Automated Multidisciplinary Optimization of a Space-Based Telescope

Предложена методика расчета нестационарной температуры изотермического космического объекта цилиндрической формы с осью, стабилизированной в мировой системе координат, движущегося по круговой солнечно-постоянной орбите в плоскости терминатора. К такому классу объектов может относиться корпус телескопа трубчатой конструкции, ось которого постоянно ориентиро-вана в направлении на удаленный объект, например, звезду. Колебания уровня температуры объектов такого класса определяются периодическими измене-ниями эффективного коэффициента облученности, которые воспроизводятся от цикла к циклу полного периода обращения объекта вокруг Земли. Колебания температур в случае больших значений постоянной термической инерции, дос-тигаемых при достаточно большой толщине стенки цилиндра, могут осуществ-ляться с временной задержкой относительно изменений внешних тепловых воз-действий, определяемых варьированием коэффициента облученности. С ростом высоты орбиты средние значения эффективных коэффициентов облученности существенно уменьшаются -от десятых долей на 600 км до сотых долей на 10 000 км и до тысячных долей на геостационарной орбите. Одновременно снижается размах колебаний эффективных коэффициентов облученности, при этом возрастает вклад в энергетический баланс космического объекта мощно-сти поглощаемого солнечного излучения. С ростом высоты от 600 до 40 000 км температурный уровень объекта с абсолютно черной поверхностью понижается на 35 К, амплитуда колебаний при этом уменьшается от 5,6 до 0,4 К. Ключевые слова: космический объект, солнечно-постоянная орбита, неста-ционарный тепловой баланс космического объекта, тепловое излучение Земли, эффективный коэффициент облученностиВведение. Изучение закономерностей формирования тепловых режимов космических объектов (КО), в том числе телескопов, является актуальным направлением космических ис-следований [1][2][3][4]. Ранее нами были исследованы тепловые режимы КО сферической формы, а также осесимметричных конфигураций -цилиндрической и конической -в условиях по-стоянной ориентации их осей относительно плоскости местного горизонта (ПМГ) [5][6][7][8][9][10]. Причиной изменения температуры являлось варьирование внешних тепловых воздействий при движении таких объектов по траекториям с разной высотой над поверхностью Земли [11,12]. Существенно изменяется температура при движении объекта по траекториям с периодиче-ским заходом в тень Земли и выходом из нее [13,14].Формирование нестационарного энергетического баланса и теплового режима зависит от изменяющегося во времени воздействия на КО теплового излучения Земли при движении объекта по круговой орбите в плоскости терминатора, когда колебания поглощаемой мощно-сти земной подсветки определяются только колебаниями оси цилиндрического объекта отно-сительно линии зенит-надир и соответственно ПМГ. Такая ситуация возникает при стабили-зации оси цилиндра в мировой системе координат, например, при непрерывном наблюдении

Section: ключевые слова: космический объект солнечно-постоянная орбиunclassified

Temperature fluctuations of isothermal cylindrical objects with stabilized axis in circular solar-synchronized orbit

Dzitoev¹,

Lapovok²,

Penkov³

et al. 2017

“…Изучение закономерностей формирования тепловых режимов космических объектов (далее -объектов), в том числе космических аппаратов (КА), является актуальным направлением исследований [1][2][3][4]. Наиболее общие закономерности выявляются на основе анализа энергетических балансов и тепловых режимов объектов канонических конфигура-ций, среди которых наиболее простыми для расчетов и обобщений являются объекты сфери-ческой формы [5][6][7][8][9][10].…”

