CC BY
21Исследование температурных полей в сложных навигационных устройствах, предназначенных для эксплуатации в космосе
Голиков Алексей Викторович,
кандидат технических наук. ведущий научный сотрудник, Институт проблем точной механики и управления РАН, algolikov@yandex.ru.
Панкратов Владимир Михайлович,
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник. Институт проблем точной механики и управления РАН, vmpank@mail.ru
Барулина Марина Александровна,
доктор физико-математических наук, зав. лабораторией. Институт проблем точной механики и управления РАН, marina@barulina.ru.
Панкратова Елена Владимировна,
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник. Институт проблем точной механики и управления РАН, ev_pankratova@mail.ru
Ефремов Максим Владимирович,
Исполнительный директор НПП «Антарес», efremov@npp-antares.ru
Температурные воздействия на прецизионные приборы, и возникающие в них тепловые поля, могут существенно нарушить работу прибора. В некоторых приборах температурная составляющая погрешностей достигает до 50%. Разработка устройства или прибора, который предполагается использовать в космосе, обусловлена рядом проблем. Например, сложность и дороговизна воспроизведения в лаборатории условий космоса, таких как вакуум, различные тепловые и радиационные воздействия на прибор, влияние магнитных и других поле. Для приборов, предназначенных для использования в рамках проекта, имеющего строгие финансовые ограничения (например, студенческие проекты или наноспутники), моделирование должно быть нетрудозатратным, не требовать больших финансовых вложений и вычислительных ресурсов. В работе предлагается описание подхода к моделированию температурных полей в сложных навигационных приборах, позволяющего исследовать температурные поля прибора еще на стадии его проектирования. С использованием предлагаемого подхода были исследованы температурные поля, возникающие в сложных устройствах космического назначения на примере блока измерения угловых скоростей космических аппаратов. Было оценено влияние теплопроводности материала электронных плат на температурные поля прибора в нормальных условиях и условиях космического пространства. Было установлено что при определенных условиях можно добиться не превышения допустимой температуры для элементов прибора без применения активных методов терморегулирования.
Ключевые слова: математическое моделирование, возмущающие воздействия, температурное поле, программное обеспечение, навигационные приборы
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 19-08-00839
Введение
Исследование и анализ тепловых процессов, протекающих в современных прецизионных приборах авиакосмического морского и наземного назначения, является важной и актуальной задачей, так как температурные возмущения наряду с другими факторами оказывают существенное влияние на точность, надежность и долговечность приборов рассматриваемого класса, а также отдельных датчиков, чувствительных элементов и их электронных компонентов [1-10]. Кроме того, такие приборы, используемые в космических летательных аппаратах (КЛА), могут работать в условиях вакуума, невесомости и прямого солнечного излучения, оказывающего существенное влияние на тепловые процессы в приборах и системах КЛА [19]. Также на тепловое состояние КЛА косвенное влияние оказывают ультрафиолетовое и рентгеновское электромагнитное излучения, солнечный ветер, радиационные пояса, магнитосферы планет и др. [19]. Таким образом, в космических условиях эксплуатации тепловые воздействия вызываются различными факторами, и могут оказывать более существенное, чем в земных условиях, влияние на эксплуатационные характеристики прибора и, следовательно, на его работоспособность [1,11,16,17].
В работе показан подход к исследованию тепловых процессов, протекающих в прецизионных приборах авиационного и космического назначения в условиях сложных температурных воздействий на примере блока инерциальных угловых скоростей БИУС-М-1. В результате были сформулированы конкретные рекомендации по поддержанию комфортной для электронных компонент температуры без использования системы терморегулирования.
Концепция моделирования тепловых полей в сложных устройствах
В работе для исследования тепловых полей в сложных навигационных устройствах используется подход, не зависящий от конкретного типа прибора.
Суть этого подхода была описана в [1] и состоит в следующем (рис. 1).
