Особенности систем охлаждения космических ЛА и их электрооборудования

Задачи систем охлаждения (СО) на КЛА существенно шире, чем в ави­ации. Кроме общепринятой задачи ограничения температуры узла (тепловой защиты) СО обеспечивает здесь и подогрев некоторых уз­лов, выравнивает температуру отдельных из них с разными услови­ями охлаждения и разными потерями, выполняет некоторые функции системы кондиционирования или интегрирована с ней (поддерживает температуру и влажность в отсеках).

Система обеспечения теплового режима (СОТР) является важней­шей составной частью общей системы обеспечения жизнедеятельности на борту КЛА и обеспечивает необходимый тепломассообмен как меж­ду всеми элементами на борту, так и с внешней средой.

Особенности теплового режима всего КЛА и его элементов определяются прежде всего тем, что КЛА эксплуатируется в практически безвоздушном пространстве и теплопередача о наружной поверхности КЛА возможна лишь излучением, а естественная конвекция отсутству­ет. Температура окружающего пространства в космосе близкая к абсолютному нулю (4K), поэтому при полетах в тени Земли и в дальнем космосе поверхность КЛА может значительно переохлаждаться.

Но в космическом пространстве на КЛА воздействует не только холод. На поверхность KЛA и размещенные на ней приборы воздейст­вует излучение Солнца, Земли и других планет. Наибольшее значе­ние имеет излучение Солнца. Мощность солнечного излучения зави­сит от расстояния орбиты КЛА до Солнца и составляет вблизи Земли - 1400 Вт/м².

На КЛА действует не только непосредственный поток солнечно­го излучения, но еще и часть отраженного от Земли солнечного теплового потока, которая зависит от характера поверхности Земли, времени года, состояния атмосферы и пр. Но отражаемый от Земли поток довольно заметно уменьшается с удале­нием от ее поверхности – до 50% на высоте 300 км, менее 5% на высоте 10 000 км и т.д.

Часть падающего на поверхность КЛА тепла поглоща­ется его поверхностью, а часть отражается во внешнее пространст­во. Мощность излучения , поглощенная поверхностью КЛА, сос­тавит:

(Вт),

где (м²) – проекция поверхности КЛА на направление, перпен­дикулярное излучению; – коэффициент поглощения; (Вт/м²) – удельная мощность (плотность) суммарного излучения, действующего на КЛА.

Вся поглощенная поверхностью КЛА мощность при установившей­ся температуре поверхности снова излучается в окружающее КЛА пространство. Значение мощности излучения определяется по уравнению Стефана-Больцмана. Установившейся температура поверх­ности КЛА существенно больше температуры окружающей среды , то выражение получим в виде

(K),

где – степень черноты поверхности; – поверхность излучения.

Таким образом, температура поверхности зависит от удельной мощности совокупного действующего излучения , отношения площадей воспринимающей и излучающей поверхностей, отно­шения коэффициента поглощения и степени черноты поверхнос­ти КЛА. Чтобы представить порядок величин температур поверхнос­тей, проделаем простейшие расчеты полированной поверхности пластинки (; ), расположенной перпендикулярно солнечным лучам и теплоизолированную с зад­ней стороны (т.е. ), учтя лишь непосредственное солнечное излучение. Для этих условий получим:

,

т.е. температуру поверхности очень высокую, недопустимую для работы приборов и экипажа внутри станции.

Для уменьшения температуры необходимо, во-первых, уменьшить отношение площадей поверхностей . Этому способствует ци­линдрическая форма КЛА. При этом определяется площадью поверх­ности КЛА на направление, перпендикулярное солнечным лучам (так называемый мидель тела) , а площадь определяется полной боковой поверхностью (пренебрегая площадью торцев), т.е. и отношение . Во-вторых, необходимо уменьшить отношение . Нанесением на поверхность специаль­ных лакокрасочных покрытий можно уменьшить до 0,5 и мень­ше. В случае, если , а , значение сред­ней температуры поверхности равно

.

Таким образом, соответствующим выбором формы КЛА (), покрытий и обработки его поверхностей, меняющих их оптические свойства (), можно защитить КЛА и находящиеся внутри его экипаж и приборы от нагрева за счет внешнего излучения, в первую очередь, Солнца.

