СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ТЕРМОВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
METHOD OF DETERMINING THERMAL RESISTANCE OF SPACECRAFT TEMPERATURE CONTROL VACUUM SHIELD THERMAL INSULATION SYSTEM FOR THERMAL-VACUUM TESTS

Изобретение относится к космической технике, к области проектирования и наземной отработки при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) в тепловакуумных камерах (ТВК) системы терморегулирования (СТР) космического аппарата (КА), а именно к вопросам определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) СТР.
СТР предназначена для поддержания теплового режима всех элементов КА в заданных пределах путем обеспечения контролируемого их теплообмена с окружающей средой. Потребный тепловой режим КА в целом и отдельных его элементов поддерживается активными и пассивными средствами обеспечения тепловых режимов (СОТР). К пассивным СОТР относят ЭВТИ - пакет многослойной теплоизоляции, состоящий из набора экранов с высокой отражательной способностью, разделенных прокладками из материалов с низкой теплопроводностью. ЭВТИ обладает уникальными теплоизоляционными характеристиками. Ее термическое сопротивление, отнесенное к весу единицы площади поверхности, является наибольшим из всех известных типов теплоизоляции. ЭВТИ технологична, может быть установлена на элементы КА различной формы. Уникальные теплоизоляционные свойства ЭВТИ проявляются в чистом виде лишь для гладких поверхностей, через которые не проходят ни выводы, ни конструктивные элементы. Иначе возникают значительные перетечки тепла вдоль отдельных слоев ЭВТИ, приводящие к снижению суммарного термического сопротивления.
Одним из важнейших определяющих параметров ЭВТИ является термическое сопротивление ЭВТИ, величина которого зависит от плотности упаковки слоев. Главным критерием косвенной оценки теплофизических свойств ЭВТИ является контроль высоты пакета теплоизоляции как при их изготовлении, так и при установке их на КА. По своей природе пакеты многослойной теплоизоляции являются весьма гибкими и свободно укладываются на элементы конструкции КА. При этом с учетом перегрузок и сил, возникающих при вакуумировании изоляции, возможны значительные изменения местных значений плотности упаковки ЭВТИ и практической невозможности контроля высоты пакетов, установленных на КА в реальных условиях эксплуатации в ТВК.
Учет особенностей конфигурации КА, применяемая технология изготовления и сборки ЭВТИ, а также установки и крепления ее на поверхности КА приводят к усложнению расчетных методов прогнозирования термического сопротивления ЭВТИ в рабочих условиях эксплуатации. Поэтому контроль за изменением величины термического сопротивления отдельных участков ЭВТИ может быть выполнен только непосредственным измерением при ТВИ КА, проводимых в ТВК с имитацией внешних радиационных воздействий в видимой области спектра и части инфракрасной области [1, с.9].
Задачей изобретения является:
- определение величины местного термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата при тепловакуумных испытаниях КА в ТВК;
- определение термического сопротивления ЭВТИ на искривленных поверхностях, с учетом особенностей конфигурации КА, и простота реализации этого способа.
1
2
1
2
ч
ик
s
эвти
Поставленная задача достигается способом определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата при тепловакуумных испытаниях, включающим измерение температуры внешних слоев экранно-вакуумной теплоизоляции T и Т, при установившемся тепловом состоянии системы, при Т≠T проводят измерение равновесных температур T и Т рабочих поверхностей приемников лучистой энергии, один из которых обладает высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, а другой с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра с коэффициентом поглощения A<(0,1-0,2), при этом приемники лучистой энергии установлены в районе исследуемого участка экранно-вакуумной теплоизоляции, а термическое сопротивление экранно-вакуумной теплоизоляции R определяют из выражения
эвти
Sэвти
где ε и А - степень черноты и коэффициент поглощения солнечной энергии наружной поверхностью внешнего слоя ЭВТИ; ε - степень черноты рабочей поверхности приемника лучистой энергии с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра; σ - постоянная Стефана - Больцмана.
