В. В. МАЛОЗЕМОВ

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

МОСКВА МАШИНОСТРОЕНИЕ 1980

ББК 39.62

М18

УДК 629.78 : 536.24

Рецензент чл.-корр. АН СССР, проф. А. П. Ваничев

Малоземов В. В.

М18 Тепловой режим космических аппаратов. — М.: Машиностроение, 1980.— 232 с, ил.

В пер.: 75 к.

В книге рассмотрены вопросы расчета, исследования и анализа методами математического моделирования с использованием ЦВМ и АВМ систем обеспечения теплового режима (СОТР) космических аппаратов. Показаны принципы выбора проектных параметров с применением методов оптимизации. Книга рассчитана на * инженерно-технических работников, специализирующихся в области обеспечения теплового режима авиационных и космических объектов. Она может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам соответствующих специальностей.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Обеспечение жизнедеятельности экипажа в длительном космическом полете — одна из важнейших проблем космонавтики. Ее решение — задача комплексная, требующая больших усилий и тесного сотрудничества биологов, медиков и инженеров различных специальностей.

В общей системе обеспечения жизнедеятельности (СОЖ), создающей и поддерживающей в замкнутых объемах герметических кабин необходимые для жизни и работы человека условия, одной из наиболее сложных является система обеспечения теплового режима (СОТР). В ее задачу входит формирование заданного теплового режима космического корабля с учетом его взаимосвязи с экипажем и окружающей средой в условиях комплексного воздействия экстремальных факторов. Для эффективного решения этой задачи требуется развитие новых подходов к разработке, проектированию, исследованию и испытанию СОТР.

Принято считать, что для нормального самочувствия и высокой работоспособности человека как в условиях полета, так и после возвращения на Землю достаточно, создать постоянные, наиболее комфортные тепловые условия внутренней среды гермокабины. В этом случае, человек рассматривается как некоторый заданный статический объект. Однако появившиеся в последнее время, данные опровергают эту концепцию. При длительном пребывании в сравнительно стабильных условиях окружающей среды возможно ослабление адаптационных реакций организма. В этих условиях даже допустимое по нормам изменение одного из параметров может привести, к потере устойчивости в организме, а следовательно, к ухудшению самочувствия и работоспособности. Нормальное самочувствие и высокая работоспособность зависят не столько от параметров окружающей среды в данный момент (человек может нормально чувствовать себя и в условиях суровых морозов, и в условиях тропической жары), сколько от динамики изменения этих параметров, от состояния адаптационных механизмов организма, определяющегося условиями, в которых человек находился ранее. Поэтому разработка системы обеспечения теплового режима, особенно для длительного полета, должна проводиться с учетом ее взаимосвязи с человеком, окружающей средой и конструкцией космического корабля. Только такой подход, при котором человек рассматривается как главный составной элемент сложной системы, может обеспечить создание действительно эффективной СОТР, гарантирующей нормальное физическое состояние и высокую работоспособность членов экипажа.

Существует еще один важный аспект проектирования СОТР. При подготовке к полету экипаж проходит специальную тренировку с учетом будущих условий его пребывания в космосе. Находясь в полете, экипаж, как правило, с первых же дней начиняет подготовку к возвращению на Землю с учетом выполнения программы полета. В условиях пребывания человека в космосе некоторые функции тренажера может взять «а себя СОТР, снабженная соответствующей программой тренировок и устройствами, определяющими и прогнозирующими состояние членов экипажа и всех систем корабля.

Система обеспечения теплового режима представляет собой комплекс, состоящий из взаимосвязанных в функциональном отношении подсистем. Комплексное проектирование и расчет многозвенной СОТР с учетом взаимосвязи экипажа со средой и отдельными подсистемами представляет собой сложную задачу. Существенная нестационарность в основных процессах, протекающих на всех режимах полета, (вносит дополнительные трудности как при анализе, так и при выборе подсистем регулирования. В комплексном решении подобного рода задач пока еще отсутствует достаточный опыт. Их решение возможно на базе новой дисциплины, получившей широкое распространение и связанной с анализом и синтезом больших систем, которая называется системотехникой

[8, 41]. Научной, главным образом математической, базой системотехники является теория сложных систем. Разделение реальных систем на сложные и простые является в значительной мере условным, оно связано в основном с тем, насколько существенна роль комплексных «общесистемных» вопросов при изучении систем. А это, в свою очередь, зависит как от свойств самой системы, так и от тех задач, для решения которых предпринимается исследование. Относительно свойств системы, наличие которых позволяет отнести ее к разряду сложных, можно сказать следующее [41]: «Будем считать систему сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. Естественно ожидать, что сложная система способна выполнять сложную функцию».