Section: ключевые слова: космический объект коэффициент облученностиunclassified

Thermal modes of space objects with high thermal inertia

Penkov¹,

Dzitoev²,

Lapovok³

et al. 2017

Предложена методика расчета температур изотермических космических объек-тов сферической формы с высокой термической инерцией, движущихся по эл-липтическим орбитам в плоскости терминатора. Определен критерий, по кото-рому космический объект может быть отнесен к классу объектов с большой термической инерцией. Для указанных объектов установлены характерные раз-меры, определяющие величину полной теплоемкости и, соответственно, посто-янной термической инерции. Показана возможность замены в математической модели данных объектов реальной эллиптической орбиты эквивалентной кру-говой орбитой, что позволяет практически без потери точности заменять расче-ты нестационарных температур тяжелых космических объектов расчетами их стационарных температур. При этом решение дифференциального уравнения заменяется решением алгебраического уравнения. В результате исследований получены достаточно точные значения высоты эквивалентных круговых орбит в зависимости от высоты апогея исходной эллиптической орбиты.Ключевые слова: космический объект, коэффициент облученности, тепловой баланс объектов в околоземном космическом пространстве, тепловое излуче-ние Земли, термическая инерция космического объекта Введение. Изучение закономерностей формирования тепловых режимов космических объектов (далее -объектов), в том числе космических аппаратов (КА), является актуальным направлением исследований [1][2][3][4]. Наиболее общие закономерности выявляются на основе анализа энергетических балансов и тепловых режимов объектов канонических конфигура-ций, среди которых наиболее простыми для расчетов и обобщений являются объекты сфери-ческой формы [5][6][7][8][9][10]. В работах [5-16] подробно исследованы тепловые режимы тонко-стенных оболочечных космических объектов. К этому классу можно отнести объекты, постоянная термической инерции которых значительно меньше периода обращения объекта вокруг Земли. Динамика изменения температур таких объектов определяется изменением внешних тепловых воздействий при их движении по заданной траектории.В настоящей статье представлены результаты исследований космических объектов, об-ладающих малой и высокой термической инерцией, а также исследования закономерностей изменения температур массивных объектов с большой теплоемкостью. Особенностью по-следних является высокая термическая инерция, сопоставимая с периодом обращения объек-та вокруг Земли.

“…Важным научным направлением являются разработка методов теплового проектирова-ния космических аппаратов и оптико-электронных приборов космического базирования и создание методик расчета тепловых режимов космических объектов [1][2][3][4]. К практически значимым и актуальным относится также прогнозирование тепловых режимов и характери-стик собственного теплового излучения космических объектов простейших конфигураций, например астероидов [5] и искусственных объектов типовых форм.…”

unclassified

Method for calculating nonstationary temperatures of isothermal space objects moving along elliptic solar-synchronized orbit

Penkov¹,

Dzitoev²,

Lapovok³

et al. 2016

Представлена методика расчета нестационарных температур изотермических космических объектов конической и цилиндрической формы, движущихся по эллиптическим орбитам в плоскости терминатора. В качестве эталонного вы-бран объект сферической формы. Методика включает уравнение движения объ-екта по эллиптической траектории, алгоритмы вычисления коэффициентов об-лученности объекта тепловым излучением Земли и уравнение нестационарного теплообмена объекта в околоземном космическом пространстве. Для объектов указанных конфигураций выявлены тепловая эквивалентность и подобие. Ключевые слова: космический объект, коэффициент облученности, тепловой баланс объектов в околоземном космическом пространстве, тепловое излуче-ние Земли, тепловое подобие космических объектовВажным научным направлением являются разработка методов теплового проектирова-ния космических аппаратов и оптико-электронных приборов космического базирования и создание методик расчета тепловых режимов космических объектов [1][2][3][4]. К практически значимым и актуальным относится также прогнозирование тепловых режимов и характери-стик собственного теплового излучения космических объектов простейших конфигураций, например астероидов [5] и искусственных объектов типовых форм. Несмотря на большое ко-личество публикаций по данным вопросам [6-17] закономерности формирования нестацио-нарных тепловых режимов космических объектов даже простейших осесимметричных кон-фигураций остаются недостаточно изученными. До настоящего времени такие исследования проводились только применительно к объектам сферической формы [11,12,14,15]. Для кос-мических объектов других типовых конфигураций исследовались лишь стационарные тепло-вые режимы (для объектов с малой термической инерцией как при солнечной подсветке, так и в тени Земли) [18].В настоящей статье представлены результаты сравнительного исследования нестацио-нарных температур оболочечных космических объектов (далее -объектов) выпуклой формы (конус, цилиндр, сфера) в зависимости от их термической инерции, определяемой толщиной стенки, при движении по эллиптической орбите вокруг Земли в условиях постоянной под-светки Солнцем в плоскости терминатора.