Основа КА Лекции Пузин

АКТИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА

в зоне отдачи тепла. Тепловая труба по конструкции аналогична термосифону. Фитиль ТТ, выполнен из нескольких слоев тонкой сетки и конденсат возвращается в испаритель под действием капилярных сил. В ТТ на расположение испарителя не накладываются ограничения, и она может работать при любой ориентации, но если испаритель ТТ окажется в нижней точке, гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными.

Для обеспечения работы ТТ необходимо, чтобы максимальный капиллярный напор (∆Pкн)мах превышал полное давление в трубе. Это падение давления складывается из трех составляющих : 1) перепада давления ∆P1, необходимого для возврата жидкости из конденсатора в испаритель; 2) перепада давления ∆P2, требуемого для обеспечения перетекания пара из испарителя в конденсатор; 3) гравитационной составляющей ∆Pg, которая может быть положительной и отрицательной, а также равняться нулю, то есть

должно выполняться условие (∆Pкн)мах > ∆P1 + ∆P2 + ∆Pg.

Если это условие не будет соблюдено, то произойдет высыхание фитиля в зоне испарения и тепловая труба не будет работать.

Эффективность тепловой трубы очень высока. В качестве примера можно отметить, что тепловая труба, в которой в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 град. С , будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь.

7

АКТИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА

Теплоперенос и массоперенос в ТТ. Величина теплового потока, проходящего по паровому каналу равна Qтп= R·∆Т, где R – эффективное сопротивление ТТ, ∆Т – разность температур в зоне испарения и в зоны конденсации теплоносителя.

Для нормальной работы ТТ необходимо соблюдать условие подвода и отвода

тепла в зоне испарения: qзи = Qзи / (π·Dиcп·Lиcп) < λ·∆Тиcп / δф, где λ –коэффициент теплопроводности фитиля, ∆Тиcп – разность температур конденсата в зоне

испарения и пара теплоносителя;

в зоне конденсации: qзк = Qзк / Sзк < α·(Тзк - Тос), Тзк- температура конденсации пара, Тос- температура окружающей среды.

Свойство ТТ: - высокий коэффициент теплопроводности λ ≤ 4·105 Вт/(м· ̊К),

-высокая экзотермичность поверхности ТТ (отдача тепла),

-возможность распределения (разветвления) и трансформации (изменение площади поперечного сечения) тепловых потоков,

-способность работы в невесомости в негерметичных отсеках КА,

-управляемость и регулируемость процесса. Газорегулируемая тепловая труба, может поддерживает температуру теплового источника почти на одном уровне при изменении подвода теплоты в широких пределах;

-минимальная масса, высокая надежность работы.

Классификация ТТ по назначению: передающие (сифоны), распределяю-

щие, термодиоды (в одну сторону), термостабилизирующие по температуре. 8

АКТИВНАЯ СИСЕМА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА

Классификация ТТ по возврату теплоносителя: под действием гравитационных сил при их наличии, центробежных сил, под действием фитиля (фитиль работает за счет капилярных сил на всю длину ТТ).

Классификация ТТ по форме и размерам: плоские, овальные (круглые), изогнутые, v –образные, по диаметру от нескольких мм. до десятка мм., по длине от десятков до сотен мм. и более.

Классификация ТТ по температурному диапазону: криогенные tnара < 250̊К,

низкотемпературные 250̊К < tnара < 550̊К, cреднетемпературные tnара < 750̊К, высокотемпературные tnара > 1400̊К.

Улучшение характеристик ТТ достигается использованием контура обратной связи. Давление газа в резервуаре можно регулировать с помощью электронагревателя, который упраляется по сигналу чувствительного элемента, установленного у источника теплоты. Нормирование термических связей обеспечивается их подбором между блоками бортовых систем и агрегатов с элементами конструкции КА (например, конструкционными материалами и геометрическими размерами элементов крепления), а также установкой термостабилизированных панелей (например, высокотеплопроводных панелей, изготовленных из композиционного материала на основе высокомодульного углеродного волокна).