Рассматривая систему обеспечения теплового режима космического аппарата, можно с уверенностью сказать, что она обладает всеми основными признаками, характеризующими большие системы. Значительное число сложным образом взаимодействующих элементов, связь с окружающей средой я с человеком позволяют с полным основанием отнести СОТР к разряду больших систем, проектирование, анализ и синтез которых должен проводиться на базе системотехники и общей теории систем. Однако реализация данного подхода требует исчерпывающих знаний как о процессах, протекающих в характерных элементах, так и о взаимосвязи отдельных агрегатов и подсистем. Только изучив все особенности процессов и взаимосвязи элементов для отдельных подсистем и комплексов и построив их математические модели, можно переходить к системным методам автоматизированного проектирования и исследования с использованием современной вычислительной техники.

Для решения комплексных задач проектирования, анализа, синтеза и прогнозирования наиболее целесообразно использовать функциональную декомпозицию СОТР с привлечением метода математического моделирования для исследования отдельных подсистем и элементов, включая человека. Структурная и функциональная декомпозиция системы и метод математического моделирования позволяют, не теряя общности постановки задачи, уменьшить ее размерность, разработать методологию решения и получить конкретные результаты по одной из функциональных подсистем. Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой попытку систематизированного изложения материала по расчету, математическому моделированию и исследованию систем обеспечения теплового режима космических аппаратов. В первой главе рассмотрены общие вопросы обеспечения теплового режима и новый вариант классификации систем. Вторая глава посвящена анализу внешних и внутренних тепловых нагрузок. В последующих главах приведены различные варианты подсистем теплозащиты и терморегулирования. Различные подсистемы исследуются на основе методов математического моделирования. Представлены математические модели отдельных элементов и подсистем, проведен их анализ. Показаны методы исследования математических моделей элементов и подсистем СОТР с использованием ЦВМ и АВМ. В последней главе рассмотрены вопросы выбора проектных параметров СОТР.

Многие из поставленных в книге вопросов еще далеки от своего окончательного решения. Однако их постановка и обсуждение показывают важность и необходимость проведения дальнейших исследований в этих направлениях.

Автор считает своим долгом выразить признательность рецензенту чл.-корр. АН СССР, проф. А. П. Ваничеву за ряд ценных замечаний и советов, сделанных им при рецензировании рукописи, а также д-ру техн. наук Е. Н. Бондареву, канд. техн. наук С. М. Беднову, Р. М. Копяткевичу и другим товарищам, просмотревшим рукопись книги и высказавшим свои пожелания и предложения, которые по возможности были учтены при окончательном редактировании книги.

Автор выражает благодарность В. С. Пичулину, А. Я. Донову, Э. А. Курмазенко, В. А. Томскому, И. И. Богачеву, С. Н. Логинову, С. Н. Кутепову, А. Г. Бруку и Т. И. Бараненковой за помощь в подготовке некоторых материалов.

Не претендуя на исчерпывающее освещение рассматриваемой темы, автор будет весьма признателен читателям за критические замечания и предложения, которые следует направлять по адресу: 107885, Москва, ГСП-6, 1-й Басманный пер., 3, изд-во «Машиностроение».

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а — коэффициент температуропроводности

A_ — коэффициент поглощения солнечной радиации

А_ср — альбедо среднее

с, с_р — удельная теплоемкость

d — внутренний диаметр

D — внешний диаметр

Е — плотность потока излучения

F — площадь поверхности

G — массовый расход

h — толщина воздушного канала

k — коэффициент теплопередачи

l — линейный размер

L — линейный размер, функция Лагранжа

m— масса

N — мощность

Р — давление

q — удельный тепловой поток

Q — тепловой поток, количество выделяемого тепла

r — радиус, скрытая теплота парообразования

R — термическое сопротивление

s—комплексное число в преобразовании Лапласа

S_ —солнечная постоянная

Т — температура

U — скорость

V — объем

х, у — координаты

α — коэффициент теплоотдачи

δ — толщина слоя

ε — коэффициент излучения, степень черноты

ζ— тепловой коэффициент

— коэффициент полезного действия

— безразмерная температура

θ — температура в пространстве изображений

λ — коэффициент теплопроводности

ξ — безразмерная координата

ρ — плотность

τ— время

ω— массовая скорость

Глава 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГЕРМОКАБИН И ОТСЕКОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

