RU2353923C1 - Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts - Google Patents
Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts Download PDFInfo
- Publication number
- RU2353923C1 RU2353923C1 RU2007124869/28A RU2007124869A RU2353923C1 RU 2353923 C1 RU2353923 C1 RU 2353923C1 RU 2007124869/28 A RU2007124869/28 A RU 2007124869/28A RU 2007124869 A RU2007124869 A RU 2007124869A RU 2353923 C1 RU2353923 C1 RU 2353923C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- assembly
- spacecraft
- base
- max
- assemblies
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к космической технике, а именно к контролю теплообмена космического аппарата (КА), с имитируемой в наземных вакуумных камерах космической средой при тепловакуумных испытаниях (ТВИ), с помощью тепловых приемников инфракрасного излучения.The invention relates to space technology, namely, to control the heat transfer of a spacecraft (SC), with a space environment simulated in ground-based vacuum chambers during thermal vacuum tests (TWI), using infrared thermal receivers.
Как правило, ТВИ подвергается КА или отдельные его элементы с весьма сложной конфигурацией внешней поверхности, температура которой целиком определяется тепловым балансом с окружающими элементами и внутренними источниками тепла. В тепловакуумных камерах (ТВК) моделируется положение КА и его ориентация относительно внешних источников энергии с помощью имитаторов теплового излучения, в частности имитаторов инфракрасного излучения (ИКИ). Особенностью КА, и это моделируется при испытаниях в ТВК, является то, что основным фактором, определяющим надежность и долговечность КА, является стабильность его теплового режима, находящегося в температурном интервале (200-350) К. То есть при температурах, которым соответствует максимум интенсивности инфракрасного излучения в области (7-15) мкм, характерного эффективному излучению КА. При этом интенсивность падающего излучения на отдельные участки внешней поверхности КА может меняться в широких пределах. Кроме того, необходимо учитывать, что изготовленные из различных материалов или имеющие разные покрытия, отдельные участки поверхности КА обладают разными оптическими характеристиками, являющимися в общем случае функцией длины волны излучения, направления лучей и температуры тела. Кроме того, если с какого-то участка поверхности "видны " другие поверхности КА, то эффективная степень черноты (ε) такого участка зависит еще и от геометрии тела, что делает точный теоретический расчет эффективной степени черноты практически невыполнимым [1, с.120]. Отсюда вытекает необходимость контроля как внешних тепловых потоков, падающих на контролируемый участок от ТВК (qтвк), включающая фоновую радиацию от элементов ТВК и от ИЖИ, так и эффективного излучения контролируемого участка КА (qKA).As a rule, TWI is subjected to spacecraft or its individual elements with a very complex configuration of the outer surface, the temperature of which is entirely determined by the heat balance with the surrounding elements and internal heat sources. In thermal vacuum chambers (TCEs), the position of the spacecraft and its orientation with respect to external energy sources are simulated using heat radiation simulators, in particular infrared radiation simulators (IKI). A feature of the spacecraft, and this is modeled during tests in TCEs, is that the main factor determining the reliability and durability of the spacecraft is the stability of its thermal regime, which is in the temperature range (200-350) K. That is, at temperatures that correspond to the maximum intensity infrared radiation in the region (7-15) microns, characteristic of the effective radiation of the spacecraft. In this case, the intensity of the incident radiation to individual parts of the outer surface of the spacecraft can vary over a wide range. In addition, it must be borne in mind that individual parts of the spacecraft surface made of different materials or having different coatings have different optical characteristics, which are generally a function of the radiation wavelength, direction of the rays, and body temperature. In addition, if other spacecraft surfaces are “visible” from some part of the surface, then the effective degree of blackness (ε) of such a part also depends on the geometry of the body, which makes an exact theoretical calculation of the effective degree of blackness practically impossible [1, p.120] . Hence the need to control both the external thermal fluxes incident on the controlled portion of TCEs (q TCEs) including background radiation from the elements and from TCEs IZHI and effective radiation controlled area CA (q KA).
Для измерения интенсивности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов используются калориметрические, термоэлектрические и фотометрические приемники лучистой энергии [2, с.130].Calorimetric, thermoelectric and photometric radiant energy detectors are used to measure the intensity of radiant fluxes during thermal vacuum tests of spacecraft [2, p.130].
Калориметрический приемник лучистой энергии представляет сосуд, стенки которого выложены витками тонкостенной металлической (медной) трубки, по которой протекает теплоноситель, подогреваемый поглощенной лучистой энергией, падающей на входную площадь калориметра. Внутренняя поверхность калориметра зачернена, что обусловливает отсутствие избирательности по длинам волн принимаемого излучения. Наружная теплоизоляция приемника обеспечивает отсутствие влияния посторонних тепловых потоков на его показания. По известному расходу теплоносителя и температуре его на входе и выходе из калориметра определяется поглощаемая мощность. Интенсивность лучистого потока определяется из равенства мощности, поглощенной теплоносителем и падающей на известную входную площадь калориметра.The calorimetric radiant energy receiver is a vessel, the walls of which are lined with turns of a thin-walled metal (copper) tube, through which a coolant flows, heated by absorbed radiant energy incident on the input area of the calorimeter. The inner surface of the calorimeter is blackened, which leads to the absence of selectivity for the wavelengths of the received radiation. The external thermal insulation of the receiver ensures that there is no influence of extraneous heat fluxes on its readings. The absorbed power is determined by the known flow rate of the coolant and its temperature at the inlet and outlet of the calorimeter. The intensity of the radiant flux is determined from the equality of power absorbed by the coolant and incident on the known input area of the calorimeter.
Недостатком этого приемника излучения является большая инерционность и необходимость ввода в ТВК гибких трубок для подачи воды [1, с.301].The disadvantage of this radiation receiver is the large inertia and the need to introduce flexible tubes into the TCEs for water supply [1, p. 301].
