Обзор конструкций радиационных экранов космических обсерваторий

Содержание

Введение

. Требования к радиационным экранам

. Конструкции радиационных экранов

.1 Радиационный экран инфракрасной обсерватории JWST

.2 Радиационный экран оптической обсерватории Gaia

.3 Радиационный экран обсерватории TPF-C

. Некоторые виды конструкций поддерживающих структур радиационных экранов

Список использованных источников

Введение

Рефлекторы современных космических обсерваторий охлаждаются до криогенных температур для снижения уровня внутренних шумов и повышения чувствительности приемной аппаратуры. Охлаждение может быть как активным, с помощью различных холодильных машин, так и пассивным, с помощью создания препятствий освещению приемной аппаратуры прямым или отраженным солнечным излучением. Возможно также комбинированное охлаждение.

Задачу создания тени, в которой работают приемные устройства обсерваторий, решают радиационные экраны - комплекс устройств и механизмов для снижения или значительного ослабления интенсивности прямой и отраженной солнечной радиации в защищаемой области пространства.

Радиационные экраны, в зависимости от способа охлаждения, виду экранируемой зоны, количества термоизолирующего слоев материала, раскрываемости подразделяются на различные виды.

По способу охлаждения:

·с неохлаждаемым экраном,

·с активно-охлаждаемым экраном,

·с частично-охлаждаемым экраном.

По виду экранируемой области:

·со сферической охлаждаемой зоной (космический аппарат полностью окружен экраном),

·с внутренней охлаждаемой зоной (защищается область внутри незамкнутой системы экранов),

·с охлаждением одной стороны (защищается одна сторона космического аппарата).

По раскрываемости:

·экран неподвижно закреплен на корпусе,

·экран выполнен раскрывающимся из транспортного в рабочее положение.

В настоящей работе рассматриваются конструкции современных или перспективных обсерваторий оптического, инфракрасного и радиодиапазона электромагнитных волн с неохлаждаемыми, одно- и многослойными раскрывающимися радиационными экранами с внутренней охлаждаемой зоной. Так как габаритные размеры рассматриваемых радиационных экранов достигают десятков метров, то это позволяет отнести их к большим космическим конструкциям.

1. Требования к радиационным экранам

К радиационным экранам, как к любым устройствам и механизмам космических аппаратов, предъявляются требования по снижению стоимости разработки, изготовления, испытания, выведения, эксплуатации и утилизации, и, соответственно, предъявляются требования по снижению массы, габаритных размеров в транспортном положении и повышению надежности работы. Кроме того, к радиационным экранам, как к большим космическим конструкциям, могут предъявляться требования по обеспечению достаточно высоких первых частот собственных колебаний. И, наконец, к радиационным экранам как к средствам пассивной термоизоляции предъявляются требования по обеспечению температурного режима, формы и размеров охлаждаемой области.

Удовлетворение этих противоречивых требований производится с помощью оптимального конструирования радиационных экранов.

2. Конструкции радиационных экранов

Рассматриваемые в настоящей работе радиационные экраны состоят из следующих основных элементов:

·экранно-вакуумной теплоизоляции,

·раскрывающейся поддерживающей структуры,

·соединяющих устройств.

Теоретически возможны самые разнообразные виды исполнения всех трех элементов, поэтому сначала рассмотрим конструкции радиационных экранов современных и перспективных космических обсерваторий, а затем некоторые варианты конструктивных исполнений раскрывающейся поддерживающей структуры, как основного элемента, обеспечивающего форму и размеры защищаемой зоны, а также требуемые частоты собственных колебаний.

2.1 Радиационный экран инфракрасной обсерватории JWST

Проект создания космической инфракрасной обсерватории имени Джейма Вебба (JWST), проводимый NASA - один из наиболее проработанных в настоящее время. Обсерватория готовится к запуску в 2013 году. В настоящее время системы космического аппарата спроектированы, производится их изготовление и испытания. Среди прочих изготовлен и испытывается технологический образец радиационного экрана.

Радиационный экран JWST представляет собой в плане неправильный шестиугольник, состоящий из пяти слоев теплоизолирующего материала (капрон, с напыленными слоями алюминия и кремния). Роль несущего каркаса исполняют шесть раскладывающихся штанг и поддерживающие тросы. Внешний вид обсерватории показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид космического телескопа им. Дж. Вебба.