твк
твк
твк
s
ик
ч
ик
s
плэ
эвти
Тепловое излучение q, падающее на исследуемый участок ЭВТИ в ТВК, определяется излучением имитаторов космического пространства, солнечного и планетного излучений [1, с.28, с.38, с.47], собственного излучения элементов конструкций ТВК, включая тепловые и криогенные экраны, а также отраженного излучения от элементов конструкций. Излучение q зависит от температуры и физических свойств не только данного излучающего тела, но и других окружающих его тел, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве ТВК. Расчетным путем оценить лучистый теплообмен такой сложной системы представляет большие трудности, которые предлагается преодолеть с помощью двух приемников лучистой энергии (ПЛЭ) [1, с.130], рабочая поверхность одного из которых обладает высокой поглощательной способностью тепловых лучей (световых и инфракрасных), а рабочая поверхность другого с низкой поглощательной способностью лучей видимой области спектра (световых лучей) и установленных вблизи исследуемого участка ЭВТИ. Чтобы выделить из общего теплового потока q его составляющие, а именно солнечное (световое) q и инфракрасное q излучения, используем конструкцию ПЛЭ, где обмен энергией с окружающей средой осуществляется только излучением, проводим измерение равновесных температур рабочих поверхностей ПЛЭ Т и Т [2, с.769]. ПЛЭ может быть выполнена, например, в виде тонкостенной плоской пластины с высокой теплопроводностью (например, выполненной из серебра, меди или алюминия), на рабочей поверхности которой нанесен слой терморегулирующего покрытия (ТРП), а на ее тыльной поверхности установлен чувствительный элемент (например, термометр сопротивления). Причем на одном ПЛЭ на ее рабочей поверхности нанесено ТРП с высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу (например, черная эмаль или черная краска [2, с.779]), а на рабочей поверхности другого ПЛЭ используется ТРП с высокой избирательностью по спектру поглощаемого излучения с коэффициентом поглощения солнечной энергии A<(0,1-0,2). Пластина ПЛЭ, кроме рабочей поверхности, закрывается теплоизоляцией и принимается, что утечки тепла из ПЛЭ через теплоизоляцию пренебрежимо малы. Причем с целью минимизации влияния ПЛЭ на теплообмен исследуемого участка ЭВТИ с моделируемой в ТВК космической средой выбираем площадь ПЛЭ S намного меньше площади исследуемого участка ЭВТИ S.
В качестве конкретного примера на чертеже приведен фрагмент ЭВТИ, для которого реализован предлагаемый способ. На чертеже приведен: исследуемый участок ЭВТИ 1 с внешними слоями 2 и 3, на которых установлены датчики температуры 5 и 6; два приемника лучистой энергии 4 и 7, один из которых обладает высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, а другой с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра с коэффициентом поглощения солнечной энергии As<(0,1-0,2). Исследуемый участок ЭВТИ 1 испытывает внешнее радиационное воздействие со стороны имитаторов инфракрасного излучения (ИКИ) 8 и имитатора солнечного излучения (ИСИ) 9.
Способ определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА при ТВИ реализуется следующим образом.
1
2
1
2
ч
ик
эвти
Помещают КА с СТР (не показано), в состав которой входит ЭВТИ 1, в ТВК (не показано). Обеспечивают в ТВК рабочие условия эксплуатации КА, т.е. имитацию внешних воздействий космического пространства. При установившемся тепловом состоянии системы измеряют температуры T и Т датчиками температуры 5 и 6, установленными друг против друга на внутренних поверхностях внешних слоев 2 и 3 ЭВТИ 1. При нарушении равновесия между ЭВТИ 1 и излучением, т.е. ЭВТИ 1 излучает энергии больше или меньше, чем поглощает (T≠Т), проводят измерение равновесных температур Т и Т с помощью чувствительных элементов, например термометров сопротивления, приемников лучистой энергии 4 и 7. После чего из выражения (1) определяют R.
эвти
Выражение (1) для определения R получено следующим образом.
В условиях радиационного теплообмена в реальном спектре излучения выражение (1) получено на основе баланса тепловых потоков для интересующего участка ЭВТИ 1 на стационарном режиме.
эвти
2
Как видно из чертежа, q - плотность теплового потока - собственное излучение с ЭВТИ 1, которое полностью определяется температурой Т внешнего слоя 3 и физическими свойствами наружной поверхности внешнего слоя 3 ЭВТИ 1 - испускательной способностью ЭВТИ 1.
