Метод теплового расчета больших космических телескопов и его программная реализация тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Шаенко, Александр Юрьевич

• Шаенко, Александр Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шаенко, Александр Юрьевич

Введение.

1. Тепловой расчет радиационных экранов больших космических телескопов (ОБЗОР).

1.1. Радиационные экраны.

1.2. Методы расчета радиационного теплообмена.

1.3. Статистические методы расчета угловых коэффициентов.

1.4. Использование средств трехмерной графики для расчета угловых коэффициентов.

1.5. Программные комплексы расчета радиационного теплообмена.

1.6. Требования к методу расчета радиационного теплообмена, учитывающему сложные виды взаимодействия и переменные теплофизические и термооптические свойства.

2. Расчет радиационно-кондуктивного теплообмена.

2.1. Допущения и предположения.

2.2. Математическая постановка задачи радиационно-кондуктивного теплообмена.

2.3. Расчет испускаемых лучистых потоков.

2.4. Расчет поглощаемых лучистых потоков.

2.4.1. Расчет точки пересечения пучка с элементами модели.

2.4.2. Определение вида взаимодействия пучка с элементом.

2.4.3. Расчет направления распространения пучка после взаимодействия его с элементом.

2.4.4. Учет поглощения пучка.

2.5. Безматричный распределенный расчет радиационного теплообмена.

2.5.1. Расчет радиационного теплообмена без использования матрицы угловых коэффициентов.

2.5.2. Распределенный расчет радиационного теплообмена.

2.6. Расчет кондуктивного теплообмена.

2.7. Метод интегрирования по времени.

2.8. Генератор случайных чисел.

3. Программная реализация метода, подтверждение его достоверности и примеры расчетов различных конструкций космической техники.

3.1. Программная реализация метода.

3.2. Подтверждение достоверности и работоспособности метода.

3.2.1. Радиационный теплообмен.

3.2.2. Кондуктивный теплообмен.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод теплового расчета больших космических телескопов и его программная реализация»

Прогресс современной астрономии в настоящее время неразрывно связан с освоением новых диапазонов электромагнитного спектра, повышением чувствительности и углового разрешения инструментов. Решение этих задач стало возможным с выведением обсерваторий за пределы земной атмосферы. Так, например, телескоп SIGMA международной астрофизической обсерватории «Гранат» [60], выведенной на орбиту в 1989 году, позволил впервые в мире произвести съемку области центра Галактики в жестком рентгеновском диапазоне. Построение современной космологической модели Вселенной стало возможным после запуска в 1990 году Космического телескопа Хаббла с беспрецедентным по тем временам угловым разрешением в 0,1 угловой секунды [11]. Первые в мире непосредственные спектроскопические наблюдения внесолнечных планет HD 189733b и HD 209458b были проведены при помощи инструмента MIPS чувствительностью в 1,5 мЯнских на инфракрасной обсерватории Спитцера [20] , запущенной в 2003 году.

Одним, из методов повышения чувствительности приемной аппаратуры является ее охлаждение. На действующих и завершивших работу обсерваториях, таких как IRAS [6], ISO [38], обсерваториях Спитцера и Гершеля [33], охлаждение производится в основном с помощью криогенных систем. Конструктивно эти обсерватории представляют собой криостаты с размещенными внутри или инструментами, или телескопами целиком. Габаритные размеры зеркал таких обсерваторий ограничиваются диаметром головных обтекателей ракет-носителей, используемых для запуска обсерваторий на орбиту. Из. перечисленных обсерваторий наибольшее зеркало диаметром 3,5 метра имеет обсерватория Гершеля, что близко к пределу возможностей современных средств выведения.

Разрабатываемые в настоящее время обсерватории JWST [23], TPF-C [40] и «Миллиметрон» [7, 79, 87, 86] будут иметь-телескопы с главными-зеркалами, характерным размерами 6,5 метров, 8 метров и 12* метров соответственно. Для размещения под головным обтекателем ракет-носителей эти телескопы необходимо будет выполнить раскрывающимися. Потребуется предусмотреть компактную укладку обсерватории в транспортном положении при размещении ее на носителе и обеспечить раскрытие обсерватории из транспортного положения в рабочее после выхода на орбиту.

