КЛА ЭКЗик / 45

Источники нагрева КА.

Космический аппарат, находящийся на орбите ИСЗ подвергается сложному тепловому нагружению. С одной стороны орбиты, освещенной Солнцем, он интенсивно нагревается, с другой стороны орбиты, обращенной в космос, интенсивно охлаждается. Наличие солнечных батарей вынуждает ориентировать космический аппарат перпендикулярно солнечным лучам, если батареи не имеют механизма разворота, а это приводит к нагреву практически одной стороны аппарата

Схема тепловых потоков, действующих на космический аппарат на околоземной орбите.

1 –Земля, 2 – космический аппарат на круговой околоземной орбите (с теневой зоной), 3 – теневая зона орбиты, 4 – солнечная орбита, Потоки: Q_с – солнечное излучение, Q_п - собственное излучение Земли, Q_о – отраженное от Земли солнечное излучение, Q_и – тепловой поток, излучаемый поверхностью космического аппарата.

Где - масса единицы поверхности, ее теплопроводность и температура, соответственно; t –время; - постоянная Стефана-Больцмана; - лучистый поток излучаемый поверхностью аппарата; - лучистые потоки солнечного излучения, отраженного от планеты и собственного излучения планеты соответственно; - тепловой поток от смежных элементов конструкций; - тепло, подведенное от внутренних источников тепловыделения

Компоновка системы терморегулирования (СОТР)

Для поддержания температур на всех элементах конструкции аппарата , приборах и агрегатах в допустимых диапазонах на всех этапах штатного функционирования КА оборудуются системой обеспечения теплового режима (СОТР). Рассмотрим системы обеспечивающие функционирование КА на основном этапе полета, поскольку они влияют на внешний облик аппарата и компоновку его отсеков.

Решение задачи обеспечения теплового режима связано с организацией теплопередачи от источников тепла (нагревателей) к стокам тепла (холодильникам). Все известные способы теплопередачи: конвекция, теплопроводность (кондукция) и излучение (радиация) имеют на борту КА существенные особенности использования.

Единственным способом теплообмена между КА и космическим пространством является теплообмен излучением (радиационный теплообмен). Поэтому при проектировании внешнего облика аппарата необходимо учитывать, что вся внешняя поверхность КА испускает, отражает или поглощает инфракрасное излучение. При компоновке КА, таким образом, часть поверхности может быть использована для пассивного и нерегулируемого теплообмена, а отдельные поверхности (радиаторы) приспособлены для активного управляемого теплообмена. Поверхность аппарата, теплообмен с которой нежелателен, должна экранироваться специальными теплоизоляционным покрытиями.

Система обеспечения теплового режима космического аппарата состоит из следующих основных подсистем:

- система теплоизоляции;

- система терморегулирования (СТР)

Система терморегулирования предназначена для стабилизации и управления тепловым балансом КА. Терморегулирующая система может быть основана либо на поглощении или выделении тепла внутри аппарата, либо на подводе или отводе тепла извне. В состав СТР входят пассивные и активные подсистемы терморегулирования.

Пассивные СТР предназначены для стабилизации поля температур и тепловых потоков и придания определенных теплофизических свойств системам и конструкции КА. Внутри КА для регулирования температуры могут использоваться реакции с выделением/поглощением тепла или изменение агрегатного состояния вещества. К пассивным СТР относятся:

- теплопроводы для перераспределения тепловых потоков внутри КА;

- теплоаккумулирующие элементы (с возможным изменением агрегатного состояния хладагента) для сглаживания резких перепадов температуры и температурных градиентов;

- радиационных поверхностей для калиброванного сброса избыточного количества тепла в окружающее пространство.

Активные СТР предназначены для управления тепловым балансом КА и, как следствие, температурой отдельных элементов. Такие системы включают в себя контуры управления тепловыми потоками, состоящими из объектов регулирования, датчиков, контроллеров (управляющих ЭВМ), и исполнительных органов. К исполнительным органам относятся:

- системы сбора и переноса тепла;

- регулируемые конвективные, термоэлектрические, теплоаккумулирующие и радиационные теплообменные аппараты;

- системы формирования циркуляционных полей для организации конвекции;

- нагревательные элементы для подвода дополнительной тепловой энергии к охлажденным элементам конструкции.

