7.4.2.Источники излучения , используемые в имитаторах солнечного излучения

Как уже отмечалось во второй лекции , основная часть энергии электромагнитного излучения Солнца , непосредственно влияющая на тепловой режим КА, заключена в интервале [ 0,3 ; 3 ] . Используемый в имитаторе солнечного излучения источник излучения считается достаточно совершенным, если в отмеченном диапазоне длин волн относительная величина спектральной интенсивности излучения источника отличается от спектра излучения Солнца не более, чем на 5 %. Однако имеющиеся в распоряжении экспериментаторов источники не удовлетворяют этому требованию в полной мере. На том или другом участке отмеченного спектрального диапазона спектральные погрешности превышают 5 %, иногда весьма значительно. Рассмотрим, какие конкретно источники излучения используются в имитаторах солнечного излучения.

Чаще всего используются шаровые дуговые лампы высокого давления с ксеноновым наполнением. Спектр излучения таких ламп несильно отличается от спектра излучения Солнца, кроме интервала длин волн [ 0,8 ; 1,05] , где наблюдаются значительные характерные выбросы энергии по относительной величине более, чем в два раза , превышающие относительную величину энергии излучения Солнца в этой полосе спектра (см. рис.7.3) . Для справки следует отметить, что в интервале [0,8 ; 1,05] содержится приблизительно 15 % интегральной энергии излучения Солнца, а у ксеноновой лампы - более 30% от общей энергии излучения. В одних имитаторах этот характерный выброс энергии излучения ксенона поглощается специальными покрытиями (фильтрами), наносимыми на поверхность линз, через которые излучение заводится внутрь тепловакуумной установки и попадает на проекционную часть имитатора - зеркала. В результате такой корректировки спектр излучения имитатора становится в основном похожим на спектр излучения Солнца. В других же имитаторах спектр ксеноновых ламп не корректируется, поэтому большой интерес представляет информация об уровне возможных спектральных погрешностей. Расчет спектральных погрешностей можно осуществить на основе данных о спектральном распределении энергии излучения используемых в имитаторах источников и данных по спектральной поглощательной способности различных материалов и покрытий , применяемых в космической технике и подвергающихся воздействию солнечного излучения. Ниже представлена таблица , где приведены результаты расчета спектральных погрешностей для 13 материалов и покрытий при использовании в качестве источниеа излучения лампы-светильника ДКсРМ-55000, представляющей собой металлическую дуговую лампу с водяным охлаждением корпуса и выходного кварцевого окна. Спектр излучения этого источника в основном соответствует спектру излучения дуговых шаровых ламп высокого давления с ксеноновым наполнением. Однако имеет место существенное отличие при , где у рассматриваемой лампы энергия излучения практически отсутствует, что обусловлено поглощением излучения водой, циркулирующей между двойными стеклами выходного окна лампы-светильника. Зависимость относительной величины спектральной интенсивности излучения от длины волны излучения для этой лампы представлена на приведенном ниже рисунке. На этом же рисунке для сравнения представлен и спектр излучения Солнца.

Рис.7. 3 Спектр излучения дуговой ксеноновой лампы ДКсРМ-55000

Спектральные погрешности при использовании в качестве источника излучения лампы ДКсРМ-55000.

Хотя проанализированные покрытия и материалы не охватывают все их используемое в космической технике многообразие, все же представленные в таблице результаты расчета спектральных погрешностей позволяют сделать некоторые выводы качественного характера относительно степени пригодности рассматриваемого источника для целей имитации солнечного излучения. Погрешности в ряде случаев не только велики, но еще имеют и отрицательный знак. Это означает, что в эксперименте плотность поглощаемого наружной поверхностью КА потока излучения имитатора Солнца будет меньше, чем в натурных условиях эксплуатации. Данное обстоятельство является особенно неблагоприятным, потому что может усугубляться естественным отличием поглощательной способности многих покрытий, относящихся к классу терморегулирующих, по отношению к излучению Солнца и излучению имитатора. Отличие обусловлено деградацией покрытий под воздействием факторов космического пространства в условиях штатной эксплуатации и меньшей степенью деградации в условиях наземного эксперимента. Следовательно, необходима корректировка спектра дуговых ламп с ксеноновым наполнением – корректировка в направлении уменьшения доли энергии излучения , испускаемого в полосе спектра ( 0,8 ; 1,05) .

Известны источники , спектр излучения которых имеет существенно лучшее приближение к солнечному, по сравнению с дуговыми ксеноновыми лампами. К ним можно отнести кварцевые дуговые лампы, наполненные парами ртути с добавками хлорида алюминия ( ) , иодида индия ( ) и бромида олова. Конструктивно эти лампы мало отличаются от обычных шаровых ксеноновых ламп, однако использование их в имитаторах Солнца, в составе тепловакуумных установок , предназначенных для тепловой отработки космической техники, затруднено из-за недостаточно большой мощности, а также слишком малого ресурса работы.

