Метод теплового расчета больших космических телескопов и его программная реализация

• Автор: Шаенко, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Прогресс современной астрономии в настоящее время неразрывно связан с освоением новых диапазонов электромагнитного спектра, повышением чувствительности и углового разрешения инструментов. Решение этих задач стало возможным с выведением обсерваторий за пределы земной атмосферы. Так, например, телескоп I международной астрофизической обсерватории Гранат , выведенной на орбиту в году, позволил впервые в мире произвести съемку области центра Галактики в жестком рентгеновском диапазоне. Построение современной космологической модели Вселенной стало возможным после запуска в году Космического телескопа Хаббла с беспрецедентным по тем временам угловым разрешением в 0,1 угловой секунды . Первые в мире непосредственные спектроскопические наблюдения внесолнечных планет и были проведены при помощи инструмента I чувствительностью в

1,5 мЯнских на инфракрасной обсерватории Спитцера , запущенной в году.

Одним, из методов повышения чувствительности приемной аппаратуры является ее охлаждение. На действующих и завершивших работу обсерваториях, таких как I 6, I , обсерваториях Спитцера и Гершеля , охлаждение производится в основном с помощью криогенных систем. Конструктивно эти обсерватории представляют собой криостаты с размещенными внутри или инструментами, или телескопами целиком. Габаритные размеры зеркал таких обсерваторий ограничиваются диаметром головных обтекателей ракетносителей, используемых для запуска обсерваторий на орбиту. Из. перечисленных обсерваторий наибольшее зеркало диаметром 3,5 метра имеет обсерватория Гершеля, что близко к пределу возможностей современных средств выведения.
Разрабатываемые в настоящее время обсерватории , и Миллиметрон 7, , , будут иметь телескопы с главными зеркаламихарактерным размерами 6,5 метров, 8 метров и метров соответственно. Для
размещения под головным обтекателем ракетносителей эти телескопы необходимо будет выполнить раскрывающимися. Потребуется предусмотреть компактную укладку обсерватории в транспортном положении при размещении ее на носителе и обеспечить раскрытие обсерватории из транспортного положения в рабочее после выхода на орбиту.
Обеспечить охлаждение крупногабаритных конструкций телескопа с помощью испарения хладагента в течение длительного времени затруднительно, так как необходимая для этого масса криогенной жидкости во много раз превысит массу самого телескопа. Мощности типичной современной криосистемы, пригодной для установки на космический аппарат, недостаточно для самостоятельного охлаждения бортовой аппаратуры обсерватории. Это вынуждает разрабатывать комбинированные системы охлаждения.
Одним из способов охлаждения больших космических телескопов являются радиационные экраны устройства с поверхностью, поглощающей и отражающей излучение. С помощью экранов решается двоякая задача. С одной стороны, экран препятствует прямому облучению защищаемого объекта потоком излучения. С другой стороны, экран обеспечивает отвод и излучение во вне тепла, выделяющегося, в защищаемом объекте. Теплопередача между экраном и защищаемым объектом сводится к минимуму. Во время полета обсерватории необходимо поддерживать такую ориентацию относительно Солнца, чтобы радиационный экран загораживал охлаждаемые элементы телескопа от потока теплового излучения.
С точки зрения конструкции радиационные экраны представляют собой тонкую металлизированную полимерную пленку типа лавсан , , закрепленную на жестком каркасе. На обсерваториях I, I, Спитцера и Гершеля каркасы экрана были выполнены неподвижными относительно корпуса телескопа. На разрабатываемых обсерваториях с раскрывающимися зеркалами, таких как , и Миллиметрон, каркасы экранов потребуется также выполнять раскрывающимися.
Под действием тепловых, механических нагрузок, повреждений, изменения свойств материала с течением полета реальная форма поверхности пленки может весьма сильно отличаться от расчетной. Этот факт необходимо учитывать при проектировании радиационных экранов. Кроме того, разница температур между внутренними и внешними слоями экрана может достигать 0К.
Если при использовании простых форм поверхностей экрана, например, параллельных плоскостей, тепловой расчет может быть произведен аналитически, то при сложной конфигурации экрана и при учете искажений формы возникает необходимость разработки методов численного анализа.
Актуальность


