Моделирование и параметрическая оптимизация светооптической схемы имитатора солнца для тепловой отработки негерметичных космических аппаратов

На современном этапе создания КА, требующем улучшения их технических характеристик и увеличения срока активного существования (САС) (до 10–15 лет) планируется производство спутников на основе бес-контейнерных аппаратов с пассивной системой терморегулирования (СТР). Создаются КА с использованием сотовых панелей с встроенными тепловыми трубами, специальных радиационных поверхностей и большого количества обогревателей. Надежность таких КА высока, так как отсутствуют критичные, с точки зрения надежности элементы, приводящие к отказам (гермоконтейнеры, жидкостные контуры и т. д.).

C производством негерметичных КА нового поколения (далее по тексту НКА) связано усовершенствование испытательной базы для наземной экспериментальной отработки (НЭО) и проводятся мероприятия по повышению точности и качества условий космиче- ского пространства, воспроизводимых действующими имитационными установками.

Одним из основных этапов наземной экспериментальной отработки КА считаются тепловакуумные испытания, которые проводятся на специально оборудованном стенде, оснащенным имитатором солнечного излучения (ИСИ).

Недостаточность методической базы построения оптических систем и компоновок ИСИ, низкие КПД существующих систем ИСИ предполагают дополнительные исследования в этой области, а создание НКА повышает требования к точности воспроизводимых имитаторами условий.

Здесь рассмотрены вопросы построения эффективной системы излучения имитатора Солнца в составе стенда для НЭО ОАО «ИСС» ТБК-120.

Обоснование выбора источника излучения для ИСИ ТБК-120 приведено в работе [1]. Суть построения системы излучения на базе метода «совмещенных фокусов» заключается в формировании квазипарал-лельного потока имитации солнечного излучения заданного диаметра с энергетической мощностью, равной сумме энергетических мощностей отдельных источников излучения, посредством совмещения фокусов отдельных рефлекторов-эллипсоидов и отрицательной линзы-конденсора.

На базе метода «совмещенных фокусов» выполнен аналитический габаритный расчет системы излучения ИСИ ТБК-120. Однако такой расчет позволяет лишь в первом приближении оценить реализацию оптической системы, поскольку источники излучения оцениваются как точки, распространяющие излучение равномерно по всем направлениям, а ход лучей рассматривается вблизи оптической оси системы. В реальной оптической системе источник излучения имеет конечные размеры, характерные распределение мощности излучения в дуге лампы и пространственное распространение силы света. Такая оптическая система обладает искажениями проекций в виде аберраций (изображение одной точки имеет вид расплывчатого пятна) и дисторсий (нарушение геометрического подобия). Точный аналитический расчет системы с учетом этих факторов является сложным и громоздким, а зачастую просто невозможным. Современная программа для оптического проектирования ZEMAX позволяет проводить анализ реальных оптических систем с большим количеством компонентов и учетом вышеназванных факторов.

Далее будут рассмотрены вопросы моделирования и оптимизации выполненного габаритного расчета на базе вычислительной модели по критериям максимума эффективности и минимума неравномерности c применением программного пакета ZEMAX.

Основной проблемой, усложняющей моделирование данной оптической системы, явилась проблема задания источника излучения, моделирующего реальные характеристики лампы OSRAM XBO 10000 OFR – неравнояркость дуги и пространственное распределение силы света [2]. Моделирование источника, отличного от стандартных источников ZEMAX, требует создания специальной динамической библиотеки, задающей эти характеристики.

Анализ представленных в [2] характеристик лампы показал, что распределение яркости в объеме источника обладает круговой симметрией. Таким образом, описать неравнояркость источника можно с помощью двух функций – в плоскости XZ и по оси Y .

При аппроксимации функций распределения яркости в координатных осях пакета ZEMAX выяснилось, что в плоскости XZ распределение яркости можно описать следующей функцией:

B (r) = A1 + B1 r + C1 r2 + D1 r3 + E1 r4 + F1 r5, r = V x2 + z2, где А1 = 0,986 47; B1 = 0,516 69; C1 = –3,194 46; D1 = –3,964 73; E1 =13,011 85; F1 = –7,250 73.

