6.3. ВНУТРЕННИЙ ТЕПЛООБМЕН

Внутренний теплообмен должен обеспечить отвод тепла от тепловыделяющих приборов и перенос его к радиационным поверхностям КА, а также перераспределение тепла между различными элементами КА, в частности между оболочками, находящимися в теплообмене с окружающим пространством.

При отсутствии в КА специальных средств переноса тепла между его элементами теплообмен осуществляется излучением между поверхностями и теплопроводностью по элементам конструкции или среды, заполняющей герметичный объем (при отсутствии средств, обеспечивающих принудительную циркуляцию, практическое отсутствие свободной конвекции при полете по орбите просто превращает газ или жидкость в среду, обладающую только теплопроводностью).

Для интенсификации теплообмена излучением внутренние поверхности КА обычно имеют степень черноты е-1. Излучением на 1 К перепада между двумя «черными» параллельными пластинами при температуре около 300 К можно передать около 5,5 Вт/м² тепловой энергии. Лучистый теплообмен мало пригоден при передаче тепла в «загроможденном» объеме или при охлаждении элементов (например, радиоэлектронной аппаратуры), имеющих плотности тепловыделения порядка нескольких ватт на квадратный сантиметр.

Передача тепла через специальные металлические теплопроводы позволяет существенно увеличить интенсивность тепловых потоков, но требует значительных затрат массы. Часто в качестве теплопроводов используют элементы конструкции, а специальные теплопроводы - как правило, при передаче тепла на небольшие расстояния. Это заставляет искать пути принудительного переноса тепла; наиболее простым из них является перенос тепла газом, совершающим движение с помощью вентиляторов в герметичных контейнерах.

Однако коэффициент теплоотдачи от газа к стенке при его движении с небольшими скоростями сравнительно невелик (в плоской щели шириной 10 мм он составляет всего около 8 Вт/м²). Поэтому для интенсификации теплообмена необходимо делать щели более узкими или устанавливать ребра, что ведет к увеличению массы конструкции и мощности вентиляторов, обеспечивающих движение газа.

Увеличить коэффициент теплоотдачи от газа к стенке в 5-6 раз можно за счет заправки герметичных контейнеров гелием, однако многие электронные приборы в атмосфере гелия работать не могут.

В КА с тепловыделяющей аппаратурой, расположенной в негерметичных отсеках, для передачи больших количеств тепла на изолированную радиационную поверхность или отвода (подвода) тепла от источников большой мощности с большой удельной плотностью тепловыделения используют жидкие теплоносители, циркулирующие в трубопроводах жидкостных контуров.

При поддержании температур циркулирующего теплоносителя в заданных пределах теплоноситель кроме переноса тепла будет стабилизировать и температуру элементов, имеющих непосредственный тепловой контакт с ним. Так, нуждающиеся в охлаждении приборы устанавливают на термостатируемые платы, через которые циркулирует теплоноситель, или подают теплоноситель непосредственно в приборы для охлаждения теплонапряженных элементов.

В качестве теплоносителей используют углеводороды, кремний органические жидкости, фреоны, водные растворы этиленгликоля, воду и т. п.

Для передачи тепла на небольшие расстояния и отвода его от источников с большой плотностью тепловыделения могут быть использованы тепловые трубы - устройства в виде замкнутого герметичного объема, заполненного рабочим телом и покрытого изнутри смачиваемой капиллярно-пористой структурой. Часть рабочего тела, заполняющего объем, находится в паровой фазе, часть - в жидкой, причем последняя должна заполнять всю капиллярно-пористую структуру. Если в таком объеме имеются зоны с различными температурами, то в зоне повышенной температуры рабочее тело будет испаряться, а в зоне пониженной температуры- конденсироваться. При этом за счет разности давлений, вызванной конденсацией, пар из зоны испарения будет перемещаться в зону конденсации, а жидкость по капиллярно-пористой структуре за счет капиллярных сил из зоны конденсации будет поступать в зону испарения. В тепловых трубах в качестве рабочего тела используют воду (для температур 300 - 400 К), ацетон, фреоны, аммиак (для температур 200 - 350 К) и т. п. Плотность теплового потока может составлять десятки ватт на квадратный сантиметр поперечного сечения тепловой трубы.