На первом этапе изучается конструкция прибора или системы в соответствии с иерархическими принципами - от верхних уровней к нижним (от блоков и систем приборов к входящим в них устройствам, узлам и элементам). Затем конструкция разбивается на элементарные объемы. Геометрические размеры этих элементарных объемов определяются из следующий соображений. Во-первых, для исследования важна средняя температура в элементарном объеме, а нее ее распределение в нем. Во-вторых, форма элементарного объема должна позволять вычислить параметры тепловых связей с другими элементарными объемами и с окружающей средой.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
о
см
О Ш
т
X
<
т о х
X
Конструкция, чертеж, И'КП 1М Ма тип и ческам модель геллооых процессов Л У М атема1нч еск и с иадаян нагмущающнч факторов II 1101 реш НОС 1Ч-Й гЛ У ЗйЛЯЧН ана.1н|а н ешкеча
1> о
Теоретически с нес. им ива н и н„ компмсм срныс эксперименты, рекомендации
Рис. 1. Единый подход к исследованию тепловых полей
На втором этапе составляются математические модели тепловых процессов и теплового взаимодействия между элементарными объемами, а также математические модели возмущающих факторов и теплового дрейфа, в которых характеристики температурных полей являются входными данными.
На третьем этапе на базе построенных математических моделей проводятся компьютерные эксперименты, качественный и количественный анализы результатов, и на их основе вырабатываются рекомендации конструктивного, алгоритмического и другого характера по доработке прибора, его элементов, узлов и систем терморегулирования.
Такой комплексный подход к решению поставленных проблем в теории температурно-возмущенных датчиков, приборов и систем необходим, так как современная приборостроительная техника охватывает чрезвычайно широкий круг датчиков, приборов, блоков электроники и систем различного принципа действия с самыми разнообразными и взаимосвязанными физическими процессами, в них протекающими.
Математическая модель
В работе для расчета температурных полей сложных приборов, состоящих из твердотельных компонентов, использован хорошо апробированный приближенный численный метод, представляющий собой модифицированный вариант метода тепловых балансов [1]. При использовании этого метода сложный прибор разбивается на конструктивные элементы, связанные друг с другом тепловыми связями. Тогда среднюю температуру в /-м объеме и в момент времени t + Дt можно вычислить по следующей формуле:
Т (/+^t) =
-ДЧе *
д/
(1)
процессы в приборах, находящихся в различных условиях, в том числе в условиях вакуума, пониженного давления и силы тяжести, воздействия различных видов излучения, приводящих к нагреву, и т.д.
Основные типы температурных возмущающих воздействий
Температура среды Тс1 в (1) должна задаваться определенной функцией. В результате проведенного анализа работ, посвященных исследованию температурных воздействий [1,6,7,9,13,18,19], и обобщения опыта авторов по их моделированию в различного типа устройствах, эксплуатирующихся по настоящих момент в том числе и в космических условиях, были определены для реализации в библиотеке следующие основные типы температурных возмущений.
б) Т
1 с
/ \ / \
( \ / \ /
\ У \ чУ
С ->
Т +я.та+а
где: Т), Т(! + At) , с/ (/ = 1,...,М) - температуры /го элемента в настоящий и последующий момент времени и его теплоемкость; щ/ - термопроводимости между элементами /,/ (/=1,...,М); щс - термопроводимость между
/-м элементом и окружающей средой; Ты - температура
среды; Q - мощность источника тепла; М - количество элементов; N - количество элементов, имеющих тепловой контакт с /-м элементом; Дt - шаг расчета.
Уравнения (1) представляют собой явную одношаго-вую разностную схему, что делает ее программную реализацию достаточно простой. Коэффициенты теплопро-водимости щ, входящие в (1), рассчитываются на основе законов тепломассообмена Фурье, Ньютона, Стефана-Больцмана, критериальных уравнений Нуссельта, Рей-нольдса, Грасгофа, Прандля, теории подобия аэродинамических, электрических и тепловых процессов и экспериментальных исследований. Это делает возможным исследовать с помощью разностной схемы (1) тепловые
в) Те
с2
Тс I
/
е)
Рис. 2. Графики возмущающего температурного воздействия:
а - постоянная температура; б - ступенчатое изменение температуры;
в - гармоническое изменение; г - циклограмма изменения; д - произвольная функция; е - случайное изменение;
1. Постоянная температура среды (рис. 2а)
Tc = const.
(2)
2. Ступенчатое во времени воздействие (рис. 2б)
т fa,t е [tn,(3)
c [Tc2,t e[ti,tk]
Пример такого типа теплового возмущения - разгерметизация отсека космического аппарата, либо выход из строя бортовой системы терморегулирования всего космического летательного аппарата.
3. Гармоническое воздействие (рис. 2в)
(тсшах - тстт) sin(fflt) + (тстах + Tcmm)
T =■
2
(4)
Например, тепловое возмущение во время полета космического аппарата по круговой орбите вокруг Земли.
