Основа КА Лекции Пузин
.pdf
ПАССИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Принимая во внимание функциональную связь qка = (Tка - Tn)/R, получим следующую величину термического сопротивления из n слоев ЭВТИ:
R = (n-1)/ [εпр ˖ σ˖(Tка2 + Tn2)˖(Tка+ Tn)].
Результаты сопоставления теплоизоляционных свойств ЭВТИ со свойствами обычных теплоизоляционных материалов, тепловая проводимость которых характеризуется, как правило, коэффициентом теплопроводности k. Связь между k и R можно установить, если известна толщина теплоизоляции δ, которую можно выразить соотношением : k = δ /R.
Анализ численных результатов сравнения самых лучших в отношении теплоизоляционных свойств пористых материалов (пенопласты, паралоны и т.д. ) в десятки раз уступают пакету ЭВТИ такой же толщиной δ, одновременно проигрывая ЭВТИ многократно и по массовым характеристикам.
Изолируя отсеки и элементы КА экранно-вакуумной теплоизоляцией, можно свести влияние внешнего теплообмена на внутреннее тепловое состояние этих отсеков и элементов к малой, а во многих случаях и к пренебрежимо малой величине.
Термомосты и термосопротивления. Это конструкции, с помощью которых внутренние тепловые потоки перерасределяются.
14
ПАССИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Термопроводники, термомосты. Это элементы конструкции КА, обеспечивающие перерасределение тепловых потоков, например, от источника теплового излучения непосредственно на радиатор- теплообменника. Они изготавливаются из многослойных фольгированных пластин, обладающих высокой теплопроводностью (алюминий, медь и тд.):
λAl = 2,3·102 Вт/(м · ̊К), λСu = 3,9·102 Вт/(м · ̊К), λAg = 4,2·102 Вт/(м · ̊К).
При дефиците тепла термомосты на внешней поверхности КА могут быть укрыты ЭВТИ.
Термосопротивление – обеспечивает снижение интенсивности тепловых потоков между элементами конструкции КА. Термосопротивление изготавливаются из материалов, обладающих низкой теплопроводностью (Титан), λTi = 16,0·102 Вт/(м · ̊К).
Методика расчета термомостов и термосопртивлений основано на законе Фурье. В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры (то есть в сторону скорейшего убывания температуры): q = - λ grad(T);
где q - вектор плотности теплового потока, проходящего в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, λ — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность, Вт/(м·K)., T — температура.
15
ПАССИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
В интегральной форме это же выражение запишется так, если речь идёт о cта- ционарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой: P = - λ˖F˖∆T/l, где P — полная мощность тепловых потерь, F — площадь сечения параллелепи- педа, ∆T— перепад температур граней, l — длина параллелепипеда (расстояние между гранями).
Согласно гипотезе Фурье, количество теплоты d2Q , проходящее через элемент |
||
|
|
τ |
изотермической поверхности dF за промежуток времени dτ, пропорционально |
||
температурному градиенту |
: |
. |
Количество теплоты, |
прошедшее |
единицу времени через единицу |
изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока q(qх, qy, qz):
, , 
.
В качестве граничных условий принимаются следующие:
-первого рода, когда задается распределение температуры на поверхности тела в функции времени;
-второго рода, когда задается плотность теплового потока для всей поверхности в функции времени;
-третьего рода, когда задаются температура toc окружающей среды и закон теплопередачи между поверхностью тела и окружающей средой
(закон Ньютона - Рихмона): d2Qτ = α˖(tc – toc)˖dF˖τ.
16
ПАССИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Здесь: tc — температура поверхности тела;
α — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м2·К). Коэффициент теплоотдачи численно равен количеству теплоты, отдаваемому или воспринимаемому единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью тела и окружающей средой в один градус. Этот коэффициент учитывает все особенности явлении теплообмена, происходящие между поверхностью тела и окружающей средой. Плотность теплового потока, передаваемого от поверхности тела в окружающую среду.
Тепловые аккумуляторы – устройства, обеспечивающие накопление избыточной температуры элементов КА или теплоносителей. Принцип действия тепловых аккумуляторов основывается на использовании рабочих веществ, температура плавления которых близка к требуемой температуре элементов КА. При увеличении тепловыделения происходит плавления рабочих веществ, а при снижении тепловыделения рабочее вещество переходит из жидкого состояния в твердое. Эти процессы протекают при постоянной температуре, обеспечивая стабилизацию температур элементов КА вблизи номинальных значений.
Необходимо отметить следующее: основной недостаток всех пассивных средств системы теплового режима КА – отсутствие возможности обеспечить заданные температурные диапазоны на борту КА с требуемой точностью.
17
ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Кафедра космического машиностроения.
Лекция 4
.
Самара 2017
АКТИВНЫЕ СИСЕМЫ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА
Принципы построения СТР. В общем случае СТР включает в себя:
-средства принудительного теплообмена между элементами КА и окружающей средой;
-средства регулирования температуры (средства автоматики).
Средства принудительного теплообмена основаны на механизме принудительного конвективного теплообмена и выполняются в виде гидравлических и ли вентиляционных систем.
Как правило на борту имеется избыток тепла, и работа СТР сводится к сбросу тепла в окружающее пространство. Однако для отдельных отсеков, не имеющих внутреннего тепловыделения, на теневых участках орбиты может иметь место недопустимое снижение температуры. В этом случае СТР должна обеспечить подвод теплоты к этим отсекам либо от теплонапряженных отсеков, либо от специальных нагревателей.
КА является сложной системой с множеством элементов, каждый из которых требует обеспечения определенного температурного режима. Естественно, что регулирование температуры всех элементов КА практически невозможно. Поэтому основным принципом регулирования температурного режима КА является формирование стабилизированного теплового состояния, ограниченного числа элементов (как правило, теплоносителей) и организация тепловых связей с такими другими других элементов.
