Температурное состояние и отклонение формы сферической оболочки космического калибровочно-юстировочного аппарата

Статья в Elpub

Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 27-45

Температурное состояние и отклонение формы сферической оболочки космического калибровочно-юстировочного аппарата

Зарубин В. С., Зимин В. Н., Кувыркин Г. Н.

Аннотация

Выполненная с высокой точностью сферическая оболочка является одним из вариантов геометрической формы пассивных орбитальных ретрансляторов сигналов и космических аппаратов калибровочно-юстировочного типа, используемых для определения энергетического потенциала радиолокационного канала наземного комплекса контроля движения космических объектов. Под действием солнечного излучения возникает неравномерное по поверхности такой оболочки распределение температуры, вызывающее отклонение ее формы от сферической. Полученное решением интегрального уравнения Фредгольма второго рода установившееся распределение температуры оболочки с фиксированной ориентацией относительно Солнца использовано для определения указанных отклонений. Проведен количественный анализ возможного выравнивания квазистационарного распределения температуры оболочки в случае ее вращения с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной направлению на Солнце. DOI: 10.7463/aersp.0116.0831867

Список литературы

1. Малые космические аппараты информационного обеспечения / Под ред. В.Ф. Фатеева. М.: Радиотехника, 2010. 320 с.

2. Мащенко А.Н., Паппо-Корыстин В.Н., Пащенко В.А., Васильев В.Г. Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро "Южное" / Под общ. ред. С.Н. Конюхова. Днепропетровск: ГКБ "Южное" им. М.К. Янгеля, 2000. 240 с.

3. Тарасенко М.В. Военные аспекты советской космонавтики. М.: Агенство Российской печати, ТОО "Николь", 1992. 164 с.

4. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математическое моделирование термомеханических процессов при интенсивном тепловом воздействии // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41. № 2. С. 300-309.

5. Зарубин В.С. Температурное состояние тонкой сферической оболочки // Прикладная механика и техническая физика. 1963. № 6. С. 169-171.

6. Зимин В.Н. К вопросу моделирования и расчета динамики раскрытия трансформируемых космических конструкций // Оборонная техника. 2006. № 1. С. 123-127.

7. Бюллер К.-У. Тепло- и термостойкие полимеры: Пер. с нем. М.: Химия, 1984. 1056 с.

8. Newchemistry.ru. Новые химические технологии: Аналитический портал химической промышленности. Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/production.php?cat-id=52 cat-parent=7 level=3 (дата обращения 20.01.2016).

9. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Дж. Любина: Пер. с англ. В 2-х т. Т. 1. М.: Машиностроение, 1988. 448 с.

10. Композиционные материалы: Справочник / Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

11. Обзор базовых свойств и сфер применения политетрафторэтилена (PTFE) // Полимерные полуфабрикаты для инженерных решений: сайт. Режим доступа: http://www.engplast.ru/entry.php?198&id=2 (дата обращения 20.01.2016).

12. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

13. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением: пер. с англ. М.: Мир, 1975. 934 с.

14. Spacecraft thermal control handbook. Ed. D.G. Gilmor. Vol.1. Fundamental Technologies. El Segundo, California: Aerospace Press, 2002. 836 p.

15. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 683 с.

16. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Локальное распределение температуры на поверхности космического аппарата при неравномерном солнечном облучении // Аэрокосмический научный журнал. МГТУ им. Н.Э.Баумана. Электрон. журн. 2015. № 05. С.49-63. DOI: 10.7463/aersp.0515.0820883

17. Оптические свойства инженерных пластиков // Полимерные полуфабрикаты для инженерных решений: сайт. Режим доступа: http://www.engplast.ru/entry.php?114&id=2 (дата обращения 20.01.2016).

18. Специальные виды политетрафторэтилена (PTFE) // Полимерные полуфабрикаты для инженерных решений: сайт. Режим доступа: http://www.engplast.ru/entry.php?145&id=2 (дата обращения 20.01.2016).