4. Тепловое воздействие по заданной циклограмме (рис. 2г)
Т = (Т .+1 - Т .) + Т ■ <5)
С VС1 + 1 С I ' ^ 01
I I -1
Данный тип воздействия моделирует циклограмму изменения температуры с течением времени произвольной формы имитируя, например, различные режимы тепловых испытаний приборов и датчиков в термокамере.
5. Произвольная функция теплового возмущающего воздействия (рис. 2д). Может содержать линейную, экспоненциальную и другие зависимости от времени, и их комбинации:
Тс = / (г); (6)
6. Воздействие по случайному закону с заданным математическим ожиданием М(Т) и среднеквадратическим отклонением а (Т) (рис. 2е). При этом величина случайной составляющей добавляется к значению температуры среды, вычисленному по закону, определяемому в п. 1-5 и определяется по формулам:
Т = М + М
(a9r2 + a7)r2 + a5 j r2 + a3 j r2 + ax j r,
=4 (S « -6
(7)
Рис. 3. Компоновка и элементы прибора БИУС-М-1
Здесь а1, аз, а5, а7, ад - весовые коэффициенты, 5{ е [0,1] - случайная функция.
Численное моделирование
На основе формул (1)-(7) и в соответствии описанного выше подхода было разработано программное обеспечение для моделирования температурных полей в многокомпонентных устройствах, состоящих из скомпонованных в одном корпусе электронных плат и различного типа гироскопов и акселерометров. Верификация программного обеспечения и численное исследование тепловых полей было проведено для блока измерения угловых скоростей БИУС-М-1 (НПП "Антарес", г. Саратов), который представляет собой прибор, содержащий три волоконно-оптических гироскопа (ВОГ) и блок управляющей электроники из трех печатных плат с различными типами электронных компонентов (рис. з).
^ ТйЕ
ъ
0 17250 34500 51750 69000 №250 103500 120750 138000 155250 ВремЛ I. сек
б)
Рис. 4. Экспериментальные данные (а) и температура термоплаты (TT) и ВОГ (T88) по данным моделирования (б)
Численное моделирование было проведено в несколько этапов.
На первом этапе была проведена верификация построенной на основе метода элементарных балансов [1,6] математической модели и корректности работы программного обеспечения путем моделирования теплового режима и сравнения получаемых данных с данными испытания БИУС-М-1 в термокамере (рис. 4). Как
X X
о го А с.
X
го m
о
м о
to
о
см
О Ш
т
X
<
т о х
X
видно из рис. 4, экспериментальные данные и данные моделирования показали практически полную идентичность, что позволило перейти ко второму этапу работы, и использовать разработанное программное обеспечение для моделирования тепловых полей БИУС-М-1 в условиях эксплуатации, которые сложно или дорого эмулировать в термокамере.
На втором этапе для получения сравнительных данных о влиянии условий космического пространства на характеристики тепловых процессов в приборах КЛА на примере БИУС-М-1, приняты следующие тепловые режимы:
1-й тепловой режим ("земные" условия).
Этот режим моделирует "комфортные" условия нормального атмосферного давления снаружи и внутри исследуемого прибора, нормальная сила тяжести. Все элементы конструкции в начальный момент считаются прогретыми до температуры +20оС, давление окружающей блок среды по отношению к нормальному атмосферному давлению равно 1. Давление внутри негерметичного блока по отношению к нормальному атмосферному давлению также равно 1.
2-й тепловой режим ("космические" условия).
Этот режим моделирует "некомфортные" условия
вакуума снаружи и внутри прибора и невесомость. Предполагается, что в начальный момент все элементы базовой конструкции прогреты до температуры +20оС, давление в окружающей блок среде по отношению к нормальному атмосферному давлению равно нулю (вакуум), давление внутри блока по отношению к нормальному атмосферному давлению также равно нулю (вакуум). Учитывается теплоотдача в окружающую среду излучением и кондуктивная теплопередача через узлы крепления элементов между собой и теплопередача через узлы крепления к объекту. Также учитывается теплопередача излучением между элементами.
При исследовании нестационарного температурного поля прибора в указанных тепловых режимах приняты к рассмотрению следующие параметры изменения внешнего температурного воздействия:
1) Температура окружающей среды и температура термоплаты, к которой крепится основание прибора, постоянна и равна +40 оС, т.е. моделируется ступенчатое температурное воздействие на прибор в режиме его нагрева.
