Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Радиационный теплообмен и методы тепловой защиты космических телескопов 18
1.1 Классификация телескопов космического базирования для наблюдения за Землей 18
1.2 Методы расчета термоаберраций телескопов и способы обеспечения их термостабильности 20
1.3 Классификации задач обеспечения тепловой защиты телескопов космического базирования и подходы к тепловому проектированию 22
1.4 Выбор и обоснование направлений исследований 26
ГЛАВА 2. Аналитические методы расчета радиационного баланса телескопов для наблюдения за землей 29
2.1. Общая тепловая и математическая модель космического телескопа и ее упрощения 29
2.2 Методы расчетов коэффициентов облученности корпуса телескопа подсветкой Земли 37
2.3 Методы расчетов комбинированных коэффициентов облученности 45
2.4 Аналитические формулы для расчетов поглощаемых корпусом телескопа тепловых потоков 48
2.5 Выводы 53
ГЛАВА 3. Методы расчета тепловых режимов телескопов для наблюдения за землей 55
3.1 Классификация моделей теплового баланса и теплового режима по характеристикам орбиты 55
3.2 Методика расчета нестационарных температур космических объектов при движении по круговым орбитам з
3.3 Влияние широтных зависимостей температуры и альбедо Земли на тепловой режим объекта на солнечно - синхронной орбите 65
3.4 Условия поддержания заданного температурного диапазона космического объекта на круговой орбите с заходом в тень Земли 80
3.5 Выводы 86
ГЛАВА 4. Методы расчета тепловой защиты телескопов дистанционного зондирования земли 88
4.1 Тепловые модели типовых телескопов дистанционного зондирования Земли 88
4.2 Методы снижения термоаберраций и обеспечения термостабильности зеркальных телескопов для наблюдения за Землей 89
4.3 Методика расчета тепловой защиты телескопов на основе терморегулируемой бленды 101
4.4 Методы выбора параметров пассивной тепловой защиты телескопов 107
4.5 Выводы 114
ГЛАВА 5. Методы расчета термо аберраций телескопов с кратковременным режимом наблюдения за землей 116
5.1 Критерии короткого времени наблюдения 116
5.2 Основные принципы упрощения общей математической модели теплового режима телескопа для случая кратковременного режима наблюдений за Землей 118
5.3 Методика оценки термостабильности телескопов ДЗЗ с кратковременным режимом функционирования 124
5.4 Выводы 127
Заключение 128
Список литературы 130
- Классификации задач обеспечения тепловой защиты телескопов космического базирования и подходы к тепловому проектированию
- Методы расчетов комбинированных коэффициентов облученности
- Методика расчета нестационарных температур космических объектов при движении по круговым орбитам
- Методы снижения термоаберраций и обеспечения термостабильности зеркальных телескопов для наблюдения за Землей
Введение к работе
Актуальность работы
К современным телескопам космического базирования, предназначенным для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), предъявляются высокие требования к сохранению высокого качества изображения при движении космического аппарата (КА) по заданной траектории в околоземном космическом пространстве (ОКП). При внешнем размещении телескопа на КА - носителе в дежурном режиме (между периодами наблюдения) и в рабочем режиме (в периоды наблюдения) элементы телескопа подвергаются переменным нелинейным тепловым воздействиям, которые могут вызывать существенное ухудшение качества изображения. Удержание термоаберраций телескопа в допустимых пределах требует разработки методов управления радиационным теплообменом на основе использования специфических способов и устройств тепловой защиты телескопов. Принципы тепловой защиты основываются на тщательной отработке тепломеханической схемы (ТС) и системы обеспечения теплового режима (СОТР).
Актуальность работы определяется необходимостью развития теоретической базы для теплового проектирования термостабильных телескопов, для чего необходима разработка аналитических методов расчета физических процессов, формирующих тепловые режимы и термоаберрации телескопов ДЗЗ, работающих в условиях нелинейного нестационарного теплообмена в ОКП. Важно подчеркнуть, что на современном этапе недостаточно решать задачу традиционным путем последовательных расчетов теплового режима и термоаберраций. Потребности практики диктуют необходимость получения аналитических формул, в совокупности описывающих требования к параметрам ТС и СОТР, совместно определяющих идеологию обеспечения термостабильности телескопа.