19. Зарубин В.С. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1966. 216 с.

20. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / Под ред. В.К. Кошкина. М.: Машиностроение, 1975. 624 с.

21. Комарова М.А. Температурные условия на корпусе узлового модуля на этапе автономного полета к международной космической станции // Известия РАН. Энергетика. 2012. № 2. С. 23-30.

22. Гукало А.А., Грибков А.С. Оптимизация температуры плоского и крестообразного холодильника-излучателя космической ядерной энергетической установки с учетом внешнего теплового излучения // Известия РАН. Энергетика. 2012. № 2. С. 103-110.

23. Балабух Л.И., Колесников К.С., Зарубин В.С., Алфутов Н.А., Усюкин В.И., Чижов В.Ф. Основы строительной механики ракет. М.: Высшая школа, 1969. 496 с.

Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 27-45

Temperature Condition and Spherical Shell Shape Variation of Space Gauge-Alignment Spacecraft

Zarubin V. S., Zimin V. N., Kuvyrkin G. N.

Abstract

A high precision spherical shell is one of the geometrical shape embodiments of a gaugealignment spacecraft to determine and control a radar channel energy potential of the ground-based complex for the traffic control of space objects. Passive relays of signals and some types of smallsized instrumentation standard reflectors used for radar gauge and alignment have the same shape. Orbits of the considered spacecraft can be either circular with a height of about 1000 km, including those close to the polar, or elliptical with an apogee of up to 2200 km.
In case there is no thermal control system in spacecrafts of these types the solar radiation is a major factor to define the thermal state of a spherical shell in the illuminated orbit area. With the shell in fixed position with respect to direction towards the Sun an arising uneven temperature distribution over its surface leads to variation of the spherically ideal shell shape, which may affect the functional characteristics of the spacecraft. The shell rotation about an axis perpendicular to the direction towards the Sun may reduce an unevenness degree of the temperature distribution.
The uneven temperature distribution over the spherical shell surface in conditions of the lowEarth space and this unevenness impact on the shell shape variation against its spherical shape can be quantively estimated by the appropriate methods of mathematical modeling using modification of a previously developed mathematical model to describe steady temperature state of such shell on the low-Earth orbit. The paper considers the shell made from a polymeric composite material. Its original spherical shape is defined by rather low internal pressure. It is assumed that equipment in the shell, if any, is quite small-sized. This allows us to ignore its impact on the radiative transfer in the shell cavity. Along with defining the steady temperature distribution over the shell surface at its fixed orientation with respect to direction towards the Sun is obtained a quasi-stationary temperature state of the shell when it rotates about an axis perpendicular to this direction at constant angular velocity. For calculated temperature distribution over the surface of nonrotating shell there is an estimate of variation of its shape against the spherical one.

References

1. Malye kosmicheskie apparaty informatsionnogo obespecheniya / Pod red. V.F. Fateeva. M.: Radiotekhnika, 2010. 320 s.

2. Mashchenko A.N., Pappo-Korystin V.N., Pashchenko V.A., Vasil'ev V.G. Rakety i kosmicheskie apparaty konstruktorskogo byuro "Yuzhnoe" / Pod obshch. red. S.N. Konyukhova. Dnepropetrovsk: GKB "Yuzhnoe" im. M.K. Yangelya, 2000. 240 s.

3. Tarasenko M.V. Voennye aspekty sovetskoi kosmonavtiki. M.: Agenstvo Rossiiskoi pechati, TOO "Nikol'", 1992. 164 s.

4. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N. Matematicheskoe modelirovanie termomekhanicheskikh protsessov pri intensivnom teplovom vozdeistvii // Teplofizika vysokikh temperatur. 2003. T. 41. № 2. S. 300-309.

5. Zarubin V.S. Temperaturnoe sostoyanie tonkoi sfericheskoi obolochki // Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika. 1963. № 6. S. 169-171.

6. Zimin V.N. K voprosu modelirovaniya i rascheta dinamiki raskrytiya transformiruemykh kosmicheskikh konstruktsii // Oboronnaya tekhnika. 2006. № 1. S. 123-127.

7. Byuller K.-U. Teplo- i termostoikie polimery: Per. s nem. M.: Khimiya, 1984. 1056 s.

8. Newchemistry.ru. Novye khimicheskie tekhnologii: Analiticheskii portal khimicheskoi promyshlennosti. Rezhim dostupa: http://www.newchemistry.ru/production.php?cat-id=52 cat-parent=7 level=3 (data obrashcheniya 20.01.2016).

9. Spravochnik po kompozitsionnym materialam / Pod red. Dzh. Lyubina: Per. s angl. V 2-kh t. T. 1. M.: Mashinostroenie, 1988. 448 s.

10. Kompozitsionnye materialy: Spravochnik / Pod obshch. red. V.V. Vasil'eva, Yu.M. Tarnopol'skogo. M.: Mashinostroenie, 1990. 512 s.

11. Obzor bazovykh svoistv i sfer primeneniya politetraftoretilena (PTFE) // Polimernye polufabrikaty dlya inzhenernykh reshenii: sait. Rezhim dostupa: http://www.engplast.ru/entry.php?198&id=2 (data obrashcheniya 20.01.2016).

12. Fizicheskie velichiny: Spravochnik / Pod red. I.S. Grigor'eva, E.Z. Meilikhova. M.: Energoatomizdat, 1991. 1232 s.

13. Zigel' R., Khauell Dzh. Teploobmen izlucheniem: per. s angl. M.: Mir, 1975. 934 s.

14. Spacecraft thermal control handbook. Ed. D.G. Gilmor. Vol.1. Fundamental Technologies. El Segundo, California: Aerospace Press, 2002. 836 p.

15. Teoriya teplomassoobmena / Pod red. A.I. Leont'eva. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 1997. 683 s.

16. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N., Savel'eva I.Yu. Lokal'noe raspredelenie temperatury na poverkhnosti kosmicheskogo apparata pri neravnomernom solnechnom obluchenii // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. MGTU im. N.E.Baumana. Elektron. zhurn. 2015. № 05. S.49-63. DOI: 10.7463/aersp.0515.0820883

17. Opticheskie svoistva inzhenernykh plastikov // Polimernye polufabrikaty dlya inzhenernykh reshenii: sait. Rezhim dostupa: http://www.engplast.ru/entry.php?114&id=2 (data obrashcheniya 20.01.2016).

18. Spetsial'nye vidy politetraftoretilena (PTFE) // Polimernye polufabrikaty dlya inzhenernykh reshenii: sait. Rezhim dostupa: http://www.engplast.ru/entry.php?145&id=2 (data obrashcheniya 20.01.2016).

19. Zarubin V.S. Temperaturnye polya v konstruktsii letatel'nykh apparatov. M.: Mashinostroenie, 1966. 216 s.

20. Osnovy teploperedachi v aviatsionnoi i raketno-kosmicheskoi tekhnike / Pod red. V.K. Koshkina. M.: Mashinostroenie, 1975. 624 s.

21. Komarova M.A. Temperaturnye usloviya na korpuse uzlovogo modulya na etape avtonomnogo poleta k mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii // Izvestiya RAN. Energetika. 2012. № 2. S. 23-30.

22. Gukalo A.A., Gribkov A.S. Optimizatsiya temperatury ploskogo i krestoobraznogo kholodil'nika-izluchatelya kosmicheskoi yadernoi energeticheskoi ustanovki s uchetom vneshnego teplovogo izlucheniya // Izvestiya RAN. Energetika. 2012. № 2. S. 103-110.

23. Balabukh L.I., Kolesnikov K.S., Zarubin V.S., Alfutov N.A., Usyukin V.I., Chizhov V.F. Osnovy stroitel'noi mekhaniki raket. M.: Vysshaya shkola, 1969. 496 s.