Обеспечить охлаждение крупногабаритных конструкций телескопа с помощью испарения хладагента в течение длительного времени затруднительно, так как необходимая для этого масса криогенной жидкости во много раз превысит массу самого телескопа. Мощности типичной современной криосистемы, пригодной для установки на космический аппарат, недостаточно для самостоятельного охлаждения бортовой аппаратуры обсерватории. Это вынуждает разрабатывать комбинированные системы охлаждения.

Одним из способов охлаждения больших космических телескопов являются радиационные экраны — устройства с поверхностью, поглощающей и отражающей излучение. С помощью экранов решается двоякая задача. С одной стороны, экран препятствует прямому облучению защищаемого объекта потоком излучения. С другой'стороны, экран обеспечивает отвод и излучение во вне тепла, выделяющегосяч в защищаемом объекте. Теплопередача между экраном и защищаемым объектом сводится к минимуму. Во время полета обсерватории необходимо поддерживать такую- ориентацию относительно Солнца, чтобы радиационный экран загораживал охлаждаемые элементы телескопа от потока теплового излучения.

С точки зрения конструкции радиационные экраны представляют собой тонкую металлизированную полимерную пленку типа лавсан (Mylar, Kapton), закрепленную на жестком каркасе. На обсерваториях ISO, IRAS, Спитцера и Гершеля каркасы экрана были выполнены неподвижными относительно корпуса телескопа. На разрабатываемых обсерваториях с раскрывающимися зеркалами, таких как JWST, TPF-C и «Миллиметрон», каркасы экранов потребуется также выполнять раскрывающимися.

Под действием тепловых, механических нагрузок, повреждений, изменения свойств материала с течением полета реальная форма поверхности пленки может весьма сильно отличаться от расчетной. Этот факт необходимо учитывать при проектировании радиационных экранов. Кроме того, разница температур между внутренними и внешними слоями экрана может достигать 300К.

Если при использовании простых форм поверхностей экрана, например, параллельных плоскостей, тепловой расчет может быть произведен аналитически, то при сложной конфигурации экрана и при учете искажений формы возникает необходимость разработки методов численного анализа.

Актуальность работы

Большие габариты главных зеркал перспективных телескопов и систем их охлаждения не позволяют провести их полномасштабные наземные тепловые испытания на существующем оборудовании. Наземные испытания масштабных макетов позволят получить лишь приближенную картину тепловых процессов на орбите. Существующие программные комплексы теплового расчета предназначены в основном для расчета космических аппаратов с небольшим разбросом температур. Прямая реализация расчета космических аппаратов с большим разбросом температур и сложной геометрической конфигурацией по классической вычислительной схеме приводит к необходимости использовать суперЭВМ, в то время как задачи проектирования и особенно управления полетом перспективных телескопов требуют частых и оперативных тепловых расчетов, которые в реальных условиях будут проводиться в основном на ЭВМ с ограниченными вычислительными ресурсами.

Поэтому разработка метода теплового расчета перспективных космических телескопов и его программная реализация на ЭВМ с ограниченными вычислительными ресурсами является важной и актуальной научно-технической задачей.

Цель работы

Целью работы является разработка нового метода нестационарного радиационно-кондуктивного теплового расчета больших космических телескопов, с учетом требования программной реализации на базе ЭВМ, обладающих ограниченными вычислительными ресурсами. Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Разработать метод нестационарного радиационно-кондуктивного теплового расчета больших космических телескопов, учитывающий зеркальную составляющую отражения экранов, переменность теплофизических и термооптических характеристик материалов, непланковский спектра излучения, элементов конструкции, а также переменный характер внешних источников, связанный с движением обсерватории по орбите;

2. Программно реализовать предложенный метод с учетом ограничений по ресурсам ЭВМ;

3. Провести проверку достоверности и работоспособности программной реализации метода;

4. Используя разработанное программное обеспечение, оценить влияние точности изготовления, термооптических свойств материала геометрии экрана на температуру главного зеркала космического телескопа проекта «Миллиметрон». На защиту выносятся:

1. Новый метод теплового расчета космических объектов сложной геометрии.