2) Температура окружающей среды и температура термоплаты, к которой крепится основание прибора, изменяется по гармоническому закону (4) с заданной частотой в диапазоне +40°С - -10°С.
Частота варьируется в пределах:
и> = 0,00116-0,0116 с-1 (период т =2п/и> = 90-9 минут).
Моделирование этого режима проводится для изучения влияния гармонически изменяющихся внешних температурных возмущений на тепловые процессы и с учетом его нагрева от внутренних источников тепла
На рис. 5 показаны цветовые и пространственные то-пограммы установившихся температурных полей БИУС-М-1, полученные в результате расчета для 1-го теплового режима при постоянной температуре внешнего воздействия.
Графики текущих температур во всех расчетных точках тепловой модели БИУС-М-1, построенные по результатам математического моделирования 1-го и 2-го тепловых режимов и постоянной температуре внешнего воздействия, представлены на рис. 6.
Максимальные перегревы над температурой термоплаты достигают ДТтах = 9оС, что находится в пределах допустимых для элементов БИУС-М-1 температур. Такие перегревы имеют место на плате питания в зонах источников тепла с максимальной мощностью тепловыделения.
Рис. 5. Цветовые диаграммы температур БИУС-М-1 (а) и 3-й топограммы температурных полей плат электроники (б) в 1-м тепловом режиме
6000 7200 бремя г
<0300 12000
б)
Рис. 6. Текущие температуры Т (1) в элементах БИУС-М-1 в 1-м (а) и 2-м (б) тепловых режимах при постоянной температуре Тс (2) = +40 оС
Для теплоотвода от основных источников тепла на платах электроники применяется тепловое шунтирование. Его эффективность хорошо проявляется на примере платах 2 и 3. На этих платах зашунтированы чипы микропроцессоров, выделяющих соответственно мощности до 0,5 Вт и до 0,8 Вт. Эти участки показаны пунктиром на объемных топограммах (рис. 5).
Таким образом, применение шунтирования к источникам тепла позволяет значительно снизить их перегревы. Перегревы других элементов БИУС-М-1 над температурой термоплаты существенно меньше перегревов на платах и составляют в среднем не более 2оС.
Сравнивая результаты моделирования 1-го и 2-го теплового режима нагрева БИУС-М-1, видим, что максимальные перегревы над термоплатой в условиях невесомости и при вакууме снаружи и внутри блока достигают значений « 20оС, что в 2 раза превышает перегрев в земных условиях (рис.бб).
Максимальные перегревы 20оС над температурой +40оС термоплаты в условиях невесомости и вакуума достигаются, по данным моделирования, на плате питания.
На других платах имеют место незначительные перегревы в зонах расположения незашунтированных источников тепла - соответственно 10оС и 14оС.
Средние перегревы других элементов БИУС-М-1 над температурой термоплаты в условиях невесомости и вакуума (2-й тепловой режим) находятся на том же уровне, что и при условиях нормального давления и силы тяжести - приблизительно 2 ■ 4 оС.
Время переходных тепловых процессов в элементах БИУС-М-1 в условиях вакуума и невесомости возрастает почти в 2,5 раза по сравнению с условиями нормального давления и силы тяжести.
При моделировании также выявлено, что все три гироскопа находятся примерно в одинаковой температурной ситуации с точки зрения достижения максимальных перегревов.
Таким образом, максимальные температурные перепады над температурой среды существенно зависят от внешних условий (давления среды и наличия или отсутствия силы тяжести).
На третьем этапе было проведена серия численных экспериментов для оценки степени влияния коэффициента теплопроводности материала изготовления электронных плат на распределение тепловых полей в исследуемом приборе.
Отметим, что значения коэффициента теплопроводности материала плат (стеклотекстолита) могут значительно отличаться друг от друга в зависимости от типа стеклотекстолита, степени его армированности тепло-проводящими нитями и других причин.
С другой стороны, коэффициент теплопроводности стеклотекстолита остается существенно меньше коэффициента теплопроводности сплавов и металлов. А эти коэффициенты - одни из основных характеристик, существенно влияющих на температурные поля в приборе.
Поэтому, для оценки влияния изменения теплопроводности материала плат на температурные перепады на рис. 6, по результатам моделирования, построены зависимости ДГтах(Л), где Л - теплопроводность материала плат; ДГтах =Ттах - Тт , Ттах - максимальная температура, Тт - заданная температура термоплаты.
Рис. 7. Зависимости максимальных перепадов температур в БИУС-М-1 от теплопроводности материала плат: 1-нормальная сила тяжести и нормальное давление среды; 2 -невесомость или вакуум
Как видим, в условиях невесомости или вакуума эти зависимости более существенны, чем в условиях нормальной силы тяжести и нормального давления среды.
В целом, изменения давления среды, мощностей источников тепла на платах и коэффициентов теплопроводности материала плат оказывают значительное влияние на температурную ситуацию в блоке.
В рассмотренных тепловых режимах моделировались ступенчатые изменения температуры среды и термоплаты. Однако, в реальных условиях, температура среды и термоплаты может изменяться с течением времени, например, по гармоническому закону.
На четвертом этапе было исследовано, как такие нестационарные внешние температурные возмущения повлияют температурную ситуацию в приборе БИУС-М-1. Рассматривалось влияние гармонически изменяющаяся температура термоплаты и среды на тепловые процессы в базовой конструкции БИУС-М-1 с применением теплового шунтирования на наиболее теплонагружен-ных элементах плат 2,3 в 1-м и 2-м тепловых режимах, определенных на втором этапе.
Графики текущих температур во всех расчетных точках плат БИУС-М-1, построенные по результатам математического моделирования с гармонически изменяющейся температурой термоплаты и среды, представлены на рис. 8.
При гармоническом внешнем температурном возмущении, тепловые процессы в БИУС-М-1 носят также гармонический характер с максимальной амплитудой, не превышающей 47 0С при периоде т = 90 мин в первом тепловом режиме и 440С соответственно во втором (для сравнения, максимальное значение температуры на платах при ступенчатом воздействии было 600С).
Важно отметить, что при уменьшении периода колебаний внешнего температурного возмущения, тепловые процессы в БИУС-М-1 изменяются качественно и количественно. При достаточно большом периоде колебаний внешней температуры, соизмеримом со временем установления температуры на плате, температуры в блоке "отслеживают" внешнюю температуру с некоторым запаздыванием. Причем запаздывание во 2-м режиме больше (рис. 8б), что вполне соответствует фундаментальным законам теплообмена.
При существенном уменьшении периода колебаний внешней температуры температуры "осредняются" и приближаются к некоторым установившимся значениям по экспоненциальному закону. Эти значения меньше, чем максимальные амплитуды колебаний при больших периодах внешних температурных возмущений. В 1-м тепловом режиме эти значения составляют 260С и 440С, а во 2-м 360С и 470С соответственно при периоде колебаний 9 и 90 мин.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
о
см
О Ш
т
X
3
А
т о х
X
Рис. 8. Текущие температуры Т (1) во всех расчетных точках БИУС-М-1 при гармоническом внешнем температурном возмущении Тс (2) в 1-м (а) и 2-м (б) тепловом режимах. Период т = 90 мин (верхние графики), период т = 9 мин (нижние графики)
Таким образом, гармонически изменяющаяся внешняя температура с рассматриваемыми характеристиками не только не ухудшает температурную ситуацию на платах с тепловым шунтированием, но и, при определенных частотах колебаний внешней температуры, существенно ее улучшает. При этом меняется характер
тепловых процессов от гармонического к экспоненциальному с существенным уменьшением температур на платах и других элементах блока.
Проведенное математическое моделирование показало, что в базовой конструкции БИУС-М-1 предусмотрены меры по максимально возможному снижению температурных перегревов над окружающей средой и термоплатой в зонах источников тепла. Эта задача решена путем использования элементной базы с малой мощностью тепловыделения и применением теплосъемных шунтирующих устройств для тепловыделяющих элементов платы 2 и з.
Применение теплового шунтирования источников тепла на корпус, основание или другие элементы с пониженной температурой в сочетании с радиаторами позволяет значительно уменьшить перегревы над температурой окружающей среды и термоплаты, а также уменьшить время тепловой готовности БИУС-М-1.
Необходимо отметить, что все эти меры носят пассивный характер (без использования дополнительной энергии) и вполне реализуемы в приборе БИУС-М-1 на этапе его проектирования и разработки.
