Разработана методика моделирования теплового режима и проведены термовакуумные испытания наноспутника (НС) PolyITAN1. Результаты показали корректность моделирования орбиты НС и факторов космического пространства и подтвердили работоспособность узлов и элементов наноспутника в заданных условиях.

В последнее десятилетие отмечается значительный рост числа запусков космических аппаратов, масса которых не превышает 10 кг, так называемых пико и наноспутников. Значительную роль среди космических аппаратов такого типа играют наноспутники стандарта CubeSat — малые искусственные спутники Земли для исследования космоса и зондирования Земли, имеющие объем примерно 0,001 м3 и массу не более 1,33 кг. Образование такого класса спутников повлекло за собой развитие совершенно нового направления в аэрокосмических технологиях — микротехнологии. Это стало возможным благодаря достижениям в микроминиатюризации элементной базы, использованию новых полимерных и композиционных материалов, интеграции бортового аппаратурного комплекса на основе средств вычислительной техники, использованию негерметичных конструкций и др.

В НТУУ «КПИ» по университетской программе разрабатывается наноспутник (НС) PolyITAN1 и на сегодняшний день
изготовлена его инженерная модель (рис. 1).

Это малый космический аппарат (искусственный спутник Земли), который имеет форму прямого параллелепипеда размерами 140×140×120 мм, весом око ло 1 кг. Запуск PolyITAN1 со временем планируется на ракетоносителе «Днепр».

Одним из важных этапов при разработке космических аппаратов и их элементов являются термовакуумные испытания, в ходе которых моделируется влияние на аппарат факторов космического пространства: низкой температуры, вакуума, различных видов излучения, черноты пространства и др. Так, проходя по орбите вокруг Земли, НС непрерывно подвергается воздействиям солнечного и земного излучений, которые значительно влияют на тепловое состояние и температурный режим электронной аппаратуры НС и, соответственно, на ее надежность в полете. В различные промежутки времени влияние этих факторов будет неодинаковым: в зависимости от положения НС на орбите и условий функционирования его систем на поверхности корпуса НС будут попадать переменные тепловые потоки различной интенсивности, которые и будут определять тепловой режим всех узлов и элементов, в том числе и электронной аппаратуры НС.

Целью моделирования тепловых режимов наноспутника при термовакуумных испытаниях в лабораторных условиях было установление работоспособности узлов и систем НС при длительном комплексном воздействии факторов космического пространства, определение возможных нештатных ситуаций, которые могут возникнуть в реальном полете.

Объект испытаний

НС состоит из подсистем обработки данных, ориентации и стабилизации, навигации, телеметрии, электроснабжения, приемопередающей подсистемы, межсистемной кабельной сети и элементов несущей конструкции. Все подсистемы компактно расположены на трех платах, закрепленных в направляющих фермы. На верхней плате расположены магнитометр, гироскоп, датчик температуры и датчик координат Солнца, которые представляют собой подсистему телеметрии, ориентации и стабилизации НС. Посередине размещается плата с GPSмодулем и центральным процессором, в котором содержится циклограмма полета НС и основная программа (подсистема обработки данных и навигации). Нижняя плата представляет собой подсистему электроснабжения. Конструкция НС обеспечивает механическое соединение бортовой аппаратуры и всех элементов спутника в единое целое, монтаж кабельной сети, зачековку и фиксацию концов на время его транспортировки, выведения на орбиту и приведения в рабочее состояние.

Сотопанельный каркас представляет собой трехслойную панель с облегченным алюминиевым сотовым заполнителем, двумя углепластиковыми обшивками и приклеенной диэлектрической полиимидной пленкой. В качестве заполнителя использовались «соты» высотой 10 мм из фольги толщиной 0,023 мм. Монослойные углепластиковые обшивки выполнялись из углеродистой конструкционной ленты. Удельный вес такого каркаса не превышает 0,82 кг/м2. На каждом сотопанельном каркасе крепится по шесть фотоэлектрических преобразователей.

