Системы обеспечения теплового режима космических аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конспект лекций

По дисциплине: Системы обеспечения теплового режима космических аппаратов

Санкт-Петербург

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение теплового режима является необходимым условием надежного функционирования космического аппарата (КА) и успешного выполнения им программы полета.

Под тепловым режимом принято [7] понимать последовательность (во времени) температур элементов конструкции, бортовых систем, приборного оборудования и внутренней газовой среды герметичных отсеков, определяющих постоянно меняющееся температурное состояние КА, которое обусловлено взаимосвязанными процессами внешнего и внутреннего теплообмена, соответствующей организацией и регулированием процессов теплообмена.

Внешний теплообмен в космическом пространстве определяется глубоким вакуумом, наличием мощных (хотя и удаленных) источников излучения в виде Солнца и планет, а также широким диапазоном изменения температуры, которая характеризуется потоком электромагнитной энергии теплового диапазона и для условий околоземного космического пространства может находиться в диапазоне от 4 до 400К. Обеспечить в этих условиях достаточно узкий температурный диапазон (0-40°С), необходимый для нормальной работы аппаратуры, можно только путем применения специальных средств наружной тепловой защиты (экранно-вакуумной теплоизоляции). При рассмотрении внешнего теплообмена необходимо учитывать также косвенное влияние на тепловой режим условий космической среды, проявляющееся в изменении физико-механических и оптических характеристик внешних элементов конструкции.

Внутренний тепловой режим обусловлен, в основном, тепловыделением работающей аппаратуры, ее циклограммой. Для организации внутреннего теплообмена необходима информация о средней величине внутреннего тепловыделения аппаратуры за некоторый характерный интервал времени (период обращения КА), о максимальном и минимальном его значении в этом интервале и о продолжительности воздействия этих экстремальных уровней, а также о степени неравномерности тепловыделения в отсеках аппарата и в отдельных приборах.

Важная особенность процесса внутреннего теплообмена в гермоотсеках - отсутствие естественной конвекции, что является следствием невесомости в космическом пространстве. Для организации внутреннего теплообмена используются циркуляционные системы, обеспечивающие тепловой режим аппаратуры за счет вынужденной конвекции. Наиболее характерный режим работы блоков тепловыделяющей аппаратуры -- импульсное включение-выключение большого количества потребителей электрической мощности, находящихся в гермоотсеке, и гибкое изменение программы полета и циклограммы энергопотребления отдельных блоков.

Функции по организации процессов внутреннего и внешнего теплового режима, их регулированию и обеспечению требуемого температурного состояния выполняет система обеспечения теплового режима (СОТР).

Понятие «система» применительно к средствам терморегулирования носит несколько условный характер, ибо результаты работы системы, ее состав и параметры неразрывно связаны со свойствами конструкции, тепловое состояние которой она организует. Другая особенность СОТР заключается в том, что объект теплового регулирования - космический аппарат - является сложной технической системой, состоящей из множества звеньев, каждое из которых требует своего температурного состояния.

Сама СОТР также является сложной технической системой, состоящей из подсистем, агрегатов и элементов. На основе принятой классификации [13], «система считается сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. Сложная система способна выполнять сложные функции и вырабатывать необходимые решения».

В состав СОТР КА входят две основные подсистемы: система терморегулирования (СТР), относящаяся к активным средствам, и средства пассивного терморегулирования (СПТР).

СТР включает в себя комплекс средств, обеспечивающих регулирование теплообмена, транспортировку и перераспределение тепловых потоков с помощью теплообменных устройств и специальных агрегатов, и предполагает применение активных методов реализации этих задач, связанных с определенными затратами энергии.

СПТР выполняет две основные функции:

1) существенно ослабляет тепловую связь теплообмен КА с космическим пространством путем применения экранно-вакуумной теплоизоляции на наружной поверхности КА;

2) предоставляет возможность для регулирования уровня дополнительной внешней тепловой нагрузки за счет использования четырех классов терморегулирующих покрытий (ТРП). При этом ни практике реализуется, как правило, нанесение ТРП класса «солнечный отражатель» на поверхность радиационного теплообменника для уменьшения внешней тепловой нагрузки на СОТР.

Вопросы обеспечения теплового режима рассматриваются в пособии с позиции системного теплового проектирования КА: СOTP является одной из обеспечивающих систем КА, параметры орбиты и программа полета которого определяют как внешнюю, гак и внутреннюю тепловые нагрузки (входные параметры СОТР), в то время как выходные параметры СОТР существенно влияют на компоновку и массовые характеристики КА.

Список обозначений и сокращений

Т, t - температуры теплоносителей,

и - температура поверхности,

Q - тепловой поток,

q - плотность теплового потока,

Е - излучательная способность,

G - расход массовый,

F - площадь поверхности,

р - плотность,

с - удельная теплоемкость,

л - коэффициент теплопроводности,

б - коэффициент конвективного теплообмена (коэффициент теплоотдачи),

х - кинематическая вязкость.

БУ - блок управления,

ГЖА - газожидкостный агрегат,

ГНА - гидронасосный агрегат,

ЖЖТ - жидкостно-жидкостный теплообменник,

КА - космический аппарат,

РРТ - регулятор расхода теплоносителя,

РТО - радиационный теплообменник,

СОТР - система обеспечения теплового режима,

СТР - система терморегулирования,

ТРП - терморегулирующее покрытие,

ХСА - холодильно-сушильный агрегат,

ЭВТИ - экранно-вакуумная теплоизоляция.

1. СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1 Определение, назначение и классификация СОТР

СОТР - комплекс взаимосвязанных подсистем, агрегатов и элементов конструкции, предназначенных для обеспечения температурных условий, необходимых для нормального функционирования аппаратуры и оборудования КА, как в полете, так и после его завершения.

Назначение СОТР.

1. Поддержание температуры элементов конструкции КА;

2. Обеспечение заданного температурного диапазона газовой среды гермоотсека;

3. Перераспределение тепловых потоков внутри КА;

4. Отвод избыточных внутренних тепловыделений в окружающее пространство.

Классификация СОТР (ГОСТ 26151-84).

1. Система активного терморегулирования (СТР) классифицируется по следующим основным признакам:

* по типу теплоносителя (газовые, жидкостные, газожидкостные, двухфазные);

* по степени сложности (одноконтурные, многоконтурные);

* по способу отвода тепла (радиационные, испарительные);

* по способу регулирования (с переменной поверхностью излучения, с изменением ориентации, с изменением расхода теплоносителя);

* по конструктивному выполнению РТО (совмещенные с корпусом - цилиндрические или конические, панельные, лепестковые, роторные ленточные).

2. Средства пассивного регулирования:

* терморегулирующие покрытия (ТРП);

* экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ);

* термосопротивления;

* термопроводники.

3. Полупассивные средства:

* тепловые трубы;

* тепловые аккумуляторы;

* электрические нагреватели.

Требования к СОТР.

Предъявляемые к СОТР требования формулируются как общефункциональные и теплотехнические [10, 13].

1. Общефункциональные требования:

* максимальная надежность и эффективность;

* минимальная масса и стоимость;

* минимальное собственное энергопотребление;

* максимально возможная унификация оборудования.

2. Общие теплотехнические требования:

* температура аппаратуры, блоков питания 283.. .323 К (10…40);

* температура газовой среды 273... 313 К (0…40);

* параметры оптической аппаратуры:

- температура 293...323 К (20…40),

- градиент температуры < 20К/м ,

- скорость изменения температуры (3...4) 10-3 К/с ;

* относительная влажность среды гермоотсека ц= 30...70%;

* скорость циркуляции газовой среды U= 0,1... 1,0 м/с .

3. Теплотехнические требования к отсекам пилотируемых КА:

* температура воздушной среды 293±2К (20±2),

* давление р= 1.013 105 Па,

* относительная влажность ц= 40...60%,

* скорость циркуляции U =(0.2... 0.4)м/с.

4. Теплотехнические требования для прецизионных СОТР:

* температура термостатируемых элементов конструкции 293±1К,

* температура газовой среды 293±5К.

Проблемы разработки высокоэффективных СОТР КА на современном этапе в значительной степени обусловлены следующими факторами:

* достаточно большой энерговооруженностью современных КА (до 5 кВт и более.);

* расширением и усложнением функциональных задач КА, увеличением ресурса активного существования (до 10 лет и более);

* высокой плотностью компоновки оборудования приборных отсеков, приводящей к повышенным удельным тепловым нагрузкам в гермоотсеках (до 103 ... 104 Вт/м2);

* ужесточением требований по тепловому режиму, ограничению допустимых температурных диапазонов в отдельных приборах и элементах конструкции (до 1° и менее);

* нестационарным и, как правило, случайным характером тепловых возмущающих воздействий (как наружных тепловых потоков, так и внутренних тепловыделений).

Решение многих из этих проблем может быть связано с применением таких перспективных агрегатов СОТР, как тепловые трубы и тепловые насосы, с использованием двухфазных теплоносителей и с дальнейшим совершенствованием схем СОТР [13].

1.2 Внешний теплообмен космических аппаратов

Особенности теплообмена КА в космическом пространстве

Внешний теплообмен КА в космосе определяется следующими факторами [9,11]:

* особенностями космического пространства (глубокий вакуум, наличие мощных источников излучения - Солнца и планет, их удаленностью);

* местонахождением КА на орбите (относительно Солнца и планет);

* ориентацией КА на орбите;

* формой и состоянием внешней поверхности КА.

Схема внешнего теплообмена КА в космическом пространстве представлена на рис. 1.1.

Рис 1.1. Схема внешнего теплообмена КА в космическом пространстве

КА, находящийся на расстоянии Н от поверхности Земли, испытывает влияние следующих составляющих внешних тепловых потоков qi, qS - плотности потока прямого солнечного излучения; qE (Н) - плотности потока собственного планетного излучения; qR (H) - плотности отраженного от поверхности планеты солнечного излучения; qa (Н) - плотности атмосферных тепловых потоков; qи -- плотности потока собственного излучения КА.

Составляющая qa (H) учитывается, когда полет КА осуществляется в атмосфере планет на сравнительно небольших высотах от поверхности (для Земли - на высотах Н < 250 км).

В отсутствие тепловых потоков солнечного и планетных излучений равновесная температура космического пространства принимается равной 4К (близкой к абсолютному нулю), что соответствует величине потока космического излучения qки 10-5 Вт/м2.

Вследствие высокой степени разряженности космического пространства (наличия глубокого вакуума) основным способом передачи тепла в космосе является теплообмен излучением.

Кроме перечисленных выше факторов космического пространства, непосредственно влияющих на тепловое состояние КА, необходимо принимать во внимание и ряд факторов косвенного влияния:

* ультрафиолетовое и рентгеновское электромагнитное излучения,

* корпускулярное излучение Солнца (солнечный ветер),

* радиационные пояса и магнитосферы планет,

* потоки частиц микрометеорного и кометного вещества.

Эти факторы заметно влияют на температурное состояние (особенно в случае их длительного воздействия) и проявляются в процессе эксплуатации КА на орбите в виде изменения как теплофизических, так и оптических характеристик внешних элементов конструкции.

Влияние косвенных факторов на тепловой режим КА рассматривается в подразд. 1.7.

Основные соотношения и законы лучистого теплообмена

Тепловое излучение - процесс переноса тепла с помощью электромагнитных волн в диапазоне л = (0,3... 100) мкм. Этот диапазон охватывает три области электромагнитного спектра: ультрафиолетовое излучение л = (0,02-0,38) мкм, видимое (световое) л = (0,38...0,76) мкм и инфракрасное л = (0,7... 100) мкм.

Спектральное распределение интенсивности солнечного из¬лучения таково, что 92% лучистой энергии находится в диапазоне л = (0,3...3) мкм и 98% - в диапазоне л = (0,3...4) мкм.

Интегральным называется излучение во всем диапазоне длин волн.

Спектральным (монохроматическим) - излучение в узком диапазоне (dл).

Плотностью потока излучения (q), или излучательной способностью (Е), называется количество лучистой энергии, излучаемой за единицу времени единичной поверхностью излучения.

Количество энергии, излучаемое поверхностью тела в единицу времени, называется полным (интегральным) лучистым тепловым потоком Q. При этом Q = или Е = .

