Имитация солнечного излучения в термовакуумных установках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Трудно переоценить влияние солнечной радиации на процессы, протекающие в природной и техногенной средах, поэтому испытаниям на воздействие солнечного излучения подвергают изделия и материалы от самых простейших до космических аппаратов и их систем. Проведение испытаний в натурных условиях часто оказывается невозможно или слишком дорого по причинам сложности поддержания одних и тех же условий при проведении серии экспериментов; работы в режиме реального времени, что неоправданно удлиняет сроки испытаний. Эти трудности многократно возрастают при комбинированных воздействиях.

Для того чтобы ракеты-носители, а также космические аппараты удовлетворяли требованиям надежности, долговечности и работоспособности, на Земле они тщательно и всесторонне испытываются в условиях, максимально соответствующих имеющимся при запуске и в ходе орбитального полета. Специалистов, в частности, интересуют ответы на вопрос о том, как приборы перенесут вибрацию и перегрузки, какова степень герметичности аппаратов, как работает система единого питания, как ведут себя различные материалы в глубоком вакууме при экстремальных температурах и многое другое.

1. Внешние тепловые потоки, действующие на космический аппарат

1.1 Тепловые потоки

В космическом пространстве КА подвергается тепловому воздействию.

Корпускулярное излучение - потоки электрически заряженных частиц высокой энергии (ядер атомов химических элементов, электронов и протонов) солнечного или галактического происхождения.

В околоземном пространстве корпускулярное излучение наблюдается в виде солнечного ветра, солнечного и галактического космического излучений и излучения радиационного пояса Земли.

Солнечный ветер - непрерывное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, содержит ~90% протонов, ~9% ядер гелия и 1% других более тяжелых ионов. В последнее время под солнечным ветром подразумевают измеряемый вблизи Земли поток частиц солнечного происхождения с энергией до 10^6 эВ.

Солнечное космическое излучение (СКИ) - интенсивные потоки частиц высокой (от 10^6 до 2*10^10 эВ) энергии, генерируемые Солнцем во время сильных вспышек. В состав СКИ входят в основном протоны, обнаружены также ядра с зарядом z>2 и электроны с >40 кэВ.

Сильные вспышки сравнительно редки и длятся не более суток, но в это время именно СКИ определяют радиационную обстановку в межпланетном пространстве.

Галактическое космическое излучение (ГКИ) - потоки частиц, возникающие вне пределов Солнечной системы и состоящие из ~94% протонов, ~5,5% ядер гелия и небольшого количества тяжелых ядер. Средняя энергия частиц ГКИ, наблюдаемых около Земли, составляет 10^10 эВ, причем энергия некоторых из них может достигать 10^20 эВ и выше, т.е. во много раз превосходит максимальную энергию, полученную на Земле с помощью ускорителей заряженных частиц. Поток частиц движется движется с релятивистскими (близкими к скорости света) скоростями. Его интенсивность практически одинакова во всех направлениях, увеличивается по мере удаления от Солнца.

По своей проникающей способности галактические космические лучи превосходят все другие виды излучений, кроме нейтрино.

Приборы, расположенные на КА, существенно влияют на температурный баланс.

Важное место в наземной отработке космических аппаратов занимает изучение их теплового режима. Жесткие весовые и энергетические ограничения заставляют конструкторов создавать системы терморегулирования без существенных запасов хладо -- или теплопроизводительности. В этих условиях даже незначительные ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, что тепловой режим космического аппарата не будет выдержан в заданных пределах и вызовет выход из строя элементов бортовой аппаратуры.

Радиотехническая, фотографическая, энергетическая другая научная аппаратура, устанавливаемая внутри снаружи станции, потребует поддержания вполне определенной температуры. Большинство элементов современного авиационного и космического оборудования рассчитано на температуры от -60 до +50°С, но некоторые космические приборы нуждаются в еще более узком диапазоне температур.

Как показано на рис. 1, особенности теплового режима (даже в рамках допустимого диапазона) сильно влияют на надежность космического аппарата. Наименьшее число отказов наблюдается при нормальной, комнатной температуре. С ее понижением число отказов возрастает, становясь значительным при пониженных температурах и особенно большим при повышенных.



Рис. 1. Зависимость количества отказов приборов 11 космических аппаратов от окружающей температуры: 1 -- комнатная температура; 2 -- фаза перехода от максимально допустимой к минимально допустимой температуры приборов; 3 -- минимально допустимая температура приборов; 4 -- максимально допустимая температура приборов.