Цель работы состоит в разработке аналитических методов расчета радиационного теплообмена телескопов ДЗЗ для выбора параметров тепловой защиты, в получении аналитических формул, определяющих требования к параметрам ТС и СОТР для обеспечения термостабильности телескопов в дежурном и рабочем режимах в зависимости от параметров орбиты и циклограмм функционирования.
Задачи исследования:
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка математической модели нелинейного нестационарного радиационного теплообмена элементов телескопа при движении по круговой орбите в зависимости от высоты и наклона орбиты в дежурном режиме и в режиме наблюдения за Землей;
разработка математических моделей, описывающих энергетический радиационный баланс телескопов для наблюдения за Землей при движении по круговой орбите, на основе получения аналитических описаний коэффициентов облученности корпуса телескопа Землей и с учетом изменения во времени комбинированных коэффициентов облученности, определяющих поглощенные корпусом потоки отраженного Землей солнечного излучения;
получение аналитических формул для анализа влияния температур элементов телескопа на термоаберрации для наиболее быстрого и обоснованного определения требований к параметрам СОТР;
разработка методов тепловой защиты для обеспечения термостабильности телескопов ДЗЗ в режиме наблюдения за Землей;
разработка методов расчета теплового режима и термоаберраций телескопов с кратковременными циклами наблюдений.
Предмет исследований составляют телескопы ДЗЗ, установленные на КА, движущихся в ОКП по орбитам с различными параметрами (высотой и наклонением орбиты) с особым акцентом на полярные орбиты.
Объектами исследований являются процессы радиационного теплообмена элементов телескопов и формирования термоаберраций.
Методы исследований основаны на математическом моделировании, выявлении основных закономерностей формирования термоаберраций при различных способах тепловой защиты.
Научная новизна:
получены аналитические описания коэффициентов облученности корпуса телескопа в форме цилиндрической оболочки и параллелепипеда излучением Земли и отраженным Землей солнечным излучением при изменении высоты орбиты от 100 до 40000 км, а также с учетом движения КА-носителя по орбите с заданной высотой и углом наклона;
на основе математического моделирования обоснована правомерность использования модели Земли как изотермического однородного шара с серой диффузной поверхностью для расчетов энергетического баланса и теплового режима космического объекта (КО), в том числе, внешнего корпуса телескопа при реальных толщинах его стенки;
предложены способы поддержания заданного температурного уровня корпуса объектива с минимальными отклонениями за счет использования терморегулирующих покрытий и компенсирующей мощности внутренних тепловыделений при заходе КА-носителя в тень Земли;
получены аналитические формулы, описывающие термоаберрацию положения изображения телескопов для наблюдения за Землей в зависимости от перегревов элементов конструкции, обеспечиваемых параметрами СОТР;
на основе использования разработанных аналитических методов расчета радиационного теплового баланса на входном зрачке телескопа в режиме наблюдения за Землей определены условия сохранения начального теплового баланса и термостабильности телескопа с использованием терморегулируемой бленды;
получены формулы для расчета термоаберраций телескопа с кратковременными циклами функционирования и определены критерии малой длительности наблюдений, когда термоаберрации растут пропорционально времени наблюдения.
Научная ценность полученных результатов заключается в разработке математических моделей и получении новых аналитических формул, существенно упрощающих процедуру теплового проектирования телескопов ДЗЗ с кратковременными и длительными циклами функционирования.