Интенсивность излучения (I) - количество тепловой энергии, излучаемой элементарной площадкой в данном направлении за единицу времени в пределах единичного телесного угла (dщ):

Законы лучистого теплообмена:

1) закон Стефана - Больцмана (для абсолютно черного тела)

где . Для серого тела Е=еЕ0, е - степень черноты, е =Е/Ео,

2) закон Планка:

;

3) закон Вина:

;

4) закон Ламберта:

;

5) закон Кирхгофа:

Е/А =Е0 ,

А - коэффициент поглощательной способности тела. Так как Е=еЕ0, то е =А; ел =Ал.

Основное соотношение лучистого теплообмена между двумя абсолютно черными элементарными площадками dF1 и dF2:

или

где - угловой коэффициент,;

- интенсивность излучения.

Для серых тел

,

где - приведенная степень черноты.

Модель прямого солнечного излучения

Поток прямого солнечного излучения может считаться плос- копараплельным ввиду большой удаленности источника излуче¬ния (149,6x106 км) и, как следствие, малого угла обзора Солнца с Земли (0,5°).

Плотность прямого солнечного излучения qS на расстоянии с

определяется соотношением

,

где =3,78x1026 Вт - болометрическая постоянная Солнца.

Для околоземного пространства (при с°=1 а.е., а.е. -- астрономическая единица длины, равная расстоянию от Земли до Солнца, приложение 1) (солнечная постоянная для Земли), тогда .

Максимум спектральной интенсивности прямого солнечного излучения (Iл) находится в коротковолновой части спектра и соответствует длине волны = 2898/6100 = 0,475 мкм , (TS = 6100 К - температура поверхности Солнца).

Вследствие эллиптичности орбиты Земли наблюдается сезонное изменение солнечной постоянной в пределах =1396±28 Вт/м2.

Тепловые модели планет

Тепловая модель планеты в общем случае (при наличии атмосферы) представляется в виде диффузно излучающего и отражающего сферического тела с эффективным радиусом Rэф = Rпл + На, где На - высота наиболее эффективно излучающего слоя атмосферы планеты. Для Земли На = 12 км; Rэф = 6383 км; для Венеры На -- 60 км; Rэф = 6250 км.

Основные радиационные характеристики планет: альбедо планеты (бпл), плотность отраженного солнечного () и соб¬ственного излучения планеты ).

Долю отраженного от планеты солнечного излучения называют альбедо планеты (бпл). Его величина определяется состоянием поверхности и составом атмосферы планеты [9].

Плотность отраженного от поверхности солнечного излучения пропорциональна альбедо планеты, плотности падающего солнечного излучения (qS) и косинусу угла освещенности (ш0) рассматриваемой области планеты:

или .

При углах освещенности < 70° отражение носит диффузный характер.?

Спектральный состав отраженного от планеты солнечного излучения не претерпевает изменений.

Источником собственного планетного излучения является, в основном, поглощенная часть солнечной энергии, переизлучаемая планетой в длинноволновом спектральном диапазоне.

В зависимости от характера распределения по поверхности планеты делятся на три типа.

Для планет 1-го типа (Земля, Венера - при наличии плотной атмосферы и малого периода обращения) постоянна по поверхности и определяется из уравнения теплового баланса планеты:

,

откуда .

Для планет 2-го типа (при отсутствии плотной атмосферы) собственное излучение имеет место только на освещенной стороне:

.

Третий тип планет (Марс) занимает промежуточное положение - собственное излучение на освещенной стороне значительно превышает излучение на теневой:

где .

Уходящее с поверхности планет собственное излучение принято считать диффузным.

Спектральный состав планетного излучения определяется средней радиационной температурой поверхности планеты Тр. Для Земли средняя радиационная температура поверхности

и максимум спектральной интенсивности ()

находится в инфракрасной части электромагнитного спектра.

Математические модели внешних тепловых нагрузок

Модели действующих на КА планетных тепловых потоков. В соответствии с расчетной схемой теплообмена (рис. 1.2) на высоте Н >250 км локальное значение планетного теплового потока dQ, действующего на элементарную площадку dF поверхности КА, определяется известным соотношением лучистого теплообмена:

,

где - плотность уходящего с поверхности планеты собственного ( ) и отраженного солнечного () излучений; r - расстояние между центрами элементарных площадок dF и ; ш и угловые параметры ориентации площадок dF и .

Рис. 1.2. Схема лучистого теплообмена между двумя элементарными площадками

Введем понятие элементарного телесного угла обзора площадки на поверхности планеты:

.

Тогда

.

В результате интегрирования по поверхности КА (F) и по телесному углу обзора планеты (Щ) получим выражение для планетного теплового потока:

 .

Для потока собственного планетного излучения при

(планета 1-го типа)

.

Входящее в это выражение соотношение принято называть локальным угловым коэффициентом планетного облучения. Тогда

. Локальный угловой коэффициент является чисто геометрической характеристикой, зависящей от ориентации элементарной площадки (угла ш) и местонахождения КА (высоты Н от поверхности Земли).

Физически представляет собой относительную часть потока собственного планетного излучения, действующего на рассматриваемую площадку, и может изменяться от 1 (при Н = 0 и ш = 0) до 0 при Н>10 000 км.

Действующее на поверхность КА потока отраженное от поверхности планеты солнечное излучение (QR) определяется из соотношения

(для планеты 1-го типа). Тогда

.

По аналогии с рассмотренным выше случаем вводится поня¬тие комбинированного локального углового коэффициента :

.

Аналогичной является и физическая интерпретация как относительной части потока отраженного от планеты солнечного излучения, действующего на поверхность КА.

Значение определяется не только упомянутыми выше геометрическими характеристиками, но и ориентацией Солнца (углом ). С учетом введенного коэффициента выражение для запишется следующим образом:

,

где .

Таким образом, определение действующих на поверхность КА планетных тепловых потоков и сводится к нахождению угловых коэффициентов планетного облучения и .

Осредненные по поверхности КА угловые коэффициенты ( и ) для КА сферической формы могут быть определены по приближенным соотношениям [9]:

;

где ; R - радиус сферической модели планеты, H -- высота КА от поверхности планеты.