Для предохранения же КЛА от переохлаждения при нахождении в тени планеты его поверхность имеет специальную теплоизоляцию ("шубу"), утепляющую КЛА в космическом вакууме. Она может, нап­ример, быть выполнена из большого числа слоев металлизированной пленки, чередующихся со слоями низкотеплопроводной ткани (типа стеклоткани). Из-за многосложности такой "шубы" теплопередача через нее и теплопроводностью и излучением весьма незначительна.

Исполнение теплозащиты существенно зависит от функциональ­ного назначения КЛА. Естественно, оно имеет значительные особен­ности для спускаемых КЛА, входящих в атмосферу Земли или других планет с большими скоростями, и особенно для КЛА многоразового использования. Но общая задача обеспечения теплового режима КЛА обычно не может решаться лишь силами пассивных средств тепловой защиты. В первую очередь, это связано с наличием разно­образных внутренних источников тепловыделения на КЛА.

На борту КЛА размещаются различные приборы и системы, сред­ства контроля и информации и пр., суммарная средняя потребляемая мощность которых приблизительно равна мощности систем питания с их потерями. Среднее тепловыделение на борту, например, для типового спутника связи составляет примерно 1,5÷2 кВт, а для пилотируемой орбитальной станции до 10÷15 кВт.

Для обитаемых КЛА должен быть обеспечен также и отвод теп­ла, выделяемого организмом космонавта. Среднее тепловыделение человека составляет ≈ 80 Вт в покое (сон) и 270 Вт – при работе (для отвода такого тепла в первых скафандрах космонавта, разра­ботанных в США фирмой "Литтон Индастрис", требовалась циркуляция воздуха с расходом 620 л/мин).

При установившемся тепловом режиме все выделяемое внутри КЛА тепло должно быть "сброшено" в окружающую среду. Для этого в теплозащитной изоляции "шубе" делаются окна, так называе­мые радиационные поверхности. Общая площадь этих поверхностей составляет небольшую долю от общей площади поверхности КЛА. Сами радиационные по­верхности желательно размещать на поверхностях КЛА, минимально освещаемых Солнцем.

Задача теперь состоит в передаче тепла от его источников до радиационных поверхностей с минимальным перепадом температур. Самым простым и экономичным решением было бы размещение всех теп­ловыделяющих устройств на радиационных поверхностях. Но для этого потребовалась бы площадь радиационных поверхностей большая, чем вся площадь поверхности КЛА, да и по функциональному назначению устройств это невозможно.

Особенностью условий охлаждения внутри КЛА является невоз­можность передачи тепла естественной конвекцией благодаря неве­сомости. Теплопередача к радиационным поверхностям излучением также практически отсутствует – поскольку приборы или отгорожены другими приборами или расположены вне прямой видимости радиацион­ной поверхности. И передача тепла в естественных условиях возмож­на лишь теплопроводностью. Но при большой удаленности приборов от радиационных поверхностей это требует массивных тепловодов и неэффективно.

Наиболее простым путем отвода является использование прину­дительной или вынужденной конвекции. Внутри КЛА устанавливается большое число вентиляторов, которые обдувают и космонавтов и при­боры. Теплый воздух по специальным воздуховодам направляется к радиационным поверхностям, а охлажденный, он возвращается к приборам и экипажу. Наиболее мощные источники тепла имеют свои вен­тиляторы, включаемые одновременно с прибором. Размещение различ­ных блоков аппаратуры целесообразно по возможности (с учетом их функциональных взаимосвязей) так, чтобы обеспечить равномерность тепловыделения по объему КЛА.

В КЛА больших размеров, с большими потерями использование в качестве теплоносителя только газа нецелесообразно: вследствие малых коэффициентов теплоотдачи тре­буется перемещение больших объемов газа на большие расстояния, необходимы газопроводы, занимающие много места, нужны значитель­ные мощности для работы мощных вентиляторов, потребуются большие приемные поверхности для передачи тепла от газа к радиационным поверхностям. В этом случае переходят к системам охлаждения с промежуточным теплоносителем. Вблизи источников потерь располага­ют вентиляторы и теплообменники. Нагретый воздух, проходя по кана­лам теплообменника, отдает тепло жидкости, а последняя жидкостными насосами направляется к радиационным поверхностям, где она охлаждается. Некоторые приборы - источники тепла – монтируются на ра­диаторах, непосредственно охлаждаемых жидкостью. Применение про­межуточного теплоносителя позволяет одновременно решить и ряд других проблем: обогрев некоторых приборов и поверхностей станции теплом охлаждающей жидкости, поддерживать температуру и влажность воздуха в отсеках КЛА.