7.4. Моделирование воздействия на ка электромагнитного излучения Солнца.

Наиболее естественным и перспективным в отношении требуемого результата является способ моделирования, основанный на максимально полной имитации потока электромагнитного излучения Солнца по основным его параметрам : плотности, спектру, степени параллельности. Имеется уже немалый опыт разработки систем имитации солнечного излучения, который свидетельствует о том, что трудности, встречающиеся на пути создания достаточно совершенных имитаторов Солнца, в принципе преодолимы. Однако существует прямая и весьма сильная связь между точностью и стоимостью разработки и эксплуатации солнечных имитаторов. В связи с этим создают имитаторы, отвечающие разумным требованиям по точности воспроизведения основных параметров потока солнечного излучения.

Основными элементами всякого имитатора солнечного излучения являются источники излучения и спрямляющая система. Последняя предназначена для формирования потока излучения с малорасходящимися лучами и может включать в себя преломляющие, отражающие и поглощающие элементы. В связи с тем, что эти элементы могут применяться в различных сочетаниях, а также в связи с многообразием применяемых источников излучения строгая классификация схем имитаторов затруднена. Однако три группы оптических схем все же можно выделить. В двух из них , называемых осевыми и неосевыми схемами, источники излучения располагаются вне, а элементы спрямляющей системы внутри вакуумной камеры. В третью группу входят системы с внутрикамерным расположением источников излучения. Рассмотрим кратко каждую из выделенных групп схем.

7.4.1 Оптические схемы имитаторов солнечного излучения

1)Осевые схемы.

Малорасходящийся поток излучения можно получить с помощью осесимметричных параболоидного, сферического или эллипсоидного зеркал, в фокусах которых находятся достаточно мощные источники излучения. Но такая простая схема имеет ряд недостатков. Основной из них заключается в том, что источник излучения находится в вакуумной камере. Данное обстоятельство порождает трудности эксплуатационного характера, а в случае использования источников излучения без охлаждения кварцевых колб весьма существенно сказывается и на спектре их излучения. Однако этот недостаток можно устранить, если воспользоваться одной из классических схем оптических систем: системами Кассегрена, Ньтона и Грегори. В этих системах, схематично изображенных на рисунке 7.1 , применяются, кроме основного , вторичные зеркала, расположенные перед основным в окрестности его фокуса. При использовании вторичного зеркала источник излучения можно располагать вне вакуумной камеры, что создает условия корректировки спектра излучения источников и существенно упрощает и удешевляет эксплуатацию имитатора. Другой недостаток свойственный всем осевым схемам, заключается в том , что поток излучения, исходящий от испытуемого объекта (собственное и отраженное излучение) , после переотражения от основного зеркала может вновь попасть на объект, то есть объект как бы “ видит” себя в зеркале. Это приводит в ряде случаев к существенным погрешностям в воспроизведении внешних тепловых нагрузок.

Рис. 7.1 - схема Кассегрена; схема Ньютона; схема Грегори

Использование вторичных зеркал , устраняя главный недостаток осевых схем, порождает дополнительную проблему- охлаждение зеркал, подвергающихся воздействию лучистых потоков большой плотности.

Из отмеченных классических схем наиболее популярна кассегреновская система, состоящая в классическом варианте из первичного ( основного) параболоидного зеркала и выпуклого ( рассеивающего) гиперболоидного вторичного зеркала.

2) Неосевые схемы.

Если точечный источник излучения расположить в фокусе параболоида вращения и в качестве коллиматора взять часть зеркальной поверхности этого параболоида, расположенную в стороне от его оси симметрии ( оси вращения) , то полученная таким образом излучающая система ( система Гершеля) будет обладать рядом положительных особенностей, благодаря которым ее можно использовать для имитации потока излучения Солнца. Отметим эти особенности:

- Источник излучения не затеняет поток излучения, исходящий от зеркала в сторону рабочей зоны тепловакуумной установки.

- На некотором удалении от зеркала имеется зона (объем), обладающим тем свойством, что излучение, исходящее из этой зоны и падающее на зеркало, после переотражения вновь в рабочую зону не возвращается ( см. Рис. 7.2).

- Число оптических элементов является минимальным.

Рис. 7.2 Схема Гершеля.

Но рассматриваемая схема обладает недостатком, который заключается в том , что при точечном источнике излучения с независимой от направления интенсивностью плотность параллельного потока излучения по сечению пучка является переменной величиной. Наибольщая плотность потока излучения будет иметь место в области, расположенной ближе к оси симметрии параболоида, наименьшая - в наиболее удаленных от оси симметрии зонах. Очевидно, что степень неоднородности потока излучения по сечению пучка будет зависеть от величины апертурного угла . В большинстве имитаторов,в которых реализована неосевая схема, этот угол является небольшим, что достигается обычно за счет увеличения размеров тепловакуумной установки в целом или ее оптического отсека.

Известно значительное количество вариантов конструктивной реализации неосевой схемы имитатора солнечного излучения. В основном принципиальное их отличие заключается в особенностях оптических схем осветительной части,  в которой формируется лучистый поток, падающий после прохождения через входные оптические блоки, например, входные линзы на проекционные зеркала - чаще всего параболоидные, хотя известны и случаи использования сферических зеркал.

Следует заметить, что крупные зеркала сложно изготовит сплошными. Проще выполнить их в виде совокупности плотно уложенных криволинейных или плоских зеркальных элементов ( фасет). Однако замена сплошного зеркала фасеточным приводит к появлению дополнительных погрешностей. Уровень этих погрешностей зависит от формы поверхности фасет, относительных их размеров, конструкции каркаса зеркала, условий охлаждения элементов конструкции, качества юстировки, то есть от множества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

3) Схемы с внутрикамерным размещением источников излучения.

Сама по себе идея размещения источников излучения внутри вакуумной камеры, оснащенной криогенными экранами, не выдерживает никакой критики, если речь идет о разработке имитатора солнечного излучения для вновь создаваемой тепловакуумной установки. Однако часто возникает такая ситуация, когда уже имеется вакуумная камера без имитатора Солнца и нужно дооснастить ее имитатором солнечного излучения, не изменяя или почти не изменяя конструкцию вакуумной камеры. В этом случае и появляется интерес к упрощенным схемам имитаторов с внутренним размещением источников излучения.

В одном известном воплощенном в металле и даже применяемом в испытаниях фрагментов КА имитаторе с внутрикамерным размещением источников излучения умеренно расходящийся поток излучения формировался с помощью так называемой спрямляющей решетки с квадратными ячейками , экранирующей излучение, испускаемое совокупностью исиочников излучения в сторону рабочей зоны установки. Решетка выполняется двухсекционной . Первая- входная секция , расположенная ближе к излучающей системе , охлаждается водой. Вторая – выходная, охлаждается кипящим азотом. Стенки ячеек имеют покрытие, обладающее высокой поглощательной способностью. Геометрические параметры спрямляющей решетки ( отношение длины ячейки к ее ширине ) выбираются такими, чтобы на выходе из решетки расходимость потока излучения была бы приемлемой. Это достигается за счет поглощения стенками ячеек чрезмерно расходящихся лучей.

Излучающая система в таком имитаторе может выполняться по-разному: она может быть образована дуговыми ксеноновыми трубчатыми лампами, заключенных в отражатели ; высокочастотными ксеноновыми лампами , размещаемыми в фокусе параболоидного или сферического отражателя.