Более радикальными являются активные способы и методы обеспечения термоинвариантности блока. К таким способам относится, например, создание реверсивных систем терморегулирования тепловыделяющих элементов на термомодулях Пельтье. Однако системы терморегулирования требуют дополнительных затрат энергии, и их применение в рассматриваемом приборе БИУС-М-1 не предусмотрено.
Заключение
В работе исследованы тепловые поля, возникающие в сложных приборах и системах при их эксплуатации в космическом пространстве на примере блока измерения угловых скоростей БИУС-М-1. Был предложен унифицированный подход для изучения тепловых полей в таких приборах и системах на основе метода тепловых балансов. С учетом предложенного подхода было разработано специализированное программное обеспечение, которое было верифицировано путем моделирования теплового режима и сравнения получаемых данных с данными испытания БИУС-М-1 в термокамере.
Численное моделирование тепловых полей при эксплуатации прибора в земных и космических условиях, при постоянной и изменяющейся по определенным законам температуре окружающей среды, показало, что температуры, комфортной для различных компонентов рассматриваемого прибора, можно достичь и без применения активных систем терморегулирования. Эта задача может быть решена путем использования элементной базы с малой мощностью тепловыделения и применением теплосъемных шунтирующих устройств для тепловыделяющих элементов. Применение теплового шунтирования на корпус, основание или другие элементы с пониженной температурой в сочетании с радиаторами позволяет значительно уменьшить перегревы над температурой окружающей среды и термоплаты, а также уменьшить время тепловой готовности прибора.
Для каких именно элементов нужно применить теп-лосъемные шунтирующие устройства, и на какие элементы или части корпуса необходимо сбрасывать лишнее тепло, необходимо изучать в каждом случае при смене или обновлении конструктивной схемы прибора или его элементной базы.
Литература
1. Джашитов В. Э., Панкратов В. М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий / под общ. ред. академика РАН В. Г. Пешехонова. С.-Петербург: гНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2005. 404 с.
2. Lefevre H. The Fiber-Optic Gyroscope. - Norwood, MA: Artech House, 1993.24p.
3. Zhihong Li, Zhuo Meng, Tiegen Liu, X. Steve Yao. A novel method for determining and improving the quality of a quadrupolar fiber gyro coil under temperature variations // OPTICS EXPRESS. 2013. Vol. 21. № 2.
4. Schadt F., Mohr F. Error Signal Formation in FOGs Through Thermal and Elastooptical Environment Influence on the Sensing Coil // Inertial Sensors and Systems -Symposium Gyro Technology, 20-21 September. Karlsrue. Germany. 2011.
5. Shupe D. M. Thermally induced non-reciprocity in the fiber-optic interferometer // Appl. Opt. 1980. Vol. 19, № 5. P. 654-655. doi: 10.1364/AO.19.000654
6. Барулина М. А., Голиков А. В., Панкратов В. М., Ефремов М. В. Алгоритмы математического моделирования трехмерных нестационарных температурных полей прецизионных приборов авиакосмического назначения. // Научное приборостроение. 2018. т. 28. №3. С. 1423.
7. Есипенко И. А., Лыков Д. А. Математическая модель теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа и ее экспериментальная верификация // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2017. № 5. C. 31-46.
8. Вахрамеев Е. И., Галягин К. С., Ивонин А. С., Оши-валов М. А. Прогноз и коррекция теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 5. С. 79-84.
9. Басараб М. А., Матвеев В. А., Юрин А. В., Лунин Б. С. и др. Численно-аналитические тепловые и термоупругие модели волнового твердотельного гироскопа // XXIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, сборник материалов. С.-Петербург, 2016. C. 42-45
10. Barulina M. A., Jashitov V. E. Research of temperature and technological drift of a micromechanical gyroscope a type tuning fork-nogo on the vibrating basis // Giroskopiya i navigaciya [Giroskopy and navigation]. 2005. Vol. 48. № 1. P. 93. (In Russ.).
11. Barulina M. A., Pankratov V. M., Efremov M. V. The temperature effect on fiber optic gyroscopes based on air-core photonic crystal fiber // Proceedings of 23rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS. - Saint Petersburg, 2016. - P. 93-97.
12. Jashitov V. E., Pankratov V. M., Barulina M. A., Golikov A. V. Harmonic solid-state inertial information sensor in temperature disturbances conditions // Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2010. № 5. P. 57-61. (In Russ.).
