Расчет системы охлаждения спутника и малорасходного насоса для нее

    Электрические двигатели постоянного тока с  бесщеточным коллектором и частотой вращения от 400 до 1000 рад/с в блоке с насосом называют   электронасосным агрегатом. При низкой мощности насоса и высоком ресурсе работы системы такой привод единственно приемлем.

    Турбинный привод используется в системах с  малым ресурсом работы. Рабочим телом  турбины служит жидкость (гидротурбина), воздух или проекты сгорания топлива (газовая турбина). Турбина с малой массой конструкции обеспечивает высокие мощность и угловую скорость при непосредственном соединении с ротором лопаточного насоса. При специальных компонентах топлива масса системы определяется временем ее работы и мощностью привода.

    Электрический привод потребляет незначительную долю энергии от суммарных потребностей всей системы, и его характеристики зависят только от массы электронасосного агрегата. Указанные взаимосвязи являются часто функциональными, и тип привода устанавливается однозначно.

    Работа  нагнетателя высокого ресурса в  автономных условиях осложнена профилактическими  осмотрами, ремонтами и демонтажом. Поэтому при выборе типа двигателя  за главный показатель принимается ресурс работы. Автономные нагнетатели жидкости (насосы) и газа (вентиляторы) применяются в космических и авиационных силовых установках. Они компактны, имеют малую массу, позволяют регулировать режимы работы в пределах с сохранением высокого КПД. 

2.5 Тепловое проектирование  КА 

Общие сведения о тепловом проектировании. 

    Современный КА представляет собой сложную техническую  систему. процесс проектирования которой  это   сложный путь компромиссных  решений, результатом которых является создание оптимального проекта. Неотъемлемой частью процесса проектирования и важнейшим видом инженерной деятельности при разработке КА является тепловое проектирование аппарата.

    Основной  задачей этого направления является задача обеспечения температурных  режимов комплексов РЭА, различных  электромеханических механических устройств, больших пространственных конструкций антеннофидерных устройств и т.п., нормальное санкционирование которых и выходные параметры, а также надежность и ресурс работы во многом определяются оптимальностью температурных условий, при которых эти устройства выполняют свои функции. Большой объем и зачастую противоречивость температурных требований обуславливает особую значимость в процессе теплового проектирования взаимной увязки тепловых аспектов с общими задачами проектирования КА.

    Компоновочная сложность, разобщенность в тепловом отношении РЭА, устройств, большое  количество раскрываемых и развертываемых элементов характерны для современных  аппаратов. В этих условиях проблема теплового обеспечения является едва ли не определявшей в виду зависимости качественных показателей от того, насколько оптимально обеспечены условия,  в которых происходит функционирование, срабатывание различных управляющих элементов, раскрытие механических устройств, преобразование различных сигналов по передаче информации, формирование полезного сигнала комплекса АФУ и т.п.

    В процессе теплового проектирования теплофизики решает массу прикладных проблем, связанных с выбором  материалов, покрытий, исследования и проведения и механизма взаимодействия в космосе,  исследования вопросов термопрочности и термоустойчивости и т.п.,  т.е. носит характер комплексной прикладной науки.  Это развитие теплофизики бурно началось с развитием космонавтики и исследованием космического пространства, а широкое привлечение КА в сферу народного хозяйства еще более усложнило задачу и стимулировало научно-прикладные исследования в области теплофизики.

    Физическая  среда функционирования КА (космическое  пространство) обладает рядом особенностей, оказывающим влияние на протекание процессов теплообмена, к которым относятся:

а)  чрезвычайная разряженность пространства, давление в космосе на орбитах КА составляет 10^-15 - 10^-17 мм рт.ст.;

б)  невесомость;             

в)  лучистые тепловые потоки от Солнца, Земли или  планет, вблизи которых происходит полет КА.

    В этих условиях единственным видом теплообмена  аппарата с Физической средой является радиационный теплообмен, при котором космос рассматривается как безграничная тепловая емкость со среднеравновесной температурой 4 К, т.е.  вся тепловая энергия, сбрасываемая в космос, поглощается.

    Теплообмен  КА с окружающей средой является важным фактором, определяющим тепловой режим  аппарата, характер внешнего воздействия  с источником лучистой энергии от орбиты, компоновочно-конструктивных параметров аппарата,  от поглощающих и лучистых свойств внешней поверхности аппарата. Кроме изменения орбитальной освещенности отдельные поверхности аппарата могут быть в лучистом взаимодействии друг с другом и их температура будет изменяться в соответствии с режимом освещенности.                                                                 

    Вообще  говоря, КА в орбитальном полете находится под воздействие» большого числа   дестабилизирующих Факторов, влияющих на его тепловой режим, а  именно: временная и количественная неравномерность внешнего теплообмена, временная и количественная неравномерность внутренней тепловой нагрузки, определяемой программой работ РЭА и ее целевой направленности. В этих условиях обеспечение требуемых температурных условий представляет собой сложную научно-техническую задачу и ее решение возлагается на сервисную систему - систему терморегулирования (СТР), которая включает в себя большой набор терморегулирующих мероприятий и теплозащитных мер единой целевой направленности. 

2.6 Тепловой баланс и тепловой режим КА 

     Тепловой  режим КА - это совокупность пространственно-временного распределения температур элементов  КА, находящихся   в тепловом взаимодействии друг с другом.

