CC BY
7
УДК 629.7.018.77
РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНОГО ИМИТАТОРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОМПОНЕНТОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
В. С. Куценко*, Е. С. Карпов, Д. М. Зуев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
В статье представлен подход к созданию компактного имитатора излучения солнечного спектра на основе галогенной линейной лампы для наземных испытаний компонентов космического аппарата. Применение рефлектора позволяет получить малорасходящийся поток излучения.
Приведены схемы имитатора солнечного излучения (ИСИ). Рассмотрены источники излучения для (ИСИ) и их сравнительный анализ. Конструирование и сборка (ИСИ).
Ключевые слова: имитатор солнечного излучения, источник излучения, рефлектор.
DEVELOPMENT OF SMALL-SIZE SOLAR RADIATION SIMULATOR FOR GROUND
TESTS OF SPACECRAFT COMPONENTS
V. S. Kutsenko*, E. S. Karpov, D. M. Zuev
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky rabochiy prospect, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The article presents an approach to the creation of a compact solar spectrum radiation simulator based on a halogen linear lamp for ground testing of spacecraft components. Application of reflector allows to obtain low-flowable radiation flux.
Solar radiation simulator (SRS) schemes are given. Radiation sources for (SRS) and their comparative analysis are considered. Design and Assembly (SRS).
Keywords: solar radiation simulator, radiation source, reflector, requirements
Введение. Космические аппараты (КА) и их составляющие испытывают в термовакуумных камерах, в которых условия близки к условиям космоса. Одним из элементов испытательного оборудования является имитатор солнечного излучения (ИСИ), который предназначен для имитации прямого солнечного излучения, действующего на космический аппарат. Требования к ИСИ для околоземной орбиты: спектральное распределение энергии излучения в диапазоне длин волн от 0,2 мкм до 2,5 мкм, плотность потока излучения 1340 - 1440 Вт/м2 (Погрешность не более 10% от номинальных значений), размеры светового пятна должны соответствовать размерам рабочего поля, не параллельность потока не более ± 4° [1]. Разработка ИСИ требуется для проведения учебно-научного эксперимента по проведению летного тестирования различных типов ФЭП, планируется интегрировать модуль полезной нагрузки на платформу аппарата ReshUCube-2 форм-фактора 3U. Подробнее с данным экспериментом можно ознакомиться в сборнике «Решетнёвские чтения» [2].
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
Сравнительный анализ источников излучения для ИСИ. Имеется множество источников света для имитации солнечного излучения. Имеются различные факторы, влияющие на точность измерения параметров компонентов КА [3]: высокая стабильность потока излучения, малая неравномерность энергетической освещенности, спектральный состав излучения.
Для разработки несложного ИСИ используют лампы накаливания, либо галогенные лампы с цветовой температурой близкой к классу «А» (составляет 5900 К) спектрального соответствия. Для более габаритных, высококачественных ИСИ используют дуговые газоразрядные ксеноновые лампы. Выбирая для имитации источник света, учитывают подсистемы обслуживания ИСИ: стабилизация светового потока, управления уровнем и неравномерностью светового потока, охлаждения излучателей.
Способы выравнивания светового потока в ИСИ. Световой поток в рабочем поле ИСИ можно выровнять с помощью осесимметричных зеркал различной конфигурации: конические, параболические, параболоцилиндрические. Наиболее распространенными конструкциями являются параболические и параболоцилиндрические отражатели. Они представляют собой зеркала параболической формы, которые фокусируют световой поток. У них есть ряд преимуществ: простота конструкции, меньший размер. Также есть недостатки: они перенаправляют только боковые лучи, что ведет к потерям направленного светового потока.
Реализация солнечного имитатора и численный анализ. В нашей работе мы будем использовать галогенную лампу сетевого напряжения, мощность - 1500 Вт, длина - 254 мм, диаметр - 10 мм, она встроена в параболоцилиндрический рефлектор с углом светового пучка - 120°. Галогенная лампа мощностью Р = 1500 Вт, КПД: п = 3,5% Мощность света рассчитаем по формуле:
Рвт =Л-Р = 1500 • 0,032 = 48 Вт.