Основные параметры радиационного экрана:

·габаритные размеры 32.8 м х 14.2 м,

·пять слоев термоизолирующего материала на основе капрона,

·первые пять собственных частот колебаний: 0.23 Гц, 0.32 Гц, 0.44 Гц и 0.54Гц,

·температура аппаратуры в защищаемой области: меньше 50К.

·примерная масса: 200 кг.

Схема устройства радиационного экрана и его основные параметры показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Конструкция и основные параметры радиационного экрана космического телескопа им. Дж. Вебба.

1. Передние поддерживающие штанги (2 шт.), 2. Боковые поддерживающие штанги (2 шт.), 3. Задние поддерживающие штанги (2 шт.), 4. Пять слоев термоизолирующего материала на поддерживающих тросах, 5. Концевые поддерживающие штанги (6 шт.), 6. Первичная экранно-вакуумная теплоизоляция

Радиационный экран развертывается в следующей последовательности:

. Транспортное положение,

. Раскрытие первичной экранно-вакуумной теплоизоляции,

-4. Раскрытие задних поддерживающих штанг,

-6. Раскрытие передних поддерживающих штанг,

. Раскрытие концевых поддерживающих штанг и натяжение поддерживающих штанг. Рабочее положение радиационного экрана.

Последовательность развертывания радиационного экрана показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Последовательность развертывания радиационного экрана

2.2 Радиационный экран оптической обсерватории Gaia

Космическая обсерватория Gaia, воздаваемая Европейским космическим агентством, в настоящее время находится на этапе проектирования и отработки необходимых технологий. Так, в 2005 году было проведено успешное испытание развертывания макета радиационного экрана.

Радиационный экран Gaia представляет собой правильный двенадцатиугольник диаметром 11 м. Шесть секций двенадцатиугольника выполнены несущими, состоящими из двух частей. Теплоизолирующим материалом экрана является капрон с алюминиевым покрытием. Экран состоит из двух слоев материала, разделенных промежутком в 130 мм. Несущий каркас одной секции - квадратная в плане пластина у места крепления к корпусу космического аппарата и Х-образная в плане поддерживающая конструкция.

Внешний вид обсерватории показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Внешний вид обсерватории Gaia

Основные параметры радиационного экрана:

·диаметр 11м,

·два слоя термоизолирующего материала на основе капрона,

·первая частота собственных колебаний: не ниже 35 Гц,

·температура аппаратуры в защищаемой области: меньше 150 К.

·примерная масса: 70 кг.

Конструкция радиационного экрана показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Радиационный экран обсерватории Gaia. Транспортное и рабочее положения. Показаны три секции из двенадцати.

. Квадратные секции, 2. Х-образные поддерживающие конструкции,

. Несущие панели, 4. Неподкрепленные слои теплоизоляции.

Панели теплоизоляции начинают развертывать одновременно. В рабочем положении панели фиксируются упорами. Последовательность развертывания показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Последовательность развертывания радиационного экрана обсерватории Gaia.

2.3 Радиационный экран обсерватории TPF-C

Проект Terrestrial Planet Finder NASA предусматривает создание обсерваторий для поиска землеподобных планет. В ходе проекта предполагается создать два вида обсерваторий: TPF-C (коронограф) и TPF-I (интерферометр). В настоящее время в стадии активной проработки находится обсерватория TPF-C. Среди прочих систем разрабатывается система поддержания постоянной температуры зеркал телескопа, включающая в свой состав радиационный экран.

Внешний вид обсерватории показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Внешний вид обсерватории TPF-C

Конструкция обсерватории показана на рисунке 8.

Рисунок 8. Конструкция обсерватории TPF-C

Радиационный экран TPF-C состоит из шести слоев термоизолирующего материала, образующих правильную усеченную восьмигранную пирамиду, внутри которой помещен телескоп. Поддерживающей конструкцией являются восемь раздвигающихся штанг, образующих грани пирамиды.

В техническом описании проекта TPF-C сказано, что научная аппаратура обсерватории будет работать при комнатной температуре, и поэтому радиационный экран предназначен в данном случае не сколько для обеспечения охлаждения зеркал и детекторов телескопа, сколько для выравнивания температурного поля в защищаемой области и обеспечения его стационарности. К сожалению, в литературе нет подробной информации об используемом термоизолирующем материале, размерах и массе радиационного экрана.

.4 Радиационный экраны обсерваторий "Миллиметрон" и WMAP

Российский проект "Миллиметрон" предусматривает создание обсерватории миллиметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн с активно-охлаждаемым телескопом диаметром 12 м. Кроме активного охлаждения телескопа предусматривается пассивное охлаждение с помощью двух радиационных экранов.

