В космическом пространстве тепло может передаваться только путем радиации, в то время как на Земле теплопередача может быть еще и конвективной и кондуктивной. А поскольку космический корабль должен отводить тепло в космос, это возможно осуществить только излучением. В таких условиях задача обеспечения теплового режима работы каждого элемента космического аппарата возлагается на специальную систему терморегулирования.
Система терморегуляции космического аппарата (система обеспечения температурного режима) — служебная система космического аппарата, обеспечивает поддержание баланса между получаемой тепловой энергией и её отдачей, перераспределением тепловой энергии между конструкциями аппарата и таким образом обеспечением заданной температуры. При этом сброс излишек тепла с аппарата осуществляется единственным способом — излучением в окружающее космическое пространство.
Пассивные и активные системы: от термоизоляции до жалюзи и тепловых труб
Для обеспечения требуемого теплового режима применяются пассивные и активные средства терморегулирования. Регулирование температуры пассивными средствами достигается в основном за счет подбора излучательных и поглощательных свойств поверхностей и термических сопротивлений узлов и элементов конструкции.
В группу пассивных систем входят системы на основе:
- Тепловой термоизоляции — защищает аппарат от внешних тепловых потоков
- Терморегулирующих покрытий — изменяют поглощательные и излучательные свойства поверхностей
- Оптимизации взаимного расположения элементов аппарата и источников тепла — минимизирует внутреннее перераспределение тепла
Так как пассивные системы во многих случаях дают слишком широкий диапазон изменения температуры объектов, то их дополняют активными системами, которые осуществляют принудительный теплообмен агрегатов космического аппарата с окружающей средой. Для этого они могут использовать следующие приёмы:
- изменение ориентации космического аппарата
- изменение внутреннего теплового сопротивления
- изменение термического сопротивления между выносными поверхностями, играющими роль радиаторов и отсеком, где требуется поддерживать постоянную температуру
- регулирование излучательной способности поверхности космического аппарата с помощью жалюзи
- используя электрические или радиоизотопные подогреватели
- с помощью движения теплоносителя между внешними и внутренними радиаторами
Жалюзи и тепловые трубы: как регулировать излучение и перераспределять тепло
При невозможности достижения таких результатов пассивными средствами вводят активные элементы для регулирования внешнего теплоподвода (жалюзи) или перераспределения рассеиваемой энергии внутри спутника (электронагреватели, теплопроводы, тепловые трубы). Соотношение и роль пассивных и активных средств в системах терморегулирования спутника определяется в основном конструктивными, аппаратными и технологическими особенностями, которые приходится учитывать при разработке подсистемы терморегулирования.
Жалюзи регулируют излучательную способность поверхности космического аппарата. Когда жалюзи закрыты, поверхность излучает меньше тепла, когда открыты — больше. Это позволяет адаптировать тепловой режим к изменяющимся условиям орбиты и солнечной активности.
Тепловые трубы — это устройства с высокой эффективностью теплопередачи, которые переносят тепло от источников к радиаторам. Они используют двухфазный цикл (испарение и конденсация жидкости) для переноса тепла с минимальными потерями. Тепловые трубы особенно эффективны для перераспределения тепла внутри спутника.
Система терморегулирования космического аппарата: радиаторы, нагреватели и покрытия
Обычная система терморегулирования космического аппарата включает в себя тепловые газожидкостные контуры, излучательные радиаторы, нагреватели, терморегулирующие покрытия и тепловые изоляторы.
Тепловые газожидкостные контуры — циркулируют теплоноситель (газ или жидкость) между источниками тепла и радиаторами, перенося тепло от внутренних отсеков к внешним радиаторам.
Излучательные радиаторы — поверхности с высокой излучательной способностью, которые сбрасывают тепло в космическое пространство. Обычно расположены на стороне аппарата, обращенной away от Солнца.
Нагреватели — электрические или радиоизотопные подогреватели, которые обеспечивают тепло в холодных условиях орбиты, когда аппарат теряет больше тепла, чем получает.
Терморегулирующие покрытия — специальные материалы с контролируемыми поглощательными и излучательными свойствами, которые оптимизируют тепловой баланс аппарата.