Практическая значимость работы заключается в разработанных методиках расчетов, которые составляют основу методов теплового проектирования. Основные полученные практически значимые результаты:
методы поддержания в дежурном режиме заданного температурного уровня корпуса телескопа ДЗЗ в пределах допустимых колебаний при движении по круговой орбите с заданными параметрами за счет выбора параметров терморегулирующего покрытия, а также за счет использования компенсирующей мощности тепловыделений;
методики выбора параметров ТС и СОТР для обеспечения термостабильности телескопов ДЗЗ по критерию допустимых значений термоаберраций;
методы обеспечения термостабильности телескопов ДЗЗ в рабочем режиме за счет выбора параметров тепловой защиты на основе терморегулируемой бленды, обеспечивающих минимальное нарушение исходного теплового баланса;
методы определения максимальной продолжительности наблюдения за Землей по критерию кратковременности функционирования.
Практическая значимость результатов работы подтверждена актами о реализации в ОАО «НИИ ОЭП», ОАО «НИИТ», а также в учебном процессе НИУ ИТМО.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель радиационного энергетического баланса, включающая аналитические описания коэффициентов облученности, описывающих поглощаемые тепловые потоки собственного теплового излучения Земли и отраженного ею солнечного излучения в зависимости от времени движения КА-носителя по заданной орбите;
обоснование возможности использования модели Земли как изотермического однородного шара с серой диффузной поверхностью для расчетов энергетического баланса и теплового режима КО;
аналитические формулы, определяющие требования к ТС и СОТР по критерию обеспечения термостабильности в пределах допустимых термоаберраций;
методы расчета по обоснованию способов поддержания заданного температурного уровня корпуса объектива с минимальными отклонениями за счет использования терморегулирующих покрытий и компенсирующей мощности внутренних тепловыделений;
аналитические методы расчета радиационного теплового баланса на входном зрачке телескопа в режиме наблюдения, а также определенные на их основе условия сохранения начального теплового баланса и термостабильности телескопа с использованием терморегулируемой бленды;
аналитическая методика расчета термоаберраций телескопов ДЗЗ с кратковременным циклом наблюдения, а также критерий кратковременности режима наблюдения за Землей.
Достоверность разработанных методов расчета и полученных аналитических формул подтверждается сопоставлением с результатами численного моделирования с использованием исходных строгих математических моделей.
Апробация результатов исследования:
Основные результаты докладывались на международных и российских конференциях: X международная конференция «Прикладная оптика 2012» (Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.), I Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.).
Публикации:
По теме диссертации опубликованы 7 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 95 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 8 таблицы и 29 рисунков. Список литературы насчитывает 74 наименования.
Классификации задач обеспечения тепловой защиты телескопов космического базирования и подходы к тепловому проектированию
В настоящее время методы расчета термоаберраций в подавляющем большинстве случаев следуют установившейся практике, когда при моделировании теплового режима каждого конкретного телескопа определяются термоискажения всех основных его элементов, а затем проводится обычный расчет аберраций оптической системы. На сегодняшний день практически не известны работы, посвященные разработке специализированных методов расчетов термоаберраций телескопов. Исключения представляют диссертации Мешкова В. Р. [10], Лаповка Е. В. [22]. В диссертации Мешкова В. Р. представлены численные методы расчета термоискажений линзовых оптических систем с учетом температурных напряжений в рефрактивных элементах. Это численная методика расчета сложна и требует специальных навыков для ее использования в практических расчетах. В диссертации Лаповка Е. В. были разработаны аналитические методики расчетов. Их применение проиллюстрировано в методах обеспечения термостабильности солнечного телескопа-лимбографа СЛ-200. Разработанные методы были изложены в монографии [16]. Такие аналитические методы могут использоваться при проектировании телескопов подобного класса конструкторами оптических систем и особенно удобны на начальном этапе проектирования, когда определяются общие требования к конструктивной тепло-механической схеме., а также при выборе конструкционных материалов зеркал и корпусных элементов. В этой монографии также помимо методов расчета подробно изложены основные способы обеспечения тепловых режимов при применении активных и пассивных СОТР. Однако, разработанные методы имеют ограниченную область применения и не предусматривают методов обеспечения тепловых режимов и термостабильности телескопов ДЗЗ.
