1. Системы обеспечения теплового режима

Тип системы обеспечения теплового режима (СОТР) выбирается на ранней стадии проектирования КА. Вместе с выбором типа СОТР определяются предварительные технические решения по обеспечению тепловых режимов отсеков и агрегатов, а также проводятся расчеты основных показателей качества.

1.1. Назначение, типы и состав системы обеспечения теплового режима

СОТР обеспечивает тепловые режимы КА. Она поддерживает заданные температуры в приборных отсеках, агрегатах комплексной двигательной установки, топливных баках, аккумуляторных батареях, приборах, конструкциях антенн, целевых системах и прочих устройствах. Работает СОТР не только в полете, но и при наземных испытаниях.

При выборе типа и состава СОТР следует сформулировать ее полное назначение. В полном назначении перечисляются диапазоны температур, которые необходимо поддерживать на различных режимах работы КА в его отсеках и агрегатах.

Нужно иметь в виду, что СОТР обеспечивает не только сброс теплоты, но и нагрев некоторых агрегатов и систем, например, двигательной установки.

К общим задачам проектирования относят сброс теплоты при помощи СОТР малой массы и размеров, поддержание температуры в узком диапазоне, обеспечение равномерного поля температур.

Анализ работы СОТР базируется на трех основных, а также сложных видах теплообмена. К основным видам теплообмена относятся: теплопроводность (передача теплоты от более нагретой части тела к менее нагретой), конвекция (перенос теплоты движущейся средой) и излучение (перенос теплоты от более нагретого тела при помощи электромагнитных волн). Сложные виды теплообмена: теплоотдача и теплопередача. Теплоотдача – обмен теплотой между поверхностью и движущейся средой. Теплопередача – обмен теплотой между двумя жидкостями через разделяющую стенку.

На КА устанавливаются следующие СТР:

1) Газожидкостные (одноконтурная, двухконтурная, многоконтурная).

2) Газовые.

3) На основе тепловых труб.

4) Комбинированные и др.

СОТР состоит из системы терморегулирования (СТР) и теплозащитных покрытий (ТЗП).

Обычно основную массу теплозащитных покрытий составляет масса экрано-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ). Тогда массу СОТР можно представить в виде суммы массы СТР и ЭВТИ:

.

Масса ЭВТИ

,

где удельная масса ЭВТИ из многослойной фольги =1,0 кг/м² при 10 слоях и =1,2 кг/м² при 15 слоях.

Удельная масса изоляции ПЭТФ составляет (0,2…0,3) кг/м² при 10 слоях и (0,3…0,4) кг/м² при 15 слоях.

В СОТР применяются аккумуляторы теплоты, радиаторы, перегретый пар, тепловые трубы, тепловые мосты и пр. На некоторых КА СОТР обеспечивает тепловые режимы без герметизации контейнеров.

Предварительный выбор типа систем проводится на основе анализа возможностей обеспечивать заданные требования, сравнения их показателей, а также учета достоинств и недостатков; окончательный – на основе критериев качества.

Следует иметь в виду, что большое количество теплоты эффективнее отводить при помощи газожидкостной СТР. Система этого типа позволяет обеспечить узкие диапазоны температур, в (1..2)⁰С.

Относительно небольшие тепловые потоки можно сбрасывать при помощи газовой СТР. Она обеспечивает диапазон температур в гермоотсеке в десяток и более градусов Цельсия.

Использование тепловых мостов целесообразно при малых тепловых потоках и широком диапазоне рабочих температур (десятки градусов).

В состав типовых СТР входят: теплоносители, насосы, вентиляторы, теплообменники, распределители тепловых потоков (газоводы, трубопроводы, краны, клапаны и др. арматура), тепловые радиаторы, аккумуляторы тепла, регуляторы, нагреватели, тепловые мосты, тепловые трубы и пр. элементы. Списочный состав элементов СТР приведен для удобства составления массового уравнения.

1.2. Работа газовой системы терморегулирования. Массовое уравнение.

Принципиальная схема газовой СТР приведена на рис.5.1. Эта система отводит теплоту как во время полета, так и в процессе наземных испытаний. Система состоит из гермоконтейнера - 1, вентилятора –2, регулятора – 3, аппаратуры –4, газожидкостного теплообменника – 5, газовода –6 и теплового радиатора –7. Гермоконтейнер заполнен нейтральным газом (обычно азотом), выполняющим роль теплоносителя. Трубопроводы газожиткостного теплообменника заполняются жидким теплоносителем.