Солнце производит лучи в диапазоне от инфракрасного до жесткого ультрафиолетового излучения. Фоновое космическое излучение состоит из рентгеновских и гамма лучей, а также частиц высоких энергий.

1.2 Спектры солнечного излучения

Оптическая область спектра электромагнитные излучений состоит из трех участков: невидимых ультрафиолетовых излучений (длина волн 10--400 нм), видимых световых излучений (длина волн 400--750 нм), воспринимаемых глазом как свет и невидимых инфракрасных излучений (длина волн 740 нм -- 1--2 мм).

Световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяют на простые (монохроматические) и сложные. Излучение с определенной длиной волны называют монохроматическим.

Спектр -- последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания.

При разложении белого света призмой в непрерывный спектр цвета в нем постепенно переходят один в другой. Принято считать, что в некоторых границах длин волн (нм) излучения имеют следующие цвета:

390--440 - фиолетовый

440--480 - синий

480--510 - голубой

510--550 - зеленый

550--575 - желто-зеленый

575--585 - желтый

585--620 - оранжевый

630--770 - красный

Различают три зоны излучения: сине-фиолетовая (длина волн 400--490 нм), зеленая (длина 490--570 нм) и красная (длина 580--720 нм). Свет, излучаемый обычными источниками, а также свет, отраженный от несветящихся тел, всегда имеет сложный спектральный состав, т. е. - состоит из суммы различных монохроматических излучений.

2. Моделирующие установки

2.1 Общие сведения и устройство барокамер

Для проведения тепловых испытаний на Земле в специальных барокамерах (рис. 2) воспроизводятся некоторые условия космического пространства, прежде всего давление, температура и солнечная радиация. В полной мере имитация этих условий сложна, поэтому на практике обычно ограничиваются той или иной степенью приближения. Так, например, уже при давлении 10-8-10-10 кгс/см2 теплопроводность газов становится пренебрежимо малой, и ею можно пренебречь. Отвод тепла от космического аппарата в окружающую среду в этом случае будет происходить так же, как и в космосе, -- только излучением.

Температура космического пространства с достаточной для практических целей точностью имитируется путем охлаждения внутренних стенок (экранов) барокамер жидким азотом (77 К). Изнутри эти экраны покрывают специальными покрытиями, обеспечивающими степень их черноты, близкую к единице. Это делается для того, чтобы излучаемый объектом тепловой поток поглощался стенкой, а не отражался ею обратно на объект.

Вообще говоря, ряд специалистов считает, что имитация истинных условий космоса, возможно, никогда не будет достигнута, но любая степень приближения к ним стоит затраченных усилий. Однако на практике всегда ограничиваются разумной степенью приближения, определяемой некоторым пересечением технической осуществимости и экономической целесообразности создания наземных экспериментальных установок.

На начальном этапе развития космонавтики наземная экспериментальная база была сравнительно слабой. В США, например, первая установка, предназначенная для проведения тепловых испытаний космических аппаратов, построена только в 1958 г. и была весьма примитивной. Она представляла собой камеру диаметром 2,4 м и длиной 4,6 м. Ее экраны охлаждались протекавшим по ним жидким азотом. С помощью трех механических и одного диффузионного насосов в ней можно было поддерживать давление порядка 10-11-10-12 кг/см2. Имитация внешнего теплового потока, поступавшего на установленный в камере аппарат, производилась с помощью инфракрасных нагревателей, количественно воспроизводивших потоки, вычисленные аналитически.

Практический опыт, однако, вскоре показал, что экспериментальная техника должна быть более совершенной прежде всего в аспекте имитации внешних тепловых потоков. В результате в 60-е годы в разных странах начали проводиться работы по созданию имитаторов солнечного излучения. Их применение, кроме более полного исследования тепловых режимов космических аппаратов, позволяло также решать широкий круг других весьма важных задач: испытывать оптические приборы системы ориентации и солнечные батареи, снабжающие аппарат электрической энергией, изучать влияние излучения Солнца на свойства материалов и т.д.



Рис. 2. Схема барокамеры [правая половина условно повернута на 45 градусов, чтобы был виден диффузионный насос]:
1 -- ферменная конструкция, к которой подвешены коллимирующие зеркала 11; 2 -- направление потока воздуха при вакуумировании; 3 -- диффузионный насос; 6 -- рабочая часть камеры; 7 -- стенка, охлаждаемая жидким азотом; 8 -- установка для имитации солнечного излучения; 9 -- мозаичная система линз; 10 -- стенка, охлаждаемая жидким азотом; 11 -- коллимирующие зеркала; 12 -- платформа обслуживания.

