобразования, получим:
Отсюда:
Из соотношений в прямоугольном треугольнике (фиг.5) имеем также:
где d - диаметр линзы.
Применяя соотношение
между обратными тригонометрическими функциями (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986), получим:
Преобразуя знаменатель дроби:
получим:
Для нахождения радиуса R приравняем аргументы двух арксинусов, рассчитанных для нахождения B в соответствии с формулами (3) и (4) ранее:
Следовательно:
,
Отсюда:
1
В случае, если необходимо рассчитать двояковогнутую линзу с такой же оптической силой, нужно, сохранив фокусное расстояние f и задав R, применить формулу:
,
Здесь:
f - фокусное расстояние линзы;
21
n - показатель преломления второй оптической среды относительно первой;
1
2
R, R - соответственно радиусы поверхностей линзы.
При выводе необходимых математических формул использовалась информация их официальных источников (Г.Шредер, X.Трайбер. Техническая оптика. Москва: Техносфера, 2006 и Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986).
Предложенный способ имитации солнечного излучения в ТВК для испытаний космического аппарата (КА) или его составных частей в настоящее время проходит этап реализации в конструкторскую документацию, разрабатываемую для вновь строящейся ТВК предприятия.