При проектировании телескопов космического базирования большое значение имеет обоснованное построение тепломеханической схемы и системы обеспечения теплового режима (СОТР), которые совместно должны обеспечивать сохранение высокого качества изображения в реальных условиях эксплуатации. Поэтому важная роль отводится расчетам тепловых режимов и термоаберраций в предполагаемых условиях функционирования. К настоящему времени накоплен значительный опыт в тепловом проектировании телескопов, отраженный в большом количестве публикаций [1−21]. Вместе с тем, назрела необходимость в разработке аналитических методов расчета тепловых режимов и термоаберраций космических телескопов, направленных на решение наиболее насущных задач теплового проектирования, а именно: при выборе параметров тепловой схемы и СОТР, а также способов тепловой защиты телескопа на начальных стадиях проектирования, когда выбор базовой схемы определяет направление дальнейших работ. При этом с самого начала должны быть учтены все факторы, проявляющиеся во всех предполагаемых режимах функционирования данного телескопа.
Для конкретизации предмета и объекта исследований данной диссертации необходимо дать определение основным понятиям, связанным с принципами обеспечения термостабильности телескопов.
1. Тепломеханическая схема (ТС) телескопа объединяет в себе оптическую систему с конкретными геометрическими параметрами и конструктивную основу, построенную с учетом требований к свойствам материалов, способов соединений элементов друг с другом, совместно обеспечивающих такое термонаведенное искажение конструкции в предполагаемых условиях эксплуатации, при котором реализуются минимальные термоаберрации телескопа.
2. СОТР телескопа — дополнительное устройство, поддерживающее заданные температуры конкретных элементов телескопа.
3. Тепловая защита телескопа — комплекс мер и реализующих их устройств, минимизирующих последствия влияний внешних тепловых воздействий на тепловой режим телескопа с целью сохранения его термостабильности.
На рисунке В.1 представлена конструктивно-функциональная схема телескопа Грегори, на которой в наглядном виде выделены тепломеханическая схема, СОТР и тепловая защита.
Тепломеханическая схема содержит: главное зеркало (1), вторичное зеркало (2), внутренний корпус (3), наружный корпус (4).
Система обеспечения теплового режима состоит из системы электронагреватель (5) — радиационная панель (6), соединенных тепловыми мостами (7).
Тепловая защита состоит из слоев ЭВТИ (8), бленды (9) с электронагревателем (5*) и защитных экранов (10).
Блок фото приемного устройства (11) включает узел фоточувствительных элементов (12) и автономную систему терморегулирования на основе радиационной панели (13), в которой температура регулируется за счет сброса в космос мощности тепловыделений в фотоприемном устройстве.
Стрелками указаны поглощаемые в зеркалах и внутреннем корпусе тепловые потоки от излучения Земли. Угол со охватывает границы падающих от Земли тепловых потоков.
Помимо представленной на рисунке В.1 схемы широко применяются конструкции телескопов Корша или те же системы Грегори, Кессегрена или Ричи-Кретьена, но со сканирующим плоским зеркалом на входном зрачке. В таких телескопах оптическая ось после отражения от главного зеркала разворачивается на 90° перед входом в оптическую систему. В этом случае ось симметрии телескопа и его корпуса (в форме цилиндра или параллелепипеда) совмещена с плоскостью местного горизонта. Это делает актуальным разработку методов расчета энергетического баланса и тепловых режимов не только для телескопов, направленных осью в надир, но и под углом в 90° к этому направлению.
Рисунок В.1 — Конструктивно-функциональная схема телескопа для дистанционного зондирования Земли.
При выборе ТС необходимо учитывать, что минимизации подлежит не термонаведенное искажение конструкции, а термоаберрация, поскольку возможны ситуации сохранения термостабильности телескопа при значительных температурных поводках конструкции, когда деформации ее элементов взаимно компенсируются.
При выборе СОТР необходимо исходить из учета влияния температур конструктивных элементов телескопа на величины термоаберраций (данные вопросы рассмотрены в главе 4) — надлежащий выбор типа и параметров СОТР обеспечивает заданный тепловой режим телескопа на стадии дежурного режима.
При выборе способов и параметров тепловой защиты необходимо иметь в виду и заранее знать меру тепловых воздействий в околоземном космическом пространстве (ОКП), нарушающих сформировавшийся тепловой режим перед началом наблюдений и искажающих последствия функционирования СОТР. Назначение тепловой защиты заключается в поддержании в течение необходимого времени (длительности наблюдения) минимальных отклонений теплового баланса телескопа от начального, задаваемого в дежурном режиме.
