6.2. ВНЕШНИЙ ТЕПЛООБМЕН

В космическом пространстве вне пределов атмосферы планет единственным видом теплообмена КА с окружающим его пространством (если исключить процессы, связанные с выбросом масс) является теплообмен излучением. Поверхность КА поглощает падающую на нее лучистую энергию и в свою очередь излучает в окружающее пространство энергию, равную сумме поглощенной и подведенной изнутри. Для КА, находящихся в окрестностях планет, имеющих атмосферу, внешним источником нагрева может стать тепловая энергия, выделяющаяся как при столкновении его поверхности с молекулами газа, так и за счет рекомбинации на его поверхности диссоциированных молекул. Для Земли эта энергия существенна на высотах менее 200 км, а на высотах более 250 км она настолько мала, что практически не влияет на температуру поверхности КА.

Обычно при расчете теплообмена между телами, имеющими близкие температуры, считают, что степень черноты поверхности е равна коэффициенту поглощения падающего теплового потока Л.

Особенность процессов теплообмена в космическом пространстве состоит в том, что они происходят между телами, имеющими существенно различные температуры: Солнце - основной источник тепловой энергии имеет эффективную температуру поверхности около 5800 К, поверхности КА и планет - температуру порядка сотен Кельвинов, «черное» космическое пространство - температуру, близкую к 4 К.

Основная доля энергии солнечного излучения (~92%) приходится на диапазон длин волн от 0,3 до 3 мкм, а основная доля энергии излучения планет и поверхностей КА - на диапазон длин волн свыше 4 мкм.

Для селективно излучающих материалов коэффициент поглощения падающего теплового потока существенно зависит от диапазона длин волн, в котором переносится этот тепловой поток. Поэтому для таких материалов в общем случае коэффициент поглощения солнечной радиации A_S не равен степени черноты е. Коэффициенты as и е обычно называют тепловыми радиационными характеристиками поверхности. Подбирая материалы с одной и той же степенью черноты, но с различными коэффициентами поглощения солнечной радиации, можно, при прочих равных условиях, получать различные температуры поверхности, освещаемой Солнцем.

Тепловой поток, идущий от планеты, состоит из собственного излучения и отраженной от планеты солнечной радиации. Коэффициент поглощения отраженной от планеты солнечной радиации в силу своей природы близок к коэффициенту поглощения солнечной радиации A_S, а коэффициент поглощения собственного излучения планеты может быть принят равным степени черноты е поверхности КА, так как излучение обоих тел приходится в общем на один и тот же диапазон длин волн.

Учитывая, что тепловой поток, излучаемый поверхностью, в соответствии с законом Стефана - Больцмана пропорционален температуре в четвертой степени и степени черноты поверхности, для элемента поверхности КА уравнение теплового баланса будет иметь вид

(6.1)

где m_i, C_i, T_i - масса единицы поверхности элемента КА, его теплоемкость и температура соответственно;

Ф_солнi, Ф_отрi, Ф_собi - солнечный тепловой поток, тепловой поток, отраженный от планеты, и собственное излучение планеты, падающие на эту поверхность;

Ф_внi - тепло, подведенное от смежных элементов;

τ - время;

σ - постоянная закона Стефана - Больцмана.

Из уравнения (6.1) следует, что при освещении Солнцем при прочих равных условиях температура поверхности зависит от ее радиационных характеристик, а при отсутствии тепловых потоков от смежных элементов и от планеты - только от отношения A_S/ε.

Поверхности, имеющие заданные радиационные характеристики и предназначенные для организации внешнего теплообмена, называют радиационными поверхностями.

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, A_S= 0,1 - 0,99 и A_S/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).

Если основным тепловым потоком, поступающим на поверхность КА, является собственное излучение планеты, при любых покрытиях при отсутствии внутреннего теплоподвода поверхность принимает температуру, соответствующую этому тепловому потоку. Это создает немало трудностей при разработке СОТР КА для посадки на поверхности планет или их спутников, не имеющих атмосферы (Меркурий, Луна), так как в этом случае теплообмен с окружающим пространством, как и при нахождении на орбите, в основном происходит за счет излучения.

При отсутствии внешних тепловых потоков, падающих на поверхность КА, ее температура определяется степенью черноты поверхности и количеством тепла, подведенного от смежных элементов КА.

Во всех случаях полностью решить проблему обеспечения теплового режима нанесением покрытий с определенными радиационными характеристиками невозможно. При изменении внешнего теплового потока и внутреннего тепловыделения в таких пределах, когда обеспечить сохранение заданного диапазона температур подбором as и е нельзя или когда внешний тепловой поток имеет характеристики, исключающие возможность получения требуемых температур, используют другие способы регулирования внешнего теплообмена (рис. 6.1,а).

