Особенности имитации условий космического пространства при наземных испытаниях

Материалы лекции № 3.1.

Особенности имитации условий космического пространства при наземных

испытаниях.

*****

Необходимость имитации условий полета КА в наземных условиях. Сущность проблемы моделирования условий космического вакуума в ходе испытаний. Оценка неидентичности моделирования свойств космического пространства в лабораторных условиях. Направленный характер действия давления в вакуумной камере испытательной установки. Выбор уровня рабочего давления в испытательной установке. Теплообмен в вакуумной камере.

*****

3.1.1. Необходимость имитации условий полета КА в наземных условиях.

С развитием космической техники особое значение приобретает проблема обеспечения надежности космических аппаратов (КА). Как известно, одним из основных факторов, определяющих надежность и долговечность КА, является стабильность его теплового режима. Современная электронная аппаратура, устанавливаемая на борту спутников и космических кораблей, сохраняет работоспособность в ограниченном диапазоне условий. Отклонение, например, температуры от допустимых пределов может привести к изменению электрических характеристик аппаратуры, снижению ее ресурса и к различным функциональным нарушениям.

Большинство существующих конструкций КА имеет специальные системы терморегулирования (СТР) или термостатирования (СТС), вес которых иногда доходит до 30% веса аппарата. Вывод на орбиту каждого килограмма полезного груза связан с очень большими энергетическими, а, значит, и материальными затратами. Отсюда ясно, несколько важна задача снижения веса систем терморегулирования при одновременном повышении надежности их работы.

Жесткие весовые ограничения побуждают конструкторов создавать системы терморегулирования без значительных запасов хладо- или теплопроизводительности. В этом случае даже незначительные ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, что тепловой режим КА не будет выдержан в заданных пределах. Обычно конструкция КА оказывается слишком сложной для точного теоретического расчета теплового режима. Поэтому для проверки и уточнения приближенных расчетов применяются экспериментальные методы.

Суть этих методов сводится к тому, чтобы с помощью некоторой физической модели воспроизвести условия работы КА в наземных лабораторных установках. Очевидно, что эффективность применения экспериментальных методов исследования во многом зависит от точности моделирования внешних и внутренних процессов. Исследование тепловых режимов объектов на уменьшенных моделях широко применяется в авиации, машиностроении и других отраслях техники. Однако распространение этих методов на космические аппараты связано с трудностями из-за недостаточного знания внешних условий, воздействующих на космический аппарат. Процессы взаимодействия внешних частей КА с космическим излучением или вакуумом очень сложны и изучены еще далеко не полностью. Вследствие этого тепловое состояние КА не удается математически описать с такой же степенью достоверности, как, например, в аэродинамике, газовой динамике или теплотехнике.

В той или иной степени все вышесказанное справедливо и для других систем КА и других воздействующих факторов.

Поэтому среди всех экспериментальных методов особое значение имеют методы всестороннего исследования режима работы КА в натурную величину в предполагаемых рабочих условиях. Для этого создаются специальные вакуумные установки, оснащенные разного рода имитаторами. Моделирование условий работы КА в космосе целесообразно проводить при комплексном воздействии совокупности факторов космического пространства. Так, например, изучение теплового режима целесообразно проводить в рамках комплексных испытаний аппарата в целом. Под комплексными подразумеваются испытания космических аппаратов, укомплектованных полным составом приборного оборудования, работающего по штатной программе. Экономические расчеты показывают, что значительные финансовые и технические трудности создания моделирующих установок для комплексной отработки натурных космических аппаратов в условиях, имитирующих космические, вполне себя оправдывают, так как подобные испытания позволяют существенно сократить сроки доводки аппаратов, снизить суммарные материальные затраты на отработку различных бортовых систем и аппарата в целом, а главное дают возможность увеличить надежность космических полетов и тем самым уменьшить число неудачных полетов.

Аварийные запуски в США в первые годы выполнения космической программы заставили американских технических руководителей пересмотреть методы отработки космической техники. В результате проведения серии организационно-технических мероприятий относительное число неудачных запусков стало сокращаться (см. рисунок 3.1.1.).

В числе основных причин снижения аварийности запусков КА в США отмечаются следующие: