Система обеспечения теплового режима космического аппарата. Расчет характеристик систем обеспечения теплового режима космических аппаратов, страница 4

где r -  плотность атмосферы на высоте полета КА.

Подставив (3.12) в (3.11), получим выражение для определения плотности молекулярного теплового потока

  .                                (3.13)

Скорость полета КА по круговой орбите определяется по формуле

,                                          (3.14)

где  k – гравитационный параметр Земли (k = 3,986×10¹⁴ м³/с²);

r – радиус орбиты.

Величина плотности молекулярного теплового потока на высоте 400 км над поверхностью Земли равна = 3,36 Вт/м².

Выражение для плотности теплового потока, обусловленного рекомбинацией молекул кислорода, можно представить следующим образом

                                (3.15)

где n_k – число атомов кислорода, попадающих в единицу времени на площадку единичной площади, перпендикулярную набегающему потоку;

x_рек  - коэффициент эффективности рекомбинации, представляющий собой отношение числа столкновений атомов кислорода с поверхностью КА, приведших к рекомбинации, к общему числу столкновений (x_рек=0,7...0,9);

Е_рек – энергия рекомбинации, приходящаяся на один атом кислорода (Е_рек = 4,072×10^-19 Дж).

Для определения величины n_k воспользуемся следующим равенством

n_k = n₀ V, где n₀  - концентрация атомов кислорода на высоте полета КА [4].

Тогда выражение для определения плотности теплового потока, обусловленного рекомбинацией молекул кислорода, примет вид

                                   (3.16)

На высоте 400 км над поверхностью Земли величина плотности теплового потока, обусловленного рекомбинацией молекул, равна  =1,18 Вт/м².

На рис.3.3 и 3.4 представлены зависимости плотностей молекулярного теплового потока и теплового потока, обусловленного рекомбинацией молекул кислорода, от высоты орбиты КА. Анализ данных зависимостей  показывает, что атмосферный тепловой поток играет заметную роль на высотах, меньших 250 км.

 

Рис. 3.3. Зависимость плотности молекулярного теплового потока от высоты орбиты КА

Рис. 3.4. Зависимость плотности теплового потока, обусловленного рекомбинацией молекул кислорода, от высоты орбиты КА

5. Собственный тепловой поток КА. Космический аппарат, как и любое тело, имеющее ненулевую абсолютную температуру, излучает в окружающее пространство тепловой поток. Плотность собственного теплового потока КА, согласно закону Стефана-Больцмана, выражается следующим образом

                                      (3.17)

где    e -   степень черноты поверхности КА;

s - постоянная Стефана-Больцмана (q=5,67×10^-8 Вт/(м²×К⁴);

Т_пов - температура поверхности КА.

При реальных температурах поверхности КА излучение осуществляется в инфракрасной области спектра.

3.1.4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Теплообмен КА с окружающей средой осуществляется в основном посредством лучистых тепловых потоков. Поэтому рассмотрим более подробно основные законы теплообмена излучением применительно к условиям космического полета.

Особенность теории теплообмена излучением заключается в том, что законы теплообмена излучением сформулированы для идеализированных тел, называемых абсолютно черными телами (АЧТ). Для АЧТ законы лучистого теплообмена являются наиболее простыми и универсальными. Использование законов теплообмена для реальных тел осуществляется путем введения поправочных коэффициентов, учитывающих отличие теплофизических свойств реальных тел от АЧТ. Поэтому вначале рассмотрим основные законы теплообмена излучением для АЧТ.

3.1.4.1. ЗАКОНЫ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ ДЛЯ АБСОЛЮТНО ЧЕРНЫХ ТЕЛ

Абсолютно черным телом называется тело, которое полностью поглощает падающий на него лучистый поток. Такое тело воспринималось бы  зрением, как черное. Отсюда происходит его название.

Для уяснения основных законов теплообмена излучением АЧТ рассмотрим понятия спектральной и интегральной плотности потока излучения.

Спектральной плотностью потока излучения (q_l) называется тепловой поток, излучаемый поверхностью единичной площади в элементарном интервале длин волн [l, l+dl].