Отвод теплоты во время полета происходит следующим образом. Вентилятор прокачивает азот через аппаратуру и газовод. Теплоту, образовавшуюся от нагрева аппаратуры азот «забирает», и передает тепловому радиатору, через который происходит тепловое излучение в космическое пространство. Для уменьшения теплобмена через корпус гермоконтейнер закрыт ЭВТИ. Отвод теплоты регулируется включением и выключением вентилятора автоматическим регулятором. Диапазон рабочих температур обычно лежит в пределах от 0º до 50⁰С.

Отвод теплоты из гермоконтейнера в процессе наземных испытаний осуществляется посредством газожидкостного теплообменника (ГЖТ). В полете ГЖТ не работает. Поэтому СОТР названа «газовой».

Для газовой СТР, изображенной на рис.5.1, массовое уравнение запишем в виде:

, (5.1)

где в правой части уравнения записаны массы: радиатора, газовода, регулятора, вентилятора, теплообменника и теплоносителя (газа), соответственно.

Статистическое распределение масс газовой СТР в процентах по отношению к ее полной массе: (26...38, 18...31, 12...20, 10...18, 6...14, 2...5)%. Это распределение записано в соответствие правой части (5.1).

В процессе проектирования значения указанных масс корректируются. При выполнении расчетов в начале определяются тепловые потоки, действующие на КА.

1.3. Тепловые потоки, действующие на космический аппарат в полете.

Суммарный тепловой поток, действующий на КА и измеряемый в Ваттах, складывается из наружного и внутреннего потоков, а также потока излучения:

(5.2)

Для снижения влияния внешних тепловых потоков КА покрывают теплозащитными покрытиями. Тогда основной теплообмен осуществляется через тепловой радиатор. Поэтому записанные ниже уравнения теплообмена приведены к площади теплового радиатора (в дальнейшем – радиатора) СТР.

Наружный поток состоит из прямой солнечной радиации, отраженного от планеты потока солнечной радиации, теплового излучения планеты и молекулярного, обусловленного соударением КА с молекулами газа атмосферы:

(5.3)

Поток прямой солнечной радиации, действующий на радиатор

(5.4)

где =1396 Вт/м² – удельный тепловой поток прямой солнечной радиации его значение приведено для орбит ИСЗ); - коэффициент поглощения солнечной радиации (его значения приведены в табл.5.1); – площадь миделя радиатора по направлению солнечного потока.

Значения оптических коэффициентов (поглощения солнечной радиации) и ε (степень черноты) приведены в табл.5.1.

Таблица 5.1

Материал			As /	Масса, г/м2
Эмали белые «АК»	0,2-0,3	0,85-0,9	0,29	180-230
Эмали черные «АК»	0,95	0,92	1	10-30
Эмали «КО» для ССО	0,2-0,22	0,88-0,9	0,24
Зеркальные покрытия «ОСО»	0,11-0,17	0,8-0,85	0,17	600-800
Силикатные покрытия ТР-СО	0,15-0,2	0,9-0,92	0,19	250-300
Фторопластовые покрытия «СОТ»	0,11-0,17	0,8	0,175	30-40
Алюминий напыленный	0,11	0,04	2,75	10-30
Алюминий химически полированный	0,08	0,03	2,8
Алюминий	0,14	0,1	1,4
Полированный алюминий	0,04	0,08	0,5
Сталь, АМГ	0,25	0,9	0,278
Золото	0,125...0,3	0,05	4,5
ТСОН-3 (силовая обшивка ЭВТИ)	0,7	0,9	0,77
Кремниевые элементы	0,9	0,85	1,01

На радиатор действует отраженный от планеты поток

, (5.5)

который зависит от удельного теплового потока отраженной солнечной радиации, коэффициента поглощения и площади миделя радиатора по направлению отраженного потока.

При диффузном отражении от планеты, когда зенитное расстояние Солнца относительно КА 70º,

, (5.6)

где - альбедо планеты (альбедо Земли равно 0,37); .

Альбедо планеты — отношение отраженного солнечного излучения ко всему падающему излучению.

При зеркальном отражении (>70º)

, (5.7)

где величина угла β определяется из равенства .

Зенитное расстояние — угол между вертикальным направлением к поверхности Земли и лучом зрения на светило.

Зенитное расстояние Солнца относительно КА – угол с вершиной на поверхности Земли, одна сторона которого является вертикалью, опущенной из центра масс КА к поверхности Земли; другая сторона направлена на Солнце.