Термоэлектрические приемники лучистой энергии генерируют электрический сигнал, пропорциональный разности температур двух поверхностей, из которых одна воспринимает измеряемый лучистый поток, а вторая (тыльная) поддерживается при постоянной температуре. Облучаемая поверхность приемника чернится для ликвидации частотной избирательности, а тыльная сторона термостабилизируется с помощью циркулирующего теплоносителя или электрических подогревателей.Thermoelectric radiant energy receivers generate an electrical signal proportional to the temperature difference of two surfaces, one of which perceives the measured radiant flux, and the second (back) is maintained at a constant temperature. The irradiated surface of the receiver is blackened to eliminate frequency selectivity, and the back side is thermostabilized using a circulating coolant or electric heaters.
Недостатком таких приемников является их малая чувствительность [1, с.301].The disadvantage of such receivers is their low sensitivity [1, p. 301].
Фотометрические приемники лучистой энергии, как правило, - элементы солнечных батарей, преобразующих падающее на них излучение непосредственно в электрический ток. Однако эти элементы обладают существенной избирательностью по спектру поглощаемого излучения, а их сигнал зависит от температуры элемента [1, с.302].Photometric receivers of radiant energy, as a rule, are elements of solar cells that convert the radiation incident on them directly into electric current. However, these elements have significant selectivity in the spectrum of absorbed radiation, and their signal depends on the temperature of the element [1, p.302].
Наиболее близким по принципу действия и использованию термометрических свойств, заложенных в конструкцию устройства измерения интенсивности лучистых потоков, является напыленный металлический болометр [3, с.241], [4, с.50], [6, с.56], который выбран за прототип.The closest to the principle of action and the use of thermometric properties embedded in the design of the device for measuring the intensity of radiant fluxes is a sprayed metal bolometer [3, p. 241], [4, p. 50], [6, p. 56], which is chosen for prototype.
Устройство состоит из чувствительного элемента, представляющего токопроводящий слой металла, который наносится на диэлектрик, служащий электроизолирующей подложкой. Приготовленный подобным образом чувствительный элемент заключается в стеклянный баллон, в котором поддерживается определенное давление воздуха или какого-либо инертного газа. Баллон имеет окно из материала, прозрачного для излучения той области спектра, для которого предназначается болометр. Проволочные отводы от концов токопроводящего слоя выводят наружу из баллона. Посредством чувствительной аппаратуры измеряют сопротивление чувствительного элемента болометра и по величине этого сопротивления определяют температуру, приобретенную токопроводящим слоем (металлической лентой) вследствие поглощенного им теплового излучения. Таким образом, судят об интенсивности лучистого потока.The device consists of a sensitive element representing a conductive layer of metal, which is deposited on a dielectric that serves as an electrically insulating substrate. The sensing element prepared in this way consists of a glass container in which a certain pressure of air or some inert gas is maintained. The cylinder has a window made of a material that is transparent to radiation from the spectral region for which the bolometer is intended. Wire bends from the ends of the conductive layer are brought out from the cylinder. Using sensitive equipment, the resistance of the sensitive element of the bolometer is measured, and the temperature acquired by the conductive layer (metal tape) due to the thermal radiation absorbed is determined by the value of this resistance. Thus, the intensity of the radiant flux is judged.
К недостаткам устройства, помимо достаточной сложности конструкции и удорожания экспериментов, следует отнести то, что при измерении тепловых потоков в ТВК, в условиях низких температур (например, температуры жидкого азота), возможна конденсация влаги на чувствительном элементе и на окне баллона [4, с.88], что приведет к искажению результатов измерения и снижению надежности измерений.The disadvantages of the device, in addition to the sufficient complexity of the design and the cost of the experiments, include the fact that when measuring heat fluxes in TCEs, at low temperatures (for example, liquid nitrogen temperature), moisture condensation is possible on the sensitive element and on the cylinder window [4, p. .88], which will lead to a distortion of the measurement results and a decrease in the reliability of measurements.
Задачей изобретения является создание устройства измерения интенсивности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях КА, которое обладало бы достаточной простотой конструкции при его надежности измерений.The objective of the invention is to provide a device for measuring the intensity of radiant flux during thermal vacuum tests of a spacecraft, which would have sufficient simplicity of design with its reliability of measurements.