Экспериментальное оборудование и методика испытаний

Для проведения термовакуумных испытаний НС и воспроизведения условий воздействия солнечного и земного излучений использовался лабораторный стенд ТВК0,12 [5]. Общий вид и структурная схема моделирующего стенда представлены на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид термовакуумного стенда ТВК 0,12 (а), положение НС в камере (б) и структурнофункциональная схема (в): 1 — вакуумная камера; 2 — НС; 3 — криогенная система; 4 — ИЗИ; 5 — ИСИ; 6 — опорноповоротное устройство

Термовакумний стенд ТВК 0,12 включает в себя следующие основные системы: вакуумную камеру 1, криогенную систему 3, имитатор земного излучения (ИЗИ) (4), имитатор солнечного излучения (ИСИ) 5. Для измерения температуры поверхностей элементов НС и криоэкранов применялись 14 миниатюрных контактных датчиков (термопар и термометров сопротивления). Регистрация и обработка температурных данных осуществлялась автоматизированной многоканальной системой измерения температуры.

Имитатор солнечного излучения, разработанный и созданный в НТУУ «КПИ», расположен вне камеры и состоит из оптической системы, источника излучения в виде ксеноновой лампы ДКсШ30003 и блока питания. Имитатор предназначен для создания в рабочей зоне камеры лучистого потока, который по своим спектральным характеристикам близок к заатмосферному солнечному излучению.

Имитатор излучения Земли представляет собой электронагреватель, выполненный в виде плиты, покрытой черной термоэмалью, размерами 185×140×30 мм, к которой нижней гранью (ІV) через дистанцирующие прокладки крепится НС. С помощью блока термостабилизации регулируется величина теплового потока, поступающего от имитатора на грань ІV.

Для моделирования орбиты НС с периодом вращения 97 мин, что соответствует одному полному витку, использовалось опорноповоротное устройство 6, позволяющее вращать НС вокруг собственной оси и изменять угол его наклона по отношению к падающему солнечному потоку.

Грань ІV в полете ориентирована на Землю, поэтому при проведении испытаний она подвергалась воздействию только земного излучения. Тепловое состояние НС исследовалось в двух орбитальных режимах — «солнечном» и «теневом». В ходе эксперимента основные факторы космического пространства воспроизводились в следующих пределах:

• вакуум до 8∙10–6 мм рт. ст. с приведенной погрешностью ±30%;
• солнечное излучение не меньше 1400 Вт/м2 с неоднородностью ±7%;
• земное излучение от 190 до 750 Вт/м2 с погрешностью ±5%;
• температура азотоэкранов до –193°С с разбросом ±3°С;
• относительная степень черноты криоэкранов со стороны объекта ε≥0,93. 

Эксперимент проходил в следующем порядке. НС крепился на опорноповоротном механизме под углом к вертикальной оси камеры Zк таким образом, чтобы на грань I солнечное излучение попадало под прямым углом в точке С на рис. 3.

Начальное положение НС при моделировании — точка А — соответствует выходу НС из тени Земли. Вращением НС по часовой стрелке (скорость вращения НС вокруг оси камеры составляла примерно 3,3°/мин) начиналось моделирование «солнечного» орбитального режима, во время которого имитаторы солнечного и земного излучений были постоянно включены. Этот процесс длился 63 мин, после чего НС оказывался в точке В, соответствующей моменту, когда НС заходит в тень Земли. Точка С соответствует положению, в котором облучение НС максимальное (суммарный тепловой поток от Солнца qs=1400 Вт/м2 и от Земли qз=750 Вт/ м2). Для моделирования «теневого» режима ИСИ выключали и против часовой стрелки НС возвращали в точку А. Этот процесс длился 34 мин. Таким образом, имитатор земного излучения работал в течение всего эксперимента непрерывно, а ИСИ включался периодически, что в целом соответствовало условиям прохождения НС по теневой и солнечной частям околоземной орбиты.

