Общие сведения о системах обеспечения тепловых режимов

Система обеспечения теплового режима космического аппарата (СОТР) - комплекс средств в составе КА для обеспечения его теплового режима в процессе автономного полета . В состав СОТР в общем случае входят как средства активного регулирования теплообмена и переноса теплоты , объединяемая общим названием “ система терморегулирования”, так и средства пассивного терморегулирования - конструктивные элементы, организующие теплообмен излучением и теплопроводностью (покрытия или обработка, обеспечивающие определенные оптические характеристики поверхностей, тепловая изоляция и теплозащита и т.д.)[7].

Поддержание заданного теплового режима осуществляется организацией как внешнего теплообмена КА с окружающим пространством, так и внутреннего теплообмена и распределение теплоты между элементами КА. Однако тепловое состояние КА определяется не только специально организованными тепловыми связями, но в существенной степени и теплофизическими свойствами всех конструктивных элементов, образующих КА. Поэтому понятие “система” применительно к СОТР носит несколько условный характер, так как результаты работы системы , ее состав и параметры неразрывно связаны со свойствами конструкции, тепловое состояние которой она организует. Другими словами говоря, в организации теплового состояния КА участвует не только СОТР , но все его элементы: внешнее оборудование, корпус, рамы, агрегаты, приборы и т.п. В этих условиях , с учетом многообразия и разнородности требований к тепловому режиму различных частей КА создание СОТР невозможно без выполнения основного принципа - формирование стабилизированного теплового состояния ограниченного числа элементов аппарата, что позволяет путем организации тепловых связей с такими элементами стабилизировать в заданных пределах температуры остальных приборов и агрегатов. Например, применяя специальные средства для регулирования температуры корпуса или газовой среды и создавая условия для интенсивного теплообмена приборов с корпусом или газовой средой, можно добиться сохранения температур этих приборов в строго определенных пределах. Причем диапазон температур будет целиком определяться с одной стороны температурой терморегулируемого элемента, а с другой - интенсивностью теплообмена прибора с этим элементом. Диапазон регулирования температуры таких элементов выбирается с учетом всей совокупности температурных требований к оборудованию, которое предполагается обеспечивать путем теплового сопряжения с ними. Правильный выбор базовых, опорных температур и сокращение количества служебных элементов упрощают систему обеспечения теплового режима, повышают ее надежность и делают более простой организацию процессов терморегулирования. В больших и сложных КА эффективным средством подобной организации теплового режима является промежуточный газовый или жидкий теплоноситель, который конструктивно связывается с зонами теплового обеспечения посредством различного рода теплообменных устройств.

Для стабилизации температур в КА и сведения к минимуму возможных ее колебаний, а также с целью сведения к минимуму нерегулируемого теплообмена с окружающим пространством при создании СОТР в практике конструирования КА широко применяется специальная высокоэффективная теплоизоляция – экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ).

В практической работе по созданию СОТР КА могут быть выделены два взаимосвязанных направления : разработка системы терморегулирования (СТР) и разработка средств пассивного терморегулирования.

Под СТР понимают комплекс средств, обеспечивающих регулирование теплообмена и передачу тепла с помощью теплообменных устройств и специальных агрегатов.

По своей структуре, составу агрегатов и выполняемым функциям система терморегулирования является наиболее важной и сложной частью системы обеспечения теплового режима на борту КА. Обычно в состав СТР входят чувствительные элементы, контролирующие температуру в определенных точках КА, электронные блоки системы автоматического регулирования ,вырабатывающие управляющие сигналы, исполнительные органы, непосредственно воздействующие на тепловые процессы, теплообменные агрегаты, обеспечивающие рассеивание в окружающее пространство избыточные внутренние тепловыделения или , наоборот, обеспечивающие подвод недостающей тепловой энергии от специальных источников. В большинстве случаев в качестве агрегатов, осуществляющих сброс в космическое пространство избыточной внутренней энергии , используются радиационные теплообменники. В простейших СТР перенос теплоты из внутреннего объема КА к радиационному теплообменнику осуществляется принудительной циркуляцией газа атмосферы КА . Во многих СТР для переноса теплоты на небольшие расстояния тепловые трубы, а в более сложных системах - жидкостный контур. Помимо радиационных теплообменников для удаления теплоты из КА могут также применяться внутренние теплообменники , в которых используется эффект испарения (так называемые испарительные теплообменники) или сублимации рабочих тел .Обычно испарительные теплообменники используются для снятия пиковых непродолжительных тепловых нагрузок или в тех случаях, когда внешние условия таковы, что сбросить теплоту, выделяемую аппаратурой, через наружные поверхности не удается, а теплоемкость КА мала, чтобы поглощать ее в течении необходимого времени .