Тепловые изоляторы — защищают аппарат от внешних тепловых потоков и минимизируют потери тепла.
Сублиматоры: как лунный модуль рассеивал излишнее тепло через пористые пластины
На американских космических кораблях температуру внутри кабины поддерживают следующим способом. Жидкость, циркулирующая вокруг источника тепла, поглощает это тепло и переносит его к радиатору, находящемуся на наружной, обращенной в космический вакуум поверхности космического корабля. Таким образом, в кабине корабля поддерживается температура 25±2,5°C.
Излишнее тепло из атмосферы и от оборудования лунного модуля рассеивается с помощью сублиматора с пористыми пластинами. Это — металлические пластины с микроскопическими порами, через которые просачивается теплая вода; когда она достигает вакуума космического пространства, происходит ее сублимация и за счет этого охлаждение пластин. Сублиматоры использовали процесс сублимации (переход воды из твердого состояния в газообразное (без промежуточного агрегатного состояния) для рассеивания тепла.
Проектирование СОТР для микроспутников: многоузловое нестационарное моделирование
Рассматривается проектирование пассивной системы обеспечения теплового режима (СОТР) микроспутника «ТаблетСат-Аврора», основанное на многоузловом нестационарном моделировании теплового режима малых космических аппаратов (МКА) в условиях космического пространства, соответствующих рабочей орбите спутника, с использованием специализированного программного обеспечения Thermal Desktop.
Для малых спутников, имеющих небольшое внутреннее рассеивание энергии, заданный тепловой режим предпочтительней обеспечивать с помощью пассивной системы терморегулирования. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость спутника.
Недостатком пассивного терморегулирования является то, что его реализация требует строгого учета всех факторов, оказывающих влияния на температуру элементов конструкции и компонентов спутника. Самые на первый взгляд незначительные изменения в конструкции, материалах, обработке поверхностей и энергопотреблении приборов должны учитываться и их влияние оцениваться на распределение температур по элементам спутника.
Основная задача СОТР: обеспечение теплового баланса для длительного функционирования КА
Основной задачей СОТР является обеспечение теплового баланса для возможности длительного функционирования КА на орбите. Если внутри КА много тепловыделяющего оборудования и/или его орбита подвержена существенным тепловым нагрузкам, то необходимо собрать, перераспределить и сбросить излишки теплоты. Для этого в состав СОТР входит система терморегулирования (СТР).
Одна из основных задач системы терморегулирования заключается в обеспечении заданного теплового режима, при котором обеспечивается стабильная работа всех систем внутри объёма космического аппарата. Без этого оборудование может перегреться или замерзнуть, что приведет к потере функциональности аппарата.
Итог: почему системы терморегулирования — основа работы космических аппаратов
Система терморегуляции космического аппарата обеспечивает поддержание баланса между получаемой тепловой энергией и её отдачей, перераспределением тепловой энергии между конструкциями аппарата и обеспечением заданной температуры. В космическом вакууме тепло передается только излучением, поэтому сброс излишек тепла осуществляется единственным способом — излучением в космическое пространство.
Пассивные системы используют термоизоляцию, терморегулирующие покрытия и оптимизацию расположения элементов. Активные системы включают жалюзи, электронагреватели, теплопроводы, тепловые трубы и движение теплоносителя между радиаторами. Для малых спутников с небольшим внутренним рассеиванием энергии предпочтительней пассивная система терморегулирования.
Обычная система терморегулирования включает тепловые газожидкостные контуры, излучательные радиаторы, нагреватели, терморегулирующие покрытия и тепловые изоляторы. Сублиматоры с пористыми пластинами использовали сублимацию воды для рассеивания тепла в лунном модуле. Основная задача СОТР — обеспечение теплового баланса для длительного функционирования КА на орбите.
Системы терморегулирования — основа работы космических аппаратов. Без правильного термического контроля оборудование перегревается или замерзает, что приводит к потере функциональности аппарата. Проектирование СОТР требует многоузлового нестационарного моделирования теплового режима в условиях космического пространства.
А что известно вам о терморегулировании в космических аппаратах? Поделитесь в комментариях.