Глава XIX. Тепловые режимы космических аппаратов (1013643)
Текст из файла
ГЛАВА ХаХ ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 19.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В настоящее время можно выделить две основные группы космичэ. сняв аппаратов: автоматические н пилотируемые. Аппараты этих групп заметно равличаются по конструкции, поглощаемой энергии и выделению тепла. Серьезной проблемой для пилотируемых космических аппаратов является создание системы жизнеобеспечения, котораи должна быть тесно связана с системами знергопитания н терморегулирования.
Подаержаиие тепловых режимов космичесшш летательных аппаратов обеспечивается специальными системами терморегулирования, которые могут быть пассивными, не содержащими специальных механизмов, ы активными, внлюча. ющими в себя иногда довсшьно сложные системы регулирования теплообменннков. Внутри космических аппаратов тепла может выделяться работающими приборами и аппаратурой, энергоустановками, а также в процессе жизнедеятельности экипажа в пилотируемых аппаратах.
Программа деятельности человека в космосе с каждым годом усложняется, что а свою очередь требует увеличения мощности бортовых энергоусгановок. Среднее энергопотребление лунного корабля «Аполлона составляло 2 кВт в течение нескольких недель, а для многолетней орбитальной станции П2 — 20 человек) энергопотребление составит несколько десятков кнловатг. В течение нескольких лет еще большее энергопотребление требуетси для электрических двигателей космических аппаратов, Любая энергетическая установка, работающая по замкнутому циклу, включает источник и холодильник, которые воспринимают часть тепла. В космосе зто тепло может быть отдано только посредством излучения.
К внешней поверхности аппарата подводятся солнечыая энергии как непосредственно от Солнца, тах н отраженная от поверхности планет, энергия собсгвеиыого излучении планет и энергия, выделнемая при столкновении поверхности аппарата с молекулами и атомамн, которые могут присутствовать даже на больших высотах„Количество поступающей к аппарату энергии может нз. меняться во много раз в зависимости от расстонния от Солнца и планет ы поло.
жеана аппарата. Излучением космического пространства, нмекацего среднюю температуру Т 4К, можно пренебречь. Поверхнос«ь космического аппарата непрерывно излучает энергию, причем количество ее зависит от температуры поверхности, формы н радиациоыныя свойств покрытии. Разработано большое количество различных систем терморегулировавия. Рассмотреть все этн системы, во многни случаях весьма сложные, не представляетсн возможным в рамках настоящей главы. Поэтому в даыной главе будут освещены только ыекоторые положения, общие для всея систем н дающие представление о путях и способаи поддержания теплового режима космическыи зппаратоа. 19.2.
ВНЕШНИЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА Основным внешним источником тепла прн полете в космосе является лучистая энергия от Солнца, Земли н планет. Прн полетах в окрестности Земли нлн планет на ннвкнх высотах некоторое влияние на нагреванне может оказывать соударенне с поверхностью аппарата атомов н молекул атмосферы. 478 Радиус плаиетм, ки' 3,. кВч/ма Ализедо Планета Е,. а. е. 2 437 6 050 3 386 1 735 6 376 70 000 0,06 0,7 О,!5 0,07 0,37 0,6 9,25 2,73 0,61 1,4 1,4 0,053 Меркурий Венера Марс Луна Земля Юпитер 0,39 0,72 1,52 1 1 5,2 Лучистая энергия от Солнца.
Количество лучистой энергии, поступающей от Солнца в единицу времени на единицу площади, называется солнечной постоянной. Для аппаратов, находящихся от Солнца на расстоянии, равном среднему расстоянию Земли от Солнца с,з =- 149 млн км, солнечная постоянная равна За = = 1400 Вт/м'. В зависимости от расстояния от Солнца тепловой поток изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния: Я =- 9о7-о/~.т. (19.1) Значения солнечной постоянной на различных расстояниях, соответствующих положению космического аппарата вблизи различных планет солнечной системы, приведены в табл. 19.1. Энергия Солнца излучается в основном в диапазоне длин волн от Х = = 0,2 до 2,5 мкм (рис.
!9.1), причем большая часть энергии приходится на область видимого излучения. Расчет нагревания поверхности от прямого солнечного излучения относительно прост, поскольку солнечный поток является практически параллельным. При заданном значении угла е! между нормалью к площади н направлением на Сол! пе (рис. 19.2) тепловой поток определяется выражением е(п„= А Д соз 44е1Р, (19.2) Вю В~п/сна В Вг Ву В4 ВВ ВВ «,У г ди Л, млм Рис. !9.!.
