Основа КА Лекции Пузин

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Собственный тепловой поток КА. КА, как и любое тело, имеющее ненулевую абсолютную температуру, излучает в космическое пространство тепловой поток, плотность которого согласно закону Стефана-Больцмана равен qка = ε˖σ˖Т4ка, где ε - степень черноты поверхности КА, σ - постоянная Стефана –Больцмана, Т4ка – температура поверхности КА. При реальных температурах излучение осуществляется в инфракрасной области спектра при этом величина qка= 5,67˖10-8 Вт/(м2˖К4).

Тепловой баланс КА. Во внешнем теплообмене с окружающей средой участвуют внешние элементы конструкции КА. Тепловой поток, излучаемый поверхностью элементарной площадкой i, в соответствии с законом Стефана - Больцмана пропорционален температуре в четвертой степени и степени черноты εi поверхности, для элемента поверхности КА уравнение теплового баланса будет иметь вид:

mi ˖ Ci (dTi /dti) = Qсi + Qсоi + Qплi + Qатмi + Qвнкаi - Qкаi.

Здесь: mi, Ci, Ti - масса единицы поверхности i-го элемента КА, его теплоемкость и температура соответственно; t - время; Qвнкаi - тепловой поток, подводимый от внутренних элементов КА;

Qкаi = qка˖Fкаi- тепловой поток излучаемый от КА, где Fкаi- площадь i-ой поверхности КА.

Распределение температур на борту КА типа «Ресурс-Ф» и «Фотон» :

1 - инфракрасный построитель вертикали места; 2 - спускаемый аппарат (15-25̊ С при влажности от 40 – до 60%, объектив СпА ± 60̊ С);

3 - приборный отсек (0 - 40̊ С) с радиационным теплообменником;

4 - агрегатный отсек (0 - 40̊ С); 5 - двигательная установка (10 - 50̊ С);

6 - радиатор - охладитель (от -50 до 80̊ С); 7 - контейнер ХИТ (10 - 50̊ С);

8 - отделяемая полезная нагрузка (от -50 до 80̊ С); 9 - антенна научной аппаратуры (от -150 до 150̊ С);

10 – газовые шары-баллоны СУД (от -50 до 80̊ С).

4

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Тепловой режим КА представляет собой процесс изменения температурного поля на его поверхности и внутри объектового пространства, ограниченного элементами конструкции КА.

Различают два вида тепловых режимов: нестационарный и стационарный. Нестационарный

наблюдается в случае, если хотя бы для одного элемента конструкции (отсека) КА отсутствует баланс отводимых и подводимых тепловых потоков. Стационарный тепловой режим характеризуется

подводимых тепловых потоков.

Особенности теплового обмена КА. Под теплообменом понимают самопроизвольный процесс передачи тепла, обусловленный градиентом температур. Различают три вида теплообмена: теплообмен теплопроводностью, конвекцией и излучением. Теплообмен теплопроводностью осуществляется путем передачи кинетической энергии между микрочастицами вещества (молекулами, атомами, ионами, электронами и т.д). Передача осуществляется от микрочастиц с большей кин. энергией к микрочастицам с меньшей энергией, т.е. передача осуществляется от горячих тел к холодным. Такой вид теплообмена наблюдается в газах, твердых телах, жидкостях и плазме. Теплообмен конвекцией происходит путем перемещения макрочастиц вещества в жидкостях, газах и плазме под воздействием каких либо причин. Различают свободную (гравитационную) конвекцию и вынужденную(принудительную) конвекцию. Механизм свободной конвекции основан на изменении плотности вещества в зависимости от температуры. В этом случае тепловой поток распространяется от источника тепла направлен в сторону антиградиента гравитационного поля (поля возмущений). Вынужденная конвекция обеспечивается специальными техническими средствами: вентиляторами, насосами и т.д. Теплообмен излучением (лучистый теплообмен) осуществляется путем излучения и поглощения телами электромагнитных волн. Величина теплового потока, излучаемая телом, пропорциональна его абсолютной температуре Т4ка. Результирующий тепловой при лучистом теплообмене будет также направлен от горячих тел к холодным.

5

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ ДЛЯ АЧТ

Поглощательная способность при лучистом теплообмене реализуется в следующем диапазоне длин волн:%!

-радиоволны ( длинные, средние, короткие, УКВ) от 104 до 0,5 м.;

-ИК диапазон от 10-6 до 8,0·10-7м.;

-видимый спектр от 8,0·10-7 до 4,0·10-7м.;

-УФ диапазон от 4,0·10-7 до 10-8м.;

-рентгеновский диапазон от 10-7 до 10-14м.;

-γ излучение от 10-10 до 10-14 м.

Тело, способное поглощать все падающие на его поверхность электромагнитные волны называется абсолютно черное тело (АЧТ). Серое тело – тело, у которого поглощательная способность одинакова для всех дли волн и зависит от температуры материала и состояния поверхности.