Конструкция обсерватории показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Конструкция обсерватории проекта "Миллиметрон"

Какая-либо информация о конструкции радиационного экрана обсерватории проекта "Миллиметрон" в доступной литературе отсутствует.

Космический аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) был запущен в 2003 году с целью изучении анизотропии реликтового излучения. Основной научной аппаратурой WMAP является двухканальный радиометр. Для снижения уровня помех приемные устройства радиометра защищаются радиационным экраном. Внешний вид аппарата показан на рисунке 10.

Рисунок 10 . Внешний вид обсерватории WMAP

Конструкция аппарата показана на рисунке 11.

Рисунок 11. Конструкция обсерватории WMAP

Информация о конструкции радиационного экрана обсерватории WMAP в доступной литературе отсутствует.

3. Некоторые виды конструкций поддерживающих структур радиационных экранов

Основным элементом радиационного экрана, обеспечивающим форму и размеры защищаемой зоны, а также раскрываемость и требуемые частоты собственных колебаний, является поддерживающая структура.

В разделе 2 настоящего реферата описаны конструкции поддерживающих структур, использованные при проектировании современных и перспективных космических обсерваторий. Однако в литературе описаны раскрывающиеся космические конструкции, которые так же возможно использовать в качестве поддерживающих структур.

В качестве примера рассмотрим два вида поддерживающих структур, обеспечивающих сочетание высокого коэффициента укладки (отношения максимального размера в рабочем положении к максимальному размеру в транспортном положении) и низкой массы одной единицы площади: ферменные и "сворачиваемые" (англ. furlable) конструкции.

3.1 Ферменные конструкции

Одним из примеров выпускаемых в России раскладывающихся ферменных конструкций являются рефлекторы ОКБ МЭИ серий ТКСА и КТВРМ.

Для их лучших образцов обеспечивается коэффициент укладки порядка 10 и массы 1 кв. м поверхности на уровне 1 кг.

Внешний вид рефлектора ТКСА-6 во время наземных испытаний показан на рисунке 12.

Рисунок 12. Внешний вид рефлектора ТКСА-6

Принципиальная схема устройства ферменной конструкции показана на рисунке 13.

Рисунок 13. Принципиальная схема устройства ферменной конструкции

3.2 Сворачиваемые конструкции

Сворачиваемые конструкции получили свое название, так как их несущие элементы в транспортном положении плотно сворачиваются, тесно прилегая друг к другу. Принципиальное устройство одного из видов сворачивающейся конструкции, рефлектора космического аппарата ATS-6 показано на рисунке 14.

Рисунок 14. Принципиальное устройство рефлектора ATS-6

радиационный экран обсерватория оптический

Рефлектор ATS-6 имеет диаметр 9.1 м, массу 60 кг, коэффициент укладки 4.6 и 1 кв. м поверхности имеет массу 0.92 кг. Внешний вид рефлектора ATS-6 в развернутом положении показан на рисунке 15.

Рисунок 15. Внешний вид рефлектора ATS-6 в развернутом положении

Кроме рефлектора ATS-6 разработаны другие виды сворачивающихся конструкций, ссылки на которые даны в списке использованных источников. К сожалению, по этим конструкциям нет данных о массе, максимально возможных размерах и других параметрах.

Список использованных источников

JWST

. James Webb Space Telescope Site. http://jwst.gsfc.nasa.gov/about.html

. James Webb Space Telescope Project. Mission Operations Concept Document2, 2004. http://docdb.fnal.gov/CMS/DocDB/0004/000498/001/Mission_Ops_Concept.pdf

. JWST Project Status for the CAA, May 2006. http://www7.nationalacademies.org/bpa/CAA_May2006_Presentations_Sabelhaus.pdf

. Gaia site. http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=26

. Mechanisms for Gaia Deployable sunshield, E. Urgoiti, G. Migliorero, 11the ESMATS Symposium

. GAIA: THE SATELLITE AND PAYLOAD, Oscar Pace, European Space Agency, ESA-ESTEC.C

. TPF-C site. http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/tpf_index.cfm

. Technology Plan for the Terrestrial Planet Finder Coronagraph, JPL Publication 05-8, http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/TPF-CTechPlan.pdf

. Terrestrial Planet Finder Coronagraph Science and Technology Definition Team (STDT) Report, JPL Document D-34923, http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/STDT_Report_Final_Ex2FF86A.pdf