Тепловой баланс летательного аппарата

Материалы лекции № 2.10.

Тепловой баланс летательного аппарата.

*****

Тепловой баланс космического аппарата. Спуск аппарата с орбиты. Аэродинамический нагрев аппарата при его движении в плотных слоях атмосферы. Методы тепловой защиты (Поглощение и накопление тепла конденсированными веществами. Конвективное охлаждение. Массообменный принцип охлаждения. Радиационное охлаждение. Охлаждение тел за счет физико-химических превращений на их поверхности). Теплозащитные материалы КА.

*****

2.10.1. Тепловой баланс космического аппарата.

В тепловом отношении КА является небесным телом, находящимся в теплообмене с окружающим пространством. Уравнение теплового баланса КА имеет вид

Рисунок 2.10.1. Отражение солнечной радиации от планеты.

где m_i; С_i; T_i — масса, удельная теплоемкость и температура i-го элемента конструкции космического аппарата;

Q_НАР — тепловой поток, подводимый к поверхности КА извне; Q_ВН — тепловой поток, обусловленный тепловыделением внутри КА; Q_ИЗЛ — тепловой поток собственного излучения КА в окружающее пространство.

Внешними источниками тепла служат: прямая солнечная радиация Q_СОЛН; солнечная радиация, отраженная от поверхности планеты, Q_ОТР; тепловое излучение планеты Q_ПЛ, тепловыделение, обусловленное соударением КА с молекулами – Q_МОЛ и возможной рекомбинацией на поверхности КА атомов газа атмосферы Q_РЕК.

Таким образом, в общем случае

где А_S; ε_ω — коэффициент поглощения солнечной радиации и степень черноты, т. е. оптические коэффициенты наружной поверхности КА.

Тепловые потоки Q_СОЛН, Q_ОТР, Q_ПЛ, Q_МОЛ и Q_РЕК вычисляются по формулам аналогичного вида:

где q_j – удельный (на единицу площади миделя) тепловой поток; S_mj – площадь миделя КА по направлению удельного теплового потока q_j.

За пределами атмосферы удельный тепловой поток прямой солнечной радиации

где T◉ = 5775К – температура поверхности Солнца; σ= 5,67_*10^-8 Вт/м²·К⁴) — постоянная Стефана-Больцмана; R◉ = 6,96•10⁸ м — радиус Солнца; r* - расстояние от Солнца до КА, м. Как мы уже говорили, величину Q_СОЛН на орбите Земли, т. е. на расстоянии 1 а. е. д., называют солнечной постоянной S◉.

Удельный тепловой поток отраженной солнечной радиации (См. рисунок 2.10.1):

при диффузном отражении от планеты (ψ < 70°)

при зеркальном отражении (ψ > 70°)

где а_ПЛ - альбедо планеты; b₀ = R/(R+h); R—средний радиус планеты; h - высота орбиты КА. Величина угла β определяется из равенства

Удельный тепловой поток q_ОТР можно определить также по графикам, рисунок 2.10.2.

Удельный тепловой поток излучения планеты

Для КА величина q_ПЛ зависит от высоты орбиты над планетой (рисунок 2.10.3.).

Удельный тепловой поток за счет столкновения обшивки КА с частицами атмосферы -

гдеα - коэффициент аккомодации (для металлов α =0,9...1,0); ρ – плотность атмосферы на высоте h; v — скорость движения КА по орбите.

Для КА величина q_МОЛ зависит от высоты орбиты h(рисунок 2.10.4.).

Удельный тепловой поток за счет рекомбинации частиц атмосферы на обшивке КА -

где n – число частиц, столкнувшихся с поверхностью за единицу времени, ζ — эффективность рекомбинации частиц газа (ζ <1); Е_РЕК – энергия рекомбинации на 1 атом газа.

Для КА величина q_РЕК зависит от высоты орбиты.

Внутренний тепловой поток Q_ВН зависит от характеристик оборудования и экипажа и программы работы:

где N_ОБРД - мощность электроэнергии, потребляемая оборудованием, η — тепловой кпд. аппаратуры (η =0,92…0,96); Q_ЭК - выделение тепла экипажем (в среднем на одного человека Q_ЭК = 100…200 Вт).

Тепловой поток излучаемый стенкой КА, согласно закону Стефана – Больцмана

где Т_W и S_W– температура и площадь элемента наружной поверхности КА.

Равновесная, т. е. установившаяся температура поверхности КА

Величину  оценивают для двух крайних режимов теплообмена: перегрев и переохлаждение, т. е. орбита КА - перпендикулярна или параллельна тепловому потоку Солнца).

Более подробно с вопросами, затронутыми выше, можно ознакомиться