По оси Y

B (y) = A2 + B 2 y + c2 y 2 + D2 y3 + E2 y 4 + F2 y5 + G2 y 6, где А2 = 1,017 52; B2 = 0,478 44; C2 = –30,676 5; D2 =128,915 51; E2 = –228,483 74; F2 =187,279 52; G2 = –58,430 25.

В соответствии с созданными функциями на языке C++ составлен, скомпилирован и внедрен исходный код для динамической (DLL) библиотеки ZEMAX. Теперь интенсивность каждого луча в зависимости от того, из какого места объема источника он формируется, нормируется яркость, определяемая функциями B ( r ) и B ( y ). Другими словами, каждая точка в объеме источника получила свою индивидуальную яркость, но ее кривая силы света не поменяла свою форму. Тогда построенная модель представляет собой цилиндрический неравнояркий источник света (рис. 1).

ИСИ ТБК-120 с источником, моделирующим лампу OSRAM XBO 10000 OFR, приведен на рис. 2.

При распределении интенсивности в плоскости, перпендикулярной оптической оси линзы щита (рис. 3), мощность каждого источника принята равной 1/7 Вт, т.е. суммарная мощность светового щита равна 1 Вт. Тогда значение мощности, приходящееся на детектор, позволяет автоматически получить значение эффективности части схемы, предшествующей этому детектору.

Распределение интенсивности излучения в плоскостях параболоидного зеркала и планшета и распределение интенсивности в поперечных сечениях плоскости контроля излучения показаны на рис. 4, 5.

а

DETECTOR IMAGE: INCOHERENT IRRADIANCE

TUE TUN 26 2007

DETECTOR 4d NSCG SURFACE 1: YZ

SIZE 2,400 W X 12,000 H MILLIMETERS, PIXELS 100 W X 100 H, TOTAL HITS = 3407386

PEAK IRRADIANCE : Ч.2370Е+000 WATTS/CM"2

TOTAL POWER : 3.6921E-001 WATTS

б

Рис. 1. Распределение яркости для неравнояркого источника – дуги лампы XBO 10000 W/HS OFR: а – в плоскости XZ ; б – в плоскости YZ

Рис. 2. Вид светооптической схемы с источником, моделирующим лампу OSRAM XBO

3.53Е-003

3.18Е-003

2.83Е-003

2.Ч7Е-003

3.1ZE-003

1 .77Е-003

1 . 06Е-00Э

7.07Е-00Ч

З.еЭЕ-004

0.00Е*000

7.58E-003

6.83E-003

6.07E-003

5.3LE-003

4.55E-003

3.79E-003

Э.03Е-00Э

2.2QE-003

1 . Б2Е-002

7ЕдЕ-аач

0.00E*000

DETECTOR IMAGE: INCOHERENT IRRADIANCE

LUKOV

MCN SEP 21 2009

DETECTOR 268, NSCD SURFACE I : N.LENS

PSK IRRRDDFNCE : 3.S339E-0D3 WHTTS/CMA2

TDTFL POWER : 5.3832E-DDI WATTS

DETECTOR IMAGE: INCOHERENT IRRADIANCE

LUKOV

MEN SEP 21 2009

DETECTOR 269. NSCD SURFACE I: HONOCENGHi

PEAK IRRRDDFNCE : 7.S83HE-0D3 МПТ5/СМЛ2

TDTFL POWER : Ч.2235Е-001 WATTS

Рис. 3. Распределение интенсивности в плоскости, перпендикулярной оптической оси линзы щита и расположенной непосредственно перед отрицательной линзой (слева) и непосредственно за иллюминатором (справа), размер детектора 350 × 350 мм

2.20E-005

1 . 98E-005

1 .76E-005

1 .5ЧЕ-00Б

) .32E-005

1 . 10E-005

6.70E-006

6.Б9Е-006

Ч .Э9Е-006.