13. Джашитов В. Э., Панкратов В. М., Голиков А. В. и др. Иерархические тепловые модели бесплатформенной инерциальной навигационной системы с волоконно-оптическими гироскопами и акселерометрами // Гиро-скопия и навигация. С.- Петербург. 2013. № 1(80). С. 4963.
14. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M., Golikov A. V. Computer course in the applied theory of gyros // IEEE
AEROSPACE and ELECTRONIC SYSTEMS MAGAZINE, ISSN 0885-8985. Oct. 2008. Vol. 23. Issue: 10. P. 18-21.
15. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M. On the Possibility of Control of Interconnected Mechanical and Thermal Processes in Nonlinear Temperature-Perturbed Dynamic Systems // Journal of Computer and Systems Sciences International, ISSN 1064-2307. 2009. Vol. 48. № 3. P. 481488.
16. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M., Golikov A. V., Gubanov A. G., Efremov М^. Reducing Thermal Sensitive of Fiber-Optic Gyros ISSN 2075_1087, Gyroscopy and Navigation. 2012. Vol. 3. № 1. P. 56-65. © Pleiades Publishing, Ltd., 2012. Original Russian Text © V.E. Dzhashitov, V.M. Pankratov, A.V. Golikov, A.G. Gubanov, М^. Efremov, 2011, published in Russian in Giroskopiya i Navigatsiya. 2011. № 4. P.42-56.
17. Golikov A. V., Pankratov V. M., Efremov M. V. Analysis of Temperature Fields in Angular Velocity Measurement Units on Fiber-Optic Gyros // Gyroscopy and Navigation. 2018. Vol. 9. № 2. P. 116-123. © Pleiades Publishing, Ltd., 2018.
18. Басараб М.А., Кравченко В.Ф., Матвеев В.А. Математическое моделирование физических процессов в гироскопии. - М.: Радиотехника, 2005. - 176 с.: ил.
19. Королев С. И. Системы обеспечения теплового режима космических аппаратов: учебное пособие / С.И. Королев; Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2006. - 100 c.
The study of temperature fields in complex navigation devices
designed for operation in space Golikov A.V., Pankratov V.M., Barulina M.A., Pankratova E.V., Efremov M.V.
Institute of Precision Mechanics and Control Russian Academy of
Sciences, NPP "Anatares" Temperature effects on precision sensors and the thermal fields arising in them can significantly disrupt the operation of the instrument. In some devices, the temperature component of errors reaches up to 50%. The development of a device or device that is supposed to be used in space has a number of problems. For example, it is difficult and expensive to reproduce in a laboratory such space conditions, as vacuum, various thermal and radiation effects on the device, the influence of magnetic and other fields. For devices intended for use in a project with strict financial constraints (for example, student projects or nano-satellites), modeling should be effortless, not require significant financial investments and computational resources. The paper proposes the approach to modeling temperature fields in complex navigation devices, which allows one to study the temperature fields in the device at the design stage. Using the proposed approach, we studied the temperature fields arising in complex space-based devices using the example of the unit for measuring the angular velocities of spacecraft. The influence of the thermal conductivity of the electronic circuit board material on the temperature fields of the device under normal and space conditions was evaluated. It was found that in case of some conditions it is possible to achieve not exceeding the permissible temperature for the electronic elements of the device without the using of active methods of thermal regulation.
Keywords: mathematical modeling, disturbing influences,
temperature field, software, navigation devices References
1. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M. Aerospace and marine instrument-making sensors, devices and systems under thermal actions. CSRI "Elektropribor", Saint Petersburg, 2005. 404 p. (in Russian).
2. Lefevre H. The Fiber-Optic Gyroscope. Norwood, MA: Artech
House, 1993. 24 p.
X X О го А С.
X
го m
о
м о
to
3. Zhihong Li, Zhuo Meng, Tiegen Liu, X. Steve Yao. A novel
method for determining and improving the quality of a quadrupolar fiber gyro coil under temperature variations. OPTICS EXPRESS, 2013, vol. 21, no. 2.
4. Schadt F., Mohr F. Error Signal Formation in FOGs Through
Thermal and Elastooptical Environment Influence on the Sensing Coil. Inertial Sensors and Systems - Symposium Gyro Technology, Karlsrue, Germany, 2011, 20-21 September.
