Тепловой расчёт испытаний макета космического телескопа в термовакуумной камере
А.Ю. Шаенко,
аспир., shaenko@asc.rssi.ru,
В.И. Буякас,
вед.н.с.,
д.ф.-м.н.,
В.Ф.
Троицкий,
гл. констр.,
ФИАН, г. Москва
Аннотация
Рассматривается
задача теплового расчета испытаний макета космического телескопа в термовакуумной
камере. Описывается схема возможного эксперимента. Приводятся результаты численного моделирования.
Abstract
We consider the problem
of thermal calculation of tests of physical model of space telescope in the
thermal vacuum chamber. The scheme of a possible experiment is described. Results of computer simulation are presented.
В настоящее время
существуют проекты космических обсерваторий с глубоким охлаждением главного
зеркала. Это отечественная обсерватория «Миллиметрон» и американские James Webb Space Telescope
Для оценки влияния
радиационных экранов большого космического телескопа на температуру главного
зеркала инструмента необходимо провести испытания макета телескопа в
термовакуумной камере. В работе приводятся описание одной из возможных схемы
испытаний и результаты теплового расчета эксперимента. Расчеты проводились с
помощью программного комплекса T.H.O.R.I.U.M.,
разработанного А.Ю.Шаенко.
Макет телескопа представляет
собой несущий стержень на одном конце, которого закреплен макет зеркалом, на
другом конце – нагреватель. Между зеркалом и нагревателем располагаются
радиационные экраны, защищающие зеркало от излучения нагревателя. Схема
эксперимента представлена на рис. 1, внешнмй вид макета – на рис. 2.
рис. 1. Эскиз макета
обсерватории для проведения термовакуумных испытаний
рис. 2. Внешний вид модели
макета без гелиевого экрана
Макет
телескопа рассчитывался на испытания в термовакуумной камере с температурой
экранов камеры 4˚К. После достижения всем макетом указанной температуры
включался нагреватель. Температура нагревателя в ходе испытаний должна
поддерживалась на уровне 300К. Расчет проводился на модельное время 24 часа.
Теплофизические
свойства материалов макета приведены в Табл. 1, термооптические свойства материалов
макета – в Табл. 2.
Табл. 1
Теплофизические свойства материалов
макета
|
Элемент
конструкции |
Материал |
Плотность
материала, кг/м3 |
Удельная
теплоёмкость, Дж/кг
К |
Теплопроводность, Вт/м К |
Толщина,
мм |
|
Зеркало |
Углепластик |
1490 |
1130 |
0,45 |
5 |
|
Экраны |
Лавсан с
Al |
1450 |
1000 |
0,24 |
1 |
|
Стержень |
Стекло-пластик |
2100 |
900 |
0,4 |
5 |
|
Гелиевый
экран |
Медь |
8960 |
1,22 |
45 |
1 |
|
Нагреватель |
Сталь |
7800 |
1 |
1 |
1 |
Табл. 2
Термооптические свойства вариантов
конструкции обсерватории
|
Модель |
Коэф.
зерк. отр. |
Коэф.
дифф. отр |
Коэф.
погл. |
Коэф.
проп. |
Степень
черноты |
|
Гелиевый
экран |
0,0 |
0,0 |
1,0 |
0,0 |
1,0 |
|
Рабочая
сторона зеркала |
0,0 |
0,99 |
0,01 |
0,0 |
0,01 |
|
Тыльная
сторона зеркала |
0,0 |
0,0 |
1,0 |
0,0 |
1,0 |
|
Экраны |
0,0 |
0,94 |
0,06 |
0,0 |
0,06 |
|
Нагреватель |
0,0 |
0,0 |
1,0 |
0,0 |
1,0 |
Нагреватель
теплоизолирован от всей конструкции макета, в модели его температура задана
постоянной, поэтому значения его теплоемкости и теплопроводности не играют роли
в расчете температурного поля.
Расчет
проводился для состояния, когда гелиевый экран камеры постоянно поддерживался
при температуре 4К, нагреватель – при температуре 300К. Начальная температура
всей конструкции составляла 4К. Модельное время расчета составляло 24 часа.
Расчётные
зависимости температур элементов макета от времени показаны на рис. 3-4.
рис. 3. Зависимости
температуры экранов от времени охлаждения
рис. 4. Распределение
температур вдоль несущего стержня в зависимости от времени
Приведённые результаты расчёта показывают принципиальную возможность
проведения эксперимента и получения реалистичного температурного поля.