Для обеспечения надежного теплового контакта с контролирующей поверхностью термодатчики крепились к поверхности с помощью высокотеплопроводного клея (коэффициент теплопроводности не менее 0,5 Вт/(м∙К)). Погрешность измерения температуры составляла ±0,2°С. С помощью регулятора напряжения температура имитатора Земли циклически менялась в зависимости от угла поворота и времени движения НС по орбите. 

Во время проведения эксперимента были смоделированы четыре витка прохождения НС по орбите и получены зависимости распределения температуры на двух сотовых панелях, на платах системы энергоснабжения, навигации и телеметрии.

Одной из основных задач экспериментальных исследований было определение температурных диапазонов функционирования элементов НС при перемещении его по орбите, в частности наиболее теплонагруженных элементов — микроконтроллеров платы обработки данных, телеметрии и системы энергообеспечения, а также аккумуляторных батарей. В соответствии с требованиями к обеспечению тепловых режимов бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов, а также к характеристикам электронных компонентов, допустимым для функционирования микроконтроллеров является температурный интервал от –20 до +50°С, для блока аккумуляторов — от 0 до +40°С.

Результаты испытаний

Результаты измерения температурных полей в элементах НС для второго и третьего орбитальных витков приведены на рис. 4 и 5.
На рис. 4 показано изменение температуры поверхностей граней I и III, а также соответствующие точки расположения НС во время испытаний (А, В, С). Как и ожидалось, температура поверхностей была наименьшей сразу после окончания «теневого» режима (от –23 до –32°С), а наибольшая (–5°С) — на грани I при нахождении НС в точке С.

На рис. 5 приведены графики изменения во времени температуры электронных элементов НС: микроконтроллеров платы обработки данных (Т3) и платы системы телеметрии (Т4), а также системы энергообеспечения — аккумуляторных батарей (Т6) и микроконтроллера платы энергообеспечения (Т5).

Как видно из рисунка, самая высокая температура во время испытаний была у микроконтроллера подсистемы обработки данных (Т3), что связано с ее непрерывной работой в течение полета: значение Т3 изменялось от 18 до 23°С. Самую низкую температуру имели аккумуляторные батареи (Т6=5...9°С), поскольку они расположены ближе к источнику земного излучения.

Колебания температуры на микроконтроллере подсистемы телеметрии (Т4) от 5 до 17°С связаны с периодичностью ее работы. Наибольшие значения Т4 достигались при включении рабочей нагрузки на подсистему, когда НС находился в области правее точки максимального облучения НС. Смещение максимального значения Т4, так же как и значений температуры других элементов НС (см. рис. 5), относительно точки С связано с инерционностью процессов теплообмена внутри аппарата. Характер запаздываний и их временные характеристики зависят от места расположения элемента внутри аппарата, теплового влияния на него других компонентов, а также циклограммы его работы в течение эксперимента.

Температура микроконтроллера платы энергообеспечения (Т5) изменяется в пределах от 9 до 17°С. При этом следует обратить внимание на характер этих изменений — он демонстрирует влияние на температурный режим микроконтроллера не только внешних тепловых потоков, но и циклограммы его работы (т. е. моменты его включения и выключения). Так, на графике видно, что всплески температуры Т5 имеются не только при прохождении НС по солнечной части орбиты, но и по теневой, и соответствуют включению устройства. Также отметим процесс влияния температуры Т5 на другие элементы: при включении микроконтроллера платы энергообеспечения наблюдается незначительное повышение температуры и микроконтроллера платы обработки данных (Т3), и аккумуляторных батарей (Т6). Что касается некоторого роста Т5 на третьем витке по сравнению со значениями на втором, его можно объяснить квазистационарностью процессов в камере и в самом аппарате при проведении испытаний.  

Выводы

Таким образом, разработанная методика позволила провести термовакуумные испытания наноспутника PolyITAN1. Полученные результаты показали корректность моделирования орбиты НС и факторов космического пространства и подтвердили работоспособность узлов и элементов аппарата в заданных условиях. Все приборы работали при положительных значениях температуры, лежащих в соответствующих допустимых диапазонах. При этом не было замечено никаких отклонений в функционировании и работе электронной аппаратуры НС.