2. Программный модуль Т.Н.О.ЯЛ.и.М, реализующий этот метод.

3. Результаты сравнительного анализа влияния геометрии, точности изготовления и теплофизических свойств материала экрана на температуру главного зеркала космического телескопа проекта «Миллиметрон», полученные с помощью Т.Н.О.Я.Т.и.М.

Научная новизна работы заключается:

- в новой подходе к решению задачи радиационного теплообмена, базирующемся на отказе от традиционно используемого предварительного анализа лучистых потоков;

- в оригинальном способе использования алгоритмов трехмерной графики для расчета хода излучения;

- в оптимальной архитектуре программной реализации предложенного метода решения задачи, допускающей массивно-параллельную схему проведения вычислений;

- в построении вычислительного алгоритма, пригодного для анализа моделей с большим количеством элементов (>100000) на ЭВМ, обладающих ограниченными вычислительными ресурсами. Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается поверочными расчетами тестовых примеров. В качестве тестовых примеров выбирались задачи с известными решениями. Хорошее совпадение результатов численных расчетов с известными решениями подтверждают достоверность метода. Практическая значимость

Предложенный метод и созданные программные средства позволяют оперативно проводить тепловые расчеты перспективных космических обсерваторий в процессе их проектирования и при управлении их полетом с учетом:

1. Зависимости теплофизических свойств материалов от температуры и времени.

2. Зависимости термооптических свойств поверхностей от температуры, времени, длины волны и направления падающего излучения.

3. Зеркальной компоненты отражения от экранных поверхностей.

4. Непланковского спектра излучения элементов конструкции.

5. Изменения положения внешних источников, связанного с движением обсерватории по орбите.

Материалы диссертации обсуждались на:

1. Международной конференции по оболочкам и пространственным конструкциям 1А88-2007;

2. 8-ой Международной конференции и выставке «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» САБ/САМ/РОМ - 2008;

3. XII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и II Школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований»;

4. Шестнадцатой Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам ВМСППС'2009;

5. II Всероссийской конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий»,

6. Научно-техническом семинаре в НПО им. С.А. Лавочкина,

7. Объединенном семинаре ИМП им. М.В. Келдыша и МГТУ им. Н.Э.

Баумана «Механика и управление в робототехнических системах».

8. Всероссийской астрономической конференции ВАК-2010.

9. V Международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» (РАСО'2010).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шаенко А.Ю., Милютин Д. С. Теплообмен в радиационных экранах больших космических телескопов // Доклады Академии Наук. — 2010. Том. 431.-с. 621-624.

2. Шаенко А.Ю., Милютин Д. С. Нестационарный радиационно-кондуктивный расчет больших космических обсерваторий // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2010. №9. — с. 3-6.

3. Шаенко А.Ю. Методика расчета теплообмена в радиационных экранах больших космических обсерваторий // Космонавтика и ракетостроение. - 2011. №1(62). - с. 57-64.

4. Bujakas V., Dmitriev V., Shaenko A. Déployable radiation screen for large space telescope. Proc. of International Symposium on spatial structures IASS- 2007. - 2007. -P. 1-8.

5. Шаенко А.Ю. Распределенный параллельный расчет радиационно-кондуктивного теплообмена методом Монте-Карло на базе графических ускорителей // Труды V Международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» (РАСО'2010). -2010.-е. 281-294.

6. Шаенко А.Ю. Основные результаты теплового расчета космической обсерватории "Миллиметрон" новым методом // Труды Всероссийской астрономической конференции ВАК-2010. - 2010. - с. 26.

7. Шаенко А.Ю. Разработка новой методики теплового расчета радиационных экранов больших космических телескопов // Труды Шестнадцатой Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам ВМСППС'2009. - 2009 - с. 757.