Спектральная плотность потока излучения qλ называется тепловой поток, излучаемый единичной площадкой в элементарном диапазоне длин волн [λ, λ+dλ].

Интегральная плотность потока излучения q называется тепловой поток, излучаемый единичной площадкой во всем спектре длин волн λ [0, &].

(

Связь между qλ и q можно записать в интегральной форме q=') qλdλ. Основным законом лучистого теплообмена АЧТ является закон Планка, согласно которому спектральная плотность потока излучения для АЧТ (о) определяется в виде: Графическая интерпретация закона Планка

Здесь: Т-абсолютная температура тела, К; с1=0,374·10-15 Вт·м2 - первая постоянная Планка; с2=1,4388·10-2 м· ̊К – вторая постоянная Планка.

Излучение АЧТ характеризуется непрерывным спектром в диапазоне длин волн от 0 до &. Кривые спектральной плотности потока излучения характеризуются наличием максимума, которые с увеличением температуры смещаются в сторону более коротких длин волн.

6

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ ДЛЯ РЕАЛЬНЫХ ТЕЛ

Закон смещения Вина устанавливает зависимость положения максимума спектральной плотности потока излучения от температуры тела. Согласно этому закону длина волны λмах, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения АЧТ, связана с температурой Т следующим образом:

λмах·Т = 2,896·10-3 м·̊К.

Закон Стефана-Больцмана определяет интегральную плотность потока излучения с поверхности АЧТ qо = σ˖Т4, где σ = 5,67·10-8 Вт/(м2 · ̊К4) –постоянная Стефана-Больцмана.

Согласно закону Стефана-Больцмана интегральная плотность потока излучения АЧТ пропорциональна абсолютной температуре тела в 4-ой степени.

Теплообмен излучением для реальных тел. Среди реальных тел выделяют серые тела СТ) и селективно излучающие тела (СИТ). Спектр излучения серых тел подобен излучению АЧТ. Спектр излучения СИТ отличается от АЧТ, т.к. они излучают в определенном диапазоне длин волн.

На рисунке обозначено: 1 – излучение АЧТ, 2- излучение СТ, 3 - излучение СИТ.

Для реальных тел закон Стефана-Больцмана имеет вид: q = ε˖ qо = ε˖ σ˖Т4, где ε – степень черноты тела.

Степень черноты ε определяет излучательную способность тела и представляет собой отношение теплового потока, излучаемого данным телом, к тепловому потоку излучаемому АЧТ. Излучательная способность реальных тел всегда меньше АЧТ: 0 < ε < 1. Степень черноты реального тела в общем

случае зависит от материала поверхности тела, состояния поверхности тела и от температуры поверхности тела. Непрозрачные реальные тела частично поглощают и частично отражают падающий на них лучистый тепловой поток. Прозрачные реальные тела, кроме того, пропускают часть лучистого теплового потока через себя.

Поглощательная способность реальных тел характеризуется коэффициентом поглощения А, который представляет собой отношение поглощаемого телом потока к падающему тепловому потоку.

7

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ ДЛЯ РЕАЛЬНЫХ ТЕЛ

Коэффициент поглощения А зависит от материала поверхности тела, состояния его поверхности и от спектрального состава падающего излучения (диапазон длин волн, на который приходится основная доля падающих лучей). Между излучательной и поглощательной способностью тел существует взаимосвязь, определяемая законом Кирхгофа: для любого тела отношение спектральной плотности потока

собственного излучения к его спектральной поглощательной способности есть величина постоянная и равная спектральной плотности потока АЧТ, имеющего туже температуру. То есть коэффициент поглощения и степень черноты равны между собой при одинаковых длинах волн падающего и собственного излучений (А= ε, Аλ = ελ).

Оптические коэффициенты (А= ε) во многом определяют процесс теплообмена КА с окружающим пространством. Для лучистого теплообмена КА характерны два уровня температур излучающих тел.

К телам первого температурного уровня относится Солнце, температура поверхности которого составляет 6000 К, причем 94% энергии приходится на видимый диапазон длин волн λ[0,2; 2,0] мкм. Средний коэффициент поглощения для этого диапазона волн называется коэффициентом поглощения солнечного излучения Аs.

Земля и КА относятся к телам второго температурного уровня (300 К), основная энергия излучения от которых находится в видимом и ИК диапазоне длин волн λ[4,0; 400,0] мкм. Так как излучение КА и собственное излучение Земли находятся в одинаковом диапазоне длин волн, то по закону Кирхгофа степень черноты КА ε равна коэффициенту поглощения собственного излучения Земли Аs.

При тепловых расчетах КА используют два оптических коэффициента Аs и ε. При этом коэффициент поглощения солнечного излучения Аs определяет поглощательную способность элементов КА по отношению к прямому и отраженному от Земли солнечному излучению. Степень черноты ε КА определяет излучательную способность КА и поглощательную способность элементов КА по отношению к тепловому потоку Земли.