Из зарубежных источников известно о разработанных методах так называемого термического структурного оптического анализа (ТСО-анализа) [34-49]. Система ТСО-анализа включает все традиционные этапы численных расчетов, начиная с определения температурных полей элементов конструкции, кончая расчетами искажения качества изображения. В России в данном направлении известны работы Шаенко А. Ю. [50-52]. Разработка таких комплексных программ указывает на высокую актуальность развития данного направления.
Необходимо отметить, что численные методы расчета или моделирования тепловых процессов и термооптических эффектов в телескопах эффективны при анализе реальных конструкций. Однако, на начальных стадиях проектирования необходима разработка аналитических методов, обеспечивающих наглядный и достоверный анализ, кроме того при синтезе конструкции перебор различных вариантов конструктивных решений является затратным способом теплового проектирован ия.
Развитие аналитических методов расчета термоаберраций зеркальных оптических систем позволило решать задачи синтеза конструкций телескопов на начальных стадиях проектирования, а также и при оценке предельных режимов работы как по тепловым нагрузкам, так и по длительности наблюдений при сохранении приемлемого качества изображения. Методы расчетов термоаберраций непосредственно перерастают в методы обеспечения термостабильности, поскольку взаимосвязь параметров, описываемая аналитическими зависимостями, позволяет наиболее экономичным способом решать обратные задачи. В число таких задач входит определение допустимого диапазона изменения параметров по заданному допустимому изменению положения фокальной плоскости и термонаведенной сферической аберрации. 1.3 Классификации задач обеспечения тепловой защиты телескопов космического базирования и подходы к тепловому проектированию
Тепловая защита телескопов не может сводиться только к применению эффективной теплоизоляции от внешних тепловых воздействий, но должна подразумевать использование комплексных мер по обеспечению заданного рабочего температурного уровня, требуемой степени изотермичности каждого ответственного элемента (например, зеркал), а также необходимой температурной однородности в пределах объема, занятого зеркалами с соединяющими конструктивными элементами (корпуса в виде трубы или соединяющих пилонов). В дальнейшем ограничимся рассмотрением двухзеркальных оптических систем, составляющих основу телескопов Грегори, Кессегрена, Ричи-Кретьена.
Конечной целью теплового проектирования является обеспечение таких условий, при которых в ходе эксплуатации во всех режимах функционирования будет достигнуто минимальное термонаведенное смещение фокальной плоскости (термоаберрация положения изображения), а также термонаведенная сферическая аберрация. Последнее особо важно для телескопов с дифракционным качеством изображения, изначально свободных от сферической аберрации.
Задачи обеспечения тепловой защиты телескопов можно классифицировать по принципу, определяемому многими факторами, но в первую очередь по способу выведения конструкции телескопа на заданный температурный уровень, который может осуществляться управлением тепловым балансом телескопа в ОКП либо за счет использования термостатирующего устройства, в которое помещается телескоп; по тем элементам циклограммы функционирования, в пределах которых затрачиваются основные усилия на термостатирование, например, при обеспечении тепловой защиты в процессе дежурного режима с последующим неуправляемым тепловым балансом в периоде наблюдения за Землей, либо в момент наблюдения за счет управления тепловым балансом именно на этом временном участке функционирования; по высоте над поверхностью Земли, определяющей знак изменения теплового баланса на входном зрачке телескопа.
При отсутствии активного управления тепловым балансом телескопа возможен, как правило, кратковременный режим наблюдения за Землей. В случае принудительного управления балансом (термостатирование) возможно обеспечение термостабильности телескопа при длительном режиме наблюдения. Чем меньше затрачивается усилий на принудительное термостатирование, тем больше ограничений по длительности наблюдения за Землей.
Несмотря на значительное разнообразие конкретных задач проектирования космических телескопов, подход к тепловому проектированию может быть разделен на два типа: по схеме анализа предварительно проработанной конструкции и по схеме синтеза. В первом случае предполагается наличие всех необходимых исходных данных, на основе которых проводятся последовательные расчеты теплового режима, термических деформаций элементов конструкции телескопа, термоискажения зеркал, термоаберрации оптической системы в целом, а затем вычисленные термоаберрации сопоставляются с допустимыми значениями. На основании этого сопоставления вносятся коррективы в тепломеханическую схему и СОТР телескопа с последующим повторением указанного алгоритма расчетов. Блок-схема такой последовательности вычислений представлена на рисунке 1.1. Она отражает традиционный подход к тепловому проектированию и соответствует концепции ТСО-анализа, описанной выше. Такая концепция предполагает наличие хорошо отработанного программного продукта, а также высоко квалифицированных специалистов-пользователей.