Задача решается устройством измерения интенсивности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов, включающим металлический токопроводящий чувствительный элемент, размещенный на электроизолирующей подложке, при этом устройство выполнено из двух рядом расположенных сборок, в каждой из которых чувствительный элемент на электроизолирующей подложке установлен внутри корпуса соответствующей сборки; корпус каждой из сборок выполнен из материала с высокой теплопроводностью и электроизолирован от чувствительного элемента на подложке; упомянутые корпуса выполнены в виде правильной прямой призмы и/или кругового прямого цилиндра; площади оснований корпусов каждой из двух сборок (so1 и so2) и площади боковых поверхностей корпусов этих сборок (sб1 и sб2) отвечают соотношениям sб1<so1 и sб2<so2, а высоты корпусов этих сборок (h1 и h2) и характерные размеры оснований этих корпусов (L1 и L2) отвечают соотношениям h1<<L1 и h2<<L2; для каждой из сборок одно основание корпуса выполнено с максимально высоким коэффициентом теплового излученияThe problem is solved by a device for measuring the intensity of radiant flux during thermal vacuum tests of spacecraft, including a metal conductive sensitive element placed on an electrically insulating substrate, while the device is made of two adjacent assemblies, in each of which a sensitive element on an electrically insulating substrate is installed inside the housing of the corresponding assembly; the housing of each of the assemblies is made of a material with high thermal conductivity and is electrically insulated from the sensing element on the substrate; said bodies are made in the form of a regular straight prism and / or circular straight cylinder; the base areas of the housings of each of the two assemblies (s o1 and s o2 ) and the area of the side surfaces of the housings of these assemblies (s b1 and s b2 ) correspond to the relations s b1 <s o1 and s b2 <s o2 , and the heights of the shells of these assemblies (h 1 and h 2 ) and the characteristic sizes of the bases of these buildings (L 1 and L 2 ) correspond to the relations h 1 << L 1 and h 2 << L 2 ; for each of the assemblies, one housing base is made with the highest possible coefficient of thermal radiation
(ε1 max>0,5 и ε2 max>0,5), а другое основание и боковая поверхность корпуса для каждой сборки выполнены с минимальным коэффициентом теплового излучения(ε 1 max > 0.5 and ε 2 max > 0.5), and the other base and side surface of the housing for each assembly are made with a minimum coefficient of thermal radiation
(ε1 min<0,5 и ε2 min<0,5); причем основание корпуса первой сборки с ε1 max установлено параллельно поверхности контролируемого участка космического аппарата и направлено в противоположную от него сторону, а основание корпуса второй сборки с ε2 max установлено параллельно поверхности контролируемого участка космического аппарата и направлено в его сторону.(ε 1 min <0.5 and ε 2 min <0.5); moreover, the base of the body of the first assembly with ε 1 max is installed parallel to the surface of the controlled portion of the spacecraft and directed in the opposite direction from it, and the base of the body of the second assembly with ε 2 max is installed parallel to the surface of the controlled portion of the spacecraft and directed towards it.
С целью снижения влияния утечек (или притока) теплового излучения через боковую поверхность корпуса каждой сборки и получения близкой к изотермичной поверхности корпуса необходимо, чтобы площади боковых поверхностей (sб1 и sб2) и значения коэффициента теплового излучения (ε1 min и ε2 min) были минимальны, поэтому предложено:In order to reduce the influence of leaks (or influx) of thermal radiation through the side surface of the housing of each assembly and obtain close to the isothermal surface of the body, it is necessary that the area of the side surfaces (s b1 and s b2 ) and the values of the coefficient of thermal radiation (ε 1 min and ε 2 min ) were minimal, therefore it was suggested:
1) выполнить корпуса каждой сборки, у которых высоты (h1 и h2) и характерные размеры оснований (Li и L2) отвечают соотношениям h1<<L1 и h2<<L2;1) execute the bodies of each assembly, in which the heights (h 1 and h 2 ) and the characteristic dimensions of the bases (L i and L 2 ) correspond to the relations h 1 << L 1 and h 2 << L 2 ;
2) специальной обработкой боковой поверхности (например, полировкой или нанесением тонкого слоя специального покрытия) получить минимальный коэффициент теплового излучения боковой поверхности корпусов каждой из сборок.2) by special processing of the side surface (for example, polishing or applying a thin layer of a special coating) to obtain the minimum coefficient of thermal radiation of the side surface of the bodies of each assembly.
Корпус каждой сборки предложено выполнить из Al, Cu, Ag или сплавов на их основе как металлов, имеющих наиболее высокие значения теплопроводности [5, с.340-343], что позволяет в равновесном состоянии для каждой сборки получить близкую к изотермичной поверхность корпуса. Данное обстоятельство (изотермичность корпуса каждой сборки) позволяет считать, что лучеиспускание по всей поверхности корпуса проходит в равных температурных условиях и будет использовано ниже при выводе соотношений для определении интенсивности лучистых потоков.It was proposed to make the case of each assembly of Al, Cu, Ag or alloys based on them as metals having the highest thermal conductivity values [5, p. 340-343], which makes it possible to obtain an almost insulated surface of the case for each assembly in the equilibrium state. This circumstance (isothermality of the casing of each assembly) allows us to assume that radiation emission over the entire surface of the casing takes place under equal temperature conditions and will be used below in deriving relations for determining the intensity of radiant fluxes.
Чтобы выявить, посредством фиксации температуры корпуса каждой сборки, влияние на тепловое состояние каждой сборки отдельно падающего излучения на контролируемый участок КА от окружающих КА тел, установленных в ТВК (qтвк), и эффективного излучения поверхности контролируемого участка КА (qКА), предложено одно основание корпуса у каждой сборки выполнять с максимально высоким коэффициентом теплового излучения (ε1 max>0,5 и ε2 max>0,5), а другое основание корпуса у каждой сборки выполнить с минимальным коэффициентом теплового излучения (ε1 min<0,5 и ε2 min<0,5).To identify, by fixing the temperature of the hull of each assembly, the effect on the thermal state of each assembly of separately incident radiation to the controlled spacecraft section from the bodies surrounding the spacecraft installed in the TCEs (q TVK ) and the effective radiation of the surface of the controlled spacecraft section (q spacecraft ), one the base of the case for each assembly should be performed with the highest possible coefficient of thermal radiation (ε 1 max > 0.5 and ε 2 max > 0.5), and the other base of the case for each assembly should be performed with the minimum coefficient of thermal radiation (ε 1 min <0, 5 and ε 2 min <0.5).
