45

Лекция 11 по СОЖ. 2012.

СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ.

13.1. Задачи и состав СОТР. с. 1

13.2. Тепловой режим организма человека. с. 6

13.3. Внутренний теплообмен в ПКК. с. 9

13.4. Внешний теплообмен в ПКК. с. 14

13.5. Особенности конструкции СОТР. с. 15

13.6. Теплообмен в скафандре. с. 18

Лекция 11 по СОЖ. 2012.

СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ.

11.1. Задачи и состав СОТР.

Задачи СОТР.

Система обеспечения теплового режима (СОТР) предназначена для создания комфортного для человека температурного режима в жилых отсеках ПКК.

Основная функция подсистем СОТР – обеспечение заданных тепловых режимов в космическом полете. Дополнительные функции - обеспечение тепловых режимов на Земле перед стартом и после приземления, а также при полете в атмосфере.

Об этом важно знать, потому что функционирование СОТР на Земле и при полете в атмосфере осуществляется совсем иначе, чем в космосе.

Мы будем рассматривать только работу СОТР в космосе.

Кроме того, подсистемы СОТР выполняют дополнительные функции обеспечения тепловых режимов функционирования:

- бортовых служебных систем (включая агрегаты КСОЖ),

- специального оборудования (научного и др.).

Для бортовой аппаратуры должна поддерживаться температура в пределах 0 – 40^оС, для экипажа: 15 - 25^оС.

Заданный температурный режим обеспечивается регулированием подвода и отвода тепла.

При наличии в ПКК регенерационных СЖО в задачи СОТР входит также термостатирование тепло- и массообменных аппаратов СЖО на требующихся температурных уровнях.

Особенно велика нагрузка на СОТР при использовании в составе КСЖО агрегатов ФХСЖО и БТСЖО.

Объектами обеспечения теплового режима в ПКК могут быть: животные, растения, приборы, оборудование, элементы конструкции. Обычно выделяют отдельные отсеки с индивидуальным набором требований:

• жилые и рабочие,

• отсеки электронного оборудования,

• оранжерея.

• отсеки с животными,

Проектирование СОТР.

Как и в каждом жилом помещении, в ПКК существуют 2 группы источников тепла: внутренние и внешние.

Внутренние источники: экипаж, другие живые объекты, находящиеся в жилых отсеках, функционирующее бортовое оборудование и приборы.

Внешние источники – Солнце, планеты, около которых находится ПКК (Земля и Марс).

Q_сотр = Q_внутр + Q_внеш (13.1)

Q_сотр – тепловой поток, выводимый средствами СОТР за пределы ПКК, ккал/сут.,

Q_внутр – тепловой поток, поступающий в жилые отсеки из внутренних источников ПКК, ккал/сут.,

Q_внеш – тепловой поток, поступающий в жилые отсеки из внешних источников ПКК, ккал/сут.

Поэтому общую задачу СОТР принято делить на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя задача – организация отвода тепла и регулирование температур атмосферы отсеков и аппаратов СЖО путем конвективного теплообмена с рабочим телом – теплоносителем, использующимся в СОТР.

Внешняя задача – обеспечение передачи выделенного из отсеков тепла путем излучения в наружное пространство в специфических физических условиях космического полета.

Конструкция СОТР.

Конструкция СОТР состоит из подсистем:

- подсистемы вентиляции жилых отсеков, обеспечивающей поддержание температуры воздуха в заданных пределах; подсистема вентиляции обеспечивает также показатели газообмена экипажа концентрацию в атмосфере жилых отсеков паров воды, кислорода, углекислоты и микропримесей;

- подсистемы внутреннего теплообмена, обеспечивающей передачу избытка тепла во внешнюю подсистему;

- подсистемы внешнего теплообмена, обеспечивающей сброс избытка тепла в космос.

Иногда СОТР делят на следующие подсистемы:

- подсистема теплозащиты,

- подсистема терморегулирования,

- подсистема вентиляции,

- подсистема поддержания влажности.

Такое деление удобно при конструировании. В этом разделении конструкций проявляется специализация конструкторов.

Варианты каждой подсистемы могут различаться по принципу действия и по схемным и конструктивным решениям.

В простейшей СОТР ПКК 4 основных функциональных элемента, по сути дела определяющие проектные характеристики СОТР:

- холодильно-сушильный агрегат (ХСА),

- ЖЖТ, передающий тепловую энергию от жидкого теплоносителя ХСА к теплоносителю радиатора,

- радиатор, излучающий избыточное тепло в космос,

- пакет экрано-вакуумной теплоизоляции, защищающей ПКК от нагрева внешними источниками тепла.

В ДОС СОТР значительно сложнее

Виды конструкций подсистем СОТР.

Подсистемы теплозащиты.

1. Теплоограждающие на основе:

- терморегулирующих покрытий,

- ЭВТИ,

- однородной теплоизоляции.

2. Теплопоглощающие:

- на основе изоляции с большой теплоемкостью,

- на основе частично уносимых материалов,

- с газодинамическим (гидродинамическим) охлаждением.

3. Теплорассеивающие с использованием:

- конвективного охлаждения,

- испарительного охлаждения,

- термоэлектрического насоса.

Подсистемы терморегулирования.

1. Конвективные:

- замкнутые,

- с газовым циклом.

2. На основе изменения агрегатного состояния теплоносителя:

- разомкнутые,

- замкнутые.

3. Термоэлектрические:

- с теплоносителем,

- без теплоносителя.

4. Теплоаккумулирующие на основе материалов:

- с большой теплоемкостью,

- с изменением агрегатного состояния.

Подсистемы вентиляции.