Основные компоновочные элементы СОТР

С точки зрения компоновки СОТР содержит как внутренние, так и внешние компоновочные элементы.

К внутренним компоновочным элементам относятся гидравлическая арматура (трубопроводы и клапаны), электромеханические агрегаты (электронасосные агрегаты, регуляторы расхода жидкости и вентиляторы), теплообменные аппараты, контроллеры и датчики.

Схемы поверхностных рекуперативных теплообменников: жидкостно-жидкостный (а) и газо-жидкостный (б).

В теплообменных аппаратах могут использоваться различные теплоносители как по химическому составу (вода, аммиак и пр.), таки по агрегатному состоянию (жидкость, газ). Каждый теплоноситель имеет свои специфические особенности, например, жидкие теплоносители более компактны, но имеется опасность их замерзания или кипения.

Рис.4 Схема тепловой трубы

Тепловые трубы имеют следующие ограничения по использованию [3]:

- звуковой предел, связанный с достижением скорости звука при движении пара в трубе

- капиллярные ограничения, лимитирующие расход жидкого теплоносителя

- температурные ограничения конструкции трубы и теплоносителя, при превышении которых труба и капиллярная система могут расплавиться, теплоноситель – закипеть.

Распространенным техническим решением в настоящее время является монтаж тепловых труб в сотовых панелях корпуса КА. Внешние слои таких панелей выполняются из алюминиевого сплава, обладающего высокой теплопроводностью. Внешняя поверхность таких панелей сама может быть использована в качестве радиатора. Тепловые трубы располагаются в срединном слое панели.

К внешним компоновочным элементам СОТР относятся радиаторы, теплоизоляция и оптические покрытия.

Радиаторы – радиационные теплообменники (РТО) предназначены для организации теплообмена КА с космическим пространством посредством излучения.

Конструктивно РТО состоит из излучающей (радиационной) поверхности, связанной кондуктивно (посредством теплопередачи) с объемами по которым циркулирует теплоноситель. Существует множество конструкций радиаторов, которые можно классифицировать разными способами [3]:

- По типу теплоносителя: без теплоносителя; с теплоносителем (жидким или газовым);

- По форме излучающей поверхности: плоские, цилиндрические, лепестковые и т.д.;

- По степени развитости поверхности: без оребрения; и с оребрением;

- По способу регулирования температуры: нерегулируемые, с регулируемым расходом теплоносителя, с регулируемой площадью, затеняемые жалюзи, с регулируемыми оптическими коэффициентами.

- По возможности изменения ориентации в пространстве: жестко связанные с корпусом КА, подвижные (ориентируемые);

На КА используется экранно-вакуумная теплоизоляция, представляющая собой пакет из большого числа (20..100) экранов – слоев тонкой пленки, на которую нанесено зеркальное покрытие, хорошо отражающее инфракрасное излучение. Для уменьшения теплопередачи слои пленки конструктивно разделены друг от друга так, что площадь касания слоев минимальна. Пространство между слоями дренируется, поэтом после выведения КА и дегазации между слоями отсутствует газ, что исключает конвективный теплоперенос..

Схема ЭВТИ.

Конструктивные схемы кронштейнов, применяемых для теплоизоляции блоков бортового оборудования. Для этого могут использоваться шайбы (а), стержни (б) или оболочки (в) из материала с низкой теплопроводностью, установленные между крепежными элементами. Блок аппаратуры устанавливается на таких кронштейнах точно также, как на виброизоляторах (г).

Варианты конструкции теплоизоляции соединений БО с корпусом КА: а – теплоизоляция при помощи шайб; б – теплоизоляция при помощи стержней; в – теплоизоляция при помощи оболочек; г – крепление блока аппаратуры на теплоизолирующих кронштейнах.