Эффективным способом регулирования температуры поверхности КА является изменение его ориентации в пространстве относительно падающего теплового потока. Но так как в этом случае ориентация КА будет подчинена обеспечению теплового режима, могут создаться определенные трудности для выполнения его основных задач полета, что практически исключает использование этого способа.

Рис. 6.1. Основные способы регулирования внешнего теплообмена: а - подбор покрытий с определенными радиационными характеристиками; б - створчатые жалюзи; в - жалюзи в виде экранов, перемещающихся параллельно поверхности; г - экранирование поверхности; д - изолированная радиационная поверхность; е - экранно-вакуумная теплоизоляция; ж - испарительная система; 1 - поверхность КК; 2 - створки; 3 - жалюзи; 4 - экран; 5 - радиационная поверхность; 6 - изоляция; 7 - трубопровод с теплоносителем; 8 - датчик температуры, управляющий перепускным клапаном; 9 - перепускной клапан; 10 - внешний слой с определенными радиационными характеристиками; 11 - металлизированная пленка; 12 - стеклосетка; 13 - емкость с рабочим телом; 14 - испаритель; 15 - сопло, сбрасывающее пары в вакуум

Другим способом регулирования лучистого теплообмена являются жалюзи (рис. 6.1,6, в) - подвижные экраны, которые, перемещаясь, открывают или закрывают участки поверхности с различными радиационными характеристиками.

Жалюзи перемещаются с помощью исполнительного механизма, реагирующего непосредственно на температуру поверхности, или специальных приводов, работающих по командам чувствительного элемента, реагирующего на изменение температуры газа или жидкости, циркулирующих вдоль поверхности. Хотя жалюзи и эффективны при регулировании лучистого теплообмена, однако их возможности ограничены радиационными характеристиками покрытий при данном поле внешних тепловых потоков.

Более эффективным способом регулирования внешнего теплообмена является создание специальных радиационных поверхностей, отделенных от корпуса КА (рис. 6.1, д). В таких системах внешний теплообмен регулируется за счет изменения тепловых связей между радиационной поверхностью и внутренними объемами. Естественно, что температура такой поверхности меняется в зависимости от количества тепла, излучаемого ею.

Поверхности, предназначенные для сброса тепла, располагают по возможности так, чтобы они получали минимальное количество внешних тепловых потоков, и наносят на них покрытия, имеющие степень черноты ε→1 и коэффициент поглощения солнечной радиации A_S→0.

Системы с изолированными радиационными поверхностями, способны сбрасывать тепло и в тех случаях, когда внутренние тепловые нагрузки и поле внешних тепловых потоков таковы, что не позволяют получить заданные температуры с помощью терморегулирующих покрытий. Для этого в системе передачи тепла изолированной радиационной поверхности должна быть установлена холодильная машина.

Средствами регулирования внешнего теплообмена являются и мероприятия, сводящие к минимуму теплообмен поверхности с окружающим пространством: нанесение покрытий с минимальными значениями коэффициентов A_S и ε, экранирование поверхности или защиту ее изоляцией (рис. 6.1,г, ж). При установке над поверхностью нескольких экранов с одинаковой степенью черноты тепловой поток, излучаемый поверхностью в космическое пространство (при отсутствии внешнего теплового потока), уменьшается в n+1 раз, где n - число экранов.

Стремление к созданию конструкции с максимальным числом экранов при их минимальной массе привело к появлению экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) - пакета экранов, выполненных из фольги или металлизированной пленки толщиной 5 - 10 мкм, переложенных для уменьшения контактов между ними стекловуалью или стеклосеткой. Возможно применение пакетов экранов и без прокладок между ними, но в этом случае экраны имеют рифление, обеспечивающее точечные контакты между ними. Свойства ЭВТИ существенно зависят от температуры, так как основной теплообмен в ней осуществляется излучением; ее достоинством по сравнению с другими видами изоляции являются малые массовые затраты в вакууме на единицу термического сопротивления (в 5 - 10 раз меньше, чем у пористых изоляционных материалов).

К средствам, регулирующим внешний теплообмен, относят и испарительные системы, использующие теплоту фазовых превращений веществ для поглощения энергии, выделяющейся в КА или получаемой им в результате внешнего теплообмена (рис. 6.1,ж). Обычно в таких системах в качестве рабочего тела используют воду как вещество, имеющее максимальную скрытую теплоту испарения, а ее пары сбрасывают в окружающий КА вакуум. Подобные испарительные системы применяют в случаях, когда почему-либо невозможно обеспечить требуемый теплообмен с окружающим пространством средствами, описанными выше, или когда масса испарительной системы вместе с запасами воды в силу кратковременности сброса энергии меньше, чем масса радиационных поверхностей, необходимых для этого.