Для создания поверхности основания с максимально высоким коэффициентом теплового излучения предложено наносить на эту поверхность покрытие, обладающее высокой поглощательной способностью. Предложено выполнить покрытие из рыхлой "черни", представляющей металлическое вещество в мелкораздробленном состоянии, с толщиной слоя, достигающей 30-40 мкм и более, в соответствии с максимальными величинами длин волн поглощенного излучения. Предлагается этот слой покрытия рыхлой "черни" выполнять из Au, как имеющей максимальный коэффициент поглощения в широкой области длин волн [6, с.56]. Предложено также для получения поверхности с максимально высоким коэффициентом теплового излучения использовать покрытия на основе пигментов Al2О3, CaO, ZrO2, ZnO, CuO, как имеющих стабильные и наибольшие значения коэффициента теплового излучения в интервале температур ~100-300 К, соответствующем рабочим условиям предлагаемого устройства при ТВИ [5, с.779].To create the surface of the base with the highest possible coefficient of thermal radiation, it is proposed to apply a coating on this surface with a high absorption capacity. It is proposed to make a coating of friable "black", representing a metallic substance in a finely divided state, with a layer thickness reaching 30-40 microns or more, in accordance with the maximum wavelengths of the absorbed radiation. It is proposed that this coating layer of loose “mobile” be made of Au, as having a maximum absorption coefficient in a wide range of wavelengths [6, p. 56]. It has also been proposed to use coatings based on pigments Al 2 O 3 , CaO, ZrO 2 , ZnO, CuO to obtain a surface with the highest possible coefficient of thermal radiation, which have the stable and highest values of the coefficient of thermal radiation in the temperature range ~ 100-300 K, corresponding to working the conditions of the proposed device with TWI [5, p.779].
Для получения основания и боковой поверхности корпуса каждой сборки с минимальным коэффициентом теплового излучения (ε1 min<0,5 и ε2 min<0,5) предложено выполнить корпус из Al, Cu, Ag или сплавов на их основе. Полированные поверхности корпуса, выполненные из этих металлов, кроме высокой теплопроводности, имеют низкие коэффициенты теплового излучения [5, с.780-783].To obtain the base and side surface of the casing of each assembly with a minimum coefficient of thermal radiation (ε 1 min <0.5 and ε 2 min <0.5), it is proposed to make the casing of Al, Cu, Ag or alloys based on them. Polished housing surfaces made of these metals, in addition to high thermal conductivity, have low coefficients of thermal radiation [5, p. 780-783].
В случае использования устройства в условиях агрессивных сред, приводящих к увеличению коэффициента теплового излучения на поверхностях корпуса, где требуется низкий коэффициент теплового излучения, какой-либо из сборок, предложено эти поверхности защищать покрытием тонкого слоя (порядка или менее микрона) из благородных металлов или сплавов на их основе, как химически инертных [7, с.183], и затем также отполировать эти поверхности [5, с.783].In the case of using the device in aggressive environments, leading to an increase in the coefficient of thermal radiation on the surfaces of the case where a low coefficient of thermal radiation is required, one of the assemblies, it is proposed to protect these surfaces with a coating of a thin layer (of the order of or less than a micron) of precious metals or alloys based on them, as chemically inert [7, p.183], and then also polish these surfaces [5, p.783].
Суть изобретения поясняется на фиг.1-4. На фиг.1-4 приведен вариант конструктивного исполнения устройства, где первая сборка выполнена в виде правильной прямой призмы (прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием), а вторая сборка в виде кругового прямого цилиндра.The essence of the invention is illustrated in figures 1-4. Figure 1-4 shows an embodiment of the device, where the first assembly is made in the form of a regular straight prism (rectangular parallelepiped with a square base), and the second assembly is in the form of a circular straight cylinder.
На фиг.1-4 приведено устройство измерения интенсивности лучистых потоков, состоящее из двух сборок:Figure 1-4 shows a device for measuring the intensity of radiant flux, consisting of two assemblies:
1 - первая сборка, в которую входят: 2 - корпус; 3 - полость; 4 - чувствительный элемент; 5 - подложка; 6 - слой электроизоляции; 7 - основание; 8 - основание; 9 - боковая поверхность; 10 - токоподводы;1 - the first assembly, which includes: 2 - housing; 3 - cavity; 4 - a sensitive element; 5 - substrate; 6 - layer of electrical insulation; 7 - base; 8 - base; 9 - side surface; 10 - current leads;
11 - вторая сборка, в которую входят: 12 - корпус; 13 - полость; 14 - чувствительный элемент; 15 - подложка; 16 - слой электроизоляции; 17 - основание; 18 - основание; 19 - боковая поверхность; 20 - токоподводы.11 - the second assembly, which includes: 12 - housing; 13 - cavity; 14 - a sensitive element; 15 - substrate; 16 - layer of electrical insulation; 17 - base; 18 - base; 19 - side surface; 20 - current leads.
Устройство измерения интенсивности лучистых потоков состоит из двух сборок - первая сборка 1 и вторая сборка 11, каждая из которых состоит из корпусов 2 и 12, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, внутри которых в полостях 3 и 13 размещены чувствительные элементы 4 и 14 на электроизолирующих подложках 5 и 15. В каждой сборке чувствительные элементы 4 и 14 на подложках 5 и 15 отделены от корпусов 2 и 12 слоем электроизоляции 6 и 16. Корпуса 2 и 12 каждый состоят из двух оснований 7, 8 и 17, 18 соответственно и боковых поверхностей 9 и 19. Основания 7 и 17 выполнены с максимально высоким коэффициентом теплового излучения ε1 max для первой сборки 1 и ε2 max для второй сборки 11. Основания 8, 18 и боковые поверхности 9, 19 выполнены с минимальным коэффициентом теплового излучения ε1 min и ε2 min соответственно для первой сборки 1 и второй сборки 11. Чувствительные элементы 4 и 14 на подложках 5 и 15 имеют предварительно выполненные градуировочные характеристики, выраженные зависимостью сопротивления от температуры. Через электроизолированные токоподводы 10, 20 чувствительные элементы 4, 14 первой сборки 1 и второй сборки 11 могут включаться либо в мостовую схему, либо в схему с нагрузочным сопротивлением (не показаны), которые позволяют регистрировать изменение сопротивления чувствительных элементов 4 и 14 в зависимости от температуры корпусов 2 и 12. В первой сборке 1 на фиг.3 приведен вариант изготовления чувствительного элемента 4 прямоугольной намоткой (зигзаг) токопроводящей металлической проволоки или ленты, выполненных, например, из Cu или Pt на подложке 5. Во второй сборке 11 на фиг.4 приведен вариант изготовления чувствительного элемента 14 в виде спиральной намотки токопроводящей металлической проволоки или ленты, выполненных, например, из Cu или Pt на подложке 15.The device for measuring the intensity of radiant flux consists of two assemblies - the first assembly 1 and the
Устройство измерения интенсивности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов работает следующим образом.A device for measuring the intensity of radiant flux during thermal vacuum tests of spacecraft works as follows.