5. Shupe D. M. Thermally induced non-reciprocity in the fiber-optic
interferometer. Appl. Opt., 1980, vol. 19, no. 5. pp. 654-655. doi: 10.1364/A0.19.000654
6. Barulina M. A., Golikov A. V., Pankratov V. M., Efremov M. V.
Numerical study of three-dimensional unsteady thermal fields of aerospace high-precision sensors and system. Nauchnoe priborostroenie, 2018, vol. 3, no. 28, pp.14-23 (in Russian).
7. Esipenko I. A., Lykov D. A. Mathematical Model of Thermal Drift
of a Fiber-Optic Gyroscope and its Experimental Verification. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Priborostr. [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Instrum. Eng.], 2017, no. 5, pp. 31-46 (in Russian). doi: 10.18698/02363933-2017-5-31-46
8. Vahrameev E. I., Galyagin K. S., Ivonin A. S., Oshivalov M. A.
Prediction and correction of fiber-optic gyroscope thermal drift. Journal of Instrument Engineering, 2013, b. 56, no. 5, pp. 7984 (in Russian).
9. Basarab M. A., Matveev V. A., Ivoilov M. A. Genetic algorithms
for balancing the solid-state wave gyro. 16th St. Petersburg Int. Conf. on Integrated Navigation Systems. St. Petersburg, May 25-27, 2009, pp. 103-104 (in Russian).
10. Barulina M. A., Dzhashitov V. E. Research of temperature and technological drift of a micromechanical gyroscope a type tuning fork-nogo on the vibrating basis. Giroskopiya i navigaciya [Giroskopy and navigation], 2005, vol. 48. No. 1. pp. 93. (in Russian).
11. Barulina M. A., Pankratov V. M., Efremov M. V. The temperature effect on fiber optic gyroscopes based on air-core photonic crystal fiber. Proceedings of 23rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS. Saint Petersburg, 2016, pp. 93-97.
12. Jashitov V. E., Pankratov V. M., Barulina M. A., Golikov A. V. Harmonic solid-state inertial information sensor in temperature disturbances conditions. Datchiki i sistemy [Sensors and systems], 2010, no. 5, pp. 57-61 (in Russian).
13. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M., Golikov A. V., Nikolaev S. G., Kolevatov A. P., Plotnikov A. D., Koffer K. V. Hierarchical thermal models of FOG-based strapdown inertial navigation system. Gyroscopy and Navigation, 2014, vol. 5, Issue 3, pp. 162-173 (in Russian).
14. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M., Golikov A. V. Computer course in the applied theory of gyros. IEEE AEROSPACE and ELECTRONIC SYSTEMS MAGAZINE, ISSN 0885-8985, 2008, vol. 23, Issue: 10, pp. 18-21.
15. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M. On the Possibility of Control of Interconnected Mechanical and Thermal Processes in Nonlinear Temperature-Perturbed Dynamic Systems. Journal of Computer and Systems Sciences International, ISSN 10642307, 2009, vol. 48, no. 3, pp. 481-488.
16. Dzhashitov V. E., Pankratov V. M., Golikov A. V., Gubanov A. G., Efremov M.V. Reducing Thermal Sensitive of Fiber-Optic Gyros ISSN 2075_1087. Gyroscopy and Navigation, 2012, vol. 3, no. 1, pp. 56-65. © Pleiades Publishing, Ltd., 2012. Original Russian Text © V.E. Dzhashitov, V.M. Pankratov, A.V. Golikov, A.G. Gubanov, M.V. Efremov, 2011, published in Russian in Giroskopiya i Navigatsiya, 2011, no.4, pp.42-56.
17. Golikov A. V., Pankratov V. M., Efremov M. V. Analysis of Temperature Fields in Angular Velocity Measurement Units on Fiber-Optic Gyros. Gyroscopy and Navigation, 2018, vol. 9, no. 2, pp. 116-123. © Pleiades Publishing, Ltd., 2018
18. Basarab M. A., Kravchenko V. F., Matveev V. A. Matematicheskoe modelirovanie fizicheskikh protsessov v giroskopii [Mathematical modeling of physical processes in gyroscopy]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2005. 176 p. (in Russian).
19. Korolev S.I. Systems for ensuring the thermal regime of spacecraft: tutorial. S.I. Korolev; Balt. state tech. un-t. SPb., 2006. 100 p. (in Russian)
o
CN
O HI
m x
3
<
m o x
X