КПД светильник, псв = 68%, найдем мощность потока света по формуле:
Р = Р •п = 48 • 0,68 = 32,64 Вт.
пот.света света I св > >
В нашем исследовании мы будем освещать кремниевые поликристаллические тоэлектрические поток будет равен:
фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) размером $ = 0,01 м2 = 1 дм2, значит световой
Р 32 64
Ф = потсвета = —— = 32,64 Вт/дм2.
$ 1
По требованиям к ИСИ, световой поток находится в диапазоне 1340 - 1440 Вт/м2, возьмем Фт = 1400 Вт/м2 = 14 Вт/дм2. Световой поток, получаемый нами в исследовании и световой поток на орбите отличаются в Фт / Ф = 0,5 раз. Значит ток на наших ФЭП в 0,5 раз меньше, чем на околоземной орбите.
Техническая реализация. Для технической реализации принято решение о формировании ИСИ самостоятельно. Обусловлено решение следующими причинами: опыт в конструировании экспериментальных платформ для студентов; возможность дальнейшего использования ИСИ в рамках образовательного процесса кафедры "Технической физики" НОЦ ИКИВТ. Элементы конструкции ИСИ: Несущие конструкции с пазами (2 шт.), фанера толщиной 12 мм.; Скрепляющие элементы, нижние и верхние (4 шт.), фанера 4 мм.; Платформа для расположения фотоэлектрических преобразователей, с наклонным
устройством (1 шт.), фанера 4 мм.; Платформа для источника излучения (1 шт.), фанера 12 мм.; Крючки держатели боковых платформ 8 (шт.), фанера 4 мм.; Боковые платформы (2 шт.), фанера 4 мм. Далее приведена схема построения, конструируемого ИСИ.
Рис. 1. а) Модель лабораторной установки: 1 - источник излучения; 2 - рабочее поле;
3 - параболоцилиндрический рефлектор, б) Изображение сконструированной модели ИСИ: 1 -Несущие конструкции с пазами; 2 - Скрепляющие элементы; 3 - Платформа для ФЭП;
4 - Платформа для источника излучения; 5 - Крючки; 6 - Боковые платформы (одна скрыта)
Заключение. Проведение эксперимента в условиях космической среды позволяет получить представление об истинном поведении солнечных ячеек на орбите. Космическое пространство опасно, а запуск спутника финансово затруднённый процесс, во избежание выхода из строя того или иного оборудования на орбите, необходимы наземные тесты различных систем спутника. ИСИ идеально подходит для корректного теста ФЭП в условиях близких реальному солнечному излучению. В ходе работы выбрали источник излучения, разработали конструкцию исходя из требований к ней. Работа выполнена при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках программы «Дежурный по планете» (Space Pi) 6-ой очереди. Проект «Космическая миссия ReshUCube», договор № 71С2/МОЛ/71271 от 29.11.2021.
1. Кравченко С. В. Подходы к созданию комплексных систем для отработки и испытания космических аппаратов: Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. №1 (13). С. 149.
2. Концепция учебно-научного эксперимента по проведению научного тестирования различных типов фотоэлектрических преобразователей / М. М. Лукьянов, В. С. Куценко, Е. С. Карпов и др. // Решетневские чтения [Электронный ресурс]: материалы XXV Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева (10-12 нояб. 2021, г. Красноярск): в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова / Красноярск, 2021. - Ч. 1. С. 413.
3. Солнечные энергосистемы космических аппаратов. Физическое и математическое моделирование / К. В. Безручко, Н. В. Белан, Д. Г. Белов и др. // Под ред. Акад. НАН Украины С.Н. Конюхова. - Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т «Харьк. Авиац. Ин-т», 2000.
а)
б)
Библиографические ссылки
515 с.
© Куценко В. С., Карпов Е. С., Зуев Д. М., 2022