8. Шаенко А.Ю. Разработка методики расчета лучистого теплообмена в радиационных экранах космической обсерватории // Труды 8-ой Международной конференции и выставки «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» CAD/CAM/PDM - 2008. -2008-е. 168-170.

9. Буякас В.И., Троицкий В.Ф., Шаенко А.Ю., Гордиенко A.M., Гришин Н.С. Моделирование задач укладки и раскрытия радиационных экранов большого космического телескопа // Труды 8-ой Международной конференции и выставки «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» CAD/CAM/PDM - 2008. - 2008 - c.l64-167.

10. Шаенко А.Ю. Разработка методики расчета лучистого теплообмена в радиационных экранах космической обсерватории // Тезисы XII Школы молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и II Школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований». - 2008 — с. 73-74.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Шаенко, Александр Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

1. Предложен метод анализа радиационно-кондуктивного теплообмена в конструкции больших космических телескопов.

2. Предложен метод расчета лучистого теплообмена, опирающийся на подходы из области трехмерной графики.

3. Разработан алгоритм расчета больших космических телескопов, пригодный для оперативного анализа теплового режима на ЭВМ, обладающих ограниченными вычислительными ресурсами.

4. Разработан программный модуль Т.Н.О.Я.1.и.М., реализующий предложенный алгоритм.

5. Получены результаты расчета тепловых режимов обсерватории «Миллиметрон»:

5.1. Показано существенное влияние погрешностей формы радиационного экрана на температуру зеркала телескопа.

5.2. Обнаружено существование набора термооптических коэффициентов, обеспечивающих наименьшую температуру зеркала при заданной геометрической конфигурации экранов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шаенко, Александр Юрьевич, 2011 год

1. ABAQUS Analysis User's Manual v.6.5. Velizy-Vallacoublay: Dassault Systemes S.A., 2004. - 1467 p.

2. Anderson G. E. Thermal Radiation Analyzer System (Cray Version with NASADIG) // NASA Technical Report. 1994, Document ID: 19940002537.

3. ANSYS Thermal Analysis Guide v. 10.0. Canonburg: Ansys Inc., 2005. -82 p.

4. Arvo J. et al. Monte Carlo Ray Tracing // Proc. Siggraph 2003. 2003. Cource 44. 171 p.

5. Ashdown I. Eigenvector Radiosity, PhD thesis. —Vancouver: Department of Computer Science, The University of British Columbia, 2001. 138 p.

6. Bamberg J.A., Zaun N.H. Design and performance of the cryogenic focal plane optics assembly for the Infrared Astronomical Satellite (IRAS) // Proc. Cryogenic optical systems and instruments. — 1984. — P. 94-102

7. Baryshev A.M., Kardashov N.S., Arkhipov M.Yu. et al. Deployable Antennas for Space Radio Telescope: Radioastron and Millimetron Missions // Proceedings of the 30th ESA Antenna Workshop. 2008.

8. Behee R. Introduction to Thermal Modeling Using SINDA/G: A Tutorial Guide. -Chandler: Network Analysis Inc., 2006. -157 p.

9. Bennett C.L. et al. The Microwave Anisotropy Probe (MAP) Mission // Astrophysical Journal. 2003. - Vol. 143 P. 567-576

10. Brewster M. Q. Thermal Radiative Transfer and Properties. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1992. - 356 p.

11. Burrows C.J., Holtzman J.A., Faber S.M., Bely P.Y., Hasan H., Lynds C.R., Schroeder D. The imaging performance of the Hubble Space Telescope // Astrophysical Journal. 1991.—Vol.369. -P. L21-L25

12. Catmull E.E. A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. Salt Lake City: Univercity of Utah, 1974. - 83 p.