твк
твк
погл
Одновременно с этим со стороны, тел установленных в ТВК, на ЭВТИ 1 падает лучистая энергия в количестве q - падающее излучение. Часть q поглощается ЭВТИ 1 - поглощенное излучение q
эвти
где А - поглощательная способность ЭВТИ.
эвти
твк
отр
А зависит от спектрального состава лучистой энергии q, падающей на ЭВТИ 1, и тепловых радиационных характеристик. Остальная энергия падающего на ЭВТИ 1 излучения отражается q - отраженное излучение
рез
эвти
твк
Результирующее излучение q представляет собой разность между собственным излучением контролируемого участка ЭВТИ 1 q и той частью падающего внешнего излучения q, которая поглощается рассматриваемым участком ЭВТИ 1
погл
q. Составляя энергетический баланс, получаем
рез
твк
ч
ик
Величина q определяет плотность теплового потока, проходящего через ЭВТИ 1 в направлении нормали к его слоям и передаваемого окружающим его телам в процессе лучистого теплообмена. Энергию падающего излучения q при этом считаем известной, определенной путем измерения равновесных температур Т и Т приемников лучистой энергии 4 и 7.
эвти
Излучение q ЭВТИ 1 определяем по закону Стефана - Больцмана
эвти
2
где ε - степень черноты наружной поверхности внешнего слоя 3 ЭВТИ 1; Т - температура внешнего слоя 3.
Поскольку для нас наибольший интерес представляют те лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами излучающих элементов, установленных в ТВК, и самой конструкцией ТВК, а именно световые и инфракрасные лучи, то выражение (2) для поглощенного ЭВТИ 1 теплового излучения определяется из соотношения
при этом
рез
Откуда из (4), (5) и (6) определим q
Для ПЛЭ 4 с высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, падающий лучистый тепловой поток  будем принимать равным собственному излучению, т.е. энергетический баланс имеет вид
ч
ч
ч
ч
где Т - температура ТРП ПЛЭ 4; ε - коэффициент излучательной способности ТРП ПЛЭ 4; А - коэффициент поглощательной способности ТРП ПЛЭ 4; q - тепловые потери ПЛЭ 4, которыми пренебрегаем.
Для ПЛЭ 7 с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра энергетический баланс имеет вид
ик
к
к
где Т - температура ТРП ПЛЭ 7; q - тепловые потери ПЛЭ 7, которыми пренебрегаем, т.е. q=0.
s
ик
Из (9) и (10) определяем составляющие теплового потока q и q:
Термическое сопротивление ЭВТИ 1 определяем из выражения
рез
Подставляя в (13) выражение для q из (8), с учетом (11) и (12), получим соотношение для определения термического сопротивления ЭВТИ 1
эвти
При отсутствии в ТВК имитатора солнечного излучения 9 или когда он не работает, соотношение (14) для R примет вид
Приведем расчетный пример реализации способа определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА при ТВИ.
-8
2
4
Размерности всех параметров в расчетных примерах приведены в Международной системе единиц. σ=5,67-10 Вт/(м·К).
Помещают КА с СТР, в состав которой входит ЭВТИ 1, в ТВК. Обеспечивают в ТВК рабочие условия эксплуатации КА, т.е. при имитации в ТВК тепловой части внешнего электромагнитного излучения, имитации поглощения излучения космическим пространством и вакуума, обеспечивающего радиационный
-3
-4
характер внешней теплопередачи и рабочий режим работы теплоизоляции (в пределах 10…10 Па).
эвти
Sэвти
Выполним расчетные примеры, приняв следующие оптические характеристики для наружной поверхности внешнего слоя 3 ЭВТИ 1: ε=0,6; A=0,3.
Положим, что на рабочие поверхности ПЛЭ 4 и 7 нанесены ТРП со следующими оптическими характеристиками:
ч
- ПЛЭ 4 с высокой поглощательной способностью теплового излучения, близкой к абсолютно черному телу, А>(0,95-0,99);
s
- ПЛЭ 7 с низкой поглощательной способностью излучения видимой области спектра: ε=0,85; A=0,1.
Рассмотрим пример №1. В ТВК установлены имитатор солнечного излучения 9 и имитатор инфракрасного излучения 8.
1
2
1
2
При установившемся тепловом состоянии системы фиксируем T и Т датчиками температуры 5 и 6, например T=293 К и Т=354 К.
