НЕОСЕВОЙ ИМИТАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ
OFF-AXIS SOLAR SIMULATOR OF THERMAL VACUUM CHAMBER

Изобретение относится к тепловакуумным камерам космической техники, а точнее к неосевому имитатору солнечного излучения (ИСИ) тепловакуумной камеры (ТВК), и может быть использовано при тепловаккумных испытаниях космического аппарата (КА) или его составных частей.
Известны схемы ТВК «Дженерал электрик» с ИСИ неосевой оптической схемы (О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. Стр.23, рис.3.1; стр.51, рис.3.25), содержащие элементы ИСИ, такие как оптический отсек ТВК, параболическое зеркало, ксеноновые дуговые лампы, линзовую систему, плоское зеркало.
Недостаток этих устройств заключается в неудовлетворительном коэффициенте полезного действия (КПД) их работы и неудовлетворительной равномерности облучения поверхности испытуемого объекта. Причиной этому является увеличенный состав линзовых систем, зеркал. При последовательном прохождении через них значительно ослабевает световой поток имитации солнечной радиации и тем самым снижается КПД. Указанные ИСИ не содержат специальных устройств, обеспечивающих повышенную степень равномерности облучения поверхности испытуемого объекта.
В качестве прототипа выбран неосевой имитатор солнечного излучения (ИСИ) тепловакуумной камеры (ТВК) (О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. Стр.38, рис.3.10, б)), содержащий входной иллюминатор, герметично встроенный в корпус ТВК, параболический коллимирующий отражатель для отражения имитируемого солнечного излучения на объект испытаний (КА - космический аппарат), расположенный в ТВК, лампы - источники солнечного излучения, расположенные вне ТВК, линзу (линзу-конденсор), установленную снаружи ТВК перед иллюминатором.
Недостаток прототипа заключается в неудовлетворительной равномерности (однородности) облучения объекта испытаний. Причиной этому является отсутствие в прототипе устройства между иллюминатором и параболическим коллимирующим отражателем, обеспечивающего равномерность облучения, направляемого на параболический коллимирующий отражатель. Другой недостаток прототипа заключается в том, что линза и иллюминатор выполнены по отдельности, что не способствует улучшению равномерности проходящего через них излучения, а последовательное прохождение световым потоком имитации солнечного излучения значительно снижает КПД при работе прототипа (интенсивность излучения при прохождении через одну поверхность снижается примерно на 4%).
Задачи изобретения заключаются в повышении КПД работы ИСИ и равномерности облучения поверхности испытуемого объекта (КА или его составной части).
Задачи решены за счет того, что в предложенном неосевом имитаторе солнечного излучения тепловакуумной камеры (содержащим входной иллюминатор, герметично встроенный в корпус тепловакуумной камеры, параболический коллимирующий отражатель для отражения имитируемого солнечного излучения на объект испытаний, например на космический аппарат, расположенный в тепловакуумной камере, лампы - источники солнечного излучения, расположенные вне тепловакуумной камеры, зеркальный смеситель), иллюминатор одновременно выполнен в виде двояковогнутой линзы, каждый источник солнечного излучения выполнен с эллипсоидным рефлектором и вспомогательным сферическим зеркалом для возврата не охваченных рефлектором лучей, между параболическим коллимирующим отражателем и двояковогнутой линзой на пути светового потока установлен зеркальный смеситель, выполненный в виде равномерно расположенных в плоскости соприкасающихся своими гранями выпуклых зеркальных линз с квадратными профилями, для отражения падающего на каждую из них имитируемого солнечного излучения от двояковогнутой линзы на параболический коллимирующий отражатель в виде расходящегося светового потока с падающим пятном на него, равным или близким по площади к площади параболического коллимирующего отражателя; двояковогнутая линза, выпуклые зеркальные линзы с квадратными профилями, параболический коллимирующий отражатель и вспомогательные сферические зеркала выполнены с параметрами:
- 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 и с радиусами их кривизны, равными 0,16 м;
- габариты параболического коллимирующего отражателя равны (2,5×2,588) м;
- поверхность параболического коллимирующего отражателя соответствует уравнению:
2
2
х+у=2Ro*z, где
x, y, z - координаты точек поверхности отражателя;
Ro - радиус кривизны в осевой точке (вершина отражателя) равен 10 м;
- радиус кривизны и диаметр вспомогательных сферических зеркал ламп равны соответственно 0,11 и 0,12 м.