Увеличение размеров космических аппаратов закономерно вызывало необходимость в создании камер большого объема. В начале 60-х годов начинают появляться камеры объемом свыше 50 м3 и даже свыше 500 м3. К концу 60-х годов в США, например, насчитывалось 14 камер объемом свыше 1000 м3 (камера, предназначавшаяся для испытания космического корабля "Аполлон", имела объем 11 233 м3).

Как методы имитации температуры и внешних тепловых потоков, так и методы создания космического вакуума в таких установках претерпели существенные изменения. Действительно, в более крупных установках требуются, например, более высокие скорости откачки газов, так как внутренние поверхности стенок камер в вакууме выделяют пары и газы, количество которых при прочих равных условиях прямо пропорционально размерам камер. Кроме того, в больших установках, как правило, бывает значительной длина уплотнений, через которые в барокамеру проникает воздух. Наконец, на количество выделяющихся паров и газов влияют вспомогательное оборудование и размеры испытываемых объектов, имеющих в большинстве случаев материалы с большим газоотделением (все органические материалы, резина и т. д.).

Однако поддержание необходимого уровня вакуума в больших камерах путем увеличения скорости откачки с помощью насосов становится технически сложным, и поэтому решение этой задачи пошло по другому пути -- с помощью криогенной откачки. С этой целью в камере предусматривались участки (криогенные панели), охлаждаемые жидким водородом (точка кипения при нормальном давлении составляет 20 К) или газообразным гелием (11 К). Молекулы остаточного газа, попадая на эти панели, "замораживаются", что приводит к понижению давления в камере. Криогенные панели размещаются в пространстве между другим экраном, охлаждаемым жидким азотом.

Охлаждать гелием целиком все экраны камеры технически сложно и экономически невыгодно, так как в этом случае, в частности, первоначальная стоимость установки и эксплуатационные расходы становятся весьма большими. Использование криогенных панелей позволяет с минимальными затратами решить задачу о поддержании необходимого вакуума в камерах. В качестве основных используются чаще всего диффузионные насосы, хотя в ряде случаев применяются и другие их виды: ионно-сорбционные, титановые сублимационные, турбомолекулярные и др.

имитатор солнечный космический аппарат

2.2 Общие сведения и устройство оптических систем вакуумных установок

Первоначально в качестве источников излучения применялись угольно-дуговые лампы, достаточно хорошо имитировавшие спектральное распределение энергии Солнца во всем диапазоне длин волн, кроме ультрафиолетовой области {0,2-0,4 мкм), где недостаток мощности можно было компенсировать с помощью дополнительных источников. Однако этот вид ламп имел ряд существенных недостатков; в частности, из-за быстрого сгорания положительного электрода (для дуги мощностью 10 кВт скорость сгорания составляла 0,5 м/ч) его постоянно приходилось заменять новым, кроме того, механизм подачи электродов был сложен, нужно было защищать элементы оптической системы (зеркала, отражающие и преломляющие свет, линзы и пр.) от загрязнения продуктами сгорания.

Поэтому начали применяться лампы с газовым наполнением (ксеноновые, ртутно-ксеноновые), сочетающие в себе яркость угольной дуги с удобством эксплуатации. Вместе с тем и эти лампы имели недостатки. Так, например, они имитировали солнечный спектр хуже, чем угольно-дуговые лампы. В процессе развития оба типа ламп совершенствовались: разрабатывался нерасходуемый отрицательный электрод в угольно-дуговой лампе, улучшалась имитация солнечного спектра за счет введения дополнительных газов в ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы и т.д.

Для создания необходимой интенсивности теплового потока применяется большое количество ламп, располагающихся так, чтобы на испытываемом объекте не появлялось тени или сильно нагреваемых мест за счет взаимного перекрытия лучей от отдельных светильников. Лучи света направляются в камеру с помощью специальных оптических систем, отличающихся большим разнообразием конструкции. Вот, например, как устроена оптическая система одной из моделирующих установок (рис. 3).



