Среда, 26.07.2017, 13:51


Приветствую Вас Гость | RSS

Главная | Регистрация | Вход


Меню сайта
Категории
Новые статьи
Новое на форуме
Опрос
Есть ли жизнь на Марсе?
Всего ответов: 10756
Главная » Статьи » Космос » 23.04.2017 » 06:25

Терморегуляция и Орбитальные станции. Часть 1

"Кроме самого двигателя весь корабль представляет из себя громадную грелку. Например, тепловые радиаторы космического корабля «Спейс Шаттл» вмонтированы во внутреннюю поверхность створок его грузового люка. Поэтому на околоземной орбите «Спейс Шаттл» всегда находится с открытыми створками грузового люка, это не связано только с грузовыми операциями, но и является рабочим положением створок."

Кроме того, во время штатного орбитального полета (если не было специфических операций вроде ремонтов спутников-телескопов и/или стыковок с орбитальными станциями) челнок обычно ориентировали «спиной» к Земле. Во-первых, на Землю смотрят и аппаратный (грузовой) отсек со всеми приборами и кабина экипажа (большинство задач орбитальных аппаратов земные). Во-вторых, этим достигается лучшая защита людей и оборудования от солнечной и космической радиации (их принимает термоизоляционное жаропрочное брюхо челнока, облицованное плиткой), но главное то, что спрятаны от солнца вот эти радиаторы-излучатели (ИК излучение от них идет в сторону Земли, а сами они максимально изолированы от солнечного нагрева) (прим. СД).

Мощность охлаждающей системы «Спейс Шаттла» составляет всего около 15 кВт сбрасываемого тепла, но размеры радиаторов уже сравнимы с размером космического корабля. Однако с ростом мощности охлаждения площади радиаторов растут гораздо быстрее.

Даже сегодня на Международной космической станции площадь радиаторов для сброса тепла уже сравнима с площадью солнечных батарей.

Желтыми стрелочками показаны тепловые радиаторы Международной космической станции, оранжевым эллипсом — насос аммиачного хладагента.

Радиаторы современной Международной космической станции работают на аммиаке. Испаряясь при комнатной температуре (при давлении в 10 атмосфер) аммиак хорошо работает в холодильном цикле, охлаждая нагревающуюся на солнце и за счет своих внутренних процессов МКС. Внутренний контур МКС использует для охлаждения обычную воду, которая охлаждается испарением аммиака из внешнего контура.


На сегодняшний день такие низкотемпературные радиаторы позволяют МКС скидывать в окружающее пространство около 70 кВт тепловой мощности с возможностью увеличения теплового сброса ещё на 14 кВт.

 

Бортовые системы МКС на дневной стороне непрерывно подворачивают панели солнечных батарей и радиаторов, ориентируя первые на максимальный прием солнечного света, а вторые на минимальный. Минимизировать солнечный нагрев самих радиаторов должен и их белый цвет (такой же, как и «спинка» орбитальных челноков) – эстетика здесь на последнем месте. На теневой же стороне станция ориентирует панели батарей и радиаторов к плоскости орбиты подобно крыльям и килям летящего самолета. Здесь первостепенной задачей на 45 темных минут становится – минимизировать сопротивление ничтожных остатков атмосферы, которые на высоте 400 км всё же есть, и их тормозящий эффект виток за витком постепенно сказывается, что приводит к замедлению и снижению высоты орбиты. Станция шевелит «крыльями» медленно, но непрерывно (прим СД).

Однако, как вы наглядно видите, даже такая маломощная низкотемпературная система имеет весьма внушительные размеры относительно самой станции. Что же говорить о случае, если избыточная тепловая мощность на борту составит мегаватты, а то и десятки и сотни мегаватт? Ведь тогда радиаторы надо будет увеличивать просто-таки в геометрической прогрессии!


И вот тут нам на помощь приходит механика потери теплоты за счет излучения. Вот обобщенная формула для работы любого радиатора:

∂Q/∂t = Re * (5,67x10-8) * Ra * Rt4

Это — наглядная запись закона Стефана-Больцмана, где 5,67x10-8 постоянная Стефана-Больцмана, Re— эффективность работы радиатора (теоретический максимум = 1, отсюда, кстати, следует и максимальное число радиаторов на космическом корабле, равное четырем, чтобы тупо не греть друг друга излучением), Ra— площадь радиатора, а Rt — его температура.

Нетрудно видеть, что количество «выдавливаемого» в космос тепла пропорциональна первой степени его площади, но четвертой степени — его температуры. То есть, увеличение абсолютной температуры радиатора в 2 раза, выраженное в градусах Кельвина (не Цельсия!) приведёт к увеличению теплоотдачи в 16 раз!

Скорее всего, радиаторы будущего космического корабля будут светиться темно-вишневым цветом, поскольку их температура будет превышать 3000 К, вместо 350-400 К для радиаторов современных космических кораблей. Больше температуры, нежели 3000 К, представить себе гораздо сложнее: самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет температуру плавления в 3442 °C, а самый тугоплавкий материал, графит плавится при 3845-3890 °C. Понятное дело, до температуры плавления ни вольфрам, ни графит доводить нельзя — для сохранения конструкционной прочности радиатора его рабочая температура всё-таки должна быть на 600-800 градусов ниже температуры плавления его конструкционных материалов.