9

АКТИВНЫЕ СИСЕМЫ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА

Отличительная концепция контурной ТТ состоит в следующем:

-фитиль размещен только в той части устройства (испарителе), к которой подводится тепло от внешнего источника;

-фитиль имеет специальную конструкцию и капиллярно-пористую структуру, которая позволяют организовать теплообмен при испарении теплоносителя наиболее эффективным образом и одновременно обеспечить функцию «капиллярного насоса», создающего высокое капиллярное давление;

-часть устройства, предназначенная для передачи тепла внешнему приемнику (конденсатор), может иметь практически любую форму и конструкцию, в

наибольшей степени соответствующую условиям теплообмена; -испаритель соединен с конденсатором посредством раздельных гладкостенных

Схема контурной ТТ	трубопроводов для пара и жидкости,
	трубопроводов для пара и жидкости,
	имеющих относительно малый
	диаметр, благодаря чему они могут
	легко принимать различную
	конфигурацию и обеспечивать
	минимальное гидравлическое
	сопротивление.

10

АКТИВНЫЕ СИСЕМЫ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КА

Пример сотовой панели КА с вмонтированными тепловыми трубами:

1 - обшивка; 2- пленочный клей; 3- тепловая труба; 4- сотопласт; 5 - самовспенивающийся клей; 6- втулка крепежная

Теплопередающие элементы представляют собой ТТ, размещаемые внутри корпусных пане- лей КА и предназначены для обеспечения тепло- вого режима панелей, в которых они установлены. Перспектива развития контурных ТТ связана,

в частности, с их миниатюризацией. К числу миниатюрных относятся ТТ, диаметр испарителей которых не превышает 8 мм, а диаметр паропровода и конденсатопровода составляет не более 3 мм. Такие устройства представляют собой особый вид контурных тепловых труб, так как традиционная концепция испарителя, который является основной частью ТТ, не приемлема при таких малых диаметрах. В этих случаях применяются медь-водяные миниатюрные контурные тепловые трубы с плоскими или цилиндрическими испарителями.

В состав СТР могут быть включены электронагреватели с автоматическим регулированием температуры, включающие датчики температуры, блок управления и нагревательные элементы. Электронагреватели обеспечивают обогрев ряда элементов и блоков аппаратуры КА в условиях, когда тепловыделение бортовой аппаратуры и внешний теплоотвод недостаточны для поддержания минимальных значений температур.

11

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Теплозащитные покрытия КА

Задачей теплозащитных покрытий (ТЗП) является уменьшение высокой (до 5000 град. К) температуры на поверхности ТЗП, до допустимой на поверхности конструкции КА (СА). Допустимая температура на поверхности конструкции КА определяется материалом конструкции.

Основными требованиями к ТЗП являются:

-небольшая масса, достаточная прочность, в том числе при вибрации;

-высокая теплоемкость и низкая теплопроводность;

-технологичность и экологическая безопасность при изготовлении;

-нижние слои ТЗП не должны разрушаться раньше наружных; Классификацию ТЗП проводят по следующим признакам:

1)По месту расположения ТЗП могут быть внешними (защита от аэродинамического нагрева) или внутренними (защита от нагрева истекающими газами работающего двигателя, например, при горячем разделении ступеней РН).

2)По защищаемым объектам бывают ТЗП корпуса, спускаемого аппарата (СА), баков, приборного отсека, крыльев и т.д.

3)По применяемым материалам ТЗП делят на металлические, керамические, композиционные.

4)По температурам, на которые рассчитываются ТЗП, они делятся на низкотемпературные (до 400 град.С), среднетемпературные (до 700 град.С),

высокотемпературные (выше 700 град.С).

12

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

5)По принципу действия различают активные ТЗП, предусматривающие газообразные или жидкие теплоносители для принудительного охлаждения и пассивные ТЗП, действующие за счет теплопоглощения, излучения или уноса ТЗП.

6)Различают ТЗП одноразового (на СА «Союз») и многоразового применения ( на «Спейс Шаттле»).

Различают следующие виды ТЗП:

1)Металлическое ТЗП с применением тугоплавких металлов, наиболее простое по конструкции и технологии изготовления. Для металлической ТЗП применяют сплавы титановые (до 300-500 град. С), никелевые, кобальтовые, молибденовые, вольфрамовые (до 1100 град.С), ниобиевые, танталовые (до 1300 град.С). Ограничением для применения тугоплавких металлов и сплавов является их низкая жаростойкость - резкое возрастание окисления с ростом температуры. Поэтому для металлических ТЗП необходимо применение жаростойких покрытий.