Прямая реализация расчета космических аппаратов с большим разбросом температур и сложной геометрической конфигурацией по классической вычислительной схеме приводит к необходимости использовать суперЭВМ, в то время как задачи проектирования и особенно управления полетом перспективных телескопов требуют частых и оперативных тепловых расчетов, которые в реальных условиях будут проводиться в основном на ЭВМ с ограниченными вычислительными ресурсами. Поэтому разработка метода теплового расчета перспективных космических телескопов и его программная реализация на ЭВМ с ограниченными вычислительными ресурсами является важной и актуальной научнотехнической задачей. Целью работы является разработка нового метода нестационарного радиационнокондуктивного теплового расчета больших космических телескопов, с учетом требования программной реализации на базе ЭВМ, обладающих ограниченными вычислительными ресурсами. Используя разработанное программное обеспечение, оценить влияние точности изготовления, термооптических свойств материала геометрии экрана на температуру главного зеркала космического телескопа проекта Миллиметрон. Новый метод теплового расчета космических объектов сложной геометрии. Программный модуль Т. Н.О. ЯЛ. М, реализующий этот метод. Результаты сравнительного анализа влияния геометрии, точности изготовления и теплофизических свойств материала экрана на температуру главного зеркала космического телескопа проекта Миллиметрон, полученные с помощью Т. Н.О. КЛ. ЭВМ, обладающих ограниченными вычислительными ресурсами. Достоверность полученных результатов подтверждается поверочными расчетами тестовых примеров. В качестве тестовых примеров выбирались задачи с известными решениями. Хорошее совпадение результатов численных расчетов с известными решениями подтверждают достоверность метода. Зависимости теплофизических свойств материалов от температуры и времени. Зависимости термооптических свойств поверхностей от температуры, времени, длины волны и направления падающего излучения. Зеркальной компоненты отражения от экранных поверхностей. Непланковского спектра излучения элементов конструкции. Изменения положения внешних источников, связанного с движением обсерватории по орбите. Научнотехническом семинаре в НПО им. С.А. Объединенном семинаре ИМП им. М.В. Келдыша и МГТУ им. Н.Э. Баумана Механика и управление в робототехнических системах. Всероссийской астрономической конференции ВАК. V Международной конференции Параллельные вычисления и задачи управления РАСО. Шаенко А. Ю., Милютин Д. С. Теплообмен в радиационных экранах больших космических телескопов И Доклады Академии Наук. Том. Шаенко А. Ю., Милютин Д. С. Нестационарный радиационнокондуктивный расчет больших космических обсерваторий Вестник компьютерных и информационных технологий. Шаенко АЛО. V., iiv V. Ii i i I . Шаенко . I. Распределенный параллельный расчет радиационнокондуктивного теплообмена методом МонтеКарло на базе графических ускорителей Труды V Международной конференции Параллельные вычисления и задачи управления РАСО. Шаенко А. Ю. Основные результаты теплового расчета космической обсерватории Миллиметрон новым методом Труды Всероссийской астрономической конференции ВАК. Шаенко А. Ю. Разработка новой методики теплового расчета радиационных экранов больших космических телескопов Труды Шестнадцатой Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам ВМСППС. Шаенко А. Ю. Разработка методики расчета лучистого теплообмена в радиационных экранах космической обсерватории Труды 8ой Международной конференции и выставки Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта . Буякас В. И., Троицкий В. Ф., Шаенко А. Ю., Гордиенко А. Н.С. Моделирование задач укладки и раскрытия радиационных экранов большого космического телескопа Труды 8ой Международной конференции и выставки Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта . Шаенко А.