Рис. 3. Оптическая система экспериментальной вакуумной установки

Поток лучей создается солнечным имитатором, расположенным в 10 метровой надстройке над цилиндрической барокамерой высотой порядка 14 м и диаметром 8 м. Источником лучистой энергии служат ртутно-ксеноновые лампы (9) мощностью по 2,5 кВт, расположенные вне камеры на щите 1. Таких ламп свыше 130, лучи от них собираются параболоидным зеркалом (2) и направляются на выпуклое зеркало 3. Последнее состоит из 19 шестигранников с диаметром описывающих их окружностей, равным 0,165 м. Этим зеркалом пучок лучей направляется через линзу (4) и попадает на рассеивающее зеркало (5), посылающее, в свою очередь, эти лучи на главное параболоидное зеркало (6), формирующее поток в рабочей зоне камеры (7).

Каждая лампа освещает свой участок в рабочей зоне и снабжена устройством для регулировки с главного пульта управления. Зеркало (5) имеет диаметр 0,765 м и состоит из 1150 охлаждаемых водой отдельных параболоидных зеркал, изготовленных из нержавеющей стали. Так как зеркало (5) создает в рабочей зоне теневой участок, имеется вспомогательная оптическая система, освещающая этот участок (на рис. 14 не показана).

Так как стоимость космических аппаратов весьма высокая, тепловые испытания иногда проводят на специальных тепловых макетах, на которых вместо аппаратуры применяются имитаторы. На таком макете в разных его местах размещаются температурные датчики, чтобы по их показаниям можно было составить полное представление о тепловом режиме космического аппарата. Тепловой макет устанавливают в барокамере, производят откачку из нее газов, охлаждают ее экраны. Затем включают солнечные имитаторы и начинают испытания.

С помощью специального устройства макет вращается, имитируя изменение положения аппарата относительно Солнца в ходе его космического полета. Имитаторы аппаратуры работают по заданным программам, воспроизводя тепловыделение приборов в разных режимах "полета". Показания датчиков автоматически записываются на специальных приборах. Если в ходе испытаний обнаружится, что система терморегулировании работает неудовлетворительно, в ее конструкцию вносятся соответствующие изменения, и в случае необходимости вновь проводятся испытания для определения эффективности этих изменений.

В наземных условиях проводится и имитация теплового режима космических аппаратов на участках полета в атмосфере планет. При этом в термобарокамерах воспроизводятся два основных параметра: давление ("высота") окружающей среды и температура поверхности космического аппарата. Нагрев поверхности испытуемых объектов производится специальными нагревателями, например инфракрасными вольфрамокварцевыми радиационными нагревателями. Такие нагреватели состоят из трубок, изготовленных из кварцевого порошка, с навитой на них вольфрамовой нитью накала. Они монтируются в керамические рефлекторы, отражающие тепловые потоки. Существующие нагреватели имеют температуру нити 3000° С. В качестве нагревателей используются также и кварцевые лампы, графитовые оболочки и другие устройства.

Особенно сложная задача при проведении такого рода испытаний состоит в имитации изменения окружающего давления. Во время запуска космического аппарата уменьшение давления воздуха от атмосферного до 10-8 кг/см2 происходит за несколько минут. Изменить так резко давление в вакуумной камере в реальном масштабе времени весьма сложно, так как большинство космических имитаторов не оборудовано вакуумными насосными системами, обеспечивающими такие скорости откачки. Поэтому на практике эта задача решается различными приближенными методами, основанными, как правило, на изменении масштаба времени.

Экспериментальное изучение аэродинамического нагрева в ряде случаев приводило к получению весьма ценных результатов. Так, например, американским специалистам удалось с помощью его имитации найти ответ на вопрос о том, почему в процессе полета одной из ракет систематически происходило разрушение обшивок сотовой конструкции, изготовленной из стекловолокна, пропитанного фенольной смолой. Результаты экспериментов наглядно показали, что причина этого состояла в резком повышении давления газов внутри обшивки из-за слабой газопроводности ее материала.

2.3 Классификация имитаторов солнечного излучения

Имитация как абсолютных значений плотности мощности потока солнечного излучения, так и его спектрального распределения на площади ~ 100 см2, на которой можно было бы разместить испытуемый образец, изделие или модель аппарата связано с крупными энергозатратами. Так промышленный имитатор Солнца с газоразрядной ксеноновой лампой с максимальным световым диаметром 120 мм потребляет от сети 15 кВт, хотя и имеет погрешность имитации солнечного спектра +-10% в диапазоне длин волн 0,35…2 мкм. Конкретизация цели физического моделирования часто позволяет добиться адекватности модельной и реальной ситуации менее энергоемкими средствами.

