Вакуумно-температурные испытания

Рассмотренные на предыдущей лекции тепловакуумные установки используются не только для проведения тепловакуумных испытаний, осуществляемых с целью экспериментального исследования теплового состояния испытуемого объекта (КА или отдельных его частей) в условиях имитации его внешнего и внутреннего теплообмена, но и для проведения вакуумно-температурных испытаний, в процессе которых проверяется работоспособность каких - то узлов и механизмов КА в условиях реализации на элементах конструкции испытуемого объекта экстремальных расчетных или экспериментально выявленных значений температур. В этом случае имитационные системы тепловакуумной установки призваны обеспечить реализацию на элементах конструкции испытуемого объекта, какого - то заданного поля температур, чаще всего равномерного.

Вакуумно-температурные испытания могут проводиться в установках, оснащенных системой вакуумирования, системой криогенных экранов и имитатором расчетных внешних тепловых потоков, выполненным в виде совокупности условно точечных или линейчатых излучателей, которые размещаются на каком - либо каркасе вокруг испытуемого объекта. Здесь речь идет об имитаторах такого же типа, как и имитаторы воспроизведения расчетного теплового воздействия планет на поверхность КА. Об этих имитаторах - их конструктивных особенностях, о методике выбора оптимального режима работы, обеспечивающего максимально возможную точность моделирования расчетных тепловых потоков, - уже говорилось на предыдущей лекции. Однако выбор режима имитатора при вакуумно-температурных испытаниях существенно отличается от решения аналогичной задачи при тепловакуумных испытаниях. Наличие в экспериментальной установке имитатора солнечного излучения не является обязательным.

Следует заметить, что какое - то заданное переменное по поверхности элементов испытуемого объекта поле температур в процессе вакуумно-температурных испытаний воспроизвести в общем случае не удастся хотя бы потому, что задаваемое расчетное или экспериментально выявленное поле температур может формироваться в процессе сложного теплообмена (радиационного, кондуктивного, а часто внутреннего конвективного), надежно смоделировать который в виде функциональной зависимости энергетических параметров излучателей имитатора от геометрических, радиационных, а главное, теплофизических и конструктивных характеристик элементов испытуемого объекта практически невозможно, ввиду сложности и значительной неопределенности внутренних тепловых связей между элементами КА. Осуществимо лишь, и то при определенных условиях и с какой - то степенью приближения, воспроизведение или однородного поля температур, или неоднородного, но по поверхности, у которой локальный тепловой режим формируется в основном за счет внешнего теплообмена.

В первом случае рекомендуется следующий методический подход к выбору режима работы имитатора. В рабочей зоне с объемом, соответствующим объему испытуемого объекта, выбирается какое - то число характерных точек и предполагается, что в каждой точке размещены 6 незатеняющих друг друга элементарных площадок с нормалями, коллинеарными координатным осям некоторой стендовой цилиндрической системы координат. Режим работы имитатора будем выбирать из условия достижения максимальной точности воспроизведения требуемой температуры у введенных в рассмотрение элементарных тепловоспринимающих площадок. Количественно точность условимся характеризовать среднеквадратичной погрешностью воспроизведения температуры на поверхности элементарных площадок. При этом будем предполагать, что радиационные характеристики поверхности элементарных площадок соответствуют локальным (в выбранных точках) характеристикам поверхности испытуемого объекта.

В условиях тепловакуумной установки температура какого-то - го тепловоспринимающего элемента определяется величиной плотности поглощаемого поверхностью элемента теплового потока и степенью черноты поверхности элемента, то есть (1).

Если имитатор включает в себя одинаковых по конструкции излучателей (модулей), то (2), где - единичный вектор, направленный от излучателя к тепловоспринимающему элементу; - индикатриса излучения модуля; - поглощательная способность - го тепловоспринимающего элемента по отношению к излучению - го модуля; - локальный угловой коэффициент - го элемента и - го излучателя.

Для удовлетворения критерия оптимальности режима работы имитатора (минимум среднеквадратичной погрешности воспроизведения на элементарных площадках температуры ) введем в рассмотрение функцию

(3), являющуюся функцией переменных ( ). Для определения оптимальных значений воспользуемся необходимым условием существования экстремума функции многих переменных при наличии следующего ограничения на искомые величины, вытекающего из их физического смысла: . То есть задача минимизации целевой функции решается также, как решалась задача минимизации целевой функции в случае имитатора, воспроизводящего расчетные внешние тепловые потоки при проведении тепловакуумных испытаний. Эта задача рассматривалась на предыдущей лекции.

Что касается упомянутой выше задачи воспроизведение неоднородного поля температур, но по поверхности, у которой локальный тепловой режим формируется в основном за счет внешнего теплообмена, то ее можно решать используя такой же методический подход, как и при выборе режима работы имитатора, обеспечивающего проведение тепловакуумных испытаний, то есть в качестве целевой функции можно использовать функцию .