Модель поглощенных поверхностью КА внешних тепловых потоков околоземного космического пространства. На высоте Н > 250 км от поверхности Земли КА находится под воздействием трех составляющих внешних тепловых потоков: - потока прямого солнечного излучения; - отраженного от поверхности Земли солнечного теплового потока; - потока собственного планетного излучения.

Доля поглощенного поверхностью КА теплового потока определяется коэффициентом поглощения (А), величина которого существенно зависит от спектрального состава падающего излучения.

Для составляющих и максимум спектральной интенсивности расположен в коротковолновой части электромагнитного спектра ( =0,475 мкм) и 92% энергии излучения находится в диапазоне л = (0,3...3,0) мкм. Поток собственного планетного излучения вследствие низкой радиационной температуры источника излучения (для Земли 250 К) имеет максимум спектральной интенсивности в инфракрасной части спектра ( =11,5 мкм), а основная часть энергии излучения находится в длинноволновой (инфракрасной) части спектра в диапазоне л = (4...100) мкм.

Большинство современных материалов и покрытий, применяемых в космической технике, обладают селективными свойствами, заключающимися в существенном различии их оптических характеристик, коэффициента поглощения А и степени черноты е в различных частях электромагнитного спектра - коротковолновом и инфракрасном. При этом, естественно, остается справедливым закон Кирхгофа, в соответствии с которым в любом интервале длин волн выполняется равенство . При определении поглощенных поверхностью КА тепловых потоков принято обозначать: AS - коэффициент поглощения солнечного излучения ( = 0,3...4,0 мкм), е - степень черноты поверхности для инфракрасного излучения (=0.3…4.0 мкм). Коэффициенты AS и е принято называть оптическими коэффициентами.?

Тогда выражение для поглощенного незатемненной поверхно¬стью КА теплового потока Qnom запишется следующим образом:

.

После подстановки составляющих , , выражение для поглощенного теплового потока в околоземном пространстве примет вид

где - площадь миделевого сечения КА (площадь поперечного сечения КА, перпендикулярного действующему на КА солнечному тепловому потоку).

Модели атмосферных тепловых потоков. Тепловые потоки, обусловленные воздействием атмосферы планет, определяются двумя факторами: соударениями молекул разряженной атмосферы с поверхностью КА (, рекомбинацией молекул кислорода из диссоциированных атомов .

Молекулярная составляющая теплового потока находится по соотношению

,

где - коэффициент аккомодации, определяющий долю кинетической энергии молекул, которая преобразуется в тепловую энергию ( = 0,9 1,0); с - плотность окружающей среды; v - скорость движения КА.

Плотность теплового потока, обусловленного рекомбинацией молекул кислорода, может быть представлена в виде

,

где - коэффициент эффективности рекомбинации ( = 0,7...0,9); n - концентрация атомов кислорода на высоте полета КА; = 4,072x10-19 Дж - энергия рекомбинации, приходящаяся на один атом кислорода.

Вычисленные по этим соотношениям значения и для КА, находящегося на околоземной круговой орбите высотой Нкр=200 км от поверхности Земли, составляют [4]: 100 Вт/м2; 40 Вт/м2.?

Тепловое состояние внешних элементов конструкции КА

В общем случае (с учетом всех возможных составляющих внешнего теплообмена) нестационарное тепловое состояние ннешнего элемента конструкции (солнечной батареи, антенны, прибора, корпуса) может быть записано в виде уравнения нестационарного теплового баланса:

где c и m - удельная теплоемкость и масса элемента конструкции; T -среднемассовая температура; - поглощенный конструкцией внешний тепловой поток; - атмосферный тепловой поток; - тепловой поток взаимного переизлучения с другими элементами конструкции; - излучаемый элементом конструкции тепловой поток.

В дальнейшем рассматривается тепловое состояние элементов конструкции при допущениях: = 0 (КА находится в око¬лоземном пространстве при Н > 250 км); = 0 (отсутствует переизлучение с элементами конструкции).

При сделанных допущениях уравнение стационарного теплового баланса внешних элементов конструкций КА запишется как .

Если КА находится в околоземном пространстве на расстоянии Н> 10000 км от поверхности Земли, составляющими внешнего теплообмена и можно пренебречь и уравнение теплового баланса элемента конструкции принимает вид

,

откуда

Таким образом, средняя по поверхности температура элемен¬та конструкции на стационарном режиме определяется двумя факторами: соотношением оптических характеристик поверхности ; ориентацией рассматриваемого элемента конструкции по отношению к падающему солнечному потоку (т.е. соотношением ). В связи с этим температура тонкой пластины, например, в зависимости от ее ориентации по отношению к может изменяться от 4К при = 0 до Т 400 К при = 1 и =1.

Для КА, находящегося в околоземном космическом пространстве на расстоянии от поверхности Земли Н < 10000 км, стационарное температурное состояние внешних элементов конструкции должно определяться с учетом трех составляющих внешнего теплообмена ():



и в этом случае зависит (кроме отмеченных выше двух факторов) дополнительно от условий освещенности плоскости орбиты («теневая» либо «солнечная») и от составляющих и на теневом и солнечном участках орбиты.

Нестационарное температурное состояние внешних элементов конструкции обусловлено изменением ориентации КА и его элементов в процессе функционирования КА в соответствии с программой полета, а также изменением внешних условий теплообмена (при переходе с «солнечного» участка орбиты на «теневой» при орбитальном полете КА). В связи с этим нестационарное изменение температуры внешних элементов конструкции (для условий орбитального полета КА) носит периодический характер (от Tmin до Tmax) с интервалом времени, равным периоду обращения КА на орбите.

Величины температурного диапазона может быть оценена с помощью приведенных соотношений стационарного температурного состояния.

Нестационарное температурное состояние внешних элементов конструкции КА может быть рассчитано либо численно на основе исходного уравнения нестационарного теплового баланса (1.1), либо приближенно по аналитическим соотношениям [12] для некоторых частных случаев.

1.3 Модели внутренних тепловых нагрузок КА

Внутренние тепловые нагрузки на борту КА определяются шергозатратами экипажа КА (для пилотируемых КА), тепловыделением бортовой аппаратуры Qтв и функционированием шергоустановок и двигательных установок.