Значения удельного теплового потока отраженной солнечной радиации [Вт/м²] в зависимости от зенитного расстояния Солнца относительно КА и высоты h орбиты приведены в табл.5.2

Таблица 5.2

	Верхняя строка – зенитное расстояние [град] Нижние строки — [Вт/м2]
h, км	0	20	40	60	80	100	120
200	780	730	600	400	280	40	0
500	675	640	520	540	230	70	0
1000	540	500	400	260	170	90	0

Тепловой поток от планеты

, (5.8)

где - удельный тепловой поток излучения планеты; ε – степень черноты поверхности радиатора; - площадь миделя радиатора по направлению потока планеты.

Значения удельного теплового потока в зависимости от высоты h орбиты КА для альбедо планеты =0,37 приведены в табл.5.3.

Таблица 5.3

h, км	100	1000	2000	3000	4000	5000	6000	7000	8000
Вт/м2	360	220	160	120	100	70	60	50	40

Молекулярный тепловой поток

, (5.9)

где - удельный молекулярный тепловой поток; - площадь миделя радиатора по отношению к вектору скорости; =0,9…1,0 – коэффициент аккомодации; - плотность атмосферы; V – скорость КА.

Значения удельного молекулярного теплового потока в зависимости от высоты h орбиты КА приведены в табл.5.4

Таблица 5.4

h, км	100	150	200	250	300	350	4000
, Вт/м2	100000	750	100	60	10	6	3

Внутренний тепловой поток

(5.10)

где - тепловой поток от аппаратуры; - мощность, потребляемая аппаратурой, размещенной в гермоотсеке; =0,95…0,98 – кпд аппаратуры.

Следует отметить, что тепловой поток от аппаратуры гермоотсека обычно меньше максимальной мощности СЭС.

При поступлении теплоты от двигательной установки в гермоотсек необходимо учесть и этот теплоприток.

Тепловой поток, который излучает радиатор

, (5.11)

где - удельный тепловой поток радиатора [Вт/м²]; - площадь радиатора; - степень черноты поверхности радиатора; =5,67·10^-8 Вт/(м²К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана; - температура теплоносителя на входе радиатора; - кпд радиатора; - температура поверхности радиатора.

1.4. Расчет массовых и габаритных характеристик элементов

Отводимый от КА удельный тепловой поток выражается разностью удельных потоков излучения и поглощения. С учетом приведенных выше зависимостей указанных тепловых потоков можно записать:

(5.12)

В этом уравнении не учтен тепловой молекулярный поток.

Обычно гермоотсек имеет избыток теплоты. Этот избыток отводится в космос, в основном, через радиатор. Тогда можно допустить, что отводимый тепловой поток равен внутреннему потоку. В этом случае площадь радиатора

(5.13)

Масса радиатора , где =(3…15) кг/м² – удельная масса радиатора.

Площадь сечения газовода

, где (5.14)

- секундный расход, скорость и плотность газа соответственно.

Массовый секундный расход газа

, (5.15)

где - отводимый тепловой поток равен внутреннему тепловому потоку гермоконтейнера; - теплоемкость газа [Дж/(кг·К]; - максимальная (на входе в радиатор) и минимальная (на выходе из радиатора) температуры газа.

Скорость потока газа определяется по зависимости, составленной на основании критерия Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса: , (5.16)

где - определяющий размер и кинематическая вязкость газа [м²/с].

Определяющий размер: , (5.17)

где - высота газовода.

С учетом (4.14 – 4.17) получим зависимость площади сечения газовода

(5.18)

При расчете площади сечения газовода значение числа Рейнольдса выбирается из диапазона 2500…3000, что соответствует слабо турбулизированному режиму движения газа.

Примечание: Re≤2300 – ламинарный поток; Re≥10⁴ – турбулентный поток.

Для расчета площади и массы газовода необходимо знать размеры гермоотсека. Поскольку размеры гермоотсека определяются позже, масса газовода вначале определяется через массовый статистический коэффициент, зависящий от компоновки:

(5.19)

Масса регулятора , (5.20)

где =(2…6) кг/кВт – удельная масса регулятора.

Масса вентилятора , (5.21)

где =(0,8…2,6) кг/кВт.

Масса теплообменника газ-жидкость , (5.22)

где =(4…6) кг/кВт.

Расчет массы газа ведется по уравнению Менделеева-Клапейрона

, (5.23)

где =1,3·10⁵Па – давление в гермоотсеке; - объем газа; =8314/28 Дж/(кг·К) – газовая постоянная для азота; = (273+50)ºС - максимальная температура газа в гермоотсеке.

