Система обеспечения теплового режима космического аппарата. Расчет характеристик систем обеспечения теплового режима космических аппаратов

РАЗДЕЛ 3. СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

3.1. ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

3.1.1. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ КА. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕПЛОВОМУ РЕЖИМУ КА

Под системой обеспечения теплового режима  (СОТР) космического аппарата (КА) понимается совокупность бортовых устройств и элементов конструкции, предназначенная для обеспечения требуемого теплового режима космического аппарата.

Космический полет характеризуется весьма тяжелыми тепловыми условиями. Если, например, в земных условиях в различных климатических зонах температура атмосферы, а соответственно и тел в этой атмосфере, может находиться в пределах от –70 до +50⁰ С, и эти предельные температурные условия считаются крайне напряженными для работы различных технических устройств, то температура поверхности космического аппарата при околоземных полетах может изменяться в пределах от –150 до +150⁰ С. Аппаратура, устанавливаемая на борту космических аппаратов в большинстве своем  работоспособна в диапазоне температур от  0 до +40⁰ С. Для отдельных видов аппаратуры, например, оптических приборов и экипажа, требуется еще более узкий интервал температур. Поэтому СОТР относится к числу жизненно важных бортовых обеспечивающих систем космического аппарата.

Тепловой режим КА представляет собой процесс изменения во времени температурного поля космического аппарата. В математических символах тепловой режим можно представить следующим выражением

, где      Т      - температура;

х , у, z    - координаты;

t    - время;

V_КА     - объем  КА.

Принято различать два вида тепловых режимов: нестационарный и стационарный.

Нестационарный тепловой режим характеризуется изменением температурного поля  во времени Такой тепловой режим наблюдается в том случае, если хотя бы для одного элемента КА отсутствует баланс отводимых и подводимых тепловых потоков. Под стационарным тепловым режимом  понимается тепловой режим, при котором температурное поле КА не  изменяется во времени   Стационарный тепловой режим реализуется в том случае, когда для всех элементов КА имеет место баланс подводимых и отводимых тепловых потоков.

В процессе полета тепловой режим КА должен удовлетворять требованиям, вытекающим из условия нормального функционирования его систем. Требования к тепловому режиму задаются в виде допустимых диапазонов температур и допустимых диапазонов скоростей изменения температур элементов КА. Рассмотрим наиболее характерные требования к тепловому режиму КА.

1. Допустимая температура газа в приборных отсеках, содержащих электронные устройства и химические источники электрической энергии, составляет 0...40⁰С.

2. Для оптических приборов температура корпуса объектива обычно ограничивается диапазоном

Т_доп = Т_ном  ± 5⁰С,

где Т_ном – номинальная температура (величина Т_ном составляет порядка 20⁰С).

Кроме того, ограничивается скорость изменения температуры

3. Температуру внутри топливных баков (кроме баков с криогенными компонентами) требуется поддерживать в диапазоне  0...35⁰С.

4. Температура элементов КА, содержащих детали из резины, например, уплотнители, а также температура бортовой кабельной сети должна находиться в пределах –80⁰С...+70⁰С.

5. Для обитаемых КА температура газа в жилых отсеках должна составлять 20 ± 3⁰С. Причем температура внутренней поверхности стенок не должна отличаться от температуры газа более чем на 5 град. В аварийных режимах допускается повышение температуры газа до 35 ⁰С. Наряду с этим должна обеспечиваться возможность изменения температурного режима космонавтами с целью повышения производительности труда и сохранения адаптационных способностей организма.

3.1.2. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА КА

Под теплообменом понимается самопроизвольный необратимый процесс передачи теплоты, обусловленный градиентом температуры.

Различают три вида теплообмена: теплообмен теплопроводностью, теплообмен конвекцией и теплообмен излучением.

Теплообмен теплопроводностью осуществляется путем передачи кинетической энергии между микрочастицами вещества (молекулами, атомами, ионами, электронами и т.д.). Микрочастицы в той части объема, которая имеет более высокую температуру, обладают большей кинетической энергией. При взаимодействии микрочастиц происходит обмен кинетической энергией, в результате чего теплота передается от горячих частей к холодным. Данный вид теплообмена наблюдается в газах, жидкостях, твердых телах и плазме.

Теплообмен конвекцией происходит путем перемещения макрочастиц вещества, т.е. больших групп молекул и атомов. Данный вид теплообмена имеет место в жидкостях, газах и плазме. В зависимости от причин, вызвавших движение макрочастиц, различают свободную (гравитационную) конвекцию и вынужденную (принудительную) конвекцию.

Механизм свободной конвекции основан на свойстве веществ изменять свою плотность в зависимости от температуры. Вследствие этого слои вещества, соприкасающиеся с источником тепла, имеют меньшую плотность и вытесняются слоями вещества с большей плотностью, которые удалены от источника тепла. В результате в объеме вещества теплота распространяется от источника в направлении антиградиента гравитационного поля.