Для практических целей очень важна разработка алгоритма решения обратных задач, то есть выбор элементов тепломеханической схемы на основе требований к качеству изображения проектируемого телескопа. Блок-схема такого алгоритма представлена на рисунке 1.2. В ней на основе допуска на
Методы расчетов комбинированных коэффициентов облученности
Для выбора средств тепловой защиты телескопов необходимо ориентироваться на конечные характеристики искажения начального качества изображения. Поэтому необходимо использовать ранее полученные методы расчетов термоаберраций зеркальных телескопов [61-63].
Изменение теплового режима телескопа приводит к развитию термоаберраций разного типа. Для зеркальных телескопов с узким полем зрения (Грегори, Кессегрена и т. д) основным параметром, характеризующим ухудшение качества изображения является термонаведенное смещение положения фокальной плоскости или термоаберрация положения изображения. Термонаведенная сферическая аберрация, как дополнительный показатель искажения качества изображения определяется через аберрацию положения [22]. Термонаведенная сферическая аберрация, хотя и неустранима, но всегда много меньше термоаберрации положения для длиннофокусных телескопов [16]. Поэтому все расчеты по выбору тепломеханической схемы и параметров СОТР телескопа необходимо проводить целенаправленно, обеспечивая минимизацию термоаберрации положения.
Целью данных исследований является получение аналитического описания зависимости термоаберрации положения от температурных уровней базовых элементов конструкции и интенсивности тепловых связей с ними основных элементов оптической системы. Актуальность решения этой задачи определяется необходимостью определения требований к параметрам СОТР.
Для телескопов Грегори и Кессегрена суммарная величина термонаведенного смещения фокальной плоскости была определена в виде суммы отдельных компонент [22, 64, 65], включая термоаберрацию температурной неравномерности в главном зеркале, компоненты термоаберраций температурной неоднородности, в которой температурный уровень главного зеркала задается его минимальной температурой, а термоаберрация температурного уровня определяется перегревом корпуса телескопа. Эта аналитическая зависимость имеет вид A s=&s-$t &s=Ts0; &s=Ts0; St=Tt0, где: A&i - разность минимальной температуры главного зеркала и корпуса телескопа; AS, - перепад температур в главном зеркале; A0S - перегрев вторичного зеркала относительно корпуса телескопа, Ss и S, - соответственно перегревы вторичного зеркала и корпуса телескопа относительно начальной (номинальной) температуры Т0; Ts и Т, - соответственно температуры вторичного зеркала и корпуса; Rm - параксиальный радиус главного зеркала; b - толщина зеркала (для длиннофокусного зеркала ввиду малой стрелы прогиба принимается среднее значение толщины); v - коэффициент Пуассона материала главного зеркала. Индексы означают: m - главное зеркало, s - вторичное зеркало, t -корпус. Коэффициенты В, [м/К] определяются по формулам [16] Вт=ат5жс2; Bs=ots2ac; Bt=atLc2; с = \±±, (4.2) 2 " 1-е где L - расстояние между зеркалами; а - большая полуось эллипса (для рабочей поверхности вторичного зеркала в телескопе Грегори) или гиперболы (в телескопе Кессегрена); е - эксцентриситет эллипса или гиперболы в уравнении профиля поверхности вторичного зеркала; (Xj - коэффициент линейного расширения і - того элемента. При теплоотводе от тыльной поверхности главного зеркала реализуется перепад температур по толщине зеркала. Эту ситуацию будем кратко описывать терминами «осевой теплоотвод» и «осевой температурный перепад». При этом в формуле (4.1) реализуются условия і = 1, j = х. В результате получим A =0x-8t= -St; ASx=Sm-3x= , (4.3) кх X где $х - перегрев тыльной поверхности зеркала относительно корпуса телескопа (минимальный перегрев); ASX - перепад температур по толщине главного зеркала; 9 т - среднеповерхностный перегрев рабочей поверхности зеркала; qx - удельный тепловой поток, проходящий вдоль оси зеркала, который при абсолютной теплоизоляции боковой поверхности зеркала равен поглощенному рабочей поверхностью удельному потоку qm; kx - контактный коэффициент теплообмена на тыльной поверхности зеркала, характеризующий интенсивность теплоотвода к узлу крепления; X - коэффициент теплопроводности материала зеркала.
