Авиационная и ракетно-космическая теплотехника. Введение в специальность Бурдаков В.П., страница 7

скорость которого составляет с = 3 10 м/с. 5 Один из основных законов излучения — закон Стефана-Больцмана — был установлен экспериментально Стефаном в 1889 г. и теоретически Л. Больцманом в 1894 гл Ее=па Т, Вт/м 4 2 Давление электромагнитного излучения в замкнутом сосуде определяется по формуле р о=2,51 10 Т Па=2,51 10 Т ата, откуда, сравнивая его с газовым давлением при постоянном обьеме сосуда р = — 10 Па Т 273 получим, что равенство между ними устанавливается при Т =1130000 К.

Это означает. что при реакциях термоядерного синтеза 110 — 100 млн.К) световое давление будет е сотни и тысячи раз прееыигать газовое. Солнечное давление на орбите Земли составляет для поглощающих поверхностей со степенью черноты 5 =0,72 около 0,6 10 Па, а для отражающих поверхностей около 10 Па.

Экспериментально давление солнечного света было впервые исследовано П.Н. Лебедевым в 1901 г. В соответствии с законом Киркгофа отношение Пзлучательнай способности нагретого тела к его лучепоглащательной способности зависит только от температуры, откуда е=А, то есть степень черноты тела в равны его поглощательной способности А. В соответствии с законом Памберта излучательная способность нагретого тела в любом направлении равна Е =Е соз <р, где па — константа Стефана-Больцмана.

Таким образам излучательная способность единицы поверхности нагретого тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Теплопередача излучением происходит по закону, напоминающему ньютоновский: Д=оа(Т вЂ” Т ), Вт/м, где Т1 — температура нагретого тела, которое отдает тепло, а Тз— холодного, воспринимающего тепло тела. Везде значок "о" означает, что речь идет об идеальном абсолютно черном теле. 32 где д — угол с нормалью к выделенной площадке тела, Иногда этот закон именуют законом косинусов.

Кроме рассмотренных интегральных законов существуют спектральные законы излучения и прежде всего — закон Зина, установившего в 1893 г., что произведение абсолютной температуры на длину волн максимальной интенсивности излучения, есть величина постоянная; 7 2'нвв Этот закон можно применять до 1500 К, а далее постоянная воз- растает. Экспериментально закон можно проверить, нагревая же- 33 лезный прут.

Излучение сначала идет в красной области спектра, а затем постепенно перекодит в его оранжевую и желтую часть. Закон Планка, теоретически установленный М.Планком в 1901 г. позволяет математически описать спектр электромагнитного излучения: ЕЬ =С1Х ( е ' — 1] Вт/м -зр с /('Аг! 1 3 о где посгпоянные Планка: С!=0,37 !О Вт м и С =1,439 10 и К. Здесь Х длина волны, м.

Таким образом, существуют тири различных по физической природе способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. которые в реальных условиях всегда действуют совместно, хотя изучаются (исследуются) чаще всего порознь. Роль наук'о тепломассообмене, то есть наук, охватываемых неравновесной термодинамикой, будет неуклонно возрастать„причем не только в связи с развитием техники летательных аппаратов, увеличения скорости нх полета в атмосфере, достижения и преодоления теплового барьера, выхода в дальнее и околосолнечное космическое пространство, но и в связи с проблемой глобального климата.

1.8, Теплофизические проблемы глобального климата сии, более 50% территории которой расположено в зоне Вечной мерзлоты (ВМ). Теплофизические расчеты показывают, что увеличение среднегодовой температуры атмосферы всего на 1', снижает несущую прочность льда ВМ на 50%! А это означает, что всего через 20...30 лет железные дороги, магистральные трубопроводы, линии электропередач, жилые и производственные постройки на ВМ будут непредсказуемо разрушаться. На смену им должны придти новые технические решения„связанные, прежде всего, с новыми типами летательных аппаратов и новыми типами наземных построек, выполненных также по технологии строительства и эксплуатации ЛА. Вместе с тем, предстоит решать и более трудную теплофизическую задачу — научиться искуссгпеенно регулировать климат Земли.

Сделать это можно только в том случае, когда у землян буя * я йВй2сяйа можности космического масштаба. Пока же приходится с сожалением констатировать, что как валовая, так и среднедушевая энергия, потребляемая землянами, снижается (рис.2), Развитие ЛА и космических технологий, в том числе космических экранов, космических отражателей, космических электростанций и космических заводов — единственно возможный путь к выживанию человечества, но времени для практической реализация всего этого может быть мало, и тогда человечество окажется в крайне критическом состоянии— вплоть до полного исчезновения цивилизации. Система Земля-Луна существуе~ примерно 4,5 млрд.

лет, Земной климат реконструирован с высокой достоверностью примерно на 550 млн лет (ряс.5). Видно„что за исключением периода больших возмущений (ПБВ) (50... 250 млн. лет назад) среднегодовая температура атмосферы Земли совершала крупномасштабные периодические колебания. Жаркие периоды с температурой более 25 сменялись холодными (ледниковые периоды) с температурой ниже 1О С. Период таких колебаний составляет примерно 150 млн.лет. Совершенно очевидно, что люди, сумевшие приспособиться к холоду благодаря освоению пещер, горячих источников и умению обращаться с огнем, совершенно не готовы к будущему жаркому климату, который, как это видно из рис. 5, неизбежен. К 2030 г.

