Сублиматор.
С тех пор, как астронавты впервые вышли за пределы своих космических транспортных средств для прогулок в открытом космосе, сублиматор воды с обратной связью стал основным средством отвода тепла от скафандра во время внеземного движения. При использовании сублиматора воды, вся тепловая нагрузка внутри скафандра концентрируется и отправляется в теплообменник, подключенный к сублиматору воды в системе терморегуляции.
Сублимация относится к фазовому переходу первого рода. В точке фазового перехода наблюдается выделение или поглощение строго определенного количества тепла и изменение объема.
Обязательным атрибутом скафандров является поглотительный патрон, который очищает воздух, циркулирующий в скафандре и снова подает его для обеспечения космонавта кислородом. Воздух приводится в движение вентиляторами, причем вентиляторов два - один из них резервный.
После вентилятора воздух поступает в специальные каналы в сублиматоре, где происходит охлаждение и отделение влаги от воздуха (влага образуется в скафандре как конденсат на стенках сосуда). Специальный влагоотделитель собирает влагу и направляет ее в сублиматор для охлаждения и использования в костюме водяного охлаждения. На выходе из сублиматора воздух имеет температуру 4-5 градусов Цельсия. Потом осушенный и охлажденный воздух поступает в скафандр (выходит через специальные трубки в шлеме). Кислород находится в двух баллонах– резервном и основном. Космонавт может вручную переключать систему с основного баллона на резервный.
Процесс в сублиматоре протекает следующим образом:
Внутри скафандра есть определенное давление, проходя через металлокерамические поры в сублиматоре - вода замерзает, так как вода в жидком виде в вакууме не существует и превращается в лед. А лед в свою очередь сублимирует (то есть минует стадию плавления) наружу, процесс фазового перехода происходит с поглощением тепла, и скафандр охлаждается. Минусом системы с сублиматором является перерасход воды, и соответственно ухудшение массовых характеристик. Теплая вода и теплый воздух, попадая в сублиматор, превращаются, растапливают образовавшийся там лед. Затем из водяного бака идет новая порция воды в сублиматор и снова образуется лед (он необходим для охлаждения воды, которая циркулирует в костюме водяного охлаждения). Сам костюм водяного охлаждения представляет собой сеть связанных трубок, по которым циркулирует вода.
Другие системы.
На данный момент сублиматор является бесспорным лидером в области тепло и массообмена скафандра. Но необходимость использовать большое количество воды вынуждает инженеров трудиться на другими системами, которые до сих пор находятся на стадии НИОКР.
Лучистый теплообмен.
По-сути эта система несете в себе следующую идеологию - вся поверхность тела и оборудования это теплообменник. Массовые характеристики улучшаются за счет отказа от бака с водой, но система очень сложна в проектировании. Если в случае работы сублиматора возможно изменить расход воды и соответственно изменится снимаемая тепловая нагрузка, то в системе с лучистым теплообменом намного сложнее менять параметры.
Терморегуляция скафандра очень динамичный процесс, с точки зрения, как внешней среды, так и внутренних тепловых нагрузок. Как и следовало ожидать, колебания окружающей среды сильно зависят от сценария миссии. При работе в открытом космосе на низкой околоземной орбите, астронавты будут выходить из тени Земли каждые 90 минут. На поверхности Луны в основном постоянная температура, или меняется незначительно из-за особенностей ландшафта (валуны, кратеры, горные хребты). Кроме того, необходимо учитывать внутренние отклонения в зависимости от метаболических нагрузок экипажа.
Рассеивание тепла через излучение определяется законом Стефана – Больцмана:
За исключением константы Стефана – Больцмана, другие параметры определяется скафандром и свойствами окружающей среды. Площадь теплообмена будет складываться из двух составляющих: площадь оборудования, которую можно превратить в радиатор, и площадь скафандра космонавта. Обычно площадь оборудования, которая подходит в качестве радиатора - 0.85 м2. А проблема расчета рассеиваемого тепла от скафандра заключается в том, что астронавт постоянно находится в разных позах, меняя условия теплообмена. В настоящее время скафандры спроектированы так, чтобы излучательная способность была максимальной (ε = 0.86), а поглощение солнечной радиации (α = 0.18) – минимальной. Вначале 2000х появился скафандр Chameleon. Предполагалось, что система терморегуляции будет обеспечивать переменную проводимость от кожи к наружной [излучающей] поверхности костюма. Дополнительный контроль происходил с помощью электрохромной инфракрасной модуляции, и изменения взаимодействия с внешней средой с помощью жалюзи MEMS (микроэлектромеханическая система).
По этой системе пока вопросов больше чем ответов, и увидим мы их я думаю нескоро.
Литиевый радиаторный поглотитель хлорида.
Сама новая технология, по которой очень мало информации, но принцип похож на систему с сублиматором. Здесь используется принцип эндотермической реакции, то есть рассеиваемое тепло поглощается в ходе химической реакции.
Система состоит из трех основных компонентов: Радиатор - испаритель - адсорбер. По конструкции водяной мембранный испаритель соединяется с литиевым радиаторным поглотителем хлорида лития. Вода испаряется за счет подведенной к ней теплоты от скафандра, направляется в поглотитель хлорида лития, где большая часть водяного пара поглощается, и происходит реакция хлорида лития с водой, в результате реакции повышается температура поверхности радиатора, одним из преимуществ системы является работа по замкнутому циклу.
В результате реакции образуется гидроксид лития (LiOH) и соляная кислота (HCl). Где накапливаются эти реагенты, и что с ними делают авторы предложенной схемы не сообщили.