В настоящее время можно ввести классификацию задач, каждая из которых предъявляет свои специфические требования к имитатору Солнца:

- Солнце как источник фотоиндуцируемых химических превращений;

- Солнце как источник радиационного нагрева;

- Солнце как источник фоновых помех;

- Солнце как маяк астронавигационных систем;

- Солнце как источник электродвижущей силы фотопреобразователей;

- Солнце как источник биологически активного излучения.

Создание имитатора для решения любой из вошедших в классификационный список задач, как правило, не требует воссоздания солнечного спектра во всем исследованном диапазоне 0,14…300 мкм и достижения интегральной плотности потока солнечной радиации на уровне солнечной постоянной 135,5 мВт/см2. Экспериментальными исследованиями механизмов фотоокрашивания покрытий с наполнителями из неорганических пигментов доказано, что на их протекание основное влияние оказывает «жесткая» часть ультрафиолетового излучения (0,2…0,3 мкм) в световом пучке. В этой спектральной области лучшим имитатором спектра Солнца является ксеноновая лампа. Расхождение спектров Солнца и лампы в длинноволновой области (>=0,4 мкм) несущественны в связи с ее слабой фотоактивностью. Присутствие ультрафиолетовой части спектра в пределах от 280 нм до 400 нм с плотностью потока <= Вт/м2 также необходимо и при испытаниях радиоаппаратуры. В области «жесткого» ультрафиолета лампы накаливания неэффективны и вряд ли могут составить конкуренцию газоразрядным и дуговым источникам света.

При проверке астронавигационных приборов имитатор должен воспроизводить заданный уровень превышения сигнала над фоном в области спектральной чувствительности датчика и, для датчиков точной ориентации, угловые размеры Солнца (32 угл. мин). Чувствительными элементами датчиков служат кремниевые, германиевые или сернисто-кадмиевые фотодиоды и фотосопротивления. Максимум их спектральной чувствительности лежит в видимом или ближнем ИК диапазонах. Часто в датчиках Солнца с помощью красных и нейтральных светофильтров осуществляется амплитудная селекция излучения по мощности и спектру. Следовательно спектральное согласование имитатора с датчиком Солнца требуется лишь в относительно узкой области, а величина интегрального светового потока в согласованном интервале длин волн уменьшена на величину ослабления вносимого нейтральным светофильтром, естественно с одновременным его выведением из оптического тракта. Компактность тела накала малогабаритных галогенных ламп обеспечивает малые угловые размеры источника излучения.

Солнце как источник фоновых помех для оптико-электронных приборов активного типа с лазерными излучателями и спектральной селекцией отраженных сигналов можно имитировать теми или аналогичными лазерными излучателями с формирующей оптикой и ослабителями, чтобы получить уровни фоновых освещенностей на модели или ее части в соответствии с полосой пропускания ОЭП. При узкой 1…10 нм полосе пропускания эти уровни невелики и легко достижимы. От экспериментатора требуется лишь воспроизведение угловых положений в системе: имитатор - модель - ОЭП.

Для ОЭП пассивного типа, работающих по отраженному объектом солнечному излучению или собственному тепловому, важно соблюсти подобие спектральных распределений Солнца и имитатора, достижение же интегральной энергетической освещенностью значения солнечной постоянной не является обязательным условием. Основные параметры ОЭП вероятности обнаружения и ложных тревог зависят от отнощения сигнал/шум, обеспечение которого и является необходимым условием адекватности модельной ситуации в реальности. Часто достаточно отношение сигнал/шум 5…10.

В лабораторных же условиях помехи могут составлять в среднем доли фотона за цикл измерения.

Однако уменьшение интегральгой энергетической освещенности может привести к трансформации статимтики фотоотсчетов от нормального распределения для сильного сигнала через различные промежуточные и пуассоновский. Оценочные уровни смены статистик: >=100 фотоотсчетов за цикл измерения - нормальная, <=10 - пуассоновская, 10…100 - промежуточная, которая определяется источником излучения, средой распространения и самим ОЭП и, как правило, нуждается в самостоятельном исследовании. Поскольку спектр излучения Солнца довольно точно апроксимируеися черным телом, как и излучение галогенных ламп, то и в этом случае, излучение галогенной лампы приводится к цветовой температуре Солнца в требуемой спектральной области.

Схемы построения излучателей имитаторов Солнца аналогичны оптическим схемам проекционных приборов: источник света, конденсор, объектив (рис. 4). Назначение конденсора - собрать как можно большую долю светового потока источника в фокальной плоскости объектива, а объектива - задать требуемую расходимость. Корректирующий светофильтр приближает спектральное распределение источника света к солнечному в заданной области спектра.

