Глава IV. Проектування систем життєзабезпечення ка

20. Системи забезпечення теплового режиму

Система забезпечення теплового режиму (СЗТР) складається з комплексу засобів, що здійснюють підтримку теплового режиму КА.

В тепловому відношенні для КА має виконуватись рівняння теплового балансу:

, (20.1)

де – маса, питома теплоємність і температура і-ого елементу,

– тепловий потік до КА ззовні,

– тепловий потік, що обумовлений виділенням тепла всередині КА,

– тепловий потік, що КА випромінює в зовнішній простір.

Зовнішній потік тепла складається з прямої сонячної радіації , сонячної радіації відбитої від Землі – , теплового випромінення планети Земля , тепла від зіткнення з молекулами – і можливої рекомбінації на поверхні КА атомів газу атмосфери – , що в цілому дасть:

+ + , (20.2)

де , – коефіцієнт поглинання сонячної радіації і ступінь чорноти (оптичні коефіцієнти) зовнішньої поверхні КА.

Теплові потоки обраховуються по формулі:

(20.3)

де – питомий (на одиницю площі міделя) тепловий потік;

– площа міделя КА в напрямку питомого теплового потоку .

За межами атмосфери питомий тепловий потік прямої сонячної радіації:

, (20.4)

де T_Θ=5755K – температура поверхні Сонця;

=5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴) – постійна Стефана – Больцмана;

– радіус Сонця;

– відстань від центру Сонця до КА, м.

Величина на орбіті Земля (на відстані одної астрономічної одиниці – 1а.о.=1,495·10¹¹м) називається сонячною постійною S₀.

Питомий тепловий потік відбитої сонячної радіації при дифузійному відбитті від планети ( )

, (20.5)

при дзеркальному відбитті ( ):

(20.6)

де – зенітна відстань Сонця відносно КА і висоти орбіти Н;

– астрономічна широта;

=0,37 – альбедо планети;

, – середній радіус планети;

H – висота орбіти КА.

Значення кута визначається із рівняння

. (20.7)

Питомий тепловий потік можна визначити по графіках (рис. 20.1).

Питомий тепловий потік випромінення планети обчислюється за формулою

. (20.8)

Для КА значення q_пл залежить від висоти орбіти Н над планетою (рис. 20.2)

Рис. 20.1 Зміна питомого теплового потоку відбитої сонячної радіації в залежності від та висоти орбіти Н.	Рис. 20.2 Зміна питомого теплового потоку випромінення планети в залежності від висоти Н орбіти КА ( - альбедо).
Рис. 20.3 Зміна питомого молекулярного теплового потоку в залежності від висоти орбіти Н.

Питомий молекулярний тепловий потік дорівнює:

, (20.9)

де – коефіцієнт акомодації ( );

– щільність атмосфери на висоті Н;

V – швидкість руху КА по орбіті.

Для КА залежить від висоти орбіти Н (рис. 20.3).

Питомий тепловий потік рекомбінації атомів може бути підрахований як:

, (20.10)

де n – число атомів, що наштовхнулись на поверхню за секунду;

– ефективність рекомбінації ( );

Е₁ – енергія рекомбінації на атом газу;

залежить, як і попередньо розглянуті потоки тепла, від Н.

Внутрішній тепловий потік залежить від програми роботи обладнання і екіпажу:

(20.11)

де – потужність електроенергії, що споживає обладнання;

– тепловий коефіцієнт корисної дії апаратури ( );

– тепло, що виділяється екіпажем (в середньому на одного члена екіпажу 100÷200Вт).

Необхідний тепловий режим КА підтримується пасивними і активними засобами. До пасивних засобів відносять цілеспрямоване розташування приладів і обладнання; поглинання тепла приладами, конструкцією, паливом і спеціальними теплопоглиначами; створення „теплових містків” в місцях кріплення приладів для відводу тепла на конструкцію; теплоізолювання приладів і КА в цілому; застосування екранів від сонячної радіації; забезпечення заданих оптичних характеристик поверхні КА з застосуванням спеціальних покриттів, обробок і фарбуванням окремих ділянок; вибір форми і орієнтації КА.

Сутність активних засобів заключається у виводі надлишкового тепла за межі КА за допомогою газоподібних або рідинних теплоносіїв, а при переохолодженні – в підводі тепла.

СЗТР ділять за призначенням (основні і аварійні; загальні, автономні і локальні, одноконтурні і багатоконтурні) та по засобу передачі тепла з внутрішнього об’єму КА в оточуючий простір (випарювальні, радіаційні і комбіновані). В випарювальних СЗТР тепло відводиться в процесі випаровування рідкого охолоджувача, пари якого викидаються за борт КА, в радіаційних – шляхом випромінення з зовнішньої поверхні космічного радіатора.

Компоновка СЗТР може бути контейнерною і блочною. При контейнерній компоновці обладнання розміщують в декількох герметичних відсіках, в яких підтримується задана температура, що дозволяє знизити енергозатрати на терморегулювання. При блочній компоновці розрізняють теплогенеруючі і нетеплогенеруючі блоки. Для відводу тепла з теплогенеруючих блоків застосовують примусову циркуляцію газу у відсіки.

Розрізняють прямоточний і циркуляційний обдув обладнання. При прямоточному обдуві із теплогенеруючих блоків за допомогою газоводів організують протиточні теплообмінники з паралельно-послідовним потоком. При циркуляційному обдуві, коли лише вирівнюється загальна температура у відсіку, можливий місцевий перегрів (переохолодження) обладнання, а тому додатково застосовують локальні засоби терморегулювання. Локальне терморегулювання застосовують також в блоках поза герметичними відсіками для охолодження приладів при великій потужності розсіювання, а також для забезпечення роботи приладів у вузькому інтервалі робочих температур. Для локального терморегулювання застосовують обдув вентиляторами, електропідігрів, циркуляцію теплоносіїв через канали в платах приладів, теплові трубки.

Для важкопрогнозованих випадків терморегулювання застосовують двохконтурні СЗТР, що включають контури підігрівання і охолодження. В контурі підігрівання передбачається джерело енергії (наприклад ізотопний генератор тепла), в контурі охолодження – наявність космічного радіатора.