Суть технического решения 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.
Неосевой имитатор солнечного излучения тепловакуумной камеры 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. Параболический коллимирующий отражатель 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 параболическим коллимирующим отражателем 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 параболический коллимирующий отражатель 3, занимая всю его поверхность.
Источники излучения 5 с охлаждающими их устройствами расположены в металлических конструкциях - световых щитах, которые установлены вне тепловакуумной камеры 2 перед иллюминатором. Параболический коллимирующий отражатель 3 и зеркальный смеситель 7 также закреплены в соответствующих металлических конструкциях и установлены внутри тепловакуумной камеры 2. Все оптические элементы - входной иллюминатор 1, параболический коллимирующий отражатель 3, источники солнечного излучения 5 и зеркальный смеситель 7 имеют возможность юстировки, что обеспечивает их точное позиционирование согласно светооптической схеме.
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 и вспомогательные сферические зеркала 6 выполнены с оптимальными параметрами, рекомендуемыми при испытании крупногабаритных изделий, например космических аппаратов:
- наружный и внутренний радиусы кривизны двояковогнутой линзы 1 равны соответственно минус 1,050 и плюс 1,050 м;
- диаметр двояковогнутой линзы 1 равен 0,6 м;
- половина угла сходимости потока, поступающего на двояковогнутую линзу 1 (угол падения «крайнего луча» потока), равна 14 градусам;
- габариты выпуклых зеркальных линз 8 с квадратными профилями равны (0,04×0,04) м и с радиусами их кривизны, равными 0,16 м.
- габариты параболического коллимирующего отражателя 3 равны (2,5×2,588) м;
- поверхность параболического коллимирующего отражателя 3 соответствует уравнению:
2
2
х+у=2Ro*z,
где x, у, z - координаты точек поверхности отражателя;
Ro - радиус кривизны в осевой точке равен 10 м;
- радиус кривизны и диаметр вспомогательных сферических зеркал 6 ламп равны соответственно 0,11 и 0,12 м.
Предложенное устройство работает следующим образом. Объект испытаний 4 установлен в ТВК неподвижно для проведения стационарного теплового режима или вращается 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 лампы включены, и световой поток заданной суммарной мощности от них фокусируется на двояковогнутую линзу 1, проходит через нее и параллельным световым потоком 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 параболическим коллимирующим отражателем 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 параболический коллимирующий отражатель 3 в виде расходящегося пучка лучей с площадью падающего на параболический коллимирующий отражатель 3 пятна, равной или близкой к площади параболического коллимирующего отражателя 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 параболического коллимирующего отражателя 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 коллимирующего параболического зеркала 3. Таким образом, зеркальный смеситель выполняет функцию двух 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 параболический коллимирующий отражатель 3 и увеличивает его до размеров, близких размерам (2,5×2,588) м параболического коллимирующего отражателя 3. 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 параболический коллимирующий отражатель 3 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. Диаметры сферических зеркал равны 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 «рефлектор-лампа» повышается 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 ниже приведенной 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. М.: 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 плосковогнутой линзе для получения за ней параллельного потока (фиг.4) имеем:
где А - угол падения «крайнего» луча светового потока;
В - 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 В 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. М.: Техносфера, 2006 и Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука, 1986).
Предложенное устройство в настоящее время проходит этап конструкторской разработки для внедрения во вновь строящуюся ТВК предприятия.
Среди различных источников, известных авторам, не обнаружены отличительные признаки устройств, аналогичных заявленному.