Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 22-37

Температурное состояние оболочки калибровочного космического аппарата на теневом участке околоземной орбиты

Зарубин В. С., Зимин В. Н., Кувыркин Г. Н.

https://doi.org/10.7463/aersp.0416.0846458

Аннотация

Для оценки энергетического потенциала радиолокационного канала наземного комплекса контроля движения космических объектов применяют калибровочные космические аппараты (ККА). Одним из вариантов геометрической формы таких ККА является выполненная с высокой точностью сферическая оболочка. Такая же форма характерна для пассивных ретрансляторов сигналов и некоторых типов эталонных отражателей. Наряду с орбитами, близкими к полярным, указанные ККА могут находиться и на круговых и эллиптических околоземных орбитах, имеющих участки, затененные Землей от облучения Солнцем.

 Можно считать, что на затененном участке околоземной орбиты оболочка ККА подвергается тепловому воздействию лишь собственного излучения поверхности Земли, интенсивность которого существенно меньше по сравнению с интенсивностью достигающего околоземного пространства теплового излучения Солнца. В связи с этим следует ожидать более низкого уровня температуры оболочки на этом участке орбиты по сравнению с ее температурой на участке, освещенном Солнцем. Это вызовет значительное изменение температуры оболочки ККА в пределах одного периода его обращения вокруг Земли. Длительное циклическое изменение температурного состояния оболочки ККА может ограничить ресурс работоспособности ее материала.

 В качестве материала оболочки обычно используют полимерную пленку толщиной несколько десятков микрометров, покрытую тонким слоем (толщиной несколько нанометров) напыленного алюминия, необходимого исходя их эксплуатационных требований к ККА. После вывода ККА на околоземную орбиту оболочка принимает сферическую форму благодаря сравнительно невысокому давлению, создаваемому наполняющим ее газом. В этом случае возможно получить сферическую оболочку достаточно большого диаметра, что характерно для современных тенденций развертывания на орбите крупногабаритных трансформируемых конструкций.

 Для прогноза ресурса работоспособности материала оболочки необходимо располагать информацией о распределении температуры по ее поверхности не только на освещенном, но и на затененном участке орбиты. Количественный анализ температурного состояния оболочки ККА может быть проведен методами математического моделирования, используя ее тепловую модель. В данной работе формирование такой модели для сферической оболочки применительно к условиям на затененном участке орбиты проведено в три этапа.

 На первом этапе для произвольного участка наружной поверхности оболочки определена плотность падающего на него собственного излучения Земли в предположении, что угловое распределение интенсивности этого излучения по направлениям подчиняется закону Ламберта. В зависимости от оптических характеристик наружной поверхности часть этого излучения поглощается наружной поверхностью оболочки. На втором этапе построена тепловая модель сферической оболочки, устанавливающая закономерность перераспределения поглощенной энергии путем ее излучения с внутренней поверхности оболочки с учетом эффекта переизлучения между вогнутыми участками этой поверхности. Наконец, на третьем этапе использовано соотношение локального теплового баланса отдельного участка оболочки, позволяющее найти значение температуры этого участка, а затем построить распределение температуры по всей поверхности оболочки.

Список литературы

1. Малые космические аппараты информационного обеспечения / Под ред. Фатеева В.Ф. М.: Радиотехника, 2010. 320 с.

2. Мащенко А.Н., Паппо-Корыстин В.Н., Пащенко В.А., Васильев В.Г. Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро "Южное". Днепропетровск: ГКБ "Южное" им. М.К. Янгеля, 2000. 240 с.

3. Тарасенко М.В. Военные аспекты советской космонавтики. М.: Агентство Российской печати, ТОО «Николь», 1992. 164 с.

4. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Локальное распределение температуры на поверхности космического аппарата при неравномерном солнечном облучении // Аэрокосмический научный журнал. Электрон. журн. 2015. № 5. С. 49-63. DOI: 10.7463/aersp.0515.0820883

5. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Кувыркин Г.Н. Температурное состояние и отклонение формы сферической оболочки космического калибровочно-юстировочного аппарата // Аэрокосмический научный журнал. Электрон. журн. 2016. № 1. С. 27 -45. DOI: 10.7463/aersp.0116.0831867

6. Зарубин В.С. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1966. 216 с.

7. Optical Calibration Sphere Experiment. eoPortal Directory: веб-сайт. Режим доступа: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jawsat#foot4%29 (дата обращения 15.08.2016).

8. Зимин В.Н. К вопросу моделирования и расчета динамики раскрытия трансформируемых космических конструкций // Оборонная техника. 2006. № 1. С. 123-127.