В соответствии с требованиями к испытаниям КА, предположим, требуется проведение ТВИ космического аппарата, помещенного в тепловакуумной камере (не показаны). Космический аппарат сложной формы, температура которого определяется тепловым балансом с окружающими телами, имитирующими внешнее воздействие на КА космической среды, в том числе размещенными в ТВК имитаторами инфракрасного излучения и криогенными экранами. Кроме того, в тепловом балансе КА учитываются источники внутреннего тепла от аппаратуры, размещенной на КА. В соответствии с предварительно выполненными теоретическими расчетами теплового режима КА в целом или отдельных элементов его конструкции устанавливают у каждого контролируемого участка КА, представляющего, по мнению экспериментатора, наибольший интерес, рядом расположенные первую сборку 1 и вторую сборку 11.In accordance with the requirements for testing the spacecraft, suppose that it is necessary to conduct a TWI of a spacecraft placed in a thermal vacuum chamber (not shown). A spacecraft of complex shape, the temperature of which is determined by the heat balance with the surrounding bodies that simulate the external effect on the spacecraft's spacecraft, including those placed in the TCEs with infrared radiation simulators and cryogenic screens. In addition, the heat balance of the spacecraft takes into account sources of internal heat from equipment placed on the spacecraft. In accordance with preliminary theoretical calculations of the thermal regime of the spacecraft as a whole or of individual elements of its design, each controlled section of the spacecraft, which, according to the experimenter, is of greatest interest, is located next to the first assembly 1 and the
В каждой из соответствующих сборок - первой сборке 1 и второй сборке 11 - чувствительные элементы 4 и 14 на электроизолирующих подложках 5 и 15 установлены внутри корпусов 2 и 12. Корпуса 2 и 12 каждой из сборок выполнены из материала с высокой теплопроводностью и электроизолированы от чувствительного элемента 4 и 14 на подложке 5 и 15 слоем электроизоляции 6 и 16. Корпуса 2 и 12 каждой из сборок выполнены в виде правильной прямой призмы и/или кругового прямого цилиндра. Соответственно для каждой сборки (первой сборки 1 и второй сборки 11) площади (so1 и so2) оснований 7, 8 и 17, 18 корпусов 2 и 12, а также площади (sб1 и sб2) боковых поверхностей 9 и 19 отвечают соотношениям sб1<so1 и sб2<so2. Высоты (h1 и h2) корпусов 2 и 12 и характерные размеры (L1 и L2) оснований 7, 8 и 17, 18 отвечают соотношениям h1<<L1 и h2<<L2. Для каждой сборки (первой сборки 1 и второй сборки 11) одно основание корпуса 7 и 17 выполнено с максимально высоким коэффициентом теплового излучения (ε1 max>0,5 и ε2 max>0,5), а другое основание 8 и 18 и боковая поверхность 9 и 19 корпуса 2 и 12 выполнены с минимальным коэффициентом теплового излучения (ε1 min<0,5 и ε2 min<0,5).In each of the respective assemblies — the first assembly 1 and the
Первую сборку 1 и вторую сборку 11 устанавливают так, чтобы для первой сборки 1 основание 7 с ε1 max корпуса 2 было параллельно поверхности контролируемого участка космического аппарата и направлено в противоположную от него сторону, а для второй сборки 11 основание 17 с ε2 max корпуса 12 установлено параллельно поверхности контролируемого участка космического аппарата и направлено в его сторону.The first assembly 1 and the
После проверки работоспособности аппаратуры КА и всех систем, обеспечивающих проведение ТВИ в ТВК, начинают испытания. Понижают давление в ТВК до 10-3…10-4 Па, охлаждают до температуры жидкого азота криогенные экраны, включают имитаторы ИКИ и аппаратуру, установленную на КА, и начинают эксперимент.After checking the operability of the spacecraft equipment and all systems that provide TWI in TCEs, they begin testing. Reduce the pressure in the TCEs to 10 -3 ... 10 -4 Pa, cool the cryogenic screens to the temperature of liquid nitrogen, turn on the IR simulators and the equipment installed on the spacecraft, and begin the experiment.