Для компенсации периодически изменяющейся внутренней или внешней тепловой нагрузки в системе могут применяться тепловые аккумуляторы, использующие скрытую теплоту плавления и затвердевания рабочего тела.

Для регулирования интенсивности теплоотвода в окружающее пространство могу использоваться жалюзи, открывающие или закрывающие радиационный теплообменник , гидравлические или газовые клапаны , изменяющие скорость циркуляции теплоносителя в жидкостном контуре или газа внутри КА и т.д. В состав СТР могут входить нагревательные устройства ( например электрические или изотопные). На не слишком больших удалениях от Солнца для этой цели может использоваться жидкостной контур, радиационный теплообменник которого имеет соответствующие радиационно-оптические свойства.

СТР обычно выполняется многоконтурной с раздельными контурами для жилых и нежилых отсеков ( если КА не автоматический) и с резервированием наиболее важных элементов: магистралей для теплоносителя у теплообменников, насосов, распределителей жидкого или газообразного теплоносителя, регуляторов температуры воздуха и жидкости.

Сложность и многообразие задач, решаемых аппаратурой КА , требует достаточно гибкости СТР. Это значит, что система не только должна обеспечивать выполнения множества температурных требований, предъявляемых к КА , но и должна допускать возможность изменения режимов ее работы при изменении теплового состояния той или иной из обеспечиваемых ее систем. Например, увеличение тепловой нагрузки в каком либо из звеньев должно автоматически приводить к увеличению отбора тепла от этого звена . Но при этом не должно ощутимо изменяться тепловое состояние других звеньев, обеспечиваемых системой. Такое свойство системы тем более важно в случае каких-либо аварийных ситуаций, когда система обеспечения теплового режима призвана обеспечить максимальное сохранение работоспособности КА и выполнение намеченной программы.

Как уже отмечалось в состав СОТР входят и средства пассивного терморегулирования. Эти средства предназначены для придания определенных теплофизических свойств конструкции и оборудованию КА. Они позволяют интенсифицировать процессы кондуктивного и лучистого теплообмена, увеличить тепловую инерцию тех или иных элементов. Применение теплоизоляционных материалов, покрытий и обработки поверхностей с целью получения определенных радиационно-оптических характеристик позволяет, в первую очередь, уменьшить и ограничить пределы изменения нагрузок на СТР, что, естественно, позволяет упростить систему и улучшить ее массовые и энергетические показатели. Средства пассивного терморегулирования являются очень эффективным средством повышения стабильности температурного состояния КА в условиях переменных внешних воздействий, например, на его корпус.

Максимальная эффективность СОТР может быть достигнута только при условии правильного подбора состава и параметров как средств пассивного терморегулирования, так и СТР. При этом безусловно должны быть соблюдены некоторые основные принципы такого подбора, важнейшими из которых считаются следующие :

минимальная масса системы в пределах заданных весовых ограничений;

стабильность теплофизических свойств средств пассивного терморегулирования во всем диапазоне рабочих температур и в течении всего периода эксплуатации;

максимальное уменьшение возможного диапазона внешних тепловых возмущений на аппарат во всех режимах его работы;

организацию такой схемы теплообмена КА и регулирования его температуры, которая может быть исследована аналитически и при необходимости проверена экспериментально в пределах возможностей наземного экспериментального оборудования;

создание в схеме необходимых запасов для ликвидации последствий возможных отказов или аварийных ситуаций;

обеспечение требуемой надежности системы;

обеспечить устойчивость процессов регулирования при всех уровнях ожидаемых внешних и внутренних тепловых возмущениях ;

максимальную автоматизацию процессов терморегулирования;

максимальную простоту системы и ее агрегатов;

минимальная потребность в информации для надежного оперативного контроля состояния системы и теплового режима КА.