9. Зарубин В.С. Моделирование. М.: Издательский центр "Академия", 2013. 336 с.

10. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Особенности математического моделирования технических устройств // Математическое моделирование и численные методы. 2014. № 1(1). С. 5-17. DOI: 10.18698/2309-3684-2014-1-517

11. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математическое моделирование термомеханических процессов при интенсивном тепловом воздействии // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41, № 2. С. 300-309.

12. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением: пер. с англ. М.: Мир, 1975. 934 с.

13. Павлов А.В. Оптико-электронные приборы. М.: Энергия, 1974. 360 с.

14. Кондратьев К.Я., Дьяченко Л.Н., Козодеров В.В. Радиационный баланс Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 350 с.

15. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / Под ред. Кошкина В.К. М.: Машиностроение, 1975. 624 с.

16. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1963. 1100 с.

17. Бюллер К.У. Тепло- и термостойкие полимеры: Пер. с нем. М.: Химия, 1984. 1056 с.

18. Аналитический портал химической промышленности: веб-сайт. Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/production.php?cat-id=52&cat-parent=7&level=3 (дата обращения 12.08.2016).

19. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: Справочник. М.: Атомиздат, 1968. 484 с.

20. Власова Е.А., Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Приближенные методы математической физики. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 700 с.

21. Многослойные и комбинированные пленочные материалы и изделия них. RCC Group: веб-сайт. Режим доступа: http://www.rccgroup.ru/plast/wp-content/uploads/3.9.-Ivanenko.ppt (дата обращения 12.08.2016).

22. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под общ. ред. Шейндлина А.Е. М.: Энегия, 1974. 472 с.

23. Обзор базовых свойств и сфер применения политетрафторэтилена (PTFE). Engplast: веб-сайт. Режим доступа: http://www.engplast.ru/entry.php?198&id=2 (дата обращения 12.08.2016).

Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 22-37

The Temperature Shell Condition of Calibration Spacecraft at the Shadow Area of the Earth Orbit

Zarubin V. S., Zimin V. N., Kuvyrkin G. N.

https://doi.org/10.7463/aersp.0416.0846458

Abstract

Сalibration spacecraft (CSC) is used to assess the energy potential of the radar channel of a ground-based complex for the motion control of space objects. A high precision spherical shell is one option for the geometric shape of such a CSC. The passive repeaters of signals and some types of reference reflectors have a shape of the same character. Along with the orbits close to the Arctic ones, said CSC may be in the circular and elliptical earth orbits, which have areas shaded by the Earth from the sun rays.

We can assume that in the shaded area of the earth orbit the CSC shell is under temperature extremes only of the intrinsic radiation of the Earth surface, the intensity of which is substantially less than the intensity of the Sun heat radiation that reaches the near-Earth space. In this regard, one should expect a lower temperature of the shell in this area of the orbit as compared with its temperature in the sun-lit area. This will cause a significant change in CSC shell temperature within a period of its revolution around the Earth. Long-term cyclic change of the temperature condition of the CSC shell may restrict the resource efficiency of its material.

As the shell material, is, usually, used a polymer film with several tens of microns in thickness, covered by a thin layer (a few nanometers of thickness) of deposited aluminum that is necessary to meet the CSC performance requirements. Following the CSC Earth orbital injection the shell takes a spherical shape due to the relatively low pressure produced by gas that fills it. In this case it is possible to obtain a spherical shell of a sufficiently large diameter, which is specific for the modern trends in deployment of large orbit transformable structures.

To predict the health of the shell material resource is necessary to have information on the temperature distribution across its surface not only in the lit but also in the shaded area of the orbit. A quantitative analysis of the temperature condition of the CSC shell can be conducted through mathematical modeling, using its thermal model. The paper offers three stages to create such a model for a spherical shell as applied to the conditions in the shaded area of the orbit.

At the first step for an arbitrary portion of the outer surface of the shell is determined a density of the incident-on-it intristic Earth's radiation on the premise that the angular distribution of intensity of this radiation according to directions obeys Lambert's law. Depending on the optical characteristics of the outer surface, part of this radiation is absorbed by the outer surface of the shell. The second stage builds a thermal model of a spherical shell, which establishes a pattern of redistribution of energy absorbed by radiation from its inner surface with regard a reradiation effect between the concave portions of the surface. Finally, the third stage uses the ratio of the local heat balance of a separate shell portion, which allows you to find the temperature of this portion, and then build the temperature distribution across the entire surface of the shell.

References

1. Malye kosmicheskie apparaty informatsionnogo obespecheniya / Pod red. Fateeva V.F. M.: Radiotekhnika, 2010. 320 s.

2. Mashchenko A.N., Pappo-Korystin V.N., Pashchenko V.A., Vasil'ev V.G. Rakety i kosmicheskie apparaty konstruktorskogo byuro "Yuzhnoe". Dnepropetrovsk: GKB "Yuzhnoe" im. M.K. Yangelya, 2000. 240 s.

3. Tarasenko M.V. Voennye aspekty sovetskoi kosmonavtiki. M.: Agentstvo Rossiiskoi pechati, TOO «Nikol'», 1992. 164 s.

4. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N., Savel'eva I.Yu. Lokal'noe raspredelenie temperatury na poverkhnosti kosmicheskogo apparata pri neravnomernom solnechnom obluchenii // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. Elektron. zhurn. 2015. № 5. S. 49-63. DOI: 10.7463/aersp.0515.0820883

5. Zarubin V.S., Zimin V.N., Kuvyrkin G.N. Temperaturnoe sostoyanie i otklonenie formy sfericheskoi obolochki kosmicheskogo kalibrovochno-yustirovochnogo apparata // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. Elektron. zhurn. 2016. № 1. S. 27 -45. DOI: 10.7463/aersp.0116.0831867

6. Zarubin V.S. Temperaturnye polya v konstruktsii letatel'nykh apparatov. M.: Mashinostroenie, 1966. 216 s.

7. Optical Calibration Sphere Experiment. eoPortal Directory: veb-sait. Rezhim dostupa: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jawsat#foot4%29 (data obrashcheniya 15.08.2016).

8. Zimin V.N. K voprosu modelirovaniya i rascheta dinamiki raskrytiya transformiruemykh kosmicheskikh konstruktsii // Oboronnaya tekhnika. 2006. № 1. S. 123-127.

9. Zarubin V.S. Modelirovanie. M.: Izdatel'skii tsentr "Akademiya", 2013. 336 s.

10. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N. Osobennosti matematicheskogo modelirovaniya tekhnicheskikh ustroistv // Matematicheskoe modelirovanie i chislennye metody. 2014. № 1(1). S. 5-17. DOI: 10.18698/2309-3684-2014-1-517

11. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N. Matematicheskoe modelirovanie termomekhanicheskikh protsessov pri intensivnom teplovom vozdeistvii // Teplofizika vysokikh temperatur. 2003. T. 41, № 2. S. 300-309.

12. Zigel' R., Khauell Dzh. Teploobmen izlucheniem: per. s angl. M.: Mir, 1975. 934 s.

13. Pavlov A.V. Optiko-elektronnye pribory. M.: Energiya, 1974. 360 s.

14. Kondrat'ev K.Ya., D'yachenko L.N., Kozoderov V.V. Radiatsionnyi balans Zemli. L.: Gidrometeoizdat, 1988. 350 s.

15. Osnovy teploperedachi v aviatsionnoi i raketno-kosmicheskoi tekhnike / Pod red. Koshkina V.K. M.: Mashinostroenie, 1975. 624 s.

16. Gradshtein I.S., Ryzhik I.M. Tablitsy integralov, summ, ryadov i proizvedenii. M.: Fizmatgiz, 1963. 1100 s.

17. Byuller K.U. Teplo- i termostoikie polimery: Per. s nem. M.: Khimiya, 1984. 1056 s.

18. Analiticheskii portal khimicheskoi promyshlennosti: veb-sait. Rezhim dostupa: http://www.newchemistry.ru/production.php?cat-id=52&cat-parent=7&level=3 (data obrashcheniya 12.08.2016).

19. Chirkin V.S. Teplofizicheskie svoistva materialov yadernoi tekhniki: Spravochnik. M.: Atomizdat, 1968. 484 s.

20. Vlasova E.A., Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N. Priblizhennye metody matematicheskoi fiziki. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2004. 700 s.

21. Mnogosloinye i kombinirovannye plenochnye materialy i izdeliya nikh. RCC Group: veb-sait. Rezhim dostupa: http://www.rccgroup.ru/plast/wp-content/uploads/3.9.-Ivanenko.ppt (data obrashcheniya 12.08.2016).

22. Izluchatel'nye svoistva tverdykh materialov: Spravochnik / Pod obshch. red. Sheindlina A.E. M.: Enegiya, 1974. 472 s.

23. Obzor bazovykh svoistv i sfer primeneniya politetraftoretilena (PTFE). Engplast: veb-sait. Rezhim dostupa: http://www.engplast.ru/entry.php?198&id=2 (data obrashcheniya 12.08.2016).