1. Централизованные на основе:

- сосредоточенной подачи и удаления теплоносителя,

- распределенной подачи и удаления теплоносителя,

рециркуляции.

2. Локализованные:

- закрытого типа,

- полуоткрытого типа,

- открытого типа.

Подсистемы осушки воздуха.

1. С возвратом влаги в цикл на основе:

- конденсации,

- адсорбции с регенерируемыми поглотителями,

- электролиза паров воды.

2. Со складированием влаги на основе:

- конденсации и влагоудерживающих пористых тел,

- адсорбции с нерегенерируемыми поглотителями,

- хемосорбции.

Перечисленные варианты СОТР часто встречаются в объединении друг с другом.

На практике обычно выделяют пассивные и активные элементы.

К пассивным элементам относится тепловая защита, которая благодаря своей простоте нашла широкое применение. В нее входят специальные покрытия внешней поверхности ПКК, обеспечивающие наиболее выгодное соотношение коэффициентов поглощения и излучения тепла, а также экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ).

К элементам конструкции СОТР предъявляются общие и специальные требования.

Общие требования – надежность и безопасность, минимальные масса и габариты, минимальное энергопотребление, ремонтопригодность, максимальная унификация элементов.

Специальные требования к элементам СОТР – функциональные (перечень обеспечиваемых величин температуры, влажности, скорости воздуха, производимого шума), физико-технические и эксплуатационные.

13.2. Тепловой режим организма человека.

Обеспечение теплового режима функционирования организма космонавтов в условиях космического полета в принципе аналогично решению подобных задач в земных условиях. Основные отличия – невесомость, малый объем помещений, большая продолжительность пребывания людей в замкнутом объеме.

Мы в нашем курсе рассматриваем в основном технические аспекты жизнеобеспечения. Но как раз тепловой режим комфортного пребывания космонавтов в жилых помещениях – задача, в которой тесно переплетаются важные физиологические и технические процессы. Отметим кратко основные проблемы.

А) Проблема теплового комфорта. В космосе параметры комфорта несколько отличаются от земных. При этом определенное значение имеют следующие факторы:

- длительность полета,

- наличие у космонавта опыта предыдущих полетов,

- эмоциональное напряжение,

- степень загрузки рабочими операциями.

Общее впечатление – изменение ощущения комфортных и неприятных температур на 2 - 5^оС (в основном в сторону занижения – ощущение температуры, как более низкой). Характерный пример – ощущения экипажа Аполлона-13, на котором часть систем терморегулирования была выключена. Астронавты сообщали, что у них в отсеках температура 2 – 3^о, а приборы телеметрии показывали – 10 – 12^о.

Во всяком случае проблему параметров теплового комфорта в космическом полете еще предстоит изучать.

Б) Наличие застойных зон с повышенной или пониженной температурой воздуха.

В) Перераспределение водообмена космонавта с ОС (при понижении температуры уменьшается количество КАВ и растет объем выделения урины). Это важно потому, что выделение пота – механизм теплообмена организма человека с воздухом, и от количества потовыделения зависит количество выделяемого тепла, а также ощущения человеком температурных режимов.

В целом задача теплоотвода из жилых отсеков решается поэтапно в рабочем порядке. Сначала обеспечивается расчетный режим. По мере полетов учитываются пожелания конкретных экипажей и находятся решения, в том числе конструктивные, а не только чисто тепловые.

В расчетном режиме обычно принимается выделение тепла одним космонавтом в среднем 145 Вт.

Накопленный опыт пребывания человека на борту ПКК показали, что комфортны следующие условия в жилом отсеке:

Температура – 15 – 25^оС

Влажность - 30 – 70%

Давление – 87,5 – 128 кПа 656 – 960 мм рт. ст.

0,88 – 1,28 ат

Скорость воздуха – 0,1 – 1,0 м/с.

Табл. 11.1. Энергозатраты человека при разных видах деятельности.

Вид деятельности	Время работы, ч	Энергозатраты, Вт		Энергозатраты за время работы ккал
		диапазон	среднее значение	диапазон	среднее значение
Исследования, наладка аппаратуры, обработка информации в условиях ограничения движения	7,3–8,0	84-150	113	545-1010	753
Приготовление пищи, подача и уборка со стола, мытье и вытирание посуды	4,3	154-364	240	594-1408	927
Малая уборка помещения	0,15	174-523	314	38-112	69
Большая уборка помещения	0,3	244-551	384	105-237	165
Комплекс гимнастических упражнений	0,15-0,45	349-816	572	81-527	220
Ежедневная тренировка на велоэргометре	0,3	377-715	512	162-307	200
Ночной сон	10,0		81	660-896	620

Следует отметить, что задача обеспечения температурных режимов в жилых отсеках включает в себя и специфические вопросы обеспечения высокой работоспособности экипажа. Этого можно достигнуть при постоянной оценке состояния человека и оценке связи этого состояния с фактическими тепловыми режимами в отсеке.

Пока в полной мере не удается обеспечить достижение комфортных тепловых условий жизнедеятельности космонавтов в условиях космического полета. Почти каждая экспедиция выражает определенные замечания к СОТР. Главные проблемы – неравномерность распределения температуры и влажности. К этому иногда примешиваются проблемы газообмена, обеспечиваемого той же системой вентиляции.

В длительном полете СОТР должна выполнять определенные функции тренажера для системы терморегуляции человеческого организма вследствие непрерывного воздействия тепловых условий окружающей среды.

Поэтому под тепловым режимом ПКК понимается не определенный неизменный во времени диапазон температур в жилом отсеке, а последовательность во времени совокупности значений температуры, влажности, подвижности (скорости движения) воздуха и характеристик тепловых потоков (величин, градиентов, направлений).