     Тепловой  режим КА в орбитальных условиях определяется совокупностью внешних и внутренних тепловых потоков. Внутренние тепловые потоки определяются тепловыделениями бортовой аппаратуры, а их временное распределение - программой проведения сеансов.

     Характер  внешних тепловых потоков зависит  от орбитальных характеристик и способности поверхностей КА воспринимать тепловую энергию Солнца и Земли.

    Солнце - мощный источник энергии в нашей планетной системе. Попадая на поверхность планеты, солнечная энергия частично отражается от ее поверхности и атмосферы, частично поглощается и затем переизлучается в инфракрасной области спектра. Таким образом,  излучение Солнца и планеты Земля создает сложное поле переменных тепловых потоков, падающих па поверхность КА.  В зависимости от характеристик орбиты и ориентации аппарата относительно Солнца и Земли на соответствующие участки поверхности КА падают различные тепловые потоки.

    В общем случае суммарный тепловой поток Q , поглощенный участком поверхности КА может быть представлен в виде:

    

,

где - поток солнечной радиации (излучение в видимой части спектра);

         - поток отраженной Землей солнечной радиации (солнечный спектр);

         - поток собственного (инфракрасного) излучения Земли;

          - поток инфракрасного излучения, поступающий к рассматриваемой от других участков поверхности КА (отток переизлучения);

           - тепловой поток, поступающий к рассматриваемой поверхности от внутренних источников тепла.

    Исходя  из того, что в космосе единственным видом теплообмена КА с

окружающим  пространством является теплообмен излучением; суммарный тепловой поток  уравновешивается собственным тепловым излучением КА, который определяется по закону Стефана-Больцмана:

который показывает, что отводимый от поверхности  КА тепловой поток пропорционален площади  излучателя (радиатора) F в первой степени и четвертой степени температуры Т, т.е. чем выше температура радиатора, тем меньшая нужна поверхность для терморегулирования.

    Равенство поглощенного и излученного КА тепла  определяет температуру теплового  баланса.

    В научно-технической литературе рассмотрены методы, позволяющие определять солнечные тепловые потоки, отраженные от Земли и потоки собственного излучения Земли. Аналитические решения позволяют находить тепловые потоки только для аппаратов сравнительно простой конфигурации. При решении задачи определения внешних тепловых потоков для КА реальной конфигурации, особенно с учетом затенений отдельных поверхностей другими участками аппарата, а также переотражения и переизлучения, разрабатываются специализированные алгоритмы численного расчета.     Для отдельных элементов простой формы методика расчета внешних тепловых потоков приведена в ОСТ 92-8479-74.

    Тепловой  поток от прямого солнечного облучения

    Q_S=A_SS₀F_m

где      A_S   - коэффициент поглощения поверхностью солнечной радиации;

            S₀ - солнечная постоянная, равная 1400 Вт/м²;

            F_m - площадь миделя (площадь поперечного сечения в плоскости перпендикулярной солнечным лучам).

    Тепловой  поток за счет отраженного от Земли  солнечного потока

    

А₂ - альбедо Земли (усредненное значение 0,37);

- угловой коэффициент (коэффициент видимости участка поверхности КА освещенной поверхности Земли).

    Тепловой  поток собственного излучения Земли:

    

   - коэффициент поглощения поверхностью инфракрасного излучения;

 - угловой коэффициент видимости участка поверхности КА и Земли.

    Расчет  угловых коэффициентов производится по методикам оптико-геометрических задач.

    Коэффициенты  A_S и    называют обычно оптическими коэффициентами и создаются на поверхности КА специальными терморегулирующими покрытиями (ТРП). Различают класс ТРП "солнечные отражатели" A_S= 0,1; класс ТРП "солнечные поглотители"   A_S= 0,9.

    Наибольшее  распространение в системах обеспечения  теплового режима получил класс "солнечных отражателей" - это белые эмали и краски с A_S=0,3;       = 0,9;  композиционное покрытие 0C0-C, ОСО-A, с    A_S = 0,1',        = 0,9, Последнее покрытие обладает не только   наилучшими характеристиками, но и наиболее стабильно в условиях космоса (кварцевое стекло с напыленным слоем серебра или алюминия). Характеристики различных покрытий приведены в ОСТ 92-9080-79, ОСТ 92-4373-85.

    Из  орбитальных характеристик наибольшее влияние на тепловой баланс КА оказывает высота орбиты, тип орбиты и ее освещенность. Высота и тип орбиты определяют величину падающих внешних тепловых потоков и их   временную неравномерность. Под освещенностью орбиты

понимают  соотношение солнечных (освещенных Солнцем) и теневых (тень от Земли) участков орбиты. Чередование освещенных и теневых участков орбиты и их соотношение определяется баллистическим расчетом при выборе даты и времени старта.

     Для проектных расчетов при выборе типа и параметров СТР пользуются крайними случаями освещенности:

-   орбита со 100% освещенностью, полет  аппарата проходит без захода  в тень Земли;

-  орбита  максимально теневая, когда длительность  полета аппарата в тени Земли максимальная.

    В соответствии с этим делением рассматриваются  и крайний случаи по тепловому балансу аппарата:

а)   расчетный случай "перегрев" - орбита полностью солнечная, поглощенный  тепловой поток максимальный,  внутренние тепловыделения максимальные, условия  теплоотвода наихудшие (минимальные  охлаждающие расходы теплоносителей);