Взависимости от способа теплообмена с окружающей средой все СТР делятся на две группы: испарительные СТР и радиационные СТР.
Виспарительных СТР сброс тепла в окружающее пространство осуществляется за счет использования теплоты и сброса его за борт КА.
На схеме тепло, выделяемое работающим прибором 1, передается газу, заполняющему отсек. Вентилятор 11 прокачивает газ отсека через теплообменник-испаритель 9, в который с помощью вытеснительной системы подается хладогент. Испарившийся хладогент через редукционный клапан 10 выбрасывается за борт КА. НА схеме обозначено: 1 – прибор, 2 – блок управления, 3 – датчик температуры газа, 4 – баллон с газом, 5 – электро-
пневмоклапан, 6 – рудуктор, 7 – запас хладогента, 8 – вентиль, 9 – тепло-
2
11
АКТИВНЫЕ СИСЕМЫ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА
обменник-испаритель, 10 – редукционный клапан, 11 – вентилятор.
В качестве хладогента используется вода, обладающая большой теплотой парообразования. Необходимая температура хладогента обеспечивается путем поддержания определенного давления в теплообменнике-испарителе 9 за счет настройки редукционного клапана 10. При давлении 0,0065…0,0075 кГ/см2 вода кипит при температуре 1…3̊С. Регулирующим параметром является температура газа в отсеке, замеряемая датчиком температуры газа 3. Информация от датчика передается в блок управления 2, который изменяет расход хладогента через теплообменник-испаритель 9.
Достоинство испарительной СТР является простота и надежность системы. Основной недостаток – расход хладогента в процессе работы.
В радиационных СТР сброс или подвод тепла осуществляется за счет лучистого теплообмена ра- диатора, омываемого теплоносителем, с окружаю- щей средой. В СТР такого типа обеспечивается заданная температура в отсеке путем отбора тепла из потока воздуха и передачи его хладогенту в ГЖА 6 с последующим сбросом в космос через радиатор лучистого тепло обменника 9. На схеме обозначены: 1- источник тепла, 2- датчик температуры, 3 – блок
3
АКТИВНЫЕ СИСЕМЫ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА
управления СТР, 4 – регулятор расхода хладогента, 5 – гидронасос, 6 - газожидкостный агрегат (ГЖА), 7 – вентилятор ГЖА, 8 – гидронасос, 9 – радиационный теплообменник.
СТР с жидкостным контуром. В данный типе СТР каждый прибор 1 должен иметь свой гидравлический контур 2. Жидкий теплоноситель прокачивается гидроблоком 3 через контур охлаждения приборов 1 и отбирает тепловую энергию, которая передается выносному радиационному теплообменнику 4 и
сбрасывается в космос. На схеме обозначены: 5 – вентиль, 6 – блок управления, 7 – датчик температуры жидкости.
В рассмотренных СТР присутствует практических одна схема теплообмена -
между поверхностью твердого тела и движущейся средой, соприкасающейся с этой поверхностью, которую можно описать законом Ньютона-Рихмана.
Согласно этому закону тепловой поток Q от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур
t = (tc - tж) жидкости и стенки:
Q = α (tc - tж) F, [Вт]
Разность температур (tc - tж) или (tж - tc) называют температурном напором.
4
АКТИВНЫЕ СИСЕМЫ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА
Уравнение Ньютона-Рихмана для всего тепла Qτ, передаваемого за время τ запишется:
Qτ = α (tτ - tж) Fτ, [Дж] ,
а для плотности теплового потока: q = α (tτ - tж) = α∆t, [Вт/м2] .
Эти уравнения записаны для случая tc> tж. Если tж< tc, то в эти уравнения нужно
записать tж - tc.
Коэффициент пропорциональности α, входящий в уравнение Ньютона- Рихмана, называется коэффициентом теплоотдачи. Он учитывает конкретные условия процесса теплоотдачи, влияющие на его интенсивность и имеет размерность: [α] = Вт/м2 ̊К
Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность теплообмена на границе жидкость - стенка и численно равен количеству тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности, при разности температур между поверхностью и жидкостью в один градус. Коэффициент теплоотдачи α в общем случае является функцией многих величин и зависит от многих факторов: динамической вязкости теплоносителя μ, плотности теплоносителя ρ, от скорости движения теплоносителя v, коэффициента теплопроводности λ, теплоемкости С, от типа течения (ламинарного или турбулентного), от площади поверхности F, температуры источника тепла и других.
5
АКТИВНЫЕ СИСЕМЫ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА
В общем случае коэффициент теплоотдачи изменяется по поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности и локальный или
местный коэффициент теплоотдачи.
Тепловые трубы в СТР КА. |
Тепловые трубы (ТТ) – замкнутые |
|
герметичные устройства, |
|
обладающие высокой теплопроводностью |
|
и обеспечивающие терморегулирование |
|
путем перераспределения тепловых потоков |
|
на борту КА. ТТ состоит из участка испаре- |
|
ния и участка конденсации. Тепловая труба |
|
может иметь еще одну зону – адиабатный |
|
участок, разделяющий испаритель и конден- |
|
сатор. Классическая ТТ представляет собой |
вытянутый в длину герметичный, тонкостенный металлический сосуд 1, внутренние стенки которого выложены капиллярно-пористым материалом - так называемым фитилём 2. Фитиль имеет малую толщину и пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объём 3, свободный от фитиля, заполнен паром этой жидкости и является паровым каналом.
Тепловой поток от источника заставляет жидкий теплоноситель переходить в пар при температуре в зоне приемника тепла и переходить в жидкое состояние
6