Заслуживают внимание и угольные дуговые источники. В видимой и инфракрасной области спектр их удовлетворительно соответствует солнечному, но практическое применение таких источников наталкивается на трудности , связанные главным образом с большим расходом положительного электрода.

Для имитаторов с внутрикамерным размещением источников излучения могут использоваться дуговые ксеноновые трубчатые лампы мощностью от до . Промышленностью выпускаются трубчатые лампы двух разновидностей: неохлаждаемые ( ДКсТ) и лампы с водяным охлаждением кварцевой колбы (ДКсТВ). Первый тип ламп по спектральным характеристикам можно считать непригодным для имитации солнечного излучения, потому что, как показывает опыт их эксплуатации, приблизительно 60 % энергии излучения исходит от кварцевой колбы с температурой , не превыщающей 900 . То есть происходит значительное трансформирование спектра излучения дугового разряда , вследствие протекания внутри лампы интенсивных конвективных процессов теплообмена, поглощения части инфракрасного излучения колбой и последующего переизлучения поглощенной энергии в средневолновой части инфракрасной области спектра. Лампы с водяным охлаждением колб свободны от недостатка, свойственного неохлаждаемым лампам. Спектр их излучения , повидимому, соответствует в основном спектру рассмотренной выше лампы-светильника ДКсРМ-55000. Однако невысокая объемная , а также поверхностная плотность выделяемой в трубчатых лампах энергии исключает возможность использования этих ламп в качестве источника излучения для имитатора Солнца с оптической схемой, содержащей точенчный источник излучения и коллиматор.

7.4.3.Воплощение системы Кассегрена в солнечных имитаторах известных тепловакуумных установок

Система Кассегрена нашла свое практическое воплощение в имитаторе солнечного излучения одной из тепловакуумных установок лаборатории реактивного движения [ 8 ] . Вакуумная камера установки представляет собой вертикальный цилиндр диаметром 8 и высотой 14 . Основные элементы имитатора Солнца смонтированы в десятиметровой надстройке над камерой ( см. рис. 7.4). Оптическая ось имитатора совпадает с вертикальной осью камеры . Источниками излучения в этом имитаторе служат ртутно-ксеноновые лампы мощностью 2,5 , расположенные вне вакуумной камеры в надстройке на плоском или вогнутом щите. Каждая лампа , на рисунке 4 обозначенная позицией 1, устанавливается в фокусе отражателя 2, образуя таким образом ламповые модули, излучение которых падает на параболоидное зеркало 3, а после отражения от него концентрируется на на псевдогиперболоидном выпуклом зеркале 4. Отразившись от выпуклого зеркала 4 , концентрированный пучек лучей проходит через входную линзу 5 и попадает на рассеивающее зеркало 6, отражающее лучи на главное параболоидное зеркало 7, которое и формирует малорасходящийся поток излучения нужной плотности .

Рис. 7. 4. Схема тепловакуумной установки лаборатории реактивного движения NASA.

Согласно данным, приведенным в работе [ 8 ], характеризуемый имитатор имеет следующие параметры: сечение потока излучения плоскостью , перпендикулярной оси имитатора , представляет собой шестиугольник с диаметром вписанной окружности приблизительно равным 6 . Пространственная неоднородность потока по сечению составляет %. На 50 % площади сечения угол непараллельности не превышает , на остальной площади доходит до . Каждая лампа имитатора освещает свой участок в рабочей зоне, поэтому для обеспечения равномерности поля излучения предусмотрена индивидуальная регулировка каждой лампы с пульта управления. Представляют интерес следующие конструктивные параметры имитатора: рассеивающее зеркало является фасеточным. Каждая фасета отражает излучение на отдельную секцию большого внутреннего параболоидного зеркала, которое состоит из 324 отдельных секций. Каждая секция устанавливается с помощью трех регулировочных винтов и охлаждается до с помощью гибких металлических щин, обладающих большой теплопроводностью и связанных с запитываемым жидким или кипящим азотом трубопроводом.

Рассматриваемый имитатор обладает рядом серьезных недостатков. Во-первых, недостатком , свойственным всем имитаторам, выполненным по осевой схеме, и заключающимся в переотражении на испытываемый объект части лучистого потока, который исходит из рабочей зоны установки и попадает на зеркала проекционной части имитатора. Во-вторых, юстировка имитатора является весьма сложным и кропотливым делом и не всегда приводит к желаемому результату. В третьих, имитатор имеет низкий КПД. С учетом потерь в электрических преобразователях энергии КПД лишь ненамного превышает 1%. Это связано с наличием большого чмсла оптических элементов. Возникают сложности и с охлаждением находящихся в вакуумной камере рассеивающих зеркал.