Спектр солнечного излучения Рнс. !9.2. Схема расчета солнечного потока на поверхности 479 Т а б л и н а 19Л. Зиачевнв солнечной постоянной ва различных расстояниях, соотиетстиуюпхвх полокевмю космического аппарата вблизи различных планет солнечной системы где А, — коэффициент поглощения поверхности солнечных лучей; о(Š— элементарная площадка, освещенная Солнцем.
В ряде случаев однако солнечная энергия может попадать на площадку путем отражения от других частей аппарата. Лучистые потоки отражения, зависящие от формы и расположения аппарата„должны рассчитываться отдельно. Собственное излучение планеты. Среднее значение теплового потока Е„излучаемого с единицы поверхности планеты, может быть определено из условия теплового баланса между количеством тепла от Солнца, поглощенным атмосферой н поверхностью планеты, и количеством тепла, которое отдано планетой излучением в окружающее пространство: Яп)со (1 — а) = Ео4п)~о (19.3) откуда Ео —— 0 (1 — а)/4, где Р— эффективный радиус планеты; а — Альбедо, определяющее отражательную способность планеты по отношению к солнечным лучам.
Основное значение для планет, обладающих плотной атмосферой, играет излучение атмосферы. Для расчета вводится понятие эффективного радиуса Я. Например, для Земли принято значение Р = (Ьо + 12) км, где )со — радиус планеты; 12 — эффективная толщина атмосферы; для Венеры, окруженной плотным слоем облаков на высоте Н ° 60 км, можно принять )с = (Яо + + 60) км. Назовем среднюю температуру поверхности, определяющую интенсивность и спектр излучения, равновесной температурой Тр. Так как Ео = (2 (1 — а)/4 = еооТр, где и — постоянная Стефана — Больцмана, то из уравнения (19.3) (19 А) Тр — — у' (1 — а) ф(4пе).
Приняв е = 1, получаем для Земли Тр ж 250 К, что значительно ниже средней температуры поверхности (Т „),р 290 К, для Венеры соответственно Тр 240 К и (Т„,),р 750 К. Такая разница связана с тем, что атмосфера экраннрует излучение поверхности и энергия переизлучается верхними слоями атмосферы. Для этих планет собственное излучение слабо зависит от времени суток. У планет, обладающих тонкой атмосферой (например у Марса) либо совсем не имеющих атмосферы (Луна), собственное излучение определяется непосредственно поверхностью, температура которой сильно изменяется в зависимости от освещенности Солнцем.
Так, температура точек освещенной части диска Луны определяется из условий теплового баланса (19.5) Я (1 — а) соз ф = еоТо, где ф — зенитный угол. 480 Приняв в ж 1, получаем ' /"А /а Тр —— 392 1/ соз хр (19.6) В подсолнечной точке (ф =. О) Тр — †3 К; при хр =- и/2 н / на неосвещенной стороне формула приводит к ошибке, так как / и '/з в нем не учтена теплоемкосгь чъ~ О грунта, ксперименты и расчеты, '/ / р учитывающие влияние теплоемкости грунта, дакт значение темпе- ~/. ратуры иа неосвещенной стороне Луны 90 ... !20 К. Температура рнс.
1з.з. схема нагоенаннн лета. поверхности Марса также сильно тельного аннарата от собственного зависит от освещвнности поверх- "вау'"~ння нланегм хла случае ности и колеблется в пределах Ф~6е от 150 до 300 К. Прн расчете нагревания тела в космосе от собственного излучения планеты в общем случае необходимо учитывать перемен- ность температуры по поверхности планеты. Однако для планет, обладающих толстой атмосферой, переменностью температуры можно пренебречь и получить относительно простые расчетные формулы.
рассмотрим гростейший случай движения вокруг планеты элемента поверхности космического аппарата в виде пластинки, нормаль которой составляет угол р с линией, соединяющей пластинку с центром планеты (рис. 19.3). Если угол р такой, что плоскость пластинки не пересекается поверхностью планеты (р < ре), то количество тепла, попадающего на пластинку от собственного излучения планеты, не зависит от предположения о законе излучения, если считать прн этом, что планета является однородной сферой.
Характеристики
Тип файла DJVU
Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.
Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