Примем следующие допущения для i-го элемента поверхности КА:

-на КА действует только поток прямого солнечного излучения;

-пренебрежимо малы отраженные потоки от других внешних элементов конструкции КА;

8

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ ДЛЯ РЕАЛЬНЫХ ТЕЛ

-тепловой режим стационарный.

Сучетом принятых допущений уравнение теплового баланса КА примет вид: Аs˖qс˖Fci = ε˖σ˖Т4˖Fкаi, а

температура i-ой площадки при облучением солнечной радиацией можно принять равной

Т= (Аs˖qс˖Fci / ε˖σ˖Fкаi )0,25˖

Из уравнения следует, что на температуру внешнего элемента КА можно влиять двумя способами:

-подбор покрытий с определенными оптическими коэффициентами (Аs, ε);

-выбор формы элемента и его ориентация относительно солнечного теплового потока (Fci, Fкаi). Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с

различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта. Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой

энергии, излучаемое элементом поверхности dF1 в направлении элемента dF2 пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали dQn, на величину пространственного угла dω и cos φ, составленного направлением излучения с нормалью: d2Qφ=dQn·dω·cosφ, Вт. В направлении φ=0 передача энергии от тела максимальное. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при φ = 0 ÷ 60°. Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при угле φ будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

Лучистый теплообмен между двумя серыми параллельными пластинами,

разделенными прозрачной средой. Размер пластин значительно больше расстояния между ними, так что излучение одной из них будет полностью попадать на другую. Поверхности пластин подчиняются закону Ламберта. Обозначим: температуры пластин Т1 и Т2, коэффициенты поглощения А1 и А2; собственные лучеиспускательные способности Е1 и Е2, определяемые по закону Стефана - Больцмана; суммарные лучистые потоки Е1эф и Е2эф. Полагаем, что Т1 > Т2. Первая пластина излучает на вторую лучистую энергию. Вторая пластина часть этой энергии поглощает, а часть отражает

9

ПАССИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Терморегулирующие покрытия. Придание поверхности определенных радиационных характеристик возможно самыми различными способами: напылением на нее различных металлов или их окислов, гальванической обработкой, нанесением терморегулирующих покрытий и т. д.

Современное развитие техники позволяет получать значения радиационных характеристик в пределах ε = 0,02 - 0,99, AS= 0,1 - 0,99 и AS/ε = 0,15 - 8.

Спектральные характеристики материалов, как правило, не меняются при изменении температур поверхности в весьма широком диапазоне (при отсутствии фазовых изменений в структуре поверхности).

Виды терморегулирущих покрытий с оптическими характеристиками приведены ниже в таблице.

ε ε

11

ПАССИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ)

Влияние внешнего теплообмена на внутренний тепловой режим КА можно существенно уменьшить, а в ряде случаев и свести к пренебрежимо малой величине, если воспользоваться специальной эффективно работающей в вакууме теплоизоляцией, называемой экранно-вакуумной (ЭВТИ). Элемент такой теплоизоляции представляет собой пакет, собранный из непрозрачных для излучения экранов и прокладочного материала , призванного предотвратить в значительной мере контакт между экранами и уменьшить тем самым кондуктивный теплоперенос. В зависимости от условий эксплуатации экраны выполняются из полимерных пленочных материалов или металлической фольги. Экраны из полимерных материалов используются в случае, когда их температура не превышает 150̊С. При более высоких температурах экраны выполняются из металлической фольги : из алюминевой фольги , если температура не превышает 500̊С, и из никелевой фольги, если температура не превосходит 1000̊С. Толщина экранов составляет 5 мкм. в одних случаях, а иногда 10 мкм. Экраны из полимерных материалов бывают гладкие и рифленые. С целью уменьшения степени черноты экранов на полимерные пленки с одной или двух сторон напыляют тончайший металлический слой, например, осуществляют вакуумное напыление пленки алюминия. Чтобы обеспечить благоприятные условия для вакуумирования ЭВТИ, экраны перфорируют отверстиями.

12

ПАССИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Вкачестве прокладочного материала используют стекловуали, холсты из штапельного кварцевого волокна , капроно-трикотажные сетки и др.

Внеобжатом, отвакуумированном пакете теплоперенос через теплоизоляцию осуществляется в основном за счет теплообмена излучением между экранами. Для оценки теплоизоляционных свойств ЭВТИ предположим, что теплопроводность остаточного газа и теплоперенос теплопроводностью через места контактов экранов пренебрежимо малы по сравнению с переносом тепла за счет лучистого теплообмена между экранами. Кроме того допустим, что степень

черноты экранов (ε1 , ε2, ε3,…εn) одинакова с обеих сторон и не зависит от температуры. В этом случае при стационарном режиме плотность

тура наружной поверхности последнего n-го экрана ЭВТИ, εпр = 1/(2/εп - 1) – приведенная степень черноты пакета ЭВТИ.

В инженерной практике теплоизоляционные свойства ЭВТИ оцениваются величиной удельного термического сопротивления R. Именно эту величину используют при исследовании теплового режима КА, в состав средств обеспечения теплового режима которого входит ЭВТИ.

13