На основания 7 и 18 и на боковые поверхности 9 и 19 падает тепловое излучение от окружающих КА тел, установленных в ТВК (qтвк), а на основания 8 и 17 падает эффективное излучение поверхности контролируемого участка КА (qКА).On the
Лучистые потоки qтвк и qKA частично поглощаются корпусами 2 и 12, равномерно нагревая их, благодаря высокой теплопроводности материала, из которого выполнены эти корпуса 2 и 12. Кроме того, выполнение геометрических условийThe radiant fluxes q TVK and q KA are partially absorbed by the
(sб1<so1 и sб2<so2, при h1<<L1 и h2<<L2) и оптических (для боковых поверхностей 9 и 19 с ε1 min и ε2 min) также позволяет получить близкую к изотермичной поверхность корпусов 2 и 12.(s b1 <s o1 and s b2 <s o2 , for h 1 << L 1 and h 2 << L 2 ) and optical (for
Соответственно токопроводящая металлическая лента или проволока чувствительных элементов 4 и 14 нагревается до средней равновесной температуры корпусов 2 и 12.Accordingly, the conductive metal tape or wire of the
Токопроводящую металлическую ленту или проволоку чувствительных элементов 4 и 14 через токоподводы 10 и 20 включают в цепь тока небольшой величины. При этом напряжение на концах ленты или проволоки, меняющееся в зависимости от температуры среды (температуры корпусов 2 и 12), подводят к фиксирующему прибору (не показан). После достижения равновесного теплового состояния рассматриваемой системы одновременно проводят измерения электрического сопротивления металлической ленты или проволоки чувствительных элементов 4 и 14 и по градуировочным характеристикам, предварительно выполненным для данных чувствительных элементов 4 и 14, определяют температуру T1 корпуса 2 первой сборки 1 и температуру Т2 корпуса 12 второй сборки 11.A conductive metal strip or wire of the
Интенсивность лучистых потоков qтвк и qKA определяем из решения системы уравненийThe intensity of the radiant flux q TVK and q KA is determined from the solution of the system of equations
где ε1=ε1 max/ε1 min и ε2=ε2 max/ε2 min - относительные оптические параметры для первой сборки 1 и для второй сборки 11 соответственно;where ε 1 = ε 1 max / ε 1 min and ε 2 = ε 2 max / ε 2 min are the relative optical parameters for the first assembly 1 and for the
s 1=sб1/so1 и s
2=sб2/so2 - относительные геометрические параметры для первой сборки 1 и для второй сборки 11 соответственно; s 1 = s b1 / s o1 and s 2 = s b2 / s o2 are relative geometric parameters for the first assembly 1 and for the
σ - постоянная Стефана-Больцмана; σ=5,67·10-8 Вт/(м2·К4).σ is the Stefan-Boltzmann constant; σ = 5.67 · 10 -8 W / (m 2 · K 4 ).
Система уравнений (1) и (2) отвечает следующим предположениям:The system of equations (1) and (2) meets the following assumptions:
- энергия воспринимаемых корпусами 2 и 12 лучистых потоков отводится через их внешние поверхности в окружающую среду только излучением;- the energy of
- потери тепла через токоподводы 10 и 20 чувствительных элементов 4 и 14 пренебрежимо малы и в тепловом балансе не учитываются;- heat losses through
- корпуса 2 и 12 считаются изотермичными при установившемся тепловом состоянии рассматриваемой системы.-
Уравнения (1) и (2) получены из уравнений теплового баланса для первой сборки 1 и второй сборки 11 соответственно и имеют следующий вид:Equations (1) and (2) are obtained from the heat balance equations for the first assembly 1 and
В уравнениях (3) и (4) в левой части приведено поглощенное излучение каждым основанием и боковой поверхностью корпусов 2 и 12 от КА и элементов ТВК, а в правой части - собственное излучение каждого основания и боковой поверхности корпусов 2 и 12.Equations (3) and (4) on the left side show the absorbed radiation from each base and the side surface of the
В частном случае, когда для первой сборки 1 и для второй сборки 11 относительные оптические параметры ( и ) и относительные геометрические параметры ( и ) отвечают соотношениям и можно преобразовать уравнения (1) и (2) к видуIn the particular case when the relative optical parameters (for the first assembly 1 and for the
Решая систему уравнений (5) и (6), получаем выражения для определения интенсивности лучистых потоков qтвк и qКА в видеSolving the system of equations (5) and (6), we obtain expressions for determining the intensity of the radiant fluxes q TVK and q KA in the form
где - безразмерный коэффициент.Where - dimensionless coefficient.
Данный частный случай легко реализуется при изготовлении двух одинаковых по своей конструкции и характеристикам сборок.This particular case is easily realized in the manufacture of two assemblies that are identical in design and characteristics.
Приведем расчетный пример применения устройства измерения интенсивности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов.We give a calculated example of the use of a device for measuring the intensity of radiant fluxes during thermal vacuum tests of spacecraft.
Размерности всех параметров в расчетном примере приведены в Международной системе единиц.The dimensions of all parameters in the calculation example are given in the International system of units.
Помещаем КА в ТВК. Вблизи контролируемого участка КА устанавливаем рядом расположенные первую сборку 1 и вторую сборку 11. Устанавливаем первую сборку 1 так, чтобы основание 7 с ε1 max было параллельно поверхности контролируемого участка КА и направлено в противоположную от него сторону, а вторую сборку 2 - так, чтобы основание 17 с ε2 max было параллельно поверхности контролируемого участка КА и направлено в его сторону. Положим, что корпус 2 первой сборки 1 выполнен из Ag в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, а корпус 12 второй сборки 11 выполнен из Ag в виде кругового прямого цилиндра, как показано на фиг.1 - 4. Для каждой сборки в полостях 3, 13 через слой электроизоляции 6, 16 размещены чувствительные элементы 4 и 14 (например, тонкий медный провод, намотанный в виде плоской таблетки) на подложках 5, 15.We put the spacecraft in the TCEs. Near the controlled spacecraft section, we install the first assembly 1 and the
Положим, что корпуса 2 и 12 выполнены со следующими геометрическими характеристиками: h1=3·10-3 м; h2=3·10-3 м; L1=2·10-2 м; L2=2·10-2 м. Площади оснований и боковые поверхности корпусов 2 и 12 будут соответственно составлять:Suppose that the
so1=4·10-4 м2; sб1=2,4·10-4 м2; so2=π·10-4~3,14·10-4 м2; sб2=π·6·10-5~1,9·10-4 м2. При этом относительные геометрические параметры у корпусов 2 и 12 имеют значения s
1=0,6 и s
2=0,6.s o1 = 4 · 10 -4 m 2 ; s b1 = 2.4 · 10 -4 m 2 ; s o2 = π · 10 -4 ~ 3.14 · 10 -4 m 2 ; s b2 = π · 6 · 10 -5 ~ 1.9 · 10 -4 m 2 . In this case, the relative geometric parameters for
Положим, что основания 7, 17 выполнены с максимальным коэффициентом теплового излучения: ε1 max=0,95 и ε2 max=0,95. Поверхности оснований 8, 18 корпусов 2, 12 и боковые поверхности 9, 19 для создания поверхностей с минимальным коэффициентом теплового излучения отполированы. Положим, что для этих поверхностей ε1 min=0,05 и ε2 min=0,05. При этом относительные оптические параметры у первой сборки 1 и у второй сборки 11 имеют значения ε
1=19 и ε
2=19 соответственно.Suppose that the
Интенсивность лучистых потоков qтвк и·qKA можно определить из системы уравнений (1) и (2), однако для нашего случая верны соотношения и , поэтому qтвк и qKA определяем из (7) и (8).The intensity of radiant fluxes q TVK and · q KA can be determined from the system of equations (1) and (2), however, for our case, the relations and , therefore, q TVK and q KA are determined from (7) and (8).
