Особенности аэродинамического нагрева на больших высотах

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 9Следующая ⇒

По мере удаления от поверхности Земли атмосфера становится все более разряженной, и, начиная с некоторой высоты, модель течения сплошной среды становится недостоверна. Течение газа происходит со скольжением, когда скорость у поверхности ≠ 0. А на еще больших высотах с поверхностью сталкиваются лишь отдельные молекулы, атомы, ионы. В этом случае говорят о свободно молекулярном обтекании.

V_∞

V₀

Рис. 5.6

Особенности состава атмосферы, изменение плотности, давления и температуры с высотой находят отражение в модели «атмосфера».

Учитывая важность использования согласованных данных в расчетно-теоретических исследованиях, упомянутые выше параметры фиксируются в ГОСТе «Стандартная атмосфера».

Этот стандарт учитывает не только высотную, но и широтную зависимость. Кроме того, дополнение к стандарту учитывает и сезонные изменения.

Систематизация и обобщение данных о составе атмосферы Земли – актуальная научно-техническая задача. Для ее решения используются средства наземного и воздушно-космического наблюдения.

Для проектирования межпланетных аппаратов, в том числе спускаемых, разрабатывают модели планет и их спутников.

Таблица 5.1

H, км	р, мм. рт. ст.	Т, К	Число частиц n, 1/см³	Состав
			2, 5∙ 10¹⁹	N₂, O₂, Ar
			4, 5∙ 10¹⁸	N₂, O₂, Ar, O₃
			3∙ 10¹⁶	N₂, O₂, Ar, O₃
	10^-4		10¹²	N₂, O₂, O
	10^-6	903*	10¹⁰	N₂, N, O, O⁺
	10^-9	3313*	10⁶	O, O⁺, H
	10^-12	10³-10⁴*	10³	H, H⁺
> 22000	< 10^-13	10³-10⁵*	10-10³	H⁺, He⁺

760 мм рт. ст.=1 атм.=1 кГ/см²=9, 81/10^-4 Н/м²=9, 81× 10⁴ Па 10⁵ Па=0, 1 МПа

*903 К – кинетическая температура (кинетическая энергия молекул)

Удобным параметром для описания теплообмена в разряженной среде является число Кнудсена:

где l_м- длина свободного пробега молекул;

l- характерный размер тела.

H, км

Lg l_м

-8

-6

2 4 6 8

-4 -2

500 400 300 200 100

Рис. 5.7

Длина свободного пробега молекул изменяется случайным образом. Оценку этой величины можно провести по формуле:

где n – число частиц в единице объема, – сечение столкновения.

Следует различать среднее расстояние между молекулами Δ и среднюю длину свободного пробега .

Земля: H=300 км м;

1/м³; м²; м.

С помощью числа Кнудсена можно разделить режимы обтекания на 4 группы:

– свободное молекулярное течение;

– переходная зона от свободного молекулярного течения к течению со скольжением (H=80-160 км);

– течение со скольжением;

– течение сплошной среды (H< 80 км).

Теплоотдача при свободном молекулярном течении зависит от количества энергии, передаваемой молекулами стенки.

Введем понятие о коэффициенте аккомодации (усвоения) этой кинетической энергии. Величина этого коэффициента зависит от состава поверхности (шероховатая или полированная) и в меньшей степени от природы материала.

Величина q_w_,_c рассчитывается по тем же зависимостям, что были приведены раньше, за исключением того, что коэффициент восстановления r> 1:

;

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ОБЪЕКТОВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Космические антенны

В космической технике нашли применение различные типы антенн. Их условно можно разделить на несколько групп:

· Направленные,

· Ненаправленные

По конструктивно исполнению:

– направленные – стержневые, различной формы (прямо-, криволинейные).

– ненаправленные – с концентрирующими поверхностями, спиралевидные.

Последние годы большое внимание уделяется созданию зеркальных космических аппаратов, которые могут быть отнесены к категории направленных, имеющих концентрированную поверхность.