ч
ик
Фиксируем показания термометров сопротивления установленных на ПЛЭ 4 и 7, например Т=410 К и Т=283 К.
эвти
Из выражения (14) определяем R
s
ик
Из соотношений (11) и (12) определяем составляющие внешнего теплового потока, воздействующего на исследуемый участок ЭВТИ 1 q и q:
Рассмотрим пример №2. В ТВК отключен имитатор солнечного излучения 9, а на ЭВТИ воздействует только инфракрасное излучение от имитатора инфракрасного излучения 8 и от охлаждаемых стенок ТВК.
1
2
При установившемся тепловом состоянии системы фиксируем показания датчиков температуры 5 и 6 T=293 К и Т=122 К.
ч
ч
Фиксируем температуру Т по показанию термометра сопротивления установленного на ПЛЭ 4, Т=115 К.
эвти
Из выражения (15) определяем R
ик
Из соотношения (12) определяем внешний тепловой поток инфракрасного излучения, воздействующего на исследуемый участок ЭВТИ 1, q:
эвти
1
2
ч
эвти
Для примера №2 оценим величину предельной абсолютной погрешности определения термического сопротивления ЭВТИ 1 ΔR [3, с.132] для значений переменных T, Т, Т функции R (15) из следующего выражения
1
2
ч
1
2
ч
Примем предельные абсолютные погрешности при измерении T, T, Т соответствующими датчиками температуры равными ΔT=ΔТ=ΔТ=0,5 К. Откуда из (16)
эвти
эвти
При этом относительная погрешность оценки термического сопротивления ЭВТИ 1 составила ΔR/R=(16/107)·100%~15%.
Рассмотрим пример №3. На исследуемый участок ЭВТИ 1 воздействует только инфракрасное излучение, как в примере №2.
1
2
При установившемся тепловом состоянии системы фиксируем показания датчиков температуры 5 и 6 T=293 К и Т=155 К.
ч
Фиксируем показания термометра сопротивления ПЛЭ 4, Т=115 К.
эвти
Из выражения (15) определяем R
ик
Из соотношения (12) определяем внешний тепловой поток, воздействующий на исследуемый участок ЭВТИ 1, q:
, т.е. такой же, как в примере №2.
эвти
1
2
ч
1
2
ч
Оценим величину предельной абсолютной погрешности ΔR из (16), принимая предельные абсолютные погрешности при измерении T, Т, Т соответствующими датчиками температуры равными ΔT=ΔТ=ΔТ=0,5 К.
эвти
эвти
При этом относительная погрешность оценки термического сопротивления ЭВТИ 1 составила ΔR/R=(0,34/10)·100%~3,4%.
эвти
Сравнительный анализ примеров №2 и №3 по определению термического сопротивления двух исследуемых участков ЭВТИ при одинаковых внешних воздействиях на эти участки показал, что в примере №3 R оказалось на порядок меньше, чем в примере №2, что может быть следствием несовершенства технологии установки пакета ЭВТИ на поверхность КА (например, превышена допустимая плотность укладки экранов ЭВТИ). Таким образом, данные результаты ТВИ позволяют выявлять дефекты отдельных участков ЭВТИ, совершенствовать конструктивное исполнение и технологию сборки ЭВТИ при дальнейшей отработке СТР КА в ТВК.
Применение предлагаемого способа определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА при ТВИ позволяет:
1) контролировать величину местного термического сопротивления ЭВТИ в условиях наземной отработки СТР космического аппарата в ТВК;
2) осуществлять контроль термического сопротивления ЭВТИ на искривленных поверхностях КА с учетом особенностей его конфигурации;
3) использовать результаты ТВИ при анализе влияния на термическое сопротивление ЭВТИ остаточного газа в ЭВТИ и процесса его дренирования при выходе СТР на рабочий режим;
4) выявлять дефекты отдельных участков ЭВТИ, совершенствовать конструктивное исполнение, технологию сборки ЭВТИ и установки ее на КА при отработке СТР космического аппарата в тепловакуумной камере;
5) автоматизировать процесс определения термического сопротивления ЭВТИ, используя информацию поступающую с соответствующих датчиков температуры.
Источники информации
1. О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение. 1982.
2. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991.
3. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука. 1986.