2)Радиационная теплозащита излучает тепло с нагретой поверхности. При определенной равновесной температуре уравниваются значения подводимого и излучаемого потока. Главными требованиями к материалам радиационной ТЗП являются высокие излучательная способность, жаростойкость и жаропрочность. Конструктивно радиационная ТЗП представляет собой тонкий экран, усиленный

13

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

ребрами жесткости, соединенный с несущей поверхностью КА или РН. Для экранов используют тугоплавкие металлы (ниобий, молибден, тантал, вольфрам) и их сплавы с температурой плавления 2500-3400 град.С.

3)Конвективное охлаждение поверхности с помощью жидкого или газообразного охладителя, омывающего нагретую поверхность. Из-за сложности конструкции (бак, трубопроводы, теплообменники, насос), значительной массы охладителя для охлаждения конструкции КА не применяется. Конвективное охлаждение находит широкое применение в ЖРД для охлаждения огневых стенок.

4)ТЗП с поглощением тепла, которая поглощает и накапливает в себе тепло, не пропуская его к металлической конструкции КА. Такое ТЗП применяется на «Спейс Шаттле», которое выполнено в виде плиток, покрывающих всю поверхность корабля. Плитки черного цвета на основе углерода выдерживают большую температуру, чем белые плитки на основе кремния

5)ТЗП с уносом поверхностного слоя является распространенным ТЗП в конструкциях КА, используется, например, на СА «Союза». Это ТЗП работает следующим образом:

- поглощение тепла при нагревании поверхностного слоя ТЗП до температуры фазовых превращений или химических реакций; - поглощение тепла при физических (плавление, испарение, сублимация) и

14

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

химических превращениях нагретого слоя;

-поглощение энергии в результате механического разрушения и уноса продуктов физико-химических превращений;

-излучение энергии нагретым поверхностным слоем;

Вкачестве материалов для этого ТЗП применяют композиционные материалы, которые по характеру разрушения разделяют на:

1) сублимирующие - разрушаются при значительном нагреве с образованием газа, миную жидкую фазу; 2) плавящиеся - разрушаются при нагреве, образуя жидкую фазу, которая может

растекаться по защищаемой поверхности, уносится с нее и частично испаряться; 3) обугливающиеся - композиционные материалы, эффект теплозащиты у них связан с процессами разложения материала, уноса газообразных и твердых частиц, излучением теплового потока. Обугливающиеся покрытия образуют

четыре слоя:

-основное (первоначальное) покрытие;

-слой, в котором происходит процесс образования газов и обугленного твердого остатка;

-обугленный, раскаленный (коксообразный);

-пограничный слой газообразных продуктов.

4) окисляющиеся - материалы, которые при нагреве интенсивно, с поглощением значительного количества тепла окисляются (горят).

15

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Определение толщины ТЗП на участке спуска СА

Участок снижения в плотных слоях атмосферы является быстротечным, напряженным и ответственным, так как именно здесь происходит практически полное гашение энергии (более 99%), а СА подвергается мощному динамическому и тепловому воздействию. Суммарный тепловой поток составляет до 42·107 Дж/м2.

Тепловое защитное покрытие СА — это специально разработанная для спуска КА сублимирующая тепловая защита или теплозащита с уносом массы. Ее суть состоит в следующем. Поверхность СА покрывают специальным сублимирующим материалом, который нагревается до высоты 60 км. и начинает плавиться при температурах, превышающих 2000 °С на высоте от 60 до 15 км. На этих высотах происходит унос массы, вместе с которой отводится и тепло. В результате, хотя температура и превышает 2000 °С, но на поверхности СА за счет плавления и уноса массы сохраняется температура плавления. На высотах от 15 км. и ниже, температура снижается, обгар (унос массы) прекращается и продолжается только прогрев теплозащитного слоя. В силу этого под слоем сублимирующего материала должен быть хороший изолятор, который не позволяет распространиться теплу внутрь СА. Суммарную толщину сублимирующего материала и теплоизолятора подбирают такой, чтобы в процессе спуска температура в рабочем отсеке СА не превышала нескольких

десятков градусов.

16