КПД имитатора повышается, конструкция существенно упрощается , а стоимость имитатора снижается, если система Кассегрена реализуется в упрощенном и несколько видоизмененном варианте, схематично изображенном на рисунке 7.5. При таком исполнении имитатор можно разделить на две части: осветительную и проекционную. Осветительная часть установлена за пределами вакуумной камеры и выполняется в виде щита 1 с установленными на нем модулями 2 - прожекторами. Проекционная часть включает в себя входной блок и блок зеркал. В простейшем случае входной блок состоит из линзы 3 , на плоскую поверхность которой наносится специальное покрытие, предназначенное для корректировки спектра излучения имитатора с тем, чтобы приблизить его к спектру излучения Солнца. В блок зеркал входят основное параболоидное ( 4 ) и вспомогательное эллипсоидное (5) проекционные зеркала, а также большое ( 6 ) и малое ( 7 ) рассеивающие обратные гиперболоидные зеркала. Ламповые модули являются источником малорасходящегося и , по возможности, однородного ( по сечению пучка ) потока излучения, падающего на входную линзу. Выполнение этого условия является одной из предпосылок достижения удовлетворительных характеристик имитируемого потока излучения - однородности и степени параллельности. В связи с этим появляется одно из требований к относительному расположению источника излучения - дуговой шаровой ксеноновой или ртутно-ксеноновой лампы и отражателя лампового модуля: электроды лампы должны располагаться на оптической оси отражателя. При таком расположении лампы в отражателе затеняемость дуги электродами, в первую очередь анодом, минимальна, а главное, изображение источника в зеркале отражателя в этом случае является практически осесимметричным относительно оптической оси лампового модуля. Если лампа в модуле располагается так, что ее электроды перпендикулярны оптической оси отражателя, то изображение дуги в зеркале отражателя имеет сложную и неблагоприятную для интегрирования форму. Это является следствием затенения дуги электродами лампы, несферичности геометрической формы дуги , а также неоднородности в распределении объемной плотности выделяемой в дуговом разряде энергии.

Рис. 7. 5. Горизонтальный вариант воплощения схемы Кассегрена.

Обсуждаемое требование к относительному расположению дуговой лампы в отражателе лампового модуля накладывает значительные ограничения на возможные варианты конструкции имитатора солнечного излучения и тепловакуумной установки в целом. Дело в том, что влияние гравитационных сил на геометрию электрической дуги и ее устойчивость приводит к необходимости эксплуатации дуговых ламп в положении, когда их электроды располагаются вертикально или под относительно небольшими к вертикали углами. Данное обстоятельство определяет наиболее предпочтительную, с точки зрения достижения большей точности моделирования солнечного излучения, компоновку имитатора с в составе тепловакуумной установки, а именно, такое его размещение, при котором реализуется вертикальное или близкое к вертикальному расположение оптической оси имитатора, что предопределяет формирование вертикального или близкого к вертикальному пучка излучения, в то время как часто с конструктивной и эксплуатационной точек зрения предпочтительнее является имитатор с горизонтальным пучком излучения. Однако известен положительный опыт по эксплуатации ламп мощностью 20 - 32 в сильно наклоненном , почти горизонтальном положении [14] .

7.4.4. Практического воплощения неосевой схемы солнечного имитатора в одной из тепловакуумных установок

Что касается неосевой схемы имитатора солнечного излучения, то она нашла практическое воплощение во имитаторах многих тепловакуумных установок. Заслуживает внимание имитатор , изображенный на рисунке 6 в составе введенной в эксплуатацию в 1982 г тепловакуумной установки Европейского центра космических исследований и технологий ( ). Имитатор примечателен не только своими размерами ( диаметр имитируемого горизонтального пучка солнечного излучения составляет 6 ) , но и точностью воспроизведения основных параметров потока солнечного излучения: угол непараллельности не превышает , неоднородность плотности потока излучения по сечению пучка . В качестве источников излучения в имитаторе используются 19 дуговых ксеноновых ламп мощностью 20 . Источники излучения, включенные в состав ламповых модулей , скомпонованы в ламповый блок, который находится за пределами вакуумной камеры. Оптические оси ламповых модулей, а вместе с ними и электроды дуговых ламп расположены под большими углами по отношению к вертикали (70 - 88 ), то есть некоторые лампы расположены практически горизонтально. Тем не менее, как отмечается в [ 14 ] никаких отрицательных последствий от такого неблагоприятного ( с точки зрения протекания физических процессов в лампе) расположения ламп не наблюдается - форма электрической дуги заметно не изменяется , дуга горит устойчиво.

Рис. 7. 6. Схема имитатора Европейского центра космических исследований и технологий.