Энергозатраты экипажа КА зависят от физического состояния и вида деятельности и составляют для одного члена экипажа:

Qэ = (85-100) Вт - в состоянии покоя;

Qэ = (100-175) Вт - при очень легкой работе;

Qэ = (175-350) Вт - при легкой работе;

Qэ = (350-520) Вт - при работе средней тяжести.

Средние нормированные энергозатраты одного космонавта составляют 150 Вт.

Тепловая мощность, рассеиваемая бортовой аппаратурой (Qтв) зависит от потребляемой электрической мощности (N) и неличины полезного сигнала (Nпол) и может быть определена как

где - потребляемая электрическая мощность i-го источника тепловыделений; - коэффициент полезного действия аппаратуры; К- коэффициент, учитывающий одновременную работу п источников тепловыделений.

Наиболее характерным режимом работы бортовой аппарату¬ры является нестационарный, связанный с импульсным включе¬нием в работу n источников тепловыделений.

Тепловая математическая модель нестационарного режима функционирования i-го источника может быть представлена следующей системой:



где c и m - удельная теплоемкость и масса источника тепловыделений; - среднемассовая температура; тепловой поток, отводимый от источника в окружающую среду путем конвенции; t - температура окружающей среды (газовой либо жидкостной); - суммарный коэффициент конвективного теплообмена; F - поверхность теплообмена источника со средой.

Преобразуем исходную систему, обозначив ;

.

Введем новую переменную (величину перегрева источника [6]):

,

где - постоянная времени источника.

Решение системы уравнений проведем в пространстве изображения по Лапласу. Обозначим

, , .

Получим

, .

Решение системы в пространстве изображения по Лапласу представляется в виде двух тепловых передаточных функций:

; .

На основании полученных тепловых передаточных функций могут быть найдены величина перегрева аппаратуры ( ) и отводимый тепловой поток (QA) при произвольном характере изменения .

Для наиболее характерного импульсного режима включения источника тепловыделения (длительностью ) величина перегрева (), найденная по передаточной функции , будет определяться соотношениями

.

1.4 Внутренний тепловой режим гермоотсеков КА

Особенности внутреннего теплообмена в гермоотсеках КА

1. Отсутствие естественной конвекции в космическом пространстве (в условиях невесомости) и необходимость организации вынужденного конвективного теплообмена.

2. Высокая плотность компоновки тепловыделяющего и нетепловыделяющего оборудования в гермоотсеках КА.

3. Наличие разнообразных тепловых связей (конвективных, кондуктивных, лучистых) между элементами и агрегатами гермоотсеков КА.

4. Повышенный уровень плотности тепловых потоков (как следствие тенденции к миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры).

5. Существенно нестационарный характер внутреннего теплового режима КА, обусловленный как импульсным характером работы бортовой аппаратуры, так и циклическим изменением внешней тепловой нагрузки на гермоотсек КА.

Тепловая схема и математическая модель внутреннего теплообмена в гермоотсеках КА

Типовая тепловая схема организации внутреннего теплообмена в геормоотсеках КА представлена на рис. 1.3.

Требуемый тепловой режим, определяемый диапазоном изменения температуры газа в гермоотсеке (Tmin Tmax), создается циркулирующим в термоконтейнере газовым теплоносителем. Система вентиляции гермоотсека обеспечивает требуемые напорно-расходные характеристики. Часть наружной поверхности гермоотсека (не покрытая экранно-вакуумной теплоизоляцией) является радиационной и используется для отвода избыточных внутренних тепловыделений гермоотсека.

Внутренний тепловой режим гермоотсека может регулироваться путем изменения расхода либо циркулирующего в гермоотсеке теплоносителя, либо наружной поверхности радиационного теплообмена (с помощью жалюзийной системы).

Составляющие внутреннего теплового режима гермоотсеков КА:

* конвективный теплообмен между циркулирующим газовым теплоносителем и элементами конструкции ();

* тепловой поток, отводимый в газовую среду от тепловыделяющего оборудования ();

* тепловой поток, отводимый из гермоотсека к радиационной поверхности ().



Рис. 1.3. Схема организации теплообмена в гермоотсеке космического аппарата: 1 - радиационный теплообменник; 2 - внутренний кожух; 3 - экранно-вакуумная изоляция; 4 -тепловыделяющая аппаратура; 5 -- вентилятор

Уравнение нестационарного теплового баланса для газа гермоотсека (T) может быть записано в виде

,

где - удельная теплоемкость и масса газа в гермоотсеке. Составляющая теплового режима определяется по соотношениям подразд. 1.3.

Теплобмен газа с элементами конструкции находится по зависимостям для конвективного теплового потока:

где - температура j-го элемента конструкции.

Тепловой поток, отводимый из гермоотсека к радиационной поверхности () с помощью циркулирующего теплоносителя, выражается следующим образом:

где G - расход циркулирующего в гермоотсеке теплоносителя.

На основании исходного уравнения может быть записано следующее соотношение для температуры газа в гермоотсеке (7) на стационарном (установившемся) режиме:

Температура газа в гермоотсеке (7) в течение всего времени функционирования КА не должна превышать допустимого значения (.

Как следует из соотношения (1.3), на температуру газа в гермоотсеке влияют следующие факторы:

* циклограмма энергопотребления аппаратуры (;

* температура элементов конструкции гермоотсека ;

* коэффициенты конвективного теплообмена () и величины поверхностей теплообмена () в гермоотсеке;

* расход циркулирующего теплоносителя (G);

* минимальная температура теплоносителя в гермоотсеке (), которая должна обеспечиваться радиационным теплообменником гермоотсека.?

Определение коэффициентов конвективного теплообмена в гермоотсеках КА

Конвективный теплообмен в канале радиационного теплообменника гермоотсека. Для расчета теплобмена циркулирующего газового теплоносителя в щелевом канале (в зазоре Дh между обечайкой термоконтейнера и внутренним кожухом) могут быть использованы следующие критериальные зависимости для Nu (критерия Нуссельта) [5].