Конкретный выбор СОТР определяется многими факторами: требованиями к тепловому режиму, спецификой внешнего теплообмена, особенностями конструкции КА, его ориентацией в пространстве при орбитальном полете, временем активного существования и т.п. , а также требованием минимальной массы средств, обеспечивающих тепловой режим. В частности, СОТР , в состав которых входят преимущественно пассивные средства используются на КА, у которых вследствие малого тепловыделения аппаратуры температуры внутренних элементов оказываются близкими к температуре корпуса, на котором путем подбора покрытий с определенными радиационными характеристиками поддерживаются температуры в заданном диапазоне.

В некоторых случаях тепловой режим элементов КА обеспечивается изоляцией их от окружающего пространства; продолжительность сохранения температуры элемента в заданном диапазоне определяется его теплоемкостью, значением начальной температуры и теплопритоком или утечками тепла через теплоизоляцию. Таким образом обеспечивается ,например, тепловой режим компонентов топлива. На поверхность баков в этом случае наносится теплоизоляция, а начальная температура топлива формируется на стартовой позиции наземными средствами термостатирования. Аналогичным образом может быть обеспечен в течении ограниченного времени тепловой режим КА ,совершившего посадку на поверхность планеты , на которой температура атмосферы такова, что не позволяет путем прямого теплообмена с ней обеспечить реализацию заданного диапазона температур конструкции и приборов.

Оптимальные весовые характеристики СОТР , как, впрочем , и КА могут быть достигнуты только в процессе совместного проектирования КА и СОТР. Наложение средств обеспечения теплового режима на конструкцию, разработанную без учета тепловых взаимодействий между элементами КА, без правильной конструктивной организации теплообмена во внутреннем объеме КА никогда не может дать оптимального решения задачи создания КА , предназначенного для решения тех или иных задач. Только совместность конструктивного и теплового анализа общей схемы КА является необходимой предпосылкой создания наиболее экономичной в отношении массовых и энергетических затрат и наиболее эффективной в отношении функциональных возможностей конструкции КА. Правильный выбор конструкционных материалов с учетом их теплопроводности и теплоемкости, размещение оборудования с учетом уровня их тепловыделений и требований к отводу тепла, рациональное деление КА на отсеки - эти направления проектирования являются основополагающими в решении проблемы обеспечения теплового режима, так как приводят к упрощению СОТР.

В подавляющем большинстве случаев СОТР строится на основе радиационного отвода тепла при котором сброс тепла в окружающее пространство осуществляется излучением ,исходящим с поверхности специального радиатора, выполненного чаще всего в виде оребренных каналов, по которым циркулирует теплоноситель. За счет конвективного теплообмена энергия от теплоносителя передается стенкам каналов, растекается за счет теплопроводности материала по оребрению и рассеивается за счет излучения внешней поверхностью каналов и оребрения. Радиатор в составе СТР можно использовать и в качестве источника дополнительного тепла. Нагрев его поверхности под действием потока солнечного излучения позволяет нагревать теплоноситель или же подогревать непосредственно внутренний объем КА, когда в качестве радиатора используется непосредственно часть корпуса аппарата. Все длительно работающие КА снабжены радиационными теплообменниками. Радиационная поверхность в зависимости от конструктивных возможностей, рабочей температуры и схемы ее использования в составе СОТР может частью корпуса КА или представлять собой самостоятельную конструкцию, размещаемую на поверхности корпуса, а может выполняться в виде выносных панелей, связанных с аппаратом.

