Радиационный экран инфракрасной обсерватории JWST

Обзор конструкций радиационных экранов космических обсерваторий

Шаенко А.Ю.

Москва, 2007

Содержание

Введение. 3

1. Требования к радиационным экранам. 5

2. Конструкции радиационных экранов. 6

2.1. Радиационный экран инфракрасной обсерватории JWST. 7

2.2. Радиационный экран оптической обсерватории Gaia. 10

2.3. Радиационный экран обсерватории TPF-C.. 13

3. Некоторые виды конструкций поддерживающих структур радиационных экранов 17

Список использованных источников. 21

Введение

Рефлекторы современных космических обсерваторий охлаждаются до криогенных температур для снижения уровня внутренних шумов и повышения чувствительности приемной аппаратуры. Охлаждение может быть как активным, с помощью различных холодильных машин, так и пассивным, с помощью создания препятствий освещению приемной аппаратуры прямым или отраженным солнечным излучением. Возможно также комбинированное охлаждение.

Задачу создания тени, в которой работают приемные устройства обсерваторий, решают радиационные экраны – комплекс устройств и механизмов для снижения или значительного ослабления интенсивности прямой и отраженной солнечной радиации в защищаемой области пространства.

Радиационные экраны, в зависимости от способа охлаждения, виду экранируемой зоны, количества термоизолирующего слоев материала, раскрываемости подразделяются на различные виды.

По способу охлаждения:

· с неохлаждаемым экраном,

· с активно-охлаждаемым экраном,

· с частично-охлаждаемым экраном.

По виду экранируемой области:

· со сферической охлаждаемой зоной (космический аппарат полностью окружен экраном),

· с внутренней охлаждаемой зоной (защищается область внутри незамкнутой системы экранов),

· с охлаждением одной стороны (защищается одна сторона космического аппарата).

По раскрываемости:

· экран неподвижно закреплен на корпусе,

· экран выполнен раскрывающимся из транспортного в рабочее положение.

В настоящей работе рассматриваются конструкции современных или перспективных обсерваторий оптического, инфракрасного и радиодиапазона электромагнитных волн с неохлаждаемыми, одно- и многослойными раскрывающимися радиационными экранами с внутренней охлаждаемой зоной. Так как габаритные размеры рассматриваемых радиационных экранов достигают десятков метров, то это позволяет отнести их к большим космическим конструкциям.

Требования к радиационным экранам

К радиационным экранам, как к любым устройствам и механизмам космических аппаратов, предъявляются требования по снижению стоимости разработки, изготовления, испытания, выведения, эксплуатации и утилизации, и, соответственно, предъявляются требования по снижению массы, габаритных размеров в транспортном положении и повышению надежности работы. Кроме того, к радиационным экранам, как к большим космическим конструкциям, могут предъявляться требования по обеспечению достаточно высоких первых частот собственных колебаний. И, наконец, к радиационным экранам как к средствам пассивной термоизоляции предъявляются требования по обеспечению температурного режима, формы и размеров охлаждаемой области.

Удовлетворение этих противоречивых требований производится с помощью оптимального конструирования радиационных экранов.

Конструкции радиационных экранов

Рассматриваемые в настоящей работе радиационные экраны состоят из следующих основных элементов:

· экранно-вакуумной теплоизоляции,

· раскрывающейся поддерживающей структуры,

· соединяющих устройств.

Теоретически возможны самые разнообразные виды исполнения всех трех элементов, поэтому сначала рассмотрим конструкции радиационных экранов современных и перспективных космических обсерваторий, а затем некоторые варианты конструктивных исполнений раскрывающейся поддерживающей структуры, как основного элемента, обеспечивающего форму и размеры защищаемой зоны, а также требуемые частоты собственных колебаний.

Радиационный экран инфракрасной обсерватории JWST

Проект создания космической инфракрасной обсерватории имени Джейма Вебба (JWST), проводимый NASA – один из наиболее проработанных в настоящее время. Обсерватория готовится к запуску в 2013 году. В настоящее время системы космического аппарата спроектированы, производится их изготовление и испытания. Среди прочих изготовлен и испытывается технологический образец радиационного экрана.

Радиационный экран JWST представляет собой в плане неправильный шестиугольник, состоящий из пяти слоев теплоизолирующего материала (капрон, с напыленными слоями алюминия и кремния). Роль несущего каркаса исполняют шесть раскладывающихся штанг и поддерживающие тросы.

Внешний вид обсерватории показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид космического телескопа им. Дж. Вебба.

Основные параметры радиационного экрана:

· габаритные размеры 32.8 м х 14.2 м,

· пять слоев термоизолирующего материала на основе капрона,

· первые пять собственных частот колебаний: 0.23 Гц, 0.32 Гц, 0.44 Гц и 0.54Гц,

· температура аппаратуры в защищаемой области: меньше 50К.

· примерная масса: 200 кг.

Схема устройства радиационного экрана и его основные параметры показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Конструкция и основные параметры радиационного экрана космического телескопа им. Дж. Вебба.

1. Передние поддерживающие штанги (2 шт.), 2. Боковые поддерживающие штанги (2 шт.), 3. Задние поддерживающие штанги (2 шт.), 4. Пять слоев термоизолирующего материала на поддерживающих тросах, 5. Концевые поддерживающие штанги (6 шт.), 6. Первичная экранно-вакуумная теплоизоляция

Радиационный экран развертывается в следующей последовательности:

1. Транспортное положение,

2. Раскрытие первичной экранно-вакуумной теплоизоляции,

3-4. Раскрытие задних поддерживающих штанг,

5-6. Раскрытие передних поддерживающих штанг,

7. Раскрытие концевых поддерживающих штанг и натяжение поддерживающих штанг. Рабочее положение радиационного экрана.

Последовательность развертывания радиационного экрана показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Последовательность развертывания радиационного экрана