При теплоотводе температур по радиусу зеркала. Эту ситуацию будем кратко описывать терминами «радиальный теплоотвод» и «радиальный температурный перепад». При этом в формуле (1) реализуются условия і = 2, j = г. В результате получим AS2= -St=- -9t; А9= - (4.4) 2 2 4bkr г 4ЪД где &Г=ТГ-Т0 - перегрев боковой поверхности главного зеркала относительно начальной температуры Т0; А0Г - перепад температур по радиусу зеркала; qr -удельный тепловой поток, проходящий в направлении от боковой поверхности главного зеркала реализуется перепад радиуса зеркала, который при абсолютной теплоизоляции тыльной поверхности зеркала равен поглощенному рабочей поверхностью удельному потоку qm; kr - контактный коэффициент теплообмена на боковой поверхности зеркала, характеризующий интенсивность теплоотвода к узлу крепления; г - внешний радиус главного зеркала.
Формула (4.1) включает четыре слагаемых, описывающих основные компоненты общей термоаберрации [22], которые здесь целесообразно кратко охарактеризовать: термоаберрация температурной неравномерности в главном зеркале. Описывается величинами Bmf2jA9j; термоаберрация температурной неоднородности, состоящая из двух составляющих: BmASj и BSASS; термоаберрация температурного уровня, вызванная изменением температуры телескопа относительно номинальной.
Вышеприведенное описание термоаберрации и ее компонент необходимо для дальнейшего исследования влияния обеспечиваемых СОТР тепловых режимов установочных и крепежных элементов телескопа на его термостабильность.
Одна из типичных постановок задачи тепловых и термоаберрационных расчетов формулируется следующим образом: определить допустимые диапазоны изменения температур корпуса телескопа и некоторых конструктивных элементов, например, платформы крепления главного зеркала, в пределах которых обеспечивается термостабильность телескопа. Критерием термостабильности выбирается допустимое смещение фокальной плоскости. Решение такой задачи позволяет на начальных стадиях теплового проектирования определить облик и требования к характеристикам системы обеспечения теплового режима (СОТР) телескопа.
Анализ проведем на примере частного, но типичного случая крепления главного зеркала тыльной поверхностью к платформе (модель осевого теплоотвода).
Важно отметить, что в формуле для расчетов термоаберрации положения перегрев главного зеркала относительно корпуса может вычисляться независимо от того, крепится ли зеркало к самому корпусу или к отделенной от него платформе.
Методика расчета нестационарных температур космических объектов при движении по круговым орбитам
Для анализа данной ситуации целесообразно использовать вместо упрощенной формулы (4.41) более общие соотношения (4.26) и (4.27). Что касается требований к ЭВТИ, то они для данной конкретной ситуации оказываются неочевидными, поскольку тепловой режим телескопа в целом определяется тепловым балансом на наружном корпусе. Возможен вариант исключения слоя ЭВТИ и отказа от разделения на наружный и внутренний корпуса. В этом случае один общий корпус снабжается терморегулирующими покрытиями, настроенными на солнечный участок траектории, а дефицит тепловой энергии на теневой стороне компенсируется электроподогревом. Соответствующая методика расчета изложена в разделе 3.4.
В разделе 4.1 проведена классификация основных схемных решений и режимов работы телескопов ДЗЗ, сформулированы требования к их СОТР.