температура может подняться еще на 1,5...2', а это грозит неизбежными катастрофами, прежде всего, северным странам и, в частности, Рос- 2. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЬгХ АППАРАТОВ 2.1. 11отребности организмов и ресурсы для их удовлетворения Естественный (природный) живой организм, то есть человек, животное, насекомое и т.д., искусственный (антропогенный) организм, то есть автоматически действующее устройство, человеко- машинный организм, то есть техногенное устройство, управляемое человеком или экипажем (самолет, космический корабль и т.д.), а также общественный организм, состоящий, как правило, из соче- зз тания естественных, искусственных и человеко-машинных организмов, существует благодаря потреблению внешних ресурсов в тех количествах, которые необходимы для устойчивого существования, функционирования илн развития организма.

Основная базовая потребность любого организма — энергетическая. Энергия — это продукты питания, свет, тепло, топливо для самолетов, ракет и всех остальных видов транспорта, это основа жизни рудников, заводов и фабрик, испытательных полигонов и строек. Любой из перечисленных организмов имеет либо созданные природой (органы дыхания, пищеварения, кровеносная система и т.д,), либо изготовленные техногенным способом (баки для горючего, двигатели, энергосистемы) органы или агрегаты, обеспечивающие получение энергии извне, ее преобразование, распределение по организму и усвоение.

У естественных (природных) организмов «энергетические» органы занимают довольно большую долю от массы организма — от 32 до 44% или 38х6%, если говорить о математическом ожидании, то есть среднем значении (38%) и дисперсии, то есть отклонении от среднего (хб'),'). Характерно. что приведенные величины самоподобны (фрактальны) для подавляющего числа организмов — от живой клетки, до самых огромных животных — слонов и голубых китов, то есть для всей фауны, всего живого мира. В данном случае самоподобие или фрактальность означает подобие части целому, Иначе говоря, и для асей фауны, и для любых ее структурных единиц ( сообщества, популяции, симбиозы) — вплоть до индивидуальных организмов относительные затраты массы иа обеспечение энергетических функций — одни и те же! Но фауна очень сложна н классификация организмов от простых к сложным строится по кластерному принципу как, впрочем, и любая конструкция.

Вот почему фрактальная величина 38 й67,', характерная для любого кластера, носит название фрактально-кластерной, а соотношение между всеми потребностями называются фрактальпокластерными соотношениями (ФКС). Другой базовой потребностью любого организма является потребность транспортная нли потребность в транспортировке. ФКС для транспорта составляет 27+ 47», причем эта цифра характерна не только для массы организма (ноги и опорно-двигательный аппарат, крылья насекомых и птиц, мышцы тела и плавники рыб, крыло, шасси, киль, стабилизатор и тянущий винт самолетов, ходовая часть наземных транспортных средств, винты с приводами и рули плавс- редств и т.д.), но и для других единиц измерения (свойство мультифрактальпости). Например, в жилой квартире, в рабочем помещении или в салоне самолета относительная площадь пола, предназначенная для перемещения, составляет, как правило, ту же величину 27+4»~,'.

Рабочий относительный объем а кабине космического корабля или станции. предназначенный для перемещений космонавтов, тоже того же порядка, То же самое можно сказать и о других величинах. Время, затрачиваемое человеком на свою энергетику (сон, отдых и прием пищи), должно составлять 38 й6% от времени суток, а время, затраченное на разного рода перемещении— 27+4»~. То же самое можно сказать и о за»притих денежных средств. Экологические потребноспзи оцениваются в 16 х 33»'. Для человека — это защитные элементы организма: иммунная система, кожный и волосяной покровы, костная защита наиболее важных органов и т.д.

Для космического корабля «Буран» вЂ” это теплозащита, теплонзоляция, защитные люки, створки, обшивка фюзеляжа и т.д. Для города или государства экологические (защитные) функции выполняют военизированные подразделения, пожарные, суд н прокуратура, органы природоохраны, здравоохранения и т.д.

Технологические потребности оцениваются в 13+2%. У человека для совершения технологических операций предназначены руки. У космического корабля «Буран» для тех же операций имеется манипулятор, стыковочный узел, элементы крепления полезного груза и т.д. Для государства — это все виды производств (фабрики, заводы, рудники, учебные заведения и т.д.). Информационные потребности (6 «1%) для человека удовлетворяются головным мозгом, рецепторами (пять органов чувств), половой системой, нервно-мозговой системой.

Для летательного аппарата информационная система включает систему управления движения, систему управления бортовым комплексом, систему измерений, системы обмека информацией, то есть радиотехническую, бортовые огни, звуковые сигналы и т.д. Для государства в комплекс информационных ресурсов входит наука, культура, печать, образование, финансы, религия, почта, радио, телевидение, кино и т.д. В заключение следует сказать, что организмы, для которых соблюдаются ФКС, называются устойчивыми, жизнеспособными для условий Земли и околоземного пространства. 37 2.2. Легенда о Дедале и Икаре. Планеры Миф о Дедале и сыне его Икаре возник в Афинах и дошел до нас благодаря поэме Овидия «Метаморфозы».