2.20E-004.

0.00E-*00D

DETECTOR IMAGE: INCOHERENT IRRADIANCE

DETECTOR IMAGE: INCOHERENT IRRADIANCE

LUKOV

MON SEP 21 2039

HL I Ll *7 ПО 77171 ЫСГГ И КС ОСС I * РООООП! О

SEE 1000.000 U X 2E00.000 H MULIMETKS. PIXELS 500 M X 900 H. TOTAL HITS = 2656779

PSK IRRRDDFNCE : 2.19G2E-005 URTTS/CM^

TDTFL POWER

: 2.89A7E-DDI WATTS

LUKOV

MCN SEP 21 2009 nCTDCinO Q7Q МСРГ И CCACC I • TDTQI *2¥l

SEE 1000.000 MX 2000.000 HMILLiriETKS, PIXELS 200 M X 200 H. TOTAL HITS = 2516608

P8K IRRADDFNCE : 2.2271E-005 UATTS/CM*2

TDTFL POWER : Z.3332E-001 WATTS

Рис. 4. Распределение интенсивности в плоскости параболоидного зеркала ( слева ) и в плоскости контроля излучения ( справа ), размер детектора 1 000 x 2 000 мм

Рис. 5. Поперечные сечения (через центр детектора) распределения интенсивности в плоскости контроля излучения, размер детектора 1,0 х 2,0 м

Эффективность схемы от светового щита к планшету уменьшается (табл. 1).

Таблица 1

Потери в светооптической схеме

Элементы светооптической схемы	Мощность на детекторе, Вт
Световой щит	1
Перед отрицательной линзой	0,538
После смесителя	0,422
На параболоидном зеркале	0,289
На планшете	0,233

Данные таблицы показывают, что основные потери происходят между световым щитом и отрицательной линзой, а также между смесителем и параболоидным зеркалом. Причиной первых потерь является конечная эффективность эллиптического рефлектора, равная приблизительно 60 %. Причина вторых – вследствие того, что реальный источник не является точечным, расходимость за линзой несколько превышает числовую апертуру смесителя, и часть лучей теряется в смесителе, претерпевая полное внутреннее отражение от боковых граней элементов смесителя.

Для минимизации данных потерь и отысканию оптимальных параметров светооптической системы необходимо прибегнуть к параметрической оптимизации светооптической системы. Используемый источник излучения не является точечным источником, а кроме того, не является и равноярким. Данное обстоятельство делает аналитическое вычисление оптимальных параметров системы неоправданно сложным. Поэтому целесообразно воспользоваться возможностями современного программного обеспечения, позволяющего оптимизировать систему в непоследовательном режиме.

Параметрическая оптимизация светооптической схемы в программном пакете ZEMAX. Задача параметрической оптимизации представляет собой итерационный процесс отыскания минимума оценоч- ной функции, в ходе которого параметры системы, объявленные переменными, изменяются.

В программном пакете ZEMAX используется оценочная функция следующего вида:

MF ²

2 W(V - T )²

2 w

где W – вес операнда; V – текущее значение операнда; T – целевое значение операнда.

Для оптимизации светооптической схемы была сконструирована следующая оценочная функция:

MF ² = —

• (1)      (1)         (5)      (5)        (21)(25)

P V    P T   . P V    P T   . P V

I р(13) _ р(13) + р(13) _ р(13) + р(13) _ р(13) I

V PV PT PV PT PV PT

• (11)(11)

^{+ 20} P 15) - ^5) ^{+ 400}( P Vx ² — P Tx 2 )

где P_V ^{( N )}– текущее значение мощности светового потока, приходящегося на N -ый детектор, P_T ^{( N )}– целевое значение мощности светового потока, приходящегося на N -ый детектор, P_V ^{1 x 2} – текущее значение мощности светового потока, приходящееся на область 1×2 м, а P_T ^{1 x 2} – целевое значение того же параметра. Для описания промежуточных результатов будем пользоваться следующими критериями: эффективностью светооптической схемы и неравномерностью в заданной области (рис. 6).

