Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке и программной реализации нового метода теплового расчета больших космических телескопов, который может использоваться как в процессе их проектирования, так и в процессе управления их орбитальным полетом. Разработанный метод используется для оценки влияния геометрии, точности изготовления и теплофизических свойств материала радиационных экранов на температуру главного зеркала космического телескопа проекта «Миллиметрон».
Актуальность работы.
Для получения высокой чувствительности космических обсерваторий следующего поколения (JWST, CALISTO, «Миллиметрон») планируется глубокое охлаждение главного зеркала телескопов. Радиационные экраны являются важнейшим элементом бортовой системы охлаждения перспективных космических обсерваторий, так как в силу размеров главных зеркал порядка 10 метров охлаждение традиционными способами является неэффективным. Конструктивно экраны выполняются из металлизированной полиэтилентерефталатной пленки (Mylar, Kapton) и развертываются вокруг охлаждаемого зеркала с помощью поддерживающих структур. Экраны решают две задачи: защищают зеркало от внешних источников излучения и обеспечивают радиационное охлаждение главного зеркала за счет излучения. Существенными особенностями радиационных экранов являются возможность существенного искажения их поверхности и большая разница температур между внешней и внутренней сторонами экрана, достигающая 300К.
Большие габариты главных зеркал перспективных телескопов и систем их охлаждения не позволяют провести их полномасштабные наземные тепловые испытания на существующем оборудовании. Наземные испытания масштабных макетов позволяют получить лишь приближенную картину тепловых процессов на орбите. Существующие программные комплексы теплового расчета предназначены в основном для расчета космических аппаратов с небольшим разбросом температур. Прямая реализация расчета космических аппаратов с большим разбросом температур и сложной геометрической
конфигурацией по классической вычислительной схеме приводит к необходимости использовать суперЭВМ, в то время как задачи проектирования и особенно управления полетом перспективных телескопов требуют частых и оперативных тепловых расчетов, которые в реальных условиях будут проводиться в основном на ЭВМ с ограниченными вычислительными ресурсами.
Поэтому разработка метода теплового расчета перспективных космических телескопов и его программная реализация на ЭВМ с ограниченными вычислительными ресурсами является важной и актуальной научно-технической задачей.
Цель работы.
Целью работы является разработка нового метода нестационарного радиационно-кондуктивного теплового расчета больших космических телескопов, с учетом требования программной реализации на базе ЭВМ, обладающих ограниченными вычислительными ресурсами.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
-
Разработать метод нестационарного радиационно-кондуктивного теплового расчета больших космических телескопов, учитывающий зеркальную составляющую отражения экранов, переменность теплофизических и термооптических характеристик материалов, непланковский спектр излучения элементов конструкции, а также переменный характер внешних источников, связанный с движением обсерватории по орбите.
-
Программно реализовать предложенный метод с учетом ограничений по ресурсам ЭВМ.
-
Провести проверку достоверности и работоспособности программной реализации метода.
-
Используя разработанное программное обеспечение, оценить влияние точности изготовления, термооптических свойств материала геометрии экрана на температуру главного зеркала космического телескопа проекта «Миллиметрон».
Методы исследования.
Для решения поставленных задач были использованы подходы метода конечных элементов, метода Монте-Карло и имитационного моделирования.
На защиту выносятся:
Метод тепловых расчетов радиационных экранов больших космических телескопов.
Программный модуль T.H.O.R.I.U.M, реализующий этот метод.
Результаты сравнительного анализа влияния геометрии, точности изготовления, теплофизических свойств материала экрана и других факторов на температуру главного зеркала космического телескопа проекта «Миллиметрон», выполненного с помощью созданного программного модуля.
Научная новизна работы заключается:
- в новом подходе к решению задачи радиационного
теплообмена, основанном на отказе от традиционно
используемого предварительного анализа лучистых
потоков;
в оригинальном способе использования алгоритмов трехмерной графики для расчета хода излучения;
в оптимальной архитектуре программной реализации предложенного метода решения задачи, допускающей массивно-параллельную схему проведения вычислений;
в построении вычислительного алгоритма, пригодного для анализа моделей с большим количеством элементов (> 100000) на ЭВМ, обладающих ограниченными вычислительными ресурсами.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов подтверждается поверочными расчетами тестовых примеров. В качестве тестовых примеров выбирались задачи с известными решениями. Хорошее совпадение результатов численных расчетов с известными решениями подтверждают достоверность метода.
Практическая значимость.
Предложенный метод и созданные программные средства позволяют оперативно проводить тепловые расчеты
перспективных космических обсерваторий в процессе их проектирования и при управлении их полетом с учетом:
-
Зависимости теплофизических свойств материалов от температуры и времени.
-
Зависимости термооптических свойств поверхностей от температуры, времени, длины волны и направления падающего излучения.
-
Зеркальной компоненты отражения от экранных поверхностей.
-
Непланковского спектра излучения элементов конструкции.
-
Изменения положения внешних источников, связанного с движением обсерватории по орбите.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на следующих
конференциях и семинарах: Международная конференция по
оболочкам и пространственным конструкциям IASS-2007
(Венеция, 2007 год), 8-я Международная конференция «Системы
проектирования, технологической подготовки производства и
управления этапами жизненного цикла промышленного
продукта» CAD/CAM/PDM - 2008 (Москва, 2008 год), XII Школа
молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и II Школа-
семинар «Инновационные аспекты фундаментальных
исследований» (Москва, 2008 год), Шестнадцатая
Международная конференция по Вычислительной механике и
современным прикладным программным системам
ВМСППС'2009 (Алушта, 2009 год), II Всероссийская конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2009 год), Научно-технический семинар НПО им. С.А. Лавочкина (Химки, 2009 год), Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2010.(п. Нижний Архыз 2010), V Международная конференция «Параллельные вычисления и задачи управления» (РАСО'2010) (Москва, 2010 год).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них в журналах из перечня ВАК 3 работы.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав,
приложения и заключения. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 104 рисунка. Список литературы включает 103 наименования.