Формулы (4.1) - (4.4) и (4.8) - (4.11) положены в основу методики определения требований к допустимому диапазону изменений температур корпуса телескопа и к устройству крепления главного зеркала (платформы), а также к качеству теплового контакта между зеркалом и платформой. Это позволяет на начальной стадии проектирования определять требования к СОТР, обеспечивающей требуемые уровни термостатирования.
Простые соотношения (4.14) и (4.15) показывают, что требования к минимизации перегрева тыльной поверхности главного зеркала и температурного перепада по его оси находятся в противоречии. Это подтверждается данными исследований телескопа Кессегрена с конкретными параметрами, представленными на рис. 4.2 - 4.4.
Полученные в разделе 4.2 аналитические формулы составляют основу метода выбора параметров телескопов, определяющих его устойчивость к термонаведенной термоаберрации положения, определения требований к облику и параметрам СОТР, обеспечивающим в совокупности термостабильносіь телескопа. Такая методика может быть применима не только к телескопам Грегори и Кессегрена, но и к системам Ричи-Кретьена.
Формулы, полученные в разделе 4.3, позволяют проводить быструю оценку значимых параметров, определяющих требования к температуре бленды, обеспечивающей заданную фоновую температуру на входном зрачке телескопа, а также сохранение начального теплового баланса в телескопе. В случае, когда телесный угол со равен нулю, реализуется ситуация, характерная для наблюдения за звездами. В этом случае также можно обеспечить термостабильность телескопа за счет управления температурой бленды, при этом могут использоваться полученные формулы.
По результатам, полученным в разделе 4.4, можно сделать вывод, что тепловое сопротивление ЭВТИ должно быть столь велико, чтобы внутренний и наружный корпус сводились к тепловой модели не связанных между собой тел, тепловой режим которых формируется независимо друг от друга. Однако это относится только к случаю наличия радиационной панели, соединенной с внутренним корпусом. При отсутствии радиационной панели и источников тепловыделений на внутреннем корпусе внутренний и наружный корпус могут быть объединены в один, а поддержание температур осуществляется терморегулирующими покрытиями и тепловым источником на основе электронагревателя.
Изложенная методика расчета позволяет определять требования к переменным значениям поглощаемых корпусом телескопа и радиационной панелью тепловых потоков и площади радиационной панели.
Необходимо отметить, что математическая модель (4.24) - (4.27) описывает наиболее общий случай теплообмена корпуса телескопа с внешней средой. В случае конкретизации параметров КА можно получить наиболее общие требования ко всем параметрам покрытий на корпусе телескопа, при которых будет обеспечиваться заданный температурный диапазон. Используя методики расчета из раздела 3.4 можно определить требования к величине компенсационной мощности подогрева телескопа, при которых требуемый тепловой режим будет обеспечиваться как на солнечном, так и на теневом участках траектории.
Методы снижения термоаберраций и обеспечения термостабильности зеркальных телескопов для наблюдения за Землей
В результате исследования выявлены факторы, определяющие температурный режим телескопа, скорость роста температуры элементов. Скорость роста температур вторичного зеркала и корпуса при кратковременном режиме работы (в данном случае до 10 минут) зависит лишь от поглощенных элементами лучистых тепловых потоков от Земли и не зависит от температуры платформы. Снижение скорости роста и величины перегрева корпуса к моменту окончания съемки может быть достигнуто только при снижении поглощения лучистых потоков за счет использования специальных покрытий на внутренней поверхности корпуса. Это эффективно, поскольку разности отдаваемых и излучаемых потоков Pj - Gj пропорциональны степени черноты Sj. Скорость нагрева главного зеркала (как и платформы) зависит от начальной температуры в местах крепления платформы к КА. Прирост температуры главного зеркала мал по сравнению с ростом температуры корпуса и вторичного зеркала. Для получения окончательных выводов необходимо исследование термоаберраций телескопа как конечной определяющей величины.