Для решения нескольких классов задач перспективно использование в качестве источника света имитатора Солнца галогенных ламп накаливания. Их цветовая температура в рабочей области изменяется по линейному закону в зависимости от протекающего через них тока от 1900 до 3500 K, поэтому ток лампы имитатора необходимо стабилизировать электронными средствами, что и отражено на схеме (рис. 4).



Газоразрядные лампы.

Газоразрядная лампа - лампа, в которой свечение создается непосредственно или опосредованно от электрического разряда в газе, в парах металла или в смеси газа и пара.

Газоразрядные лампы - это лампы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и другие вещества (например, ртуть), находящиеся в парообразном состоянии. Исследуя дуговой разряд, русский учёный В. В. Петров в 1802 обратил внимание на сопровождавшие его световые явления. В 1876 русским инженером П. Н. Яблочковым была изобретена дуговая угольная лампа переменного тока, положившая начало практическому использованию электрического разряда для освещения. Создание газосветных трубок относится к 1850 -1910 гг. В 30-х гг. 20 в. начались интенсивные исследования по применению люминофоров в газосветных трубках. Исследованием, разработкой и производством газоразрядных ламп высокого давления в СССР, начиная с 30-х г.г. занималась группа учёных и инженеров Физического института АН СССР, Московского электролампового завода, Всесоюзного электротехнического института. Первые образцы ртутных ламп были изготовлены в СССР в 1927, газосветных ламп - в 1928, натриевых ламп - в 1935.

Газоразрядная лампа представляет собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, иногда некоторое количество металла или др. вещества (например, галоидной соли) с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы (например, впаяны) электроды, между которыми происходит разряд. Существуют газоразрядные лампы с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа, например угольная дуга.

В большинстве газоразрядных ламп используется излучение положительного столба дугового разряда (реже тлеющего разряда, например в газосветных трубках), в импульсных лампах - искровой разряд, переходящий в дуговой. Существуют лампы дугового разряда с низким давлением, например натриевая лампа низкого давления; с высоким и сверхвысоким давлением, например ксеноновые газоразрядные лампы.

Для имитаторов солнечного излучения важны такие характеристики газоразрядных ламп как мощность и идентичность спектрального состава излучения солнечному (газоразрядные ксеноновые лампы в металлической оболочке).

В связи с разработкой новых высокотемпературных и химически стойких материалов для оболочек газоразрядных ламп и открытием технологического приёма введения в газоразрядную лампу излучающих элементов в виде легколетучих соединений, появились новые перспективы развития и применения газоразрядных источников света. Например, газоразрядная ртутная лампа с добавкой иодидов таллия, натрия и индия обладает световой отдачей до 80-95 лм/Вт и хорошей цветопередачей. В газоразрядной натриевой лампе высокого давления, создание которой стало возможным благодаря применению оболочки из высокотемпературной керамики на основе окиси алюминия, световая отдача достигает 100 -120 лм/Вт.

Своим ярким белым светом газоразрядные лампы напоминают кварцевые галогенные лампы. Однако, газоразрядные лампы выгодно отличаются высокой стабильностью цветопередачи в течение всего срока службы.

Натриевые газоразрядные лампы высокого давления семейства благодаря своим характеристикам и световому эффекту, особенно в передаче теплых тонов, идеальны для освещения торговых и выставочных площадей. Газоразрядные лампы высокого давления этого типа имеют встроенные антенны, которые обеспечивают эффективную защиту от ранних отказов.

Максимальное качество освещения - вот главное преимущество газоразрядных ламп. Газоразрядные лампы высокого давления выгодны для краткосрочного использования.

Импульсные лампы.

Импульсные источники света характеризуются высокими значениями плотностей энергии и тока при вспышке, возникающей в результате разряда конденсатора через газонаполненную трубку. В зависимости от электрических параметров схемы и конструкции импульсной лампы длительность вспышки лежит в пределах от 10--6 до 10--3 сек. Увеличение ёмкости разрядного конденсатора повышает длительность излучения и его общую энергию. Для получения возможно более кратковременных вспышек при выбранной величине ёмкости самоиндукция разрядного контура должна быть минимальной. Однако с точки зрения срока службы лампы, в ряде случаев полезно вводить в разрядный контур самоиндукцию с минимальным омическим сопротивлением.