Это позволит поднять теплоотдачу радиаторов на единицу площади где-то в 3000 раз (как мы помним, четвёртая степень температуры) и хоть как-то увязать размер потребных радиаторов с размерами самого космического корабля, чтобы не создавать громадные, километровые по площади панели.

 

Система терморегуляции малоразмерных космических аппаратов.


Цитата из статьи, описывавшей миссию Союз-Аполлон (ЭПАС) 1975 года: «В обоих кораблях использовалась система терморегуляции с теплоносителем и радиаторами. Покрашенные в белый цвет для лучшего излучения тепла (точнее сказать:для меньшего приема солнечного тепла (на излучающую способность радиатора его наружный цвет не влияет) (прим. СД)) радиаторы стояли на сервисных модулях и даже выглядели одинаково»

Так-то оно так, НО:

  1. Оба жилых отсека Союза были покрыты термоизоляционной и радиозащитной шубой «двухслойной» (стекловолокно-вакуум). На современных версиях Союз-Т эта шуба покрывает уже и часть аппаратного отсека до самого пояса радиаторов (фото ниже). Жарится на солнце уже она, а не весь корабль. Она же и основную массу солнечного нейтронного излучения тормозит. Аполлон такой не имел.
  2. За шубой собственно металлическая (алюминиевые и магниевые сплавы) стенка отсеков с прослойками термоизоляционных композитных материалов в два с половиной раза толще стенок командного модуля Аполлонов (соты профилированных панелей 20-30 мм). А у командного отсека Союза еще и абляционная защита в сантиметры толщиной (у Аполлона она, по данным НАСА, была не более 44 мм). А толстые прочные стенки позволяют иметь земную атмосферу внутри корабля с земным же давлением (в Аполлонах была кислородная с давлением 0,3 от атмосферного). Атмосфера ведь тоже щит от агрессивного излучения. И чем она плотнее – тем прочнее этот щит для земных организмов. Попробуй Солнышко быстро прогреть-пропечь весь этот многослойный пирог!
  3. 3.Союз, хоть и создавался на перспективу как лунный корабль, но к Луне с людьми всё же не летал, и даже за защитную магнитосферу Земли (за пояса ван Аллена) не выходил. И каждые полчаса в земную тень нырял. Аполлон же вроде как 8 раз к Луне летал без всякой тени (ну разве что ненадолго за Луной от солнышка прятался на селеноцентрической орбите, пока попрыгунчики по Луне скакали).
  4.  Бортовые системы Союза частично питались от солнечных батарей, что также уменьшало внутренний нагрев корабля при превращении входной энергии в электрическую-световую-механическую всех этих лампочек-приборов-механизмовс неизбежным тепловыделением. Аполлон солнечных батарей отродясь не имел и всю энергию якобы получал от химических (водородно-кислородных) батарей т.е. та же химическая реакция, что и в маршевых двигателях шаттлов и вторых-третьих ступеней некоторых поздних советских космических ракет (советского челнока Энергия-Буран, например). С такой же теплоотдачей (285,75 МДж/моль тепла – это самая теплая химическая реакция в природе). В батареях эта реакция идет с применением катализаторов (Pt, Pel, Ni) уже изначально при t°- 80-130°С. И если в ракетных двигателях горящий под 3,5 тысяч градусов водород греет камеры сгорания и сопла двигателей, и сбрасывает тепловую энергию в пространство вместе с реактивной струей раскаленного водяного пара, образовавшегося при горении, то в батареях тепло от этого процесса (хоть и не столь взрывного, и горячего как в движках), никуда не девается – так и остается внутри системы корабля. Более того, по данным НАСА вода, образовывавшаяся при работе этой водородной электростанции, использовалась для технических и бытовых нужд корабля и астронавтов. В виде кипятка, разумеется, ибо трудно представить на выходе горения водорода (пусть даже медленного каталитического) хладный горный родничок!

И при всем при этом, оба корабля имели практически одинаковые радиаторы-излучатели в виде белого пояса в хвостовой части кораблей. И относительный их объем (точнее относительная излучающая площадь по отношению к общей площади корабля) практически одинаковы – достаточно на фото взглянуть. Ну, тогда либо это были чудесные радиаторы с невообразимой излучающей способностью, секрет изготовления которых утерян или сокрыт от американских конструкторов шаттлов и прочих космических аппаратов. Либо Аполлоны (ну и разумеется их лунные модули) регулярно выбрызгивали в пространство десятки (а то и сотни) литров воды или иного хладагента. Третьего способа избавления в вакууме от лишнего тепла современная Физика пока еще не знает. Второй метод (выброс части хладагента) вроде как предусмотрен в виде экстренной меры терморегулирования на всех пилотируемых аппаратах, но это действительно экстренная мера, ибо на более-менее продолжительный полет просто не напасешься хладагентов. А еще цену каждого грамма, выведенного на орбиту, посчитать – он золотым будет! Американцы ради Великой Цели «Обскакать Русского Медведя», за Ценой конечно, не постоят (надо будет – еще долларов напечатают), но всё жекак-то нет свидетельств, что Аполлоны и их лунные «пепелацы» регулярно выбрасывали кометные хвосты жидкостей, превращавшихся на глазах в хлопья льда. Такое красивое космическое зрелище они обязательно бы засняли на камеру хотя бы в съемочном павильоне Стенли Кубрика.  

