Моделирование параметрической надежности радиационных теплообменников космических аппаратов
Авторы: Кудрявцева Н.С., Гайворонская Д.П.
Опубликовано в выпуске: #6(174)/2026
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов
В практике проектирования систем терморегулирования космических аппаратов надежность радиационных теплообменников традиционно оценивается вероятностью внезапного отказа по причине микрометеорного пробоя. Деградация опти- ческих характеристик терморегулирующих покрытий может привести к постепенному отказу, что учитывается в исходных данных при выборе проектных параметров на основе экспертных оценок по известным прототипам. В связи с этим ставится и решается задача изучения схемы параметрического отказа и построения математической модели параметрической надежности радиационного теплообменника с использованием модели процесса деградации на основе случайного процесса Винера с нелинейной шкалой времени. Параметры модели процесса деградации определяются путем статистической обработки летных экспериментальных данных с учетом воздействующих факторов космического пространства, имеющих стохастическую природу. Разработан алгоритм точечных оценок параметров моделей деградации и параметрической надежности на основе метода наибольшего правдоподобия, а для построения доверительного интервала предложен алгоритм имитационного моделирования. На основе летных экспериментальных данных построена модель параметрической надежности и даны рекомендации по оценке площади радиационного теплообменника системы терморегулирования обитаемого модуля на низкой околоземной орбите. Результатом разработанной модели параметрической надежности является возможность одновременного учета внезапных и постепенных отказов в полной модели оценки надежности радиационного теплообменника.
EDN MPSMZF
Литература
[1] Басов А.А., Прохоров Ю.М., Сургучев О.В. Радиаторы на тепловых трубах в системах терморегулирования космических аппаратов. Известия Российской академии наук. Энергетика, 2011, № 3, с. 37–41.
[2] Belyavskii A.E., Kudryavtseva N.S., Sorokin A.E. Hybrid radiator for spacecraft thermal control systems. Russian Engineering Research, 2022, vol. 42, no. 1, pp. 57–59. DOI: 10.3103/S1068798X22010038
[3] Juhasz A.J. Mathematical analysis of space radiator segmenting for increased reliability and reduced mass. NASA Center for Aerospace Information, 2001, 12 p. URL: http://gltrs.grc.nasa.gov (дата обращения: 02.09.2025).
[4] Marquis K.B., Ployhar K., Jiménez F.L. Thermal analysis of a novel light weight layered and tapered radiator panel with pumped-fluid-loop system. In: Proceedings 50th International Conference on Environmental Systems, 12–15 July 2021. Virtual Event, ICES-2021-243, 14 p. URL: http://ices.space (дата обращения: 06.10.2024).
[5] ISO 17851. Space systems — Space environment simulation for material tests — General principles and criteria. ISO, 2016, 24 p.
[6] Sharma A.K., Sridhara N. Degradation of thermal control materials under a simulated radiative space environment. Advances in Space Research, 2012, no. 50, pp. 1411–1424.
[7] Городецкий А.А., Ковтун В.С., Фролов И.В. Результаты космического эксперимента по изучению характеристик терморегулирующих покрытий на геостационарной орбите. Известия Российской академии наук. Энергетика, 2016, № 3, с. 93–101.
[8] Михайлов М.М. Прогнозирование оптической деградации терморегулирующих покрытий космических аппаратов. Перспективные материалы, 2000, № 2, с. 26–36.
[9] Mikhailov M.M., Lapin A.N., Yuryev S.A., Goronchko V.A. Study of the photo-stability of ceramic thermal control coating based on aluminium oxide. Ceramics International, 2024, vol. 50, no. 21, pp. 41039–41043.
[10] Jaworske D.A., Kline S.E. Review of end-of-life thermal control coating performance. NASA Center for Aerospace Information, 2008, 18 p. URL: http://gltrs.grc.nasa.gov (дата обращения 10.12.2019).
[11] Calarco S., Remaury S., Perraud S., Gayrard Joël. CNES flight experiment for thermal coatings aging: THERME. In: Proceedings 53d International Conference on Environmental Systems, 21–25 July 2024, Louisville, Kentucky. ICES-2024-21, 15 p. URL: http://ices.space (дата обращения: 08.10.2024).
[12] Chen L., Wang J., Lee Chun-Hian. Model for evaluating silica coating thickness against atomic-oxygen corrosion in space materials. Journal of Spacecraft and Rockets, 2012, no. 49 (1), pp. 120–129. DOI: 10.2514/1.56601
[13] Wang X., Balakrishnan N., Guo B. Residual life estimation based on a generalized Wiener degradation process. Reliability Engineering and System Safety, 2014, no. 124, pp. 13–23.
[14] Liu T., Sun Q., Meng J., Pan Z., Tang Y. Degradation modelling of satellite thermal control coatings in a low Earth orbit environment. Solar Energy, 2016, no. 139, pp. 467–474. htpp://dx.doi.org/10.101S/j.solener.2016.10.03
[15] Whitmore G.A., Schenkelberg F. Modelling accelerated degradation data using Wiener diffusion with a time scale transformation. Lifetime Data Analysis, 1997, no. 3, pp. 27–45. URL: https://tptmai.ru/publications.php?ID=185575
[16] Ye Z., Wang Y., Tsui K., Pecht M. Degradation data analysis using Wiener processes with measurement errors. IEEE Transactions on Reliability, 2013, vol. 62, no. 4, pp. 772–780. DOI: 10/1109/TR.2013.2284733
[17] Кудрявцева Н.С. Моделирование деградации терморегулирующих покрытий космических аппаратов. Тепловые процессы в технике, 2025, т. 17, № 6, с. 289–295. URL: https://tptmai.ru/publications.php?ID=185575
[18] Кудрявцева Н.С., Кудрявцев А.П. Математические модели деградации терморегулирующих покрытий радиационных теплообменников космических аппаратов на основе обобщенного процесса Винера. Научно-технический вестник Поволжья, 2025, № 9, c. 20–24.
[19] Hartlap J., Simon P., Schneider P. Why your parameter confidences might be too optimistic. Unbiased estimation of the inverse covariance matrix. Astronomy and Astrophysics, 2007, vol. 464, no. 1, pp. 399–404. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20066170
[20] Liao C.M., Tseng S.T. Optimal design for step-stress accelerated degradation tests. IEEE Transactions on Reliability, 2006, vol. 55, no. 1, pp. 59–66. DOI: 10.1109/TR.2005.863811
[21] Ionides E.L., Breto C., Park J., Smith R.A., King A.A. Monte Carlo profile confidence intervals. Journal of the Royal Society Interface, 2017, vol. 14, no. 132, pp. 1–23. DOI: 10.1098/rsif.2017.0126
[22] Preacher K.J., Selig J.P. Advantages of Monte Carlo confidence interval for indirect effects. Communication Methods and Measures, 2012, vol. 6, no. 2, pp. 77–98. DOI: 10.1080/19312458.2012.679848
[23] Борщев Н.О., Белявский А.О., Антонов В.А. Анализ систем обеспечения тепловых режимов отечественных космических аппаратов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 7 (127), 19 с. DOI: 10.18698/2308-6033-2022-7-2193
[24] Басов А.А., Елчин А.П. Отработка на борту международной космической станции перспективных технических решений по обеспечению теплового режима космических аппаратов. Космонавтика и ракетостроение, 2018, № 4 (103), с. 61–71.