Несколько типов таких антенн:

б – с котротражателем

а –с вытесненным облучателем

в– Со смещенным облучателем

Рис. 6.1 Схемы приемо-передающих зеркальных космических антенн

1 – радиоотражающая поверхность; 2 – облучатель; 3 – генератор радиоволн; 4 – корпус КА; 5 – фидерное устройство (канал для передачи радиоволн); 6 – контротражатель (вторичное зеркало)

Различные конструктивные решения обуславливаются несколькими факторами: необходимостью компактной укладки антенны на этапе выведения в космическое пространство; стремлением обеспечить высокую стабильность форм и размеров; необходимостью снижения потерь, вызванных затенением рабочей поверхности конструктивными элементами.

Все эти схемы удовлетворяют условиям компактной укладки.

Иногда схемы а и б именуют зонтичными, поскольку их отдельные элементы при транспортировке на рабочие орбиты находятся в сложенном (свёрнутом) состоянии, подобно зонтику.

Общим для всех космических антенн является стремление снизить отклонение от заданных форм и размеров до уровня, который определяется выражением

D L/16¸ L/50; L=С₀/v;

Для различных видов космической связи освоены диапазоны от нескольких тысяч Гц до нескольких десятков ГГц.

n=300ГГц=30× 10⁹ с^-1;

D=(3× 10⁸ м/с)/3× 10¹⁰ с^-1;

D=0, 6¸ 0, 2 мм.

Очевидно, что это очень жёсткое требование, которое заставляет рассматривать все факторы, влияющие на стабильность конструкции, в том числе и в первую очередь – тепловые.

Какие приёмы могут быть использованы для обеспечения термостабильности конструкции антенн?

Для этого надо проанализировать те возможные сценарии, которые сопровождаются появлением больших температур, а следовательно и больших температурных деформаций.

Рис. 6.2.

В различных вариантах затемнении конструкции на её поверхности есть зоны, имеющие заметное отличие по уровню температур.

При прочих равных условиях перепад температуры Δ T будет зависеть от оптических свойств, а в зоне «свет-тень» градиенты температуры будут определяться коэффициентом теплопроводности материала отражающей поверхности в направлении образующей. Во многих случаях развёртываемые антенны имеют жёсткую центральную часть, представляющую собой подкреплённую пологую оболочку.

Рис. 6.3

1 – слой из полимерного композитного материала (стеклопластик, углепластик); 2 – соты из металлической (алюминиевой) фольги

Возможным вариантом решения проблемы могло быть использование радиопрозрачных экранов, однако, к нему редко прибегают из-за конструктивных сложностей и опасности, связанной с нерасчетным раскрытием антенны.

Периферийные части развёртываемых антенн обычно изготавливают из трикотажных металлических сетеполотен, которые крепятся к стержневым элементам.

Наибольшее распространение получили сетеполотна из вольфрамовой и нихромовой проволоки, а для придания им лучших характеристик на поверхность наносится золотое покрытие.

Упрощённо трикотажное сетеполотно можно представить в виде сетки. Размеры ячейки обычно выбираются так, чтобы они были меньше длины волны излучения.

l₁, l₂< L;

Типичные значения мм

Рис. 6.4

Методы ткачества специальные (впервые в МГТУ им. Косыгина).

Такая структура сетеполотен при определённых углах освещения способна удерживать часть прямого солнечного излучения. Установлено, что отражательная способность металлических сетеполотен лежит в интервале от 80 до 85 %.

Другими словами от 15 до 20 % прямого солнечного излучения может проходить через сетеполотно и попадать на конструкцию.

В силу малой толщины поверхности из сетеполотен, они имеют и малую теплоёмкость, а следовательно на теневом участке они могут остывать до весьма низких температур. Расчёты показывают, что на теневом участке геостационарной орбиты температура сетеполотна может падать до уровня 30¸ 50 К.

Такой уровень сам по себе не опасен для металлических сетеполотен, однако, есть опасение, что связанные с металлическим сетеполотном конструктивные элементы из полимерных композитов могут реагировать на такое переохлаждение негативно, и теплосмены будут способствовать деградации их структуры.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