Предварительно определим безразмерный коэффициент k, зная и ,We first determine the dimensionless coefficient k, knowing and ,
По достижении в ТВК давления 10-3-10-4 Па криогенные экраны охлаждают до температуры жидкого азота, включают ИКИ, установленную в ТВК, и аппаратуру, установленную на КА, после чего начинают эксперимент.Upon reaching a pressure of 10 -3 -10 -4 Pa in the TCEs, the cryogenic screens are cooled to the temperature of liquid nitrogen, they include the IRI installed in the TCEs and the equipment installed on the SC, and then the experiment is started.
Лучистые потоки qтвк и qKA частично поглощаются корпусом 2 первой сборки 1 и корпусом 12 второй сборки 11, равномерно нагревая их и соответственно токопроводящие металлические провода чувствительных элементов 4, 14 до средней равновесной температуры этих корпусов 2, 12. С помощью предварительно выполненных градуировочных характеристик чувствительных элементов 4, 14 одновременно определяем температуру T1 корпуса 2 для первой сборки 1 (положим зафиксировали T1=150 К) и температуру Т2 корпуса 12 для второй сборки 11 (положим зафиксировали Т2=120 К).The radiant fluxes q TVK and q KA are partially absorbed by the housing 2 of the first assembly 1 and the
Подставляем в соотношения (7) и (8) известные значения k, а также зафиксированные T1, Т2 и определяем интенсивность лучистых потоков qтвк и qKA:We substitute the known values into relations (7) and (8) k, as well as the recorded T 1 , T 2 and determine the intensity of the radiant flux q TVK and q KA :
qтвк=k·σ·(ε·T1 4-T2 4)=1/18·5,67·10-8·[19·1504-1204]≅29,6 Вт/м2;q TWC = k · σ · ( ε · T 1 4 -T 2 4 ) = 1/18 · 5.67 · 10 -8 · [19 · 150 4 -120 4 ] ≅29.6 W / m 2 ;
qKA=k·σ·[(ε+s)·T2 4-(1+s)·T1 4]=1/18·5,67·10-8·[(19+0,6)·1204-(1+0,6)·1504]≅10,3 Вт/м2.q KA = k · σ · [( ε + s ) · T 2 4 - (1+ s ) · T 1 4 ] = 1/18 · 5.67 · 10 -8 · [(19 + 0.6) · 120 4 - (1 + 0.6) · 150 4 ] ≅10.3 W / m 2 .
Применение предлагаемой конструкции устройства измерения интенсивности лучистых потоков при тепловакуумных испытаниях космических аппаратов позволяет:Application of the proposed design of a device for measuring the intensity of radiant fluxes during thermal vacuum tests of spacecraft allows:
1) осуществлять контроль величины тепловых потоков, падающих на контролируемый участок КА, и эффективного излучения контролируемого участка КА;1) to control the magnitude of the heat flux incident on the controlled portion of the spacecraft, and the effective radiation of the controlled portion of the spacecraft;
2) использовать предлагаемую конструкцию устройства и способ его реализации в функциональном контроле и диагностике системы обеспечения теплового режима космического аппарата при тепловакуумных испытаниях;2) use the proposed design of the device and the method of its implementation in the functional control and diagnostics of the system for ensuring the thermal regime of the spacecraft during thermal vacuum tests;
3) сократить стоимость наземной экспериментальной отработки КА в условиях моделирования космической среды в ТВК благодаря простоте конструкции устройства и способа его реализации;3) reduce the cost of ground-based experimental testing of spacecraft in the conditions of modeling the space environment in TCEs due to the simplicity of the design of the device and the method of its implementation;
4) определить распределение плотности тепловых потоков по внешней поверхности КА, при использовании простого аналитического аппарата и методики проведения эксперимента;4) determine the distribution of the density of heat fluxes on the outer surface of the spacecraft, using a simple analytical apparatus and experimental techniques;
5) измерять величину интенсивности лучистых потоков по предложенным функциональным зависимостям, включающим минимальное число контролирующих процесс параметров, влияющих на точность измерений;5) measure the magnitude of the intensity of radiant fluxes according to the proposed functional dependencies, including the minimum number of process-controlling parameters that affect the accuracy of measurements;
6) автоматизировать процесс экспериментального определения лучистых потоков в тепловакуумной камере, используя информацию, поступающую с соответствующих термочувствительных элементов.6) to automate the process of experimental determination of radiant fluxes in a heat-vacuum chamber, using information from the corresponding heat-sensitive elements.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. Под ред. акад. Г.И.Петрова. М.: Машиностроение, 1971.1. Modeling of the thermal conditions of the spacecraft and its environment. Ed. Acad. G.I. Petrova. M .: Mechanical Engineering, 1971.