Фото "аполлониста", высунувшегося из разгерметизированного командного модуля, сделанное непонятно кем и непонятно откуда. (Что за Аполлон? К чему пристыкован? К лунному модулю? К переходному шлюзу с Союз-19? К причальной секции станции Скайлэб? И для чего "лётчик" высунулся из люка? Стыковку снаружи корректировал: "Правей-левей, вира-майна"? Конструкция люка открывающегося наружу, видимо, была разработана специально для быстрой разгерметизации при прогулках в открытый космос - щеколду отодвинул и крышка сама откинулась под давлением кислорода, вылетающего в пустоту! Два дела сразу - экономия времени...  Как изящно астронавт руку в локте в своем надутом скафандре согнул – нынешние так не могут! И как Аполлон сохранил девственный вид обшивки после старта? Их ведь не паковали целиком в футляр обтекателя!). Очень наглядное фото! Все чудеса корабля Аполлон в одной картинке.

Это фото без чудес: Челнок Атлантис, пристыкованный к МКС. Никто никуда не высовывается, да и некуда высунуться - шлюзовая камера шаттла одновременно является и его стыковочным узлом. Как и головная (орбитальная) секция корабля Союз (следующее фото). 

Союз-ТМА пристыкован к МКС. Видно что солнцезащитная шуба этой модели (в отличие Союз-19) удлинилась "до колен". А пояс радиаторов покрывает уже практически весь сервисный модуль корабля почти "до пяток".  

Как видим, космос вблизи нашего солнышка скорее «горячий», чем «холодный» и проблема охлаждения космических кораблей стоит острее проблем их обогрева. Беспилотные аппараты не столь привередливы к климат-контролю как космонавты, но обогреватели и радиаторы железякам тоже нужны. Особенно их нежным электронным потрохам и прочим тонким системам. Лунаход-1, например, по утверждению наших специалистов вышел из строя, черпанув в свою «кастрюлю», внутренние стенки которой являлись радиатором-излучателем, немножечко лунного реголита на каком-то склоне в момент то ли закрытия, то ли открытия крышки «кастрюли», внутренняя поверхность которой являлась солнечной батареей. Этой пыли, засорившей поверхность радиатора и нагревавшейся лунным днем до двухсот с лишним градусов, хватило, чтобы угробить всю систему терморегуляции аппарата и привести к его поломке в результате перегрева.

Схема Луноход-1. (Панели радиатора выстилают всю внутреннюю площадь стенок "кастрюли". Дизайн самой "кастрюли" выполнен в виде воронки (перевернутого конуса) чтобы панели радиатора в процессе сброса тепла не грели сами себя (свои противоположные секции) инфракрасным излучением - основной вектор ИК излучения направлен под углом вверх. Этот дизайн обеспечивал и сокрытие большей части радиатора от солнечных лучей большую часть времени лунного дня.

Летевшие к холодноватому Марсу аппараты тоже не могли обойтись без внутренней терморегуляции и радиаторов-излучателей.

Схема аппаратов Марс-2 и Марс-3. (под №5 - панели радиаторов системы терморегулирования)

 И разумеется, в них нуждаются все крупногабаритные спутники, набитые сложной аппаратурой и энергосистемами. Они тоже ощетиниваются солнечными батареями и обязательно радиаторами. Еще и корпус многих из них покрывают золотистой или серебристой светоотражающей фольгой. Самый яркий пример такого аппарата – легендарный орбитальный телескоп Хаббл.

Спутник-телескоп Хаббл (снимки из кабины шаттла)

Схема головной части телескопа Хаббл (CCD-Radiator - показана одна из панелей радиатора с изменяемым углом атаки в зависимости от положения Солнца.. Основная идея дизайна панелей та же что и на МКС - подворачивая панели минимизировать их нагрев прямыми солнечными лучами.  

Продолжение >>>

 

Категория: Космос | Добавил: Dotosni (23.04.2017)
Просмотров: 1017 | Теги: космические станции, температура, освоение космоса
Всего комментариев: 0
avatar
Вход

Профиль
Среда
26.07.2017
13:51

Интересное
Поиск по сайту

Новости космоса на главной странице Яндекса.

Добавьте наш виджет, кликнув по картинке, и будьте всегда в курсе последних событий.


Чат Пульсар
Статистика

Онлайн всего: 35
Гостей: 35
Пользователей: 0