Для ламинарного режима (Re < 2200):

а) при длине канала lк lн

(lн = 0,01 Дh Re - длина начального термического участка канала)

; ;

где - скорость движения теплоносителя в канале; - кинематическая вязкость теплоносителя;

б) при длине канала lк > lн

;

Для турбулентного режима (Re > 2200):

а) при длине канала lк lн (lн=40

; ;

б) при длине канала lк > lн

; ;

Коэффициент теплоотдачи в канале радиационного теплообменника определяется по найденной величине критерия Nu:

где - коэффициент теплопроводности газового теплоносителя; - некоторый характерный геометрический параметр.

Для плоских каналов при ламинарном режиме = , при турбулентном =2 .?

Конвективный теплообмен в нагретой зоне гермоконтейнера. Нагретой зоной термоконтейнера принято считать размещенные в нем блоки тепловыделяющей аппаратуры, при повышенной плотности тепловыделения ( > 500 Вт/м2).

Коэффициент конвективного теплообмена при принудительной вентиляции нагретой зоны может быть определен с помощью следующих критериальных зависимостей [5]:

для ламинарного режима (Re 2200)

где = - высота канала; L - длина канала теплоносителя; для турбулентного режима (Re > 2200)

где = 2;

1.5 Подсистема вентиляции герметичных отсеков КА

Подсистема вентиляции организует циркуляцию теплоносигеля и вынужденную конвекцию в гермоотсеке с целью обеспечения требуемого распределения параметров (температуры, влажности, концентрации примесей) по всему объему гермоотсека.

Проектная разработка подсистемы вентиляции предполагает решение двух основных задач: разработку модели газораспределения в гермоотсеке КА и выбор параметров вентиляторов.

Разработка модели газораспределения

Целью разработки модели газораспределения является определение потребных величин напора (H) и объемного расхода ( GV) в гермоотсеке.

Требуемая величина напора находится по соотношению

где - динамическая составляющая напора на оси вентилятора;? - статическая составляющая, определяемая на основе модели газораспределения в гермоотсеке:

Местные сопротивления для i-го участка гермоотсека находятся по зависимости

где - коэффициент местных потерь i-го участка.

Потери на трение для j-го участка гермоотсека определяются в зависимости от режима течения теплоносителя составляют: при Re 2200

при Re 2200

Потери давления для нормированных блоков радиоэлектронной аппаратуры:

Величина расхода теплоносителя в гермоотсеке находится из условия обеспечения требуемого диапазона изменения температуры газа в гермоотсеке () при заданной максимальной внутренней тепловой нагрузке:

При этом должны выполняться следующие дополнительные условия:

* условие неразрывности для различных сечений - ;

* обеспечение теплового режима каждого из тепловыделяющих источников.

Выбор типа и параметров вентилятора

В циркуляционных газовых СТР КА нашли применение вентиляторы осевого типа, обеспечивающие достаточно большие значения объемного расхода при сравнительно невысоких напорах. Принципиальная схема такого вентилятора представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Характеристики вентилятора: а - схема двухступенчатого осевого вентилятора; б - основные геометрические соотношения

Определение параметров вентилятора производится по его напорно-расходной характеристике H = f(GV). При этом напор вентилятора Н представляется в виде полинома Н = C0 + С1 * GV + С2 * , коэффициенты которого Сi зависят от ряда конструктивных характеристик вентилятора: диаметра рабочего колеса D; количества лопаток рабочего колеса (Z = 2. . .6); угла установки лопаток (в = 20°... 40°).

Расчетные параметры вентилятора (НB и GVB) находят графоаналитическим методом с использованием напорно-расходной характеристики и характеристики системы газораспределения, построенной на основании соотношений п. 1.5.1.

Конкретный вид вентилятора и его конструктивные характеристики (D, Z, в) определяются по каталогу или по его безразмерным характеристикам:

* безразмерному расходу

* безразмерному напору

где u -- окружная скорость на внешнем диаметре рабочего колеса вентилятора; .?

Безразмерная напорно-расходная характеристика
используется для выбора конкретного вида вентилятора [16].

Потребная мощность вентилятора определяется соотношением

где =0,5...0,6 - КПД вентилятора.

1.6 Подсистема обеспечения влажности в герметичных отсеках КА

Влажносгный режим существенно влияет на процессы тепломассообмена и на работоспособность аппаратуры в гермотсеках, но особенно важен для пилотируемых космических объектов.

Влажностный режим гермоотсека могут характеризовать следующие показатели.

1. Абсолютная влажность (е). Определяется массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха, и численно равна плотности пара при данной температуре воздуха и парциальном давлении водных паров в воздухе ().

2. Относительная влажность (ц) - отношение абсолютной влажности ненасыщенного воздуха к абсолютной влажности воздуха в состоянии насыщения ( ):

Относительная влажность - параметр, подлежащий контролю и регулированию в гермоотсеках, поскольку он непосредственно влияет на самочувствие человека и работоспособность оборудования.

Допустимые пределы изменения : для гермоотсеков 30% < < 70% ; для пилотируемых объектов 40% < < 60%.

3. Влагосодержание (d) - количество водяных паров (в килограммах), приходящееся на 1 кг сухого воздуха:

где и - плотность водяного пара и плотность сухого воздуха.

4. Температура точки росы () - это такая температура, до которой надо охладить ненасыщенный воздух данного влагосодержания, чтобы он стал насыщенным. Значение определяется по таблицам насыщенного пара как температура насыщения при заданном парциальном давлении пара. При понижении температуры влажного ненасыщенного воздуха ниже температуры точки росы начинается конденсация пара.

Существующие способы обеспечения влажности в гермоотсеках можно разделить на пассивные и активные.

К пассивным относится применение химических поглотителей (типа хлористого кальция или едкого натрия) или адсорбентов. Адсорбенты - капиллярно-пористые вещества с существенно развитой внутренней поверхностью, способные захватывать и удерживать молекулы водяного пара. Адсорбенты характеризуются адсорбционной емкостью поглотителя (б), определяемой как отношение массы поглощенного газа на единицу массы поглотителя (в процентах).

Наиболее распространенные адсорбенты - силикагель (адсорбционная емкость а=0,4% при 7=273 К); активированный уголь (а = 4% при Т=273 К); цеолиты (а =(12 16)% при T=273 К).

