13.4. Внешний теплообмен пкк.

В общем случае суммарный тепловой поток Q_Σ, падающий на поверхность ПКК, включает:

Q_Σ = Q_c + Q_атм + Q_пл + Q_отр + Q_доп , (13.4)

где Q_c – поток прямого солнечного излучения,

Q_атм – нагрев от соударения ПКК с молекулами атмосферы,

Q_пл – поток собственного излучения планеты,

Q_отр - поток отраженной планетой солнечной радиации,

Q_доп - дополнительный лучистый поток, поступающий на часть поверхности ПКК от других его частей.

При движении ПКК на расстоянии от Земли более 200 км, от Марса – более 100 км можно пренебречь нагревом его поверхности от соударения с молекулами атмосферы.

Наибольший вклад вносит поток прямого солнечного излучения, более 90% которого приходится на видимую часть спектра.

Когда ПКК заходит в тень Земли, на него действует только поток Q_пл .

В защите ПКК от нагрева Солнцем могут быть использованы 2 пути: изоляция и сброс поступающего тепла излучением в космос. Значительно экономичнее первый путь. Он заключается в применении теплоизолирующих материалов.

Одно направление тепловой изоляции – применение отражающих тепловой поток покрытий, второе – применение материалов, поглощающих тепло, третий – использование комбинирующих конструкций в виде так называемой экрано-вакуумной теплоизоляции.

13.5. Особенности конструкции сотр.

Внешние условия работы радиационного теплообменника (РТО).

Лучистая энергия, падающая на поверхность РТО, складывается из прямого солнечного излучения, излучения Земли и отраженного Землей солнечного излучения. Поглощающая и излучающая способность любого материала изменяется с изменением длины волны. Если на поверхности создать сеть довольно малых впадин, то поглощаться будет только коротковолновое излучение. Отражение от поверхности может быть зеркальным с углом отражения, равным углу падения, или рассеянным согласно закону косинусов Ламберта, или может иметь любую из нескольких промежуточных форм.

При нагревании окисляемых металлов спектральная избирательность поверхности увеличивается из-за образования окисной пленки, имеющей высокую отражательную способность в ИК спектре и довольно низкую поглощающую способность. Если пленка жаростойкая, можно получить отражение до 0,85 (при 60-120^оС).

Считаются перспективными материалами для наружных покрытий РТО окись цинка, карбонат магния, двуокись циркония, окись меди, свинца, хрома.

Увеличение отражения получается при поверхности из диэлектрического материала. Дополнительное отражение создает белая краска.

В США используются краски на силиконовой или акриловой основе. Для белой краски из TiO₂,талька и сульфида цинка отражение 0,85-0,87, а поглощение – 0,17 – 0,7.

В космосе материалы покрытий испаряются быстрее, чем на Земле, особенно под воздействием УФ. УФ может вызвать пожелтение краски и увеличить поглощение на 15%. При большой длительности полета используется органический поглотитель УФ для защиты оболочки. В США используется виниловая оболочка Т-34Р. Кроме того, разрабатываются новые типы поглотителей, включающие органические вещества.

В многослойных оболочках могут использоваться материалы, отражательная способность которых меняется с температурой.

РТО используются для отвода избыточного тепла в космос путем излучения. Космические РТО должны обладать минимальной удельной массой, способностью длительно работать без потерь рабочего вещества, стойкостью против метеорных пробоев, высокими значениями степени черноты поверхности и низкими коэффициентами поглощения солнечных лучей.

Наиболее широко применяется конструкция, состоящая из набора трубок, соединенных между собой ребрами разной конфигурации. Такая конструкция в 4 - 5 раз легче, чем чистый трубчатый ТО. Повреждение ребер метеорами не вызывает выхода ТО из строя. В зависимости от радиационных и теплопроводящих свойств материала ТО, его геометрических размеров и ориентации в пространстве дополнительное оребрение такой конструкции в некоторых случаях способствует увеличению количества передаваемого тепла (а в других случаях приводит к обратному эффекту).

Характеристики РТО сильно зависят от свойств материалов. Опыт показывает, что наиболее пригодны для изготовления низкотемпературных РТО алюминий и магний. Предпочтение отдается алюминию, поскольку методы получения сплавов из него более отработаны.

Для предотвращения разрушения РТО от ударов метеоров уязвимую часть РТО разбивают на секции. В этом случае при повреждении заменяются только пробитые секции. При конструировании обеспечивается минимальная начальная масса секционированного РТО при заданной вероятности успешного завершения полета. Если РТО собран из сравнительно тяжелых и малоуязвимых секций, то его полезная площадь в конце полета будет мало отличаться от начальной, и для компенсации пробоев коэффициент избыточности начальной поверхности должен быть небольшим. Применение легких секций создает увеличение вероятности пробоя и коэффициент начальной избыточности поверхности должен быть больше.

Расчеты показывают, что большие по площади РТО при большой длительности полета будут подвержены пробою как при секционировании, так и без него.

Секционирование обеспечивает максимальный потенциальный выигрыш при полетах с большой вероятностью избежать пробоя. Так, при применении 100 секций масса поверхности уменьшается в 16 раз по сравнению с не секционированной конструкцией. При этом в секционированном РТО повышение вероятности избежания пробоя с 0,9 до 0,999 достигается при увеличении массы поверхности всего на 14%, тогда как в не секционированном РТО того же достичь можно лишь при увеличении массы на 370%.

Однако секционирование выдвигает проблему обеспечения надежности РТО. РТО, разделенный на секции, с устройством для ликвидации пробоев и повреждений изоляции отличается сложностью конструкции. Кроме того, устройства для восстановления разрушенных поверхностей утяжеляют систему. Целесообразность секционирования должна определяться с учетом этих вопросов.

Для защиты от метеоров применяются амортизаторы, представляющие собой стенку, помещенную с наружной стороны защищаемой поверхности. При соприкосновении с амортизатором метеорные частицы взрываются, и их энергия гасится. Эффект торможения усиливается, если пространство между амортизатором и защищаемой оболочкой заполнено слоем волокнистого материала (стекловата).