Импульсные лампы, представляют собой стеклянную трубку, наполненную инертным газом, обычно ксеноном. В момент разряда накопительного конденсатора происходит мгновенное свечение газа очень большой яркости. Спектральный состав излучаемого света близок к солнечному.

Для возникновения вспышки необходимо ионизировать газ внутри баллона лампы. Это осуществляется с помощью высокого напряжения, подаваемого на внешний электрод лампы, представляющий собой напыление на стекло баллона или внешний провод, намотанный на трубку лампы. Рекомендуется даже в случае наличия напыления использовать дублирующий тонкий провод без изоляции, наматываемый на баллон, поскольку контакт с напылением не всегда надёжен в процессе работы.

Галогенные лампы.

Корпорация Xenon из Уилмингтона, штат Массачусетс, ввела полную линейку импульсных ламп различных форм и размеров для правильного моделирования солнечного излучения с целью тестирования фотогальванических ячеек и солнечных модулей. Эти импульсные лампы подходят для того, чтобы проверять кристаллические или тонкопленочные материалы и в случае применения соответствующего оптического фильтра отвечают требованиям ASTM E925-05, JIS C 8912-1989, IEC 904-09 и международных стандартов для солнечных имитаторов класса А.

Обеспечивая правильное моделирование солнечного света, импульсные лампы Xenon остаются выключенными до момента начала испытаний. В результате экономится энергия и устраняется нежелательный перегрев фотогальванических ячеек и модулей. Соответствующие требованиям для солнечных имитаторов с выходными мощностями от 100 до 3000 ватт импульсные лампы Xenon предлагаются в форме спирали и обычной лампы, змеевидной и подковообразной формы, а также прямолинейной формы длиной до 6 метров. Чтобы ускорить тестирование продукта и сохранить при этом его качество, могут изготавливаться импульсные лампы на заказ. Мгновенное включение/выключение импульсных ламп Xenon позволяет использовать одиночный импульс или мультиимпульс. Важно и то, что данные импульсные лампы не содержат ртути.

В ксеноновой лампе основной поток света излучается плазмой возле катода. Светящаяся область имеет форму конуса, причём яркость её свечения падает по мере удаления от катода по экспоненте. Спектр ксеноновой лампы приблизительно равномерный по всей области видимого света, близкий к дневному свету. В лампах высокого давления могут быть несколько пиков вблизи инфракрасного диапазона, примерно 850--900 нм, которые могут составлять до 10 % всего излучения по мощности.

Существуют также ртутно-ксеноновые лампы, в которых кроме ксенона в колбе находятся пары ртути. В них светящиеся области есть как возле катода, так и возле анода. Они излучают голубовато-белый свет с сильным выходом ультрафиолета, что позволяет использовать их для физиотерапевтических целей, стерилизации и озонирования.

Благодаря малым размерам светящейся области, ксеноновые лампы могут использоваться как точечный источник света, позволяющий производить достаточно точную фокусировку, а хороший спектр обуславливает широкое применение в кино- и фотосъёмке. Ксеноновые лампы также используются в везерометрах -- установках, моделирующих солнечное излучение для испытания материалов на светостойкость.

Полупроводниковые лазеры.

Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК диапазонах (0,32-32 мкм) когерентное излучение; в качестве активной среды применяются полупроводниковые кристаллы.

Полупроводниковые лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками: высоким КПД по мощности; простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы); возможностью прямой модуляции электрическим током до Ггц диапазона; крайне незначительными размерами; низким напряжением накачки; механической надежностью; большим сроком службы.

Изменяя состав активной среды, можно варьировать за счет изменения ширины запрещенной зоны длину волны излучения в относительно широком интервале.

Ведутся работы по созданию имитаторов на полупроводниковых лазерах. Предложен имитатор Солнца на полупроводниковых лазерах с равномерным распределением освещенности по сечению рабочего пучка света без пульсаций. Планируется использовать полупроводниковые лазерные диоды, длина волны которых 0,4 мкм (GaN), 0,63-1,55 мкм (AlGaAs), 3-20 мкм (соли свинца). Основное преимущество таких имитаторов равномерность освещения, и, как следствие, нагрева отрабатываемой поверхности изделия. Безусловными и значительными достоинствами лазеров являются:

- эффективная фокусировка, высокая направленность, малая расходимость лазерного излучения;

- концентрация световой энергии в небольших объемах, громадная плотность энергии, малая зона энергетического (теплового) воздействия;

- большая дальность действия, высокая точность и разрешающая способность лазерного луча;

- формирование кратковременных импульсов света, значительная мощность лазерного излучения;

- монохроматичность, высокая стабильность частоты лазерных колебаний;

- малая длина волны, высокая частота лазерных колебаний, большая пропускная способность каналов оптической (лазерной) связи;

- широкий спектральный диапазон (от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области), обеспеченный промышленными (серийными) источниками лазерного излучения;

- эффективная гальваническая развязка (бесконтактное взаимодействие) источника лазерного излучения и объектов оптического воздействия;

- повышенная помехоустойчивость и помехозащищенность («скрытность») лазерной связи;

- возможность пространственной модуляции лазерного излучения, расширяющей функциональные возможности лазеров.