На протяжении всего периода своего развития человек неизбежно сталкивался с проблемой обеспечения жизнедеятельности в определенных температурных условиях. Организм человека уже на ранних этапах, ощущая на себе неблагоприятное воздействие изменений внешних тепловых факторов, стремился поддерживать нормальное тепловое состояние. В процессе эволюции в организме человека сформировалась удивительно совершенная и надежная система терморегуляции, которая обеспечивает функционирование всех жизненно важных органов с максимальной надежностью и минимальными затратами энергии,— одна из самых совершенных систем обеспечения теплового режима, принципы работы и иерархическая структура которой еще полностью не раскрыты. Для нормального самочувствия средняя температура внутренних органов человека должна находиться в достаточно узком диапазоне 36,4—37,4°С. Любые отклонения от этого уровня могут привести к потере работоспособности, а в ряде случаев — и к более серьезным последствиям.

Можно предположить, что в процессе развития организма человека определился тот необходимый уровень температур внутренних органов и процессов обмена энергией организма с окружающей средой, который обеспечивал его оптимальное функционирование.

В современную эпоху человеку в силу необходимости все чаще приходится работать в условиях, резко отличающихся от привычных. Для активной деятельности в холодных арктических и жарких тропических зонах, при освоении морских глубин и воздушного океана, для работы в теплонапряженных цехах, шахтах и т. д. требуется обеспечение теплового режима.

Особую остроту эта проблема приобрела с началом космических полетов. Человек не может существовать в открытом космосе. Его организм формировался в земном, благоприятном окружении. Но поскольку в процессе развития человеческого общества потребовалось освоение космического пространства, то и в космосе человеку должны быть обеспечены нормальные условия для существования и плодотворной деятельности. Эти условия создаются комплексом систем обеспечения жизни и деятельности, а в тепловом отношении — системой обеспечения теплового режима.

Система обеспечения теплового режима должна поддерживать соответствующий массоэнергообмен не только экипажа, но и всего комплекса приборов, агрегатов и даже элементов конструкции.

Системы обеспечения теплового режима для летательных аппаратов стали развиваться сравнительно недавно. В 30-х годах, в связи с увеличением скорости и высоты полета, появляются первые обогревательные устройства. Для герметических кабин потребовались более сложные системы, которые получили название систем кондиционирования воздуха (СКВ). Эти системы обеспечивали не только требуемую температуру воздуха, но и влажность, подвижность, давление, газовый состав. В этот же период появляются и первые системы по поддержанию теплового режима в специальных приборных отсеках. Системы кондиционирования современных самолетов и вертолетов представляют собой сложные комплексы, обеспечивающие заданную .температуру, влажность, скорость (подвижность воздуха), давление и чистоту воздуха в герметических отсеках.

В 50-е годы в связи с возникновением космической техники создаются первые системы обеспечения теплового режима на искусственных спутниках Земли. В этот период происходит процесс интенсивного развития различных вариантов СОТР для беспилотных летательных аппаратов. С начала 60-х годов для осуществления первых пилотируемых космических полетов потребовалось создание нового комплекс систем — систем обеспечения жизнедеятельности, — составной частью которого стала и система обеспечения теплового режима, тесно связанная со всеми подсистемами этого комплекса.

Новый этап в развитии этих систем начинается с создания долговременных орбитальных станций. Необходимость длительного пребывания экипажа в условиях космического полета потребовала новой постановки многих вопросов обеспечения жизнедеятельности человека в замкнутых объемах в условиях действия малых возмущений и экстремальных факторов.

За короткий период системы обеспечения теплового режима КА из простейших технических устройств, обеспечивающих тепловой режим отдельных агрегатов, превратились в сложный многозвенный и многосвязный комплекс функциональных подсистем, призванных поддерживать необходимые тепловые условия для жизнедеятельности и работы экипажа, функционирования оборудования, приборов и элементов конструкции. По существу СОТР современных КА обеспечивает организацию требуемого массоэнергообмена между всеми элементами корабля, включая экипаж, и вывод избыточной тепловой энергии в окружающую среду. Большое значение имеет упреждающее влияние СОТР на выполнение экипажем полетных заданий и работоспособность человека по окончании полета.

1.2. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Тепловой режим в кабинах и отсеках КА создается под воздействием внешних и внутренних источников тепла. Он зависит также от особенностей функционирования принятых вариантов СОТР. Для успешного решения задачи обеспечения теплового режима необходимо знать характер внешних и внутренних тепловых нагрузок. В зависимости от назначения и типа КА, режимов его полета и выполняемых рабочих программ спектр внешних и внутренних тепловых нагрузок может существенно изменяться. Старт, выход на орбиту, полет по орбите, перелет к другой планете, посадка на планету или полет по орбите планеты, возвращение на орбиту Земли и, наконец, спуск через плотную земную атмосферу — все это этапы, на которых происходит изменение как внешних, так и внутренних тепловых воздействий. Указанное обстоятельство предопределяет большое число возможных типов систем, которые могут быть использованы как для различных по назначению аппаратов, так и для одного аппарата на разных участках полета.

На первом этапе развития космических полетов, когда продолжительность пребывания на орбите была незначительной, а внутренние тепловые нагрузки составляли ватты или десятки ватт, можно было обходиться так называемыми пассивными способами теплового обеспечения.

К пассивным способам обеспечения теплового режима относится тепловая защита, которая, благодаря своей простоте, нашла весьма широкое применение. Для защиты КА в условиях космоса можно применять соответствующие покрытия внешней поверхности, обеспечивающие необходимое отношение коэффициентов поглощения A_' и излучения ε материала. Однако из-за отсутствия материалов, обладающих большими или малыми отношениями A_/ε, и неустойчивости характеристик в процессе функционирования объекта, они в настоящее время в качестве основных средств применяются редко. Более широкое применение для обеспечения требуемого теплового режима получила экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ).

Усложнение полетных заданий, увеличение длительности пребывания в космосе, размеров и массы оборудования, выделяемой мощности и повышение требований к поддержанию стабильности теплового режима привело к необходимости применения так называемых полупассивных способов. Здесь прежде всего следует отметить способы, основанные на переменном излучении, переменной теплопроводности, на расходовании хладагентов и на конвекции в замкнутых контурах.

Одним из способов стабилизации температуры КА в условиях переменной внутренней тепловой нагрузки и переменной величины падающего на поверхность излучения является изменение поглощательной и излучательной способности поверхности с помощью различного типа подвижных жалюзи и экранов. Способы обеспечения теплового режима КА, основанные на переменной теплопроводности, реализуются в устройствах с тепловыми переключателями, с сильфонами, заполненными жидкостью, и т. д.

В системах с расходуемыми хладагентами жидкость или твердое тело поглощают тепло, обычно с одним или двумя фазовыми переходами, и затем лары хладагентов выбрасываются за борт. Вследствие относительно большой массы хладагента и емкостей для его хранения такие системы используются только для кратковременных полетов или как вспомогательные и аварийные. Системы, основанные на конвекции в замкнутых контурах, получили наиболее широкое распространение. Поскольку излучение является единственным способом, которым тепло может быть отведено в космос без потерь хладагента, то все замкнутые конвективные системы имеют обязательно радиатор-излучатель. В качестве теплоносителя применяются газы и жидкости. Газообразные теплоносители могут использоваться непосредственно в гермокабинах и отсеках, легко совмещаются с теплоотдающей поверхностью, обладают высокой диэлектрической постоянной, не вызывают коррозии и имеют другие положительные свойства. Жидкие теплоносители поглощают больше тепла и обеспечивают более высокие по сравнению с газами коэффициенты теплоотдачи. Однако жидкие теплоносители требуют специального оборудования для хранения и транспортировки, создания запасов для компенсации утечек, специальной компоновки оборудования для снижения объема жидкости.

В существующих системах обеспечения теплового режима КА отвод тепла происходит на низком температурном уровне. Это означает, что температура радиатора-излучателя ниже уровня температуры отсека или гермокабины, где поддерживается тепловой режим. При современных уровнях внутренних тепловых нагрузок, не превышающих 5—10 кВт, возможно применение низкотемпературной CОTP с приемлемыми по площадям и массе радиаторами-излучателями. Однако выполнение сложных задач длительных космических полетов потребует существенного увеличения энергетических мощностей на борту КА. Практически вся полезная мощность энергетической установки превращается в тепло на сравнительно низком температурном уровне.

Отвод тепла излучением в первом приближении можно оценить по закону Стефана-Больцмана:

Q=εσFT⁴,

который показывает, что площадь излучателя пропорциональна отводимому тепловому потоку в первой степени и обратно пропорциональна температуре в четвертой степени. Поэтому для уменьшения площади излучателя, а следовательно, и массы, при больших тепловых нагрузках необходимо стремиться к увеличению средней температуры радиатора.

Повышение уровня температуры излучателя может быть достигнуто с помощью тепловых насосов. Тепловые насосы позволяют при определенных энергетических возможностях переводить тепловой поток с низкого на высокий температурный уровень. Известно много типов тепловых насосов, отличающихся по принципу действия, конструктивным особенностям, холодильным коэффициентам, типам хладагентов и т. д. Для систем обеспечения теплового режима КА могут быть рассмотрены подсистемы с газовым циклом, с испарительно-компрессионным циклом, пароэжекторные и абсорбционные. Тепловые насосы пока еще не использовались в СОТР КА, и возможность применения того или иного типа, особенно в сочетании с энергетической установкой и другими системами корабля, требует всестороннего анализа.

Большой интерес представляет использование в системах обеспечения теплового режима термоэлектрических, элементов на основе эффекта Пельтье. Однако в настоящее время указанные элементы имеют слишком низкие холодильные коэффициенты и большую удельную массу. С улучшением характеристик полупроводниковых материалов они смогут найти достаточно широкое применение в СОТР КА.

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

В процессе развития космических полетов совершенствовались СОЖ и СОТР. Для многочисленных типов КА создавались различные виды систем обеспечения теплового режима. Их проектированием занимались научные сотрудники и инженеры, работающие в самых различных областях науки и техники, поэтому до настоящего времена не сложилось единого понимания назначения и функционального содержания СОЖ и СОТР, нет общепринят той терминологии. В научно-технической литературе даже названия многих трудов отражают различные взгляды авторов на существо определений, терминологию и классификацию [2, 9, 24, 31]. Одни авторы рассматривают СОТР как составную часть СОЖ, Другие считают ее самостоятельной системой [2, 9, 31] или составной частью общей энергетической системы [24].

Недостатки терминологии, основных определений и классификации в большинстве случаев затрудняют взаимопонимание между специалистами, осложняют учебный процесс, составление технической документации, вызывают излишние затраты труда при пользовании научно-технической и учебной литературой, а на практике ведут подчас к недоразумениям и даже к ошибкам [22].

В научно-технической литературе часто встречается название «системы терморегулирования». Однако более правильным было бы название «системы обеспечения теплового режима», поскольку эти системы должны обеспечивать не только температуру, но и влажность, подвижность среды и ряд других параметров. Поддержание заданного теплового режима является сложной теплотехнической задачей, решение которой обеспечивается множеством инженерных устройств и зависит от большого числа организационных и технических решений по компоновке объекта в целом и взаимосвязям отдельных элементов на основе системного подхода с учетом тепломассоэнергетического, термодинамического и массового анализов.

В этом случае под системой обеспечения теплового режима (СОТР) понимается комплекс взаимосвязанных подсистем и элементов оборудования, а также инженерно-технических мероприятий пространственного и функционально-временного взаимодействия, призванных обеспечить в соответствующих тепловых и влажностных условиях высокую, работоспособность экипажа и оборудования как в полете, так и после его окончания.

В настоящее время существует большое число»типов СОТР как действующих, так и находящихся в стадии проектной разработки, которые имеют разные названия. Однако в литературе не приводятся единые классификационные признаки, по которым с методической точки зрения можно было бы объединить указанные системы. На основе рекомендаций Комитета научно-технической терминологии Академии наук СССР [22], а также типовых схем объектов и сжггем обеспечения теплового режима ниже рассматривается один из возможных вари- антов классификации СОТР, учитывающий функциональный признак, принцип действия и особенности технической и схемной реализации.

В качестве первого классификационого признака можно использовать разделение СОТР на подсистемы по функциональной принадлежности. На основе данного признака выделяются три характерные подсистемы СОТР, оказывающие существенное влияние на формирование теплового режима объекта: подсистема теплозащиты; подсистема формирования температурно-влажностных и циркуляционных полей газовой среды; подсистема терморегулирования. Указанные три подсистемы СОТР неразрывно связаны между собой и в то же время имеют свои отличительные особенности и назначение в общей системе обеспечения теплового режима. Каждая подсистема выполняет определенные функции, обеспечивая поддержание или регулирование одного или группы параметров, определяющих общий тепловой режим объекта. Очень часто один и тот же параметр зависит от функционирования двух или трех подсистем.

Вторым классификационным признаком может служить деление подсистем по принципу действия, третьим признаком — особенности технической и схемной реализации.

Таким образом, классификация СОТР может быль представлена следующим образом.

СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА (СОТР)

I. Подсистема теплозащиты.

II. Подсистема формирования температурно-влажностных и циркуляционных полей.

III. Подсистема терморегулирования.