Вычисление внешней температуры КА

1.  Вычисление внешней температуры КА

Как известно, носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания, в интервале 0,2...80 мк, на которых в основном и происходит теплообмен. Тепловая энергия может отражаться, поглощаться и проходить сквозь тело. Различают соответственно отражательную, поглощательную и пропускательную способность. Пропускательная способность для КА принимается равной нулю. Тела, поглощательная способность которых (отношение поглощенного тепла к общему количеству тепла) равна единице, носят название абсолютно черных. Абсолютно черные тела при данной температуре излучают максимальное количество энергии. Максимум излучения при этом приходится ia длину волны, которая определяется законом Вина:

Рис. 2.1  Распределение энергии излучения по длинам волн (Т₁  >Т₂ >Т₃)

С увеличением температуры максимум излучения сдвигается в сторону более коротких волн, так, например, для тела, имеющего температуру 300 К (+27 °С), максимум излучения приходится на длину волны около 9,6 мк, а 95 % энергии излучается в диапазоне длин волн 3...25 мк. Тело, имеющее температуру 1000 К излучает максимум энергии на волне 0,49 мк, а 95 % приходится на диапазон 0,2...2,5 мк. Это можно охарактеризовать спектральной плотностью (интенсивностью) излучения. Спектральная интенсивность и злучения определяется как

                                                         (2.1)

Согласно закону Планка для абсолютно черного тела

                                                     (2.2)

где С₁ и С₂- постоянные.

Полное количество энергии, излучаемое абсолютно черным телом при данной температуре, определяется законом Стефана-Больцмана:

                           (2.3)

гдe σ - постоянная в законе Стефана-Больцмана:

С₀ - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Для реальных тел, к которым относятся КА, интенсивность излучения определяется экспериментально. Вводится понятие относительной интенсивности излучения, ε_λ, как отношение интенсивности излучения рассматриваемого тела к интенсивности излучения абсолютно черного тела, вычисляемого теоретически. Относительная интенсивность излучения ε_λ, как и интенсивность излучения, зависит от длины волны и от температуры тела. Однако, для большинства материалов, применяемых в конструкции КА, в реализуемом диапазоне температур ε_λ - практически не зависит от температуры. Если ε_λ = const, то тело называется серым.

Многие тела нельзя отнести ни к черным, ни тем более к абсолютно черным (рис. 2.2).

Излучательная способность тела может быть определена как

Коэффициент е называется степенью черноты или относительной излучательной способностью тела, при этом ε = ε_λ .Для реальных тел ε ≠ε_λ и их излучательная способность подсчитывается по формуле (5.3.1), а степень черноты тела подсчитывается как

_{,                                                                         (2.4)}

но в этом случае ε зависит от температуры.

По закону Кирхгофа относительная интенсивность излучения ε_λ является функцией длины волны и равна поглощательной способности тела A_λ на той же длине волны, т.е. ε_λ = A_λ. Если тело не является серым, ε ≠ A_λ, е является функцией температуры и функцией спектра той лучистой энергии, которая падает на тело (рис. 2.3).

Это свойство используется для пассивного регулирования температуры КА, находящихся в космическом пространстве.

Характерен такой пример. На двигателях поворота солнечных батарей МКС перепад температур от -93 °С до +199 °С. Для существенного уменьшения величины диапазона космонавты (10.12.2001) в открытом космосе закрыли двигатели экрано-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ).

Поскольку КА на околоземной орбите имеет среднюю температуру, близкую к Т=300 К, то основная доля излучения приходится на область длин волн от 3 до 25 мк. Солнце имеет температуру, близкую к Т = 6000 К, и основная доля излучения приходится на диапазон 0,2...2,5 мк. Другими словами, излучение и поглощение приходится на различные области спектра.

1-анодированный алюминий; 2- алюминий в состоянии поставки

Таким образом, можно подобрать поверхности КА с определенным законом изменения ε_λ =ƒ(λ), т.е. можно получать различ- различные соотношения между коэффициентом погло- поглощения солнечной радиации A_s и относительной излучательной способностью тела ε при нормальных температурах.

Если на поверхность КА падает только солнечное излучение, а внутреннее тепловыделение отсутствует, то уравнение теплового баланса в этом случае имеет вид

                                             (2.5)

откуда можно определить температуру поверхности КА

                                                  (2.6)

Видно, что при заданных солнечных тепловых потоках при отсутствии внутреннего тепловыделения, при заданной ориентации КА относительно Солнца температура поверхности КА полностью определяется только соотношением коэффициентов 

Имеется большой выбор покрытий, позволяющий обеспечить изменение этого соотношения в пределах 0,15...7,0