Требования к веществам (материалам), которые используются в лазерах в качестве активной среды.

Такие вещества (лазерные материалы) должны:

- иметь набор четко выраженных энергетических уровней, позволяющих эффективно воспринимать энергию внешней накачки и с минимальными потерями преобразовывать ее в электромагнитное (оптическое, лазерное) излучение;

- обладать высокой оптической однородностью, позволяющей существенно уменьшить частичное поглощение (потери) света в лазерной (активной) среде;

- быть стойкими к перепадам температуры, влажности, различным физико-химическим воздействиям;

- иметь высокую теплопроводность и малый коэффициент термического расширения;

- сохранять состав и свойства в процессе функционирования лазера.

Исследования и разработки осуществляются институтами Академии наук: ФТИ, Физическим институтом им. П.Н. Лебедева, Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН; предприятиями и фирмами: ФГУП «НПП «Исток», ФГУП НПП «Пульсар», ОАО «Ситроникс»; Минским научно-исследовательским институтом радиоматериалов; техническими университетами: СПбГПУ, СПбГЭТУ, Московским государственный институтом электронной техники.

Заключение

Итак, заканчивая рассмотрение вопроса об имитации одного из основных факторов космического пространства - солнечного излучения и его воспроизводства в искусственных условиях на Земле, отметим, что развитие ракетно-космической техники пока еще находится ближе к своему началу, чем к концу. Впереди еще много новых и сложных задач, решение которых неминуемо приведет к появлению оригинальных технических решений, в том числе и в области тепловой защиты. В настоящее время ведутся разработки более эффективных источников излучения, которые в будущем обеспечат более точные, более близкие к реальным показатели при испытании КА в термобарокамерах с использованием имитаторов Солнца.

Список литературы

1. Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения : в 2 кн. Кн. 2. Внутреннее проектирование космического аппарата В. Е. Чеботарев; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2005. - 168 с.

2. Петров В. П. Контроль качества и испытание оптических приборов. - Л.: Машиностроение, 1985. - 222 с.

3. Дубиновский А. М., Панков Э. Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986. - 152 с.

4. Войценя В. С., Гужова С. К., Титов В. И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного излучения на материалы. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.

5. Протопопов В.В., Устинов Н. Д. Инфракрасные лазерные локационные системы. - М.: Воениздат, 1987. - 175 .

6. Сафронов Ю. П., Андриянов Ю. Г. Инфрокрасная техника и космос. - М.: Сов.радио, 1978. 248 с.

7. Ивандиков Я. М. Оптико-электронные приборы для ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1971. - 200 с.

8. Колтун М. М. Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987. - 192 с.

9. Макарова Е. А., Харитонов А. В. Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная. - М. Наука, 1972. - 288 с.

10. Глудкин О. П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС. - М.: Высш. шк., 1991. - 336 с.

11. Гуревич М. М. ВВедеине в фотометрию. - М.: Энергия, 1968. - 244 с.

12. Околоземное космическое пространство: Справочные данные/Под ред. Ф. С. Джонсона. - М.: Мир, 1966. - 191 с.

13. Инженерный справочник по космической технике/Под ред. А. В. Солодова. - М.: Воениздат. 1977. - 430 с.

14. Сидоров С. Н., Смолкин М. Н., Никитичева А. М. Интегральные и спектральные характеристики галогенных ламп накаливания. ОМП, 1976, №2, стр. 79 - 80.

15. Тельный А. А. Имитация солнечного излучения в лабораторных условиях. ОМП, 1976, №5, стр. 43-46.

16. Вугман С. М., Волков В. И. Галогенные лампы накаливания. - М.: Энергия, 1980. - 136 с.

17. Вычислительная оптика: справочник/Под ред. М. М. Русинова. - Л.: Машиностроение, 1984. - 423 с.

18. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. радио, 1978. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru