4. Определение тепловых нагрузок

Нагрев тепловым излучением

Выделяют три основыных составляющих в нагреве тепловым излучением космического аппарата:

• прямое излучение Солнца;

• отраженное от поверхности небесного тела;

• собственное излучение небесного тела.

Рис. 4.1

Интенсивность потоков излучения зависит от растояния космического аппарата от Солнца. Плотность прямого солнечного излучения считается прямопропорцианально квадрату излучения.

1368 Вт/м²(1400 Вт/м²),

где q_s – спектральная плотность( интенсивность зависит от длины волны);

– среднее расстояние от Земли до Солнца;

 км;

солнечная постоянная (среднее значение плотности в окрестностях Земли);

 Вт/м²;

Изменение плотности связано с тем, что орбита эллиптическая, а не круговая.

Завышенное значение солнечной постоянной вызывает завышение значения температур в расчетно-теоретических исследованиях, создается стойкость к тепловым воздействиям. Т_S=5800 К– источник с широким спектром.

Рис. 4.2

Солнечные лучи имеют малую расходимость в пределах Земли – 32’, в большинстве тепловых расчетов этим пренебрегают.

Для аппаратов на околоземных орбитах интенсивность тепловых нагрузок прямо связана с высотой орбиты.

Экватор наклонен к плоскости эклиптики на 23^o27’, благодаря этому обстоятельству на земле происходит смена сезонов.

Рис. 4.3

1 – Солнце; 2 – Земля; 3 – плоскость экватора Земли – плосткость геостационарной орбиты; 4 – искусственный спутник Земли; 5 – плоскость эклиптики; 6 – тень Земли; 7 – полутень; 8 – терминатор (граница раздела освещеннойи затемненной поверхностей)

Особенность геостационарной орбиты – большую часть года искусственные спутники Земли постоянно освещенны солнечными лучами и только в течении 90 дней в году в периоды, близкие к осеннему и весеннему равноденствию, заходят в тень Земли, так как в этот период аппараты пересекают прямую линию, связывающую Солнце и Землю. Низкоорбитальные аппараты 17 раз в течении суток заходят в тень Земли, продолжительнсть теневого участка отличается. Максимальная продолжительность тени на геостационарной орбите приблизительно 71 минута, для низкой орбите – приблизительно 31 минута. За время нахождения в теневой зоне космический аппарат может охлаждаться. Чем больше продолжительность теневого участка, тем ниже температура остывания спутника.

Считают,что Т=2,7 К(температура окружающего космоса(3,4 К)).

Таблица 4.1 Плотность внешних потоков теплового излучения на околоземных орбитах.

Прямое солнечное излучение	Вт/м2
Солнечное излучение отраженное от Земли
Собственное излучение Земли

В силу эллиптичности земной орбиты в период солнцестояния плотность солнечного излучения колебания высокая (Земля наиболее близко подходит к солнцу).

0,20,7 – альбедо – отражательная способность;

– альбедо Земли меняется в широких пределах и колеблется сезонными и широтными характеристиками. Хорошо отражают участки с высоким (полярные области). В периоды, когда поверхность Земли покрыта снегом увеличивается, а весной, в период селькохозяйтвенных работ, – уменьшается.

6370 км; Н – высота орбиты.

Таблица 4.2. Типовые значения плотностей внешних потоков излучения на низкой орбите (Н=350км)

Участок орбиты	qs, Вт/м2	qR, Вт/м2	qE, Вт/м2
Освещенный участок	1368	265	220
Теневой участок	0	0	220

Таблица 4.3.  Типовые значения внешних потоков излучения на геостационарной орбите (Н=35743 км)

Участок орбиты	qs, Вт/м2	qr, Вт/м2	qE, Вт/м2
Освещенный участок	1368	7	5,5
Теневой участок	0	0	5,5

Таблица 4.4. Некоторые параметры круговых околоземных орбит

Орбита	Н,км	Период обращения τR,час	Продолжительность теневого участка τsh,час	Количество оборотов в течении суток, NR
Низкая орбита	350	1,5	0,61	17
Геостационарные	6750	3	0,67	8
	10750	4	0,75	6
	14250	6	0,82	4
	20375	12	0,93	2
Геостационарная орбита	35875	24	1,16	1

Полутень возникает из-за того,что Земля окружена атмосферой, а солнечные лучи имеют расходимость. Продолжительность полета в зоне полутени (сумеречной) невелика даже на геостационарной орбите υ_гео=3,02 км/с, τ_sh~130 с, поэтому, во многих случаях, зону полутени включают в теневую зону, т.е. преднамеренно ужесточают условия теплового излучения, предполагая, что из освещенного участка аппарат мгновенно переходит в зону тени.