Рассмотрим наиболее подробно , но в пределах дозволенного объема данного курса, наиболее важные элементы системы обеспечения теплового режима КА: зкранно-вакуумную теплоизоляцию, тепловые трубы и радиационно-оптические покрытия, склонные к изменению своих характеристик под воздействием факторов космической среды.

Свойства различных типов экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ)

Влияние внешнего теплообмена на внутренний тепловой режим КА можно существенно уменьшить, а в ряде случаев и свести к пренебрежимо малой величине, если воспользоваться специальной эффективно работающей в вакууме теплоизоляцией, называемой экранно-вакуумной (ЭВТИ). Элемент такой теплоизоляции представляет собой пакет, собранный из непрозрачных для излучения экранов и прокладочного материала , призванного предотвратить в значительной мере контакт между экранами и уменьшить тем самым кондуктивный теплоперенос. В зависимости от условий эксплуатации экраны выполняются из полимерных пленочных материалов или металлической фольги. Экраны из полимерных материалов используются в случае, когда их температура не превышает . При более высоких температурах экраны выполняются из металлической фольги : из алюминевой фольги , если температура не превышает , и из никелевой фольги, если температура не превосходит . Толшина экранов составляет в одних случаях , а иногда . Экраны из полимерных материалов бывают гладкие и рифленые. С целью уменьшения степени черноты экранов на полимерные пленки с одной или двух сторон напыляют тончайший металлический слой, например, осуществляют вакуумное напыление пленки алюминия. Чтобы обеспечить благоприятные условия для вакуумирования ЭВТИ , экраны перфорируют отверстиями.

В качестве прокладочного материала используют стекловуали , холсты из штапельного кварцевого волокна , капроно-трикотажные сетки и др.

В необжатом , отвакуумированном пакете теплоперенос через теплоизоляцию осуществляется в основном за счет теплообмена излучением между экранами. Для оценки теплоизоляционных свойств ЭВТИ предположим, что теплопроводность остаточного газа и теплоперенос теплопроводностью через места контактов экранов пренебрежимо малы по сравнению с переносом тепла за счет лучистого теплообмена между экранами. Кроме того допустим, что степень черноты экранов одинакова с обеих сторон и не зависит от температуры. В этом случае при стационарном режиме плотность результирующего теплового потока через пакет ЭВТИ, включающем экранов, определяется следующим выражением : , где -плотность теплового потока, поглощаемого внешней поверхностью пакета ЭВТИ , и - соответственно степень черноты наружной поверхности и приведенная степень черноты, при этом , - температура последнего внутреннего экрана – это фиксированная температура, равная , например, внутренней температуре защищаемого ЭВТИ отсека.

В инженерной практике теплоизоляционные свойства ЭВТИ оцениваются величиной удельного термического сопротивления. Именно величину используют при исследовании теплового режима КА, в состав средств обеспечения теплового режима которого входит ЭВТИ. При этом величину определяют следующим выражением :

. Поскольку , то используя первое вышеприведенное выражение для , получим следующее выражение для оценки величины :

.

Значительный интерес представляют результаты сопоставления теплоизоляционных свойств ЭВТИ со свойствами обычных теплоизоляционных материалов, тепловая проводимость которых характеризуется , как правило, коэффициентом теплопроводности . Связь между и можно легко установить, если известна толщина теплоизоляции. Действительно, с одной стороны, , с другой - , следовательно .

При , , . Если предположить при этом, что плотность укладки экранов составляет 10 экранов на 1 см (необжатое состояние) , то при . Заметим, что самые лучшие в отношении теплоизоляционных свойств пористые материалы (пенопласты, паралоны и т.д. ) по крайней мере в десятки раз уступают ЭВТИ, проигрывая в то же время ЭВТИ многократно и по массовым характеристикам.

Изолируя отсеки и элементы КА экранно-вакуумной теплоизоляцией, можно свести влияние внешнего теплообмена на внутреннее тепловое состояние этих отсеков и элементов к малой, а во многих случаях и к пренебрежимо малой величине.