2. О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982.2. O. B. Andreychuk, N. N. Malakhov. Thermal tests of spacecraft. M .: Engineering, 1982.
3. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978.3. Kriksunov L.Z. Guide to the basics of infrared technology. M .: Soviet radio, 1978.
4. М.Н.Марков. Приемники инфракрасного излучения. М.: Наука, 1968.4. M.N. Markov. Infrared receivers. M .: Nauka, 1968.
5. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.5. Physical quantities. Handbook Ed. I.S. Grigorieva, E.Z. Meilikhova. M .: Energoatomizdat, 1991.
6. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983.6. Physical encyclopedic dictionary. M .: Soviet Encyclopedia, 1983.
7. Большой энциклопедический словарь политехнический. Гл. ред. А.Ю.Ишлинский. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.7. Large Encyclopedic Dictionary of the Polytechnic. Ch. ed. A.Yu. Ishlinsky. M .: Big Russian Encyclopedia, 2000.
8. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986.8. I.N. Bronstein, K.A.Semendyaev. A reference book in mathematics for engineers and students of technical colleges. M .: Nauka, 1986.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007124869/28A RU2353923C9 (en) | 2007-07-02 | 2007-07-02 | Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007124869/28A RU2353923C9 (en) | 2007-07-02 | 2007-07-02 | Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007124869A RU2007124869A (en) | 2009-01-10 |
RU2353923C1 true RU2353923C1 (en) | 2009-04-27 |
RU2353923C9 RU2353923C9 (en) | 2009-08-10 |
Family
ID=40373827
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007124869/28A RU2353923C9 (en) | 2007-07-02 | 2007-07-02 | Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2353923C9 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2449263C1 (en) * | 2010-09-08 | 2012-04-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft |
RU2485548C2 (en) * | 2011-06-30 | 2013-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Device of measuring optical characteristics of stroke-compacted transparent materials of spacecraft construction elements |
RU2530446C1 (en) * | 2013-02-13 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Device and method for measurement of incident heat flow density at heat vacuum tests of spacecraft |
RU2562277C1 (en) * | 2014-05-16 | 2015-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Temperature field simulating unit |
EA022126B1 (en) * | 2013-02-18 | 2015-11-30 | Государственное Научное Учреждение "Институт Тепло- И Массообмена Имени А.В. Лыкова Национальной Академии Наук Беларуси" | Method of measuring radiant heat flux in vacuum |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2451971C1 (en) * | 2010-12-08 | 2012-05-27 | Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (ОАО "ОНПП "Технология") | Method of setting thermal conditions of ceramic rocket cowlings |
-
2007
- 2007-07-02 RU RU2007124869/28A patent/RU2353923C9/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2449263C1 (en) * | 2010-09-08 | 2012-04-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft |
RU2485548C2 (en) * | 2011-06-30 | 2013-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Device of measuring optical characteristics of stroke-compacted transparent materials of spacecraft construction elements |
RU2530446C1 (en) * | 2013-02-13 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Device and method for measurement of incident heat flow density at heat vacuum tests of spacecraft |
EA022126B1 (en) * | 2013-02-18 | 2015-11-30 | Государственное Научное Учреждение "Институт Тепло- И Массообмена Имени А.В. Лыкова Национальной Академии Наук Беларуси" | Method of measuring radiant heat flux in vacuum |
RU2562277C1 (en) * | 2014-05-16 | 2015-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Temperature field simulating unit |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007124869A (en) | 2009-01-10 |
RU2353923C9 (en) | 2009-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2353923C1 (en) | Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts | |
RU2354960C9 (en) | Device for measuring intensity of luminous flux in thermal-vacuum tests of spacecraft and method of using it | |
Quinn et al. | A radiometric determination of the Stefan-Boltzmann constant and thermodynamic temperatures between-40 C and+ 100 C | |
US4906105A (en) | Measurement of thermal conditions | |
US3601611A (en) | Primary absolute radiometer | |
US3765238A (en) | Heat flow meter | |
EP3598090A1 (en) | Apparatus for temperature sensing of an object of interest | |
US3531991A (en) | Mean radiation temperature meter | |
Edwards et al. | The Determination of Photon Flux for Energies between 150 and 300 Mev | |
EP1347289A2 (en) | Heat transmission coefficient measuring apparatus | |
CN107941351A (en) | The infrared scaling light source applied under the conditions of vacuum and low temperature | |
Kendall | Primary absolute cavity radiometer | |
CN112595750A (en) | Near-field thermal radiation detector based on transient plane heat source and measuring method | |
RU2449263C1 (en) | Apparatus and method of controlling radiation flux when conducting ground-based thermal-vacuum tests on spacecraft | |
CN110050176B (en) | Infrared image sensor | |
Gerashchenko | Fundamentals of heat measurement | |
RU2701187C1 (en) | Terahertz radiation receiver based on an vox film | |
RU2530446C1 (en) | Device and method for measurement of incident heat flow density at heat vacuum tests of spacecraft | |
RU2180098C2 (en) | Device determining intensity of infrared irradiation | |
US3700503A (en) | Irradiance measuring device | |
Yoo et al. | Realization of a radiation temperature scale from 0 C to 232 C by a thermal infrared thermometer based on a multiple-fixed-point technique | |
Sarajlić et al. | Thin-film four-resistor temperature sensor for measurements in air | |
RU2341422C2 (en) | Screen-vacuum heat insulation thermal resistance detector for system of spacecraft thermal control | |
CN108828005A (en) | A kind of experimental system and method based on sonde method measurement powder thermal coefficient | |
CN112964396B (en) | Calorimeter based on radiation temperature measurement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160703 |