Теплообмен излучения космических аппаратов

вблизи планет Солнечной системы

Планета	Размер большой полуоси эллипса, а.е.	Эксцентриситет орбиты	Плотность потока солнечного излучения , Вт/м²
Меркурий	0, 39	0, 206		2, 3
Венера	0, 72	0, 007		1, 03
Земля	1, 00	0, 017		1, 07
Марс	1, 52	0, 093		1, 45
Юпитер	5, 20	0, 048		1, 21
Сатурн	9, 54	0, 053		1, 23

Из таблицы хорошо видна закономерность: по мере удаления от Солнца падает обратно пропорционально квадрату расстояния. Это обстоятельство необходимо учитывать не только при тепловом проектировании, но и при решении задач энергообеспечения. Анализ показывает, что солнечные батареи малоэффективны для космических аппаратов (КА), исследующих планеты-гиганты (например, Сатурн…).

Для иллюстрации последнего обстоятельства решим задачу:

Оценим: каковы должны быть размеры солнечных батарей КА, который находится в окрестностях Юпитера.

1) Предположим, солнечные батареи развернуты таким образом, что солнечные лучи падают перпендикулярно их поверхности;

2) КПД постоянный, не зависящий от температуры батареи, η =const=0.15(в реальности зависит температуры).

Рис. 4.4

Зададимся электрической мощностью

1кВт=1000 Вт

Решение:

; ;

м²

11, 5

Рис. 4.5

Проблема энергообеспечения и теплового режима для такого рода космических аппаратов взаимосвязаны, т.к. при малой плотности солнечных тепловых потоков космический аппарат придется «подогревать», поддерживая в его отсеках заданный тепловой режим.

Для оценки температурного режима рассмотрим тонкую пластинку, теплоизолированную с одной стороны

A_s

Рис. 4.6

В случае стационарного теплообмена устанавливается равновесие между количеством поглощенной теплоты и количеством теплоты, которое отводиться за счет собственного излучения.

Предположим,

где – равновесная температура.

К.

В действительности, как правило, в космических аппаратах

Если в 4 раза, то К.

Отсюда необходимость учитывать все теплопритоки.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ

Понятие о пограничном слое

Рис. 5.1. Схема пограничного слоя, омываемого жидкостью или газом

1 – зона ламинарного течения; 2 – зона турбулентного течения (хаотическое перемешивание струек жидкости или газа)

Физическая природа аэродинамического нагрева: торможение газообразной среды у поверхности конструкции. В настоящее время основная модель, принимаемая для расчета аэродинамического нагрева, строится на существовании пограничного слоя.

– толщина пограничного ламинарного слоя;

–толщина пограничного турбулентного слоя;

– Число Рейнольдса.

x_кр указывает толщину, на которой ламинарные режимы течения переходят в турбулентные.

Re_кр – соответствующее этому режиму число Рейнольдса зависит от того, пластина это или труба.

Пластина Re_кр=5× 10⁵;

Труба Re_кр=2× 10³.

Δ _л – толщина ламинарного подслоя (считается, что в этой зоне происходит обмен теплотой между газом/жидкостью и стенкой).

Если: ;

где – коэффициент температуропроводности:

где удельная теплопроводность.

При наличии общей кромки ламинарный режим течения сменяется турбулентным. В турбулентном режиме течения передача теплоты происходит более интенсивно.

Фундаментальное значение в теории теплопередачи имеет закон Ньютона:

где – плотность конвективного теплового потока,

– коэффициент теплоотдачи (коэффициент теплообмена).

Вт/(м²·К);

– стенка остывает;

– станка нагревается.

При больших скоростях полета закон Ньютона видоизменяется:

где – температура восстановления.

В механике сплошной среды у поверхности V=0.

T_∞

T_r

V_∞

y

x

Рис. 5.2.

1 –прогреваемая стенка; 2 – теплоизолированная стенка

T_∞=T_Н; H=11 км; T_∞=T_Н=217 К;

Профиль температуры в пограничном слое зависит от ряда факторов.

Введем понятие о температуре восстановления .

где r – коэффициент восстановления.

–ламинарный режим течения;

– турбулентный режим течения.

При нормальных условиях для воздуха Pr=0, 7.

C физической точки зрения параметр r характеризует количество кинетической энергии, превращаемой в тепловую.

При натекании потока на преграду (затупленная часть СА) происходит полное торможение r=1.

r=1

Рис. 5.3

– температура торможения.

Если стенка будет теплоизолирована

; (плиточная теплозащита).

Примечание: таких материалов нет.

Рассмотрим случай прогреваемой стенки:

С ростом скорости полета изменяется состав газа в пограничном слое за счет процессов диссоциации (распада молекул) и ионизации (распада атомов на ионы и электроны).

Следствием этих процессов является изменение удельной теплоемкости.

дозвуковой режим течения;