10.6. Теплообмен в скафандре.

На человека в космическом скафандре на околоземной орбите действуют те же источники теплового излучения, что и на весь ПКК. На поверхности Луны вместо излучения, отраженного от Земли, действует излучение, отраженное от Луны. Кроме того, на скафандр действуют тепловые потоки за счет собственного теплового излучения ПКК и солнечной радиации, отраженной от поверхности ПКК. Этот вклад может стать важным при небольших удалениях космонавта от ПКК.

В зависимости от способов рассеивания тепла СТР скафандров делятся на 3 основные типа: активные, пассивные и комбинированные.

Для активных СТР характерно применение на скафандре мощной теплоизоляции, которая практически изолирует человека от внешних источников тепла. Метаболическое тепло и тепловыделения оборудования скафандра отводятся с помощью циркулирующих в подскафандровом пространстве газообразного или жидкого теплоносителя, а затем сбрасываются в специальных радиационных теплообменниках в космос.

В пассивных СТР в качестве теплообменного устройства используется сама оболочка скафандра. Регулирование теплопотерь через оболочку скафандра осуществляется за счет подбора оптических характеристик наружных поверхностей и за счет термического сопротивления оболочки скафандра. Недостаток пассивной системы – малые возможности при пиковых тепловых нагрузках. Поэтому чаще используют комбинированные системы, совмещающие достоинства пассивной и активной систем.

Активные системы.

Охлаждение с помощью вентиляционного газа.

В СТР космических скафандров советских ПКК «Восход» и «Союз» и американского ПКК «Джемини» использовался газовый теплоноситель. В этих скафандрах газ циркулировал внутри скафандра и затем либо сбрасывался в космос (на ПКК «Восход») либо проходил через теплообменник, где охлаждался и возвращался в вентиляционный зазор (на скафандрах ПКК «Союз» и «Джемини»).

В реальных скафандрах получается не полное насыщение влагой вентиляционного газа, а влажность 70 – 80%.

Удельный теплосъем при этом оказывается 350 Вт, но доля отвода тепла от тела за счет испарения пота составляет 90%, что является некомфортным (комфортна доля 50%). Увеличение теплосъема увеличением расхода вентиляционного газа увеличивает потребную мощность вентилятора, а с ней и массу скафандра, что неприемлемо.

Большая масса вентиляционной системы, а также значительные габариты и повышенные уровни шума в подскафандровом пространстве приводят к отказу от этих СТР.

Охлаждение с помощью жидкого теплоносителя.

В современных скафандрах распространено применение водяного белья, совмещающего функции одежды и теплообменника. Это белье изготавливается из трикотажной сетки или полотна с нашитыми на них с нужным шагом трубочками, по которым с помощью насоса циркулирует вода. Проходя вблизи тела человека, вода аккумулирует тепло, которое затем сбрасывается через радиатор.

Как показывают расчеты и эксперименты, в случае костюма водяного охлаждения оптимален расход 1,5 – 2 л/мин.

При таком расходе для теплосъема с тела человека 350 – 460 Вт перепад температуры воды на входе и выходе из костюма составляет 2 – 3^оС. Расчет показывает, что потребуется трубки длиной 100м. Расход воды 100 – 150 л/ч. Мощность насоса – 2,5 Вт, что на порядок меньше мощности вентилятора в вентиляционной системе. Поэтому основное преимущество СТР, использующих жидкий теплоноситель, - возможность обеспечения комфортного теплового режима человека при высоких метаболических нагрузках при сравнительно небольшой массе источника энергии. Однако дополнительное увеличение массы и габаритов СТР за счет применения костюма, насоса и дополнительных агрегатов является недостатком.

Разрабатываемые в настоящее время теплообменники можно разделить на 3 группы:

- ТО, построенные по разомкнутому циклу, в котором рабочее вещество, поглотив тепло, в результате фазовых превращений затем сбрасывается в космос;

- ТО, построенные по замкнутому циклу;

- ТО, построенные по полузамкнутому циклу, в котором часть рабочего вещества сбрасывается в космос, а часть – восстанавливается на борту ПКК для последующего использования.

При суммарном времени пребывания человека в скафандре в открытом космосе, измеряемом несколькими десятками часов, целесообразны по объемно-массовым и энергетическим свойствам ТО с разомкнутым циклом.

Для экономии запаса рабочего тела, повышения надежности и исключения неблагоприятного воздействия ТО на другие системы скафандра и ПКК предпочтительны схемы, в которых исключается выброс жидкой фазы рабочего тела в переходных режимах при изменении тепловой нагрузки, определяемой метаболическими выделениями человека в широком диапазоне от 100 Вт до 700 Вт. Это возможно при схеме, использующей фазовые превращения рабочего тела. Например, испарительный ТО с подводом воды к поверхности нагрева с помощью капиллярно-пористого тела или сублимационный ТО, в котором сублимация льда происходит в порах металлокерамического элемента.

Одна из конструкций такого ТО содержит трубки с водой, нагретой после прохождения вблизи тела человека, находящиеся в полости, заполненной капиллярно-пористым материалов. Оболочка этой полости при такой конструкции обычно является и емкостью для хранения запаса воды на время одиночного выхода космонавта. Необходимое абсолютное давление во внутренней полости ИТО 57 – 70 мм вод. ст. поддерживается с помощью специального клапана, что обеспечивает температуру кипения воды 1 – 4^оС.

Такая схема ИТО обладает рядом достоинств:

- капиллярно-пористое тело связывает воду, залитую во внутреннюю полость ТО, что особенно важно при работе в невесомости;

- отпадает необходимость в специальных устройствах подачи воды к теплоотдающей поверхности, так как транспортировка воды осуществляется за счет капиллярных сил;

- обеспечивается саморегулирование подачи воды, идущей на испарение;

- при правильном конструктивном оформлении ТО можно практически исключить выброс капельной влаги.

Основные элементы сублимационного ТО – металлокерамическая пластина и ТО. Наружная поверхность металлокерамической пластины обращена в вакуум. Между пластиной и ТО существует сублимационный зазор. Вода, подаваемая в сублимационный зазор, проникает в поры пластины, замерзает в них, и затем образовавшийся лед сублимирует в космос с поглощением тепла, что приводит к охлаждению жидкого и газообразного теплоносителя, циркулирующего по каналам ТО.

Процесс сублимации в единичном микрокапилляре носит нестационарный периодический характер. Однако наличие в металлокерамической пластине микропор, значительно отличающихся своими геометрическими характеристиками, приводит к тому, что аналогичные процессы в различных порах сдвигаются во времени, в результате чего пульсации сглаживаются и можно говорить о стационарном режиме работы ТО с постоянными во времени параметрами.