1. Предложенная методика расчета позволяет на начальных этапах проектирования с малой погрешностью вычислять приращения температур элементов космического телескопа с кратковременным циклом функционирования, а также величины термонаведенного смещения фокальной плоскости.
2. Температура платформы влияет только на тепловой режим главного зеркала и практически не влияет на тепловой режим вторичного зеркала и корпуса; при этом не заметно никакого влияния температуры платформы на термонаведенное смещение фокальной плоскости. Это объясняется малыми диапазонами вариаций перегревов главного зеркала по сравнению с корпусом и вторичным зеркалом, а также тем, что в формуле (5.16) Вз 4В]. Величина В2 столь мала, что перегрев вторичного зеркала очень слабо влияет на термонаведенное смещение фокальной плоскости.
3. Термоаберрации телескопа находятся в пределах допустимых значений, но в случае необходимости существенного увеличения времени съемки наиболее эффективным способом обеспечения максимальной термостабильности является принятие мер по снижению степени черноты внутренней поверхности корпуса, что обусловлено преобладающим влиянием на термоаберрацию его перегрева.
4. Выявленные закономерности присущи всем телескопам с кратковременным циклом функционирования и длительным восстановлением до начальных температур в периоды между съемками. Критерием кратковременности может служить отношение перегревов в конце циклов к стационарным перегревам. Перегревы в течение цикла работы могут оцениваться по формулам вида (5.15), а стационарные перегревы могут определяться из системы уравнений вида (5.5) при dTj/dx=0.
Цели исследований, сформулированные во введении и главе 1, достигнуты и получены следующие новые и полезные для практики результаты. 1. Получены аналитические описания коэффициентов облученности Землей и комбинированных коэффициентов облученности для расчетов поглощаемых корпусом телескопов космического базирования тепловых потоков. 2. Разработана математическая модель для расчетов нестационарных температур телескопов в зависимости от высоты и угла наклона орбиты КА носителя. Исследованы нестационарные температуры оболочечного КО в том числе телескопов в зависимости от толщины стенки и проведена классификация КО по преобладающему фактору теплового влияния в зависимости от высоты и наклона круговой орбиты. 3. Исследовано возможное влияние на динамику изменения температуры КО в зависимости от его полной теплоемкости, определяемой толщиной стенки, неоднородности подсветки Земли, вследствие неизотермичности и неоднородности отражательных характеристик для солнечного излучения. Определены границы влияния этого фактора и установлено, что для реальных телескопов оправдано использование модели Земли как изотермического шара с серой диффузной поверхностью. 4. Разработана методика расчета, позволяющая осуществлять тепловую компенсацию с целью поддержания постоянства температуры телескопа при его заходе в тень Земли за счет подогрева его корпуса. 5. Разработана методика расчета влияния на термоаберрации телескопов уровней температур корпуса и платформы крепления главного зеркала, что определяет требования к параметрам СОТР, которые находятся в противоречии. 6. Разработана методика расчета для определения требований к тепловой защите телескопа в процессе наблюдения за Землей, в частности, к температуре и длине бленды, при которых обеспечивается сохранение начального теплового баланса на входном зрачке. 129 7. Разработана математическая модель и методика расчета, позволяющая определять требования к ЭВТИ при наличии и отсутствии системы терморегулирования на основе радиационной панели и нагревателя. 8. Разработана методика расчетов термоаберраций телескопов с кратковременным циклом функционирования. Требования к параметрам тепловой схемы сводится к выбору полной теплоемкости оптических элементов и к определению необходимых коэффициентов отражения зеркал. Разработанные аналитические методы расчетов позволяют определять условия сохранения термостабильности телескопов ДЗЗ в дежурном режиме и в режиме наблюдения при движении по круговым орбитам, что особенно важно на начальных стадиях проектирования при выборе темломеханической схемы, типа и параметров СОТР и тепловой защиты. Разработанные методы пригодны для решения задач анализа и синтеза конструкции телескопов. Они могут применяться для герметичных термостатируемых конструкций телескопа, а также выносных, крепящихся к корпусу космического аппарата при помощи штанги.