В качестве оптимизируемых параметров первоначально были выбраны следующие:

• –    радиус кривизны в осевой точке для кривой рефлектора R ₀ ;

• –    коэффициент деформации кривой рефлектора k ;

• –    расстояние от центральной точки светового щита до вершины вогнутой поверхности L ;

• –    радиус кривизны отрицательной линзы R .

Промежуточные результаты оптимизации даны в табл. 2.

Рис. 6. Схема расстановки детекторов при анализе и оптимизации

На основе анализа данных табл. 2 в качестве рабочей была выбрана схема с параметрами:

R ₀ = 108,1096;          R = 600;

k = –0,92928;           L = 2211.

Выбор данной схемы обусловлен выбором компромисса между эффективностью и неравномерностью. Для улучшения равномерности было решено незначительно изменить углы наклона рефлекторов, сохранив при этом эффективность схемы (табл. 3).

За счет оптимизации углов наклона удалось несколько улучшить равномерность, сохранив при этом эффективность схемы (табл. 4).

Промежуточные результаты оптимизации

Характеристики окончательной схемы до и после оптимизации углов наклона рефлекторов

Таблица 2

R 0 , мм	k	L , мм	R , мм	Эффективность, %	Неравномерность в области 1 x 2 м, %	Неравномерность в области 0,9 x 1,8 м, %
107,69	0,917763	2300	–264	19	13,7	4,8
107,7213	0,918854	2300	–300	22	15,6	4,7
107,804	0,921739	2300	–400	25	22,3	9,8
107,8809	0,924427	2300	–500	26	23,5	11,6
107,8927	0,92484	2300	–516	26	23,5	11,8
107,399	0,907654	1847	–424	22	18,4	7,0
107,7798	0,920896	2213	–457	22	19,2	6,6
107,9015	0,925146	2354	–474	22	20	7,5
108,0196	0,929283	2211	–600	23,8	19,1	6,4

Углы наклона рефлекторов

Таблица 3

№ рефлектора п/п	Координата вершины рефлектора X , мм	Координата вершины рефлектора Y , мм	Угол поворота рефлектора вокруг оси X , град.	Угол поворота рефлектора вокруг оси Y , град.	Угол поворота рефлектора вокруг оси X , град.	Угол поворота рефлектора вокруг оси Y , град.
			До оптимизации		После оптимизации
1	0.0	450.0	8.62	0	9.24	0
2	351,9	280,6	5,37	–6,73	5,75	–7,22
3	438,7	–100,2	–1,91	–8,41	–2,05	–9,01
4	195,3	–405,5	–7,77	–3,73	–8,33	–4,00
5	–195,3	–405,5	–7,77	3,73	–8,33	4,00
6	–438,7	–100,2	–1,91	8,41	–2,04	9,01
7	–351,9	280,6	5,37	6,73	5,75	7,21

Таблица 4

R 0 , мм	k	L , мм	R , мм	Углы наклона рефлекторов	Эффективность, %	Неравномерность в области 1 x 2 м, %	Неравномерность в области 0,9 x 1,8 м, %
108,0196	0,929283	2211	–600	До оптимизации	23,8	19,1	6,4
108,0196	0,929283	2211	–600	После оптимизации	23,8	16,4	7,6

Повышение требований к наземной тепловой отработке негерметичных космических аппаратов в части имитации солнечного излучения делает актуальными замену водоохлаждаемых высокомощных ламп на маломощные (до 10 кВт) воздухоохлаждаемые серийно выпускаемые лампы солнечного спектра и дальнейшее исследование в области построения методических основ создания имитаторов Солнца на базе этих ламп.

Представленная модель позволит оперативно прогнозировать результаты изменения настроек и параметров оптической системы ИСИ, а также проводить параметрическую оптимизацию с использованием разных целевых функций.