Наиболее ответственным этапом проектирования является прогноз изменения качества изображения телескопа в ОКП за счет влияния факторов внешнего теплового воздействия. Численные расчеты тепловых режимов, термических деформаций конструкции и последующие расчеты изменения качества изображения являются длительной и дорогостоящей процедурой, которая дает лишь конкретные результаты, но не отражает тенденции развития процесса, так как изменение качества изображения является многофакторным процессом, и его прогнозирование представляет собой сложную научно-техническую проблему. Эти обстоятельства стимулировали развитие аналитических методов расчетов, направленных на обеспечение термостабильности телескопов [15, 16]. Например, в диссертации Е. В. Лаповка [22] были йолучены формулы, связывающие термоаберрацию положения изображения непосредственно с внешними тепловыми воздействиями, не содержащие промежуточную информацию по температурным полям. Такие формулы были получены конкретно для солнечного телескопа космического базирования, разрабатываемого в Г АО РАН в рамках проекта «Астрометрия». Этот опыт представляется весьма удачным, поскольку в наглядном виде показывает влияние каждого из определяющих параметров на конечную величину, характеризующую качество изображения.
Необходимо отметить, что для целого класса космических телескопов, предназначенных для дистанционного зондирования Земли подобные исследования не проводились. Вместе с тем для таких телескопов реализуются сложные условия теплообмена с учетом различных реальных циклограмм наблюдений и перерывов при большом разнообразии параметров их орбиты, габаритов, длительности наблюдений, рабочим спектральным диапазонам при различных требованиях к качеству изображения.
Разработка методов расчета тепловых режимов и термоаберраций телескопов, устанавливаемых на космических аппаратах (КА), является актуальной задачей в виду быстрого увеличения их количества. Ошибки в тепловом проектировании могут привести к ухудшению качества изображения, вплоть до полного отказа аппаратуры в период эксплуатации, что не устранимо в условиях функционировании в открытом космосе и приводит к серьезным экономическим потерям (например, сбой в работе телескопа WISE [23].
Первые спутники для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) имели метеорологическое назначение. В СССР первый такой спутник был запущен в 1966 г. Началом современного этапа в развитии спутников ДЗЗ принято считать запуск программы Landsat (NASA 1972). За более чем тридцать лет ее функционирования накоплен огромный массив данных по мониторингу поверхности Земли. Прогресс в сфере компьютерных технологий позволил накапливать и обрабатывать в короткие сроки большие объемы информации, что дало новые возможности ДЗЗ. В настоящее время ДЗЗ представляет собой широкий спектр методов получения данных во всех диапазонах длин волн (от ультрафиолетового до радио диапазонов), различной площади обзора (от полушария до малых участков земной поверхности), а также различного пространственного разрешения (до нескольких метров) [24].
Сканирующие оптико-электронные системы (ОЭС) стали использоваться с середины 70-ых годов. В течение последних десяти лет на орбиту были выведены такие ОЭС, как КА Formosat-2 (в 2004 г. был запущен национальным агентством Тайваня — NSPO) [25], КА Монитор-Э (Российский Государственный космический научно-производственный центр им. Хруничева, 2005) [26], КА Ресурс-ДК (Российский Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» (ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»), 2006 г.) [27], КА Cartosat-2 (космическое агенство Индии — ISRO, 2007 г.) [28], КА World View-1 (компания DigitalGlobe, 2007 г), КА GeoEye-1 (компания GeoEye (США), 2008 г.) [29], группировка из пяти мини-спутников RapidEye (немецкая компания RapidEye AG, 2008 г.) [30], «Канопус-В» и Белорусский космический аппарат (БКА) (оба спутника созданы по одному проекту в ОАО «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» «имени А. Г. Иосифьяна по заказу Роскосмоса, МЧС, Минприроды, РАН и Росгидромета, запуск состоялся в 2012 г.) [31] и др. В настоящее время по данным [32] из функционирующих в ОКП 1016 спутников 9% (81 спутник) предназначен для ДЗЗ.
На IX научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» — «Системы ДЗЗ-2012» (1622 сентября 2012 г, Дивноморское) одним из основных направлений работы были системы ДЗЗ из космоса [33]. На конференции были предложены дополнительно новые направления развития:
• гидрометеорологическая космическая система для получения оперативной информации по арктическому региону («Арктика-М»);
• космическая система, обеспечивающая оперативное широкозахватное наблюдение территории Российской Федерации с помощью комплексов оптико-электронной целевой аппаратуры «Обзор-О».
Работа конференции была организована по пяти направлениям. Секция № 1 называлась «Системы дистанционного зондирования Земли из космоса» (11 докладов), секция № 2 — «Оптико-электронная аппаратура, устройства и датчики для систем наблюдения, мониторинга и ДЗЗ» (24 доклада).
Учитывая высокую актуальность, научную и практическую значимость развития теории для данного класса телескопов, в данной диссертации решена задача разработки комплексных аналитических методов расчета их тепловых режимов и термоаберраций, направленных на разработку методов обеспечения их термостабильности.
Актуальность работы.
К современным телескопам космического базирования, предназначенным для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), предъявляются 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 функциониро вания.
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 моделирован 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 40 000 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 таблиц и 29 рисунков.
Список литературы
насчитывает 74 наименования.
5.4 Выводы.
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 корпусапри 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) В3>4 В! 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 с1Т (/ёх=0.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
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.
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.