13. Cohen M.F., Chen S.E., Wallace J.R., Greenberg D. P. A progressive refinement approach to fast radiosity image generation // Proc. of SIGGRAPH. 1988. - Vol. 22.-P.75-84

14. Cohen M.F., Greenberg D.P. Hemi-Cube: A Radiosity Solution For Complex Environments // Proc. Of the 12-th annual conference on Computer Graphics and interactive techniques. 1985. -Vol. 19. -P.31-40

15. Cook R.L., Porter T., Carpenter L. Distributed ray tracing // Proc. of SIGGRAPH. 1984.-Vol. 18.-P.137-145

16. DiPirro M. et al. Cooling Technology for Large Space Telescopes // Proceedings of the SPIE. 2007. Vol. 6687. - P. 66870D-1-66870D-11

17. DoE Fundamentals handbook. Thermodynamics, Heat Transfer, and Fluid Flow, Vol 2., DOE-HDBK-1012/2-92, 1992, 58 p.

18. Eckart P. The Lunar Base Handbook. New-York: McGraw-Hill, 2006. -820 p.

19. Efstathiou G., Lawrence C., Tauber J. Plank. The scientific programme. — ESA-SCI(2005)1, 2005. 152 p.

20. Fazio G.G. Recent Results from the Spitzer Space telescope: A New View of the Infrared Universe // Neutrinos and Explosive Events in the Universe. — 2005.-Vol. 209. P. 47-71

21. Frisk U.O. Status of the ODIN Project // Infrared and Submillimeter Space Astronomy. 2002. - Vol. 4 - P. 211 -217

22. Fuchs H., Kedem Z.M., Naylor B.F. On visible surface generation by a priori tree structures // Proc. of SIGGRAPH. 1980. - Vol. 14.-P. 124-133

23. Gardner J.P. et al. The James Webb Space Telescope // Space Science Reviews. 2006. - Vol. 123. - P. 485-606

24. Gilmore D.G., Bello M. Satellite Thermal Control Handbook. El Segundo: Aerospace Corporation, 2002. — 581 p.

25. Glassner A.S. Space subdivision for fast ray tracing // IEEE Computer Graphics & Application. 1984. - Vol. 4-P. 15-22

26. Goble R.G., Jensen C.L. Thermal radiation analysis system TRASYS 2: User's manual Revision 3. Denver: Martin Marietta Corp., 1980. - 100 p.

27. Golliher E. A comparison of TSS ans TRASYS in form factor calculation // Proc. 5th Annual Thermal and Fluids Analysis Workshop.—1993. P.41-46

28. Goodwin P.S., Meeks W. G., Morris R. E. Helios mission support // The Deep Space Network. 1976. - P. 31-37

29. Goral C., Torrance K.E., Greenberg D.P., Battalie B. Modeling the interaction of light between diffuse surfaces // Proc. of SIGGRAPH. — 1984.-Vol. 18—P.213-222

30. Gorenstein P., Harris B., Gursky H., Giacconi R. A rocket payload using focusing X-ray optics for the observation of soft cosmic X-rays // Nuclear Instruments and Methods. 1971. - Vol. 91. - P. 451-459

31. Gursky, H., Schnopper, H., Parsignault, D. The Hard X-ray experiment on the Astronomical Netherlands Satellite // Astrophysical Journal. — 1975 — Vol. 201. P. L127-L131

32. Harris M. Mapping computational concepts to GPUs // ACM SIGGRAPH 2005 Cources. — 2005.

33. Harwit M. The Herschel Mission // Advances if Space Research. — 2004. — Vol. 34.-P. 568-572

34. Heller C. Interface Software Development for Patran/Thermal, Esarad and Thermica // Proc. 19th European Workshop on Thermal and ECLS Software.—2005. -P.K-l-K-15

35. Ishihara D. et al. Mid-infrared all-sky survey with AKARI // Memorie della Societa Astronómica Italiana. 2006. - Vol. 77. - P. 1089-1094

36. Jackson C. Integration of Monte Carlo Methods with TMG's Suite of Radiation Analysis Tools // Proc. 19th European Workshop on Thermal and ECLS Software.—2005.-P.H-l-H-12

37. Jensen H.J., Christensen N.J. Photon maps in bidirectional monte carlo ray tracing of complex objects // Computer Graphics. — 1995. — Vol. 19—P.215-22438