1.5. Уточненный расчет площади поверхности теплового радиатора

Для уточнения площади радиатора используется уравнение угла освещенности плоскости орбиты (4.5). Угловыми коэффициентами определяется доля падающего на поверхность КА собственного планетного излучения и доля отраженного от планеты солнечного излучения

где - угол, определяющий ориентацию локальной элементарной площадки поверхности; - угол между направлениями Земля-КА и Земля-Солнце; - телесный угол обзора планеты.

Расчетные соотношения для этих коэффициентов зависят от формы поверхности КА, его ориентации и в общем случае сложны. При сферической форме КА осредненные угловые коэффициенты находят по соотношениям

где - угол между местной вертикалью и направлением, касательным к земной поверхности (угол - является сечением телесного угла обзора планеты).

Плотность прямого собственного планетного излучения определяется уравнением:

(5.24)

Для случая термостатирования гермоконтейнера с целью учета его ориентации на орбите вводятся осредненные угловые коэффициенты, отнесенные к площади миделевого сечения радиационной поверхности

где - площадь миделевого сечения радиационной поверхности по отношению к тепловому потоку.

Зависимость для плотности поглощенного теплового потока

, (5.25)

где

; - относительные площади миделя радиационной поверхности.

1.6. Дальнейшее уточнение площади радиатора

Расчет поверхности радиатора по (5.13) является первым приближением вида

, (5.26)

где - температура радиатора первого приближения.

(5.27)

Максимальная и минимальная температуры газов задаются исходя из требуемых пределов изменения температуры в гнрмоотсеке. Например: (273+30)ºК, =(273+10)ºК.

На основании уравнения теплового баланса определяется перепад температуры между газом и стенкой радиатора

, (5.28)

где – коэффициент теплоотдачи газ-поверхность.

Коэффициент теплоотдачи определяется через критерий подобия Нусельта

,

где - уравнение подобия для труб; - теплопроводность газа.

Уточненная температура стенки радиатора

(5.29)

Уточненная площадь радиатора

(5.30)

Для продолжения уточнения площади радиатора используются зависимости, аналогичные (5.26)-(5.30).

В окончательном проектном расчете площади радиатора учитывается деградация его покрытия

, (5.31)

где - уточненная площадь поверхности радиатора; =0,05…0,1 - коэффициент деградации покрытия поверхности; - время летной эксплуатации в годах.

Приведем рассчетные формулы для других масс.

Масса регулятора , где =(2…6) кг/кВт – удельная масса регулятора.

Масса вентилятора , где =(0,8…2,6) кг/кВт.

Масса теплообменника газ-жидкость , где =(4…6) кг/кВт.

Расчет массы газа ведется по уравнению Менделеева-Клапейрона

,

где =1,3·10⁵Па – давление в гермоотсеке; - объем газа; =8314/28 Дж/(кг·К) – газовая постоянная для азота; = (273+50)ºС - максимальная температура газа в гермоотсеке.

1.7. Функциональное уравнение массы системы обеспечения теплового режима

Приведенные в данной главе зависимости позволяют записать функциональное уравнение массы СОТР в виде:

(5.32)

В правую часть уравнения (5.26) вошли следующие проектные параметры: коэффициент поглощения солнечной радиации и степень черноты, площади миделей теплового радиатора, определяющий размер газовода, время летной эксплуатации, температура и массовый расход газа в гермоотсеке, коэффициент деградации покрытия поверхности радиатора.

Из уравнения (5.12) следует, что на площадь радиатора, а, следовательно, на его массу, оказывает существенное влияние сумма относительных миделей. Эта сумма зависит от компоновки радиатора на КА.

Следует учесть, что система обеспечения теплового режима имеет ряд ограничений по качеству:

- масса СОТР должна быть не более допустимого значения;

- площадь радиатора не должна превышать, например, площади боковой поверхности гермоотсека;

- температура газа гермоотсека должна находиться в заданных пределах и пр.

Некоторые справочные данные для расчетов:

СТР газовая имеет удельную массу (30…50) кг/кВт

Газо-жидкостная СТР имеет удельную массу (100…300) кг/кВт

Для покрытия радиатора: используют белую или светло-серую краски

Газоводы выполняются :из алюминиевых сплавов и композиционных материалов

Цвет ЭВТИ – белый, зеленый, вишневый

ГЖТ – (1,82…5)кг/кв.м

Пластинчатые ЖЖТ — (4…6,5) кг/мкв

Гидроблок– (0,35…0,45) кг/Вт

Безизносность при трении в подшипниках обеспечивается специальными композициями, образующими, в частности, стеклокерамические пассивирующие слои на металлах.

Для сброса мощности в 1 кВт используется вентилятор мощностью 50 Вт

Постоянная времени нагрева приборного отсека КА-Я — 0.5 час