Активные способы обеспечения влажности основаны на использовании теплоносителя с температурой ниже точки росы (), что приводит к конденсации паров воздуха повышенного влагосодержания и снижению его относительной влажности.

Примером реализации активного способа является применение на современных пилотируемых объектах холодильно-сушильного агрегата (ХСА) - рис. 1.5.

Рис. 1.5. Принципиальная схема холодилыю-сушильного агрегата (а); изменение температуры воздуха в канапе (б): 1 - вентилятор дублированный; 2-система охлаждаемых поверхностей; 3 - рабочее тело; 4- фитили; 5 -- сборник промежуточный; 6 - гидронасос; 7 - сборник конденсата основной

Вентилятор 1, входящий в состав ХСА, обеспечивает подачу воздуха повышенного влагосодежания к теплообменной поверхности 2 с гидрофильным элементом 4. Теплообменная поверхность охлаждается циркулирующим теплоносителем 3, имеющим температуру ниже температуры точки росы влажного воздуха. Образующийся конденсат впитывается гидрофильным элементом и под действием капиллярных сил поступает в сборник конденсата, а затем, после сепарации - в емкость конденсата.

Режим работы ХСА характеризуется следующими параметрами: начальные - Тн =25°С, dн =17,5г/кг; конечные - Тк =20° С, dк =14,2 г/кг; температура теплоносителя Т0 = 10°С.

Регулирование параметра влажности и обеспечение ее в заданных пределах осуществляется путем изменения расхода влажного воздуха через ХСА.

1.7 Пассивные средства обеспечения теплового режима

Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ)

Экранно-вакуумная теплоизоляция - одно из наиболее распространенных и эффективных средств пассивного терморегулирования в системах обеспечения теплового режима КА. Применение ЭВТИ позволяет существенно снизить интенсивность теплообмена элементов конструкции КА с окружающей средой. Основным параметром, определяющим эффективность ЭВТИ, является ее удельное термическое сопротивление ().

Рис. 1.6. Тепловая расчетная схема экранно-вакуумной теплоизоляции

ЭВТИ конструктивно выполняется в виде совокупности тончайших слоев (экранов), разделенных вакуумной средой, и в соответствии с этим может представляться в виде расчетной тепловой схемы, приведенной на рис. 1.6. Здесь Т0 - температура поверхности элемента конструкции, защищаемой ЭВТИ; n - число экранов (слоев) ЭВТИ; Тn - температура наружного экрана ЭВТИ; qэ - плотность теплового потока через ЭВТИ.

Плотность теплового потока через ЭВТИ (qэ) может быть определена для стационарного теплового состояния по уравнениям лучистого теплообмена:

, (1.4)

где - приведенная степень черноты;

Если принять , то . На основании исходного соотношения (1.4) можно записать

откуда

.

Отношение плотности теплового потока через ЭВТИ () к его плотности в отсутствие ЭВТИ (), определяющее степень совершенства ЭВТИ, представляется в виде

откуда .

Чем меньше отношение , тем выше эффективность ЭВТИ. Как следует из полученного соотношения, она повышается с увеличением числа экранов (n) и уменьшением степени черноты экранов (). На практике обычно применяют n = 1525; = 0,05.

Эффективность пакета ЭВТИ обычно оценивается величиной удельного термического сопротивления , которое определяется следующим образом:

.

Соотношение (1.5) получено в предположении о наличии достаточно глубокого вакуума в межэкранном пространстве (р < 0,1 Па), соответствующего свободномолекулярному режиму теплообмена, исключающему молекулярную и кондуктивную составляющую межэкранного теплообмена.

Для ускорения процесса вакуумирования межэкранного пространства экраны ЭВТИ перфорируются. При этом расчетное время вакуумирования пакета ЭВТИ в условиях космического пространства составляет от 1 до 5 часов.

Применяемые в настоящее время пакеты ЭВТИ имеют = (30250) К м2/Вт и могут использоваться в широком диапазоне изменения температур элементов конструкции (Т= 41273 К).

Особенности применения пакетов ЭВТИ и технические требования к ним определяются отраслевыми стандартами: ОСТ 92-1380-83 «ЭВТИ. Марки и технические требования», ОСТ 92-1381-83 «ЭВТИ. Типовые технологические процессы».

В соответствии с ОСТ 92-1380-83 для различных температурных условий разработан ряд марок ЭВТИ, различающихся составом пакета и эксплуатационными параметрами.

В состав наиболее употребляемого пакета ЭВТИ входят экраны, выполненные из полиэтилентерефталатной (ПЭТ) или полиамидной (ПМ) пленки с металлизацией алюминием или серебром, прокладочный материал из стекловолокнистого холста или кварцевого волокна.

Технические и эксплуатационные характеристики пакетов ЭВТИ приведены в приложениях 3 и 4. Необходимое термическое сопротивление подбирается соответствующим числом экранов и плотностью их укладки. Температурные условия эксплуатации пакетов ЭВТИ представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Температурные условия эксплуатации пакетов ЭВТИ

Марка ЭВТИ	Температура, К (°С)
	минимальная	максимальная
ЭВТИ-А, ЭВТИ-Б, ЭВТИ-В	4 (-269)	423 (150)
ЭВТИ-И		573 (300) 773 (500) - до 3 минут
ЭВТИ-Г, ЭВТИ-П, ЭВТИ-Д		773 (500)

Для получения необходимых тепловых оптических характеристик ЭВТИ (AS и е) и обеспечения достаточной эксплуатационной стойкости в космическом пространстве наружную поверхность ЭВТИ обшивают облицовочным слоем, в качестве которого применяются следующие материалы:

* ткань стеклянная оптического назначения марки ТСОН с отношением оптических коэффициентов AS / е = 1,54 (или 0,91);

* ткань техническая армидная с AS / е =1,46;

* угольная ткань УТМ-8 с AS / е = 1,03.

ОСТ 92 1381-83 определяет типовые технологические процессы изготовления ЭВТИ, основными этапами которого являются перфорация, формование (рифление), сварка, раскрой, изготовление матов, пакетов, панелей или цельной конструкции.

Изготовленная ЭВТИ подлежит тепловым испытаниям с целью подтверждения ее расчетных тепловых характеристик [3].

Терморегулирующие покрытия

Терморегулирующие покрытия (ТРП) - средства пассивного терморегулирования - наносятся на внешние поверхности элементов конструкции КА и используются для решения следующих задач в СОТР:

* обеспечение заданного диапазона температур элементов конструкции;

* уменьшение нерегулируемых внешних тепловых потоков;

* обеспечение работоспособности радиационного теплообменника в условиях космического пространства.

Терморегулирующие свойства покрытий основаны на селективности их оптических характеристик в различных диапазонах электромагнитного спектра теплового излучения (коротковолновом и инфракрасном).

К оптическим (или радиационным) характеристикам относятся AS - коэффициент поглощения падающего солнечного излучения (л=0,3...4,0 мкм); е - степень черноты (или коэффициент поглощения в инфракрасной области спектра (л = 4,0... 100 мкм). Заметим, что в соответствии с законом Кирхгофа остается справедливым соотношение

В зависимости от отношения AS / е терморегулирующие по¬крытия делятся на четыре класса:

1) солнечные отражатели «СО» (AS 0; е 1);

2) солнечные поглотители «СП» (AS 1; е 0);

3) истинные отражатели «ИО» (AS 0; е 0);

4) истинные поглотители « ИП» (AS 1; е 1).

Влияние отношения AS / е на температурное состояние внешних элементов конструкции КА может быть оценено по соотношению (1.2).

Существующие материалы и ТРП характеризуются достаточно широким диапазоном изменения AS / е = (0.2... 8) - табл. 1.2.

Таблица 1.2 Значения оптических характеристик некоторых материалов и покрытий

Материал, покрытие	AS	е	AS / е
Алюминий полированный Сталь полированная Алюминиево-магниевый сплав Кремниевые элементы Черные краски Эмаль белая	0,2…0,3 0,45 0,4 0,9 0,9 0,3	0,03…0,05 0,1 0,17 0,85 0,9 0,9	6,25 4,5 2,2 1,1 1,0 0,33

Таким образом, выбор материала и вида ТРП существенным образом влияет на температурное состояние внешних элементов конструкции.

В зависимости от состава и технологии нанесения различают следующие виды ТРП:

* лакокрасочные (ЛКП);

* силикатные;

* гальванохимические;

* покрытия типа «металл-диэлектрик»;

* покрытия вакуумного напыления.

В условиях длительной эксплуатации ТРП в космосе происходит процесс деградации оптических характеристик, заключающийся в увеличении коэффициента поглощения AS (для покрытий типа «ИО» и «СО») при сохранении практически неизменным коэффициента е. Величина деградации Д AS может быть весьма значительной и зависит от длительности воздействия основных факторов космического пространства:

где - плотность потоков протонов и электронов на орбите; - интенсивность ультрафиолетового солнечного излучения в диапазоне Дл=(0.2...0.4) мкм; Т - температура поверхности; - время эксплуатации.

Процесс деградации ТРП носит экспоненциальный характер и определяется, в основном, по результатам эксплуатации в космическом пространстве для различных условий и различных моментов времени (1 год, 3 года, 5 лет). Особенно опасен процесс деградации для ТРП, наносимых на поверхность радиационного теплообменника, поскольку в этом случае деградация может привести к нарушению теплового баланса КА и потере работоспособности РТО.

Выбор ТРП для РТО производится из условия обеспечения минимальной деградации (ДAS) для эксплуатации на конкретной орбите [16]. Для орбит вне радиационных поясов Земли при высоте полета Н< 1000 км в качестве ТРП для РТО могут быть рекомендованы лакокрасочные и силикатные покрытия (приложение 5). При функционировании КА на радиационноопасных орбитах (геостационарных, высокоэллиптических, приполярных) необходимо применять для РТО тонкопленочные ТРП (фторопластовые или зеркальные), обладающие минимальной (по сравнению с другими) степенью деградации ТРП.

Некоторые данные по деградации применяемых ТРП для различных условий эксплуатации представлены в приложении 5.

1.8 Активные системы терморегулирования

Активные СТР - комплекс технических средств, теплообменного оборудования, распределительных элементов и элементов автоматики, обеспечивающих заданные требования по тепловому режиму путем организации принудительного теплообмена элементов конструкции с окружающей средой.

Средства принудительного теплообмена выполняются на базе вентиляционных или гидравлических систем. В соответствии с этим активные СТР классифицируются как газовые, жидкостные и газожидкостные.

Активные СТР являются, как правило, системами положительного теплового баланса, предназначенными для отвода избыточных внутренних тепловыделений в окружающую среду.

В зависимости от физического принципа, используемого для отвода тепла в окружающую среду, СТР разделяются на испарительные и радиационные. Испарительные СТР, в которых отвод тепла осуществляется за счет испарения рабочего тела и выброса его в окружающую среду, применяются при сравнительно невысоких тепловых нагрузках на СТР и ограниченном ресурсе функционирования. В радиационных СТР отвод избыточных тепловыделений осуществляется путем излучения с радиационной поверхности в окружающую среду.

Радиационные СТР - основной тип СТР, применяемых на КА, - отличаются большим разнообразием и могут классифицироваться по нескольким признакам:

* по способу теплопереноса (газовые, газожидкостные, жидкостные, с тепловыми трубами, с тепловыми насосами и др.);

* по конструктивному выполнению радиационного теплообменника;

* по способу регулирования (внешнего либо внутреннего теплообмена);

* по используемым законам регулирования (линейные- нелинейные, пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-интегрально-дифференциальные законы).

Активные СТР, предназначенные для поддержания температуры (или температурного состояния) в определенном диапазоне, классифицируются как системы стабилизации. Возможны два принципиальных подхода к построению систем стабилизации: регулирование по возмущению (принцип компенсации) и регулирование по отклонению (принцип обратной связи).

Регулирование по возмущению предполагает возможность измерения возмущающих воздействий и их компенсацию и может быть использовано в тех случаях, когда вид и характер возмущающих воздействий заранее определен. Наличие других, нескомпенсированных возмущений (в том числе случайного характера) приводит к неустранимым отклонениям стабилизируемой температуры.

...