Законы Кеплера. В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко Введение в проектирование космическ. В. В. Волоцуев, И. С. Ткаченко
 Скачать 6.51 Mb.
|
|
солнечной энергоустановкой. На рисунке 3.34 приведена схема, показывающая основные компоненты солнечной энергоуста- новки КА. Рис. 3.34. Упрощенная схема основных компонентов солнечной энергоустановки 106 На рисунке 3.34 приведены обозначения: СБ I – сила тока от солнечных батарей на освещенном участке полета КА; зар I – сила тока заряда аккумуляторной батареи; пр I – сила тока для энергопо- требителей КА; разр I – сила тока от аккумуляторной батареи в режи- ме разрядки (для электропотребителей на теневом участке). На рисунке 3.35 приведен пример внешнего облика панели солнечной батареи для КА. Рис. 3.35. Пример внешнего облика панели солнечной батареи для КА [8] 3.4.3 Ядерные источники электроэнергии Ранее описанные источники электроэнергии (химические и солнечные) имеют свои границы применимости. К примеру, если ис- пользовать солнечные батареи за пределами пояса астероидов, то следует учитывать что удельная мощность потока солнечной энергии в окрестностях Юпитера уменьшится более чем в три раза по срав- нению с излучением в окрестностях Земли. Химические источники электроэнергии также не пригодны для долгосрочного использова- ния без перезарядки. В космонавтике активно развиваются проекты ядерных источ- ников электроэнергии, в первую очередь, для использования на КА при полете к удаленным космическим телам (планетам, астероидам). Более корректное название подобных источников электроэнер- гии – радиоизотопные источники энергии, т.е. устройства различно- 107 го конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяю- щуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию. В настоящее время можно выделить порядка десяти разновид- ностей радиоизотопных генераторов: термоэлектрические; тер- моэмиссионные; паротурбинные; атомные полупроводниковые; пье- зоэлектрические; оптико-электрические и др. Источником тепла или топливом радиоизотопных источников тока являются достаточно короткоживущие радиоактивные изотопы различных химических элементов: Кобальт-60; Плутоний-238; Стронций-90; Уран-232 и др. Рассмотрим подробнее устройство одного из часто используе- мых видов радиоизотопных источников – радиоизотопные термо- электрические генераторы (РИТЭГ-и). Предварительно познакомим- ся с принципом работы термоэлектрического полупроводникового генератора. На рисунке 3.36 приведена схема, показывающая прин- цип преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью полупроводников. Рис. 3.36. Упрощенная схема принципа работы термоэлектрического полупроводникового генератора Из рисунка 3.36 видно, что если стержни полупроводников «p»- типа и «n»-типа расположить между холодной и горячей поверхно- стями, то из-за разности температур заряженные частицы начнут кон- 108 центрироваться ближе к горячей поверхности. Если при этом полу- проводниковые стержни последовательно соединить металлическими пластинами («p»-»n»-»p»-...), то в них возникнет разность потенциалов (электродвижущая сила). Соответственно, если подключить сформи- рованную батарею термоэлектрических преобразователей к электри- ческой цепи, то возникнет сила тока. Термоэлектрические полупро- водниковые батареи могут собирать по принципу солнечных батарей, т.е. в виде матрицы полупроводников, тем самым формируя требуе- мые выходные характеристики источника электропитания. Теперь вернемся к РИТЭГ-ам. Источник тепла (радиоизотоп- ное вещество) размещается внутри генератора, а полупроводниковая термоэлектрическая батарея устанавливается ближе к внешней по- верхности генератора. На рисунке 3.37 приведена схема, показыва- ющая принцип работы РИТЭГа на КА. Рис. 3.37. Упрощенная схема устройства и функционирования РИТЭГа КА Из рисунка 3.37 видно, что ампула с радиоактивным веще- ством постоянно нагревается вследствие ядерных реакций и нагрева- ет внутреннюю «горячую» поверхность генератора. К «горячей» по- верхности одной стороной прикладывается полупроводниковая тер- моэлектрическая батарея. Другой стороной эта батарея соприкасает- 109 ся с «холодной» поверхностью корпуса генератора. Для увеличения интенсивности охлаждения на корпуса могут устанавливаться до- полнительные поверхности (поверхности радиатора охлаждения). Между «горячей» и «холодной» поверхностью размещается тепло- изоляционная прослойка для сохранения разности температур по- верхностей на протяжении долгого периода времени. Также с торце- вых сторон генератор закрывается крышками. Заметным недостатком ядерных источников электроэнергии является низкий коэффициент полезного действия (КПД) и в след- ствие этого большие побочные тепловыделения. Основную массу подобных источников энергии составляют различные элементы для охлаждения реактора и защиты от радиации. К примеру, ядерная энергоустановка «Топаз» (использовалась на КА серии «Космос» в 1980-х), которая была массой порядка 1000 кг, длинной – 7 м и мак- симальным диметром – 2 м, производила электрическую мощность 5 КВт сроком до 7 лет. При этом масса радиоактивного топлива (Уран- 232) составляла 12 кг. Остальную массу установки составляли вспо- могательные элементы системы охлаждения и радиационной защиты [9]. На рисунке 3.38 приведены примеры внешнего облика ядерных энергоустановок КА. а) б) Рис. 3.38. Примеры внешнего облика ядерных энергоустановок КА: РИТЭГ КА «Новые горизонты», черного цвета и на переднем плане (а); ядерная энергоустановка «Топаз» (б) [3] 110 3.4.4 Бортовая электрическая сеть На борту КА содержится множество электрических приборов, которые имеют различные характеристики входящих напряжений электропитания и силы тока электропитания. Указанные приборы имеют различные циклограммы включения и выключения. Соответ- ственно, на борту КА должно присутствовать оборудование, которое решает задачи: доставки электричества от источника к приборам; включения-выключения приборов; регулирования входных характе- ристик электропитания приборов. К упомянутому оборудованию от- носятся: - соединительные электрические провода; - вторичные источники электропитания; - устройства регулирования характеристик электропитания и др. Вторичные источники электропитания – это устройства, кото- рые получают от первичных источников питания электроэнергию на «входе» и, после преобразования полученных характеристик элек- тропитания, передают электроэнергию далее на приборы (к примеру, трансформаторы). Целью устройств регулирования характеристик электропита- ния является поддержание стабильности функционирования элек- трической цепи на борту КА и предотвращения резких скачков ха- рактеристик электропитания. Более подробное изучение устройства бортовых электрических сетей КА планируется на старших курсах, после изучения дисциплин по электротехнике и электронике. 3.5 Оборудование для обеспечения теплового режима на борту космического аппарата Оборудование КА для его безотказного функционирования требует определенного диапазона температуры окружающей среды. К примеру, подавляющая часть существующего электрооборудова- ния способна устойчиво функционировать в диапазоне от минус 40 С° до плюс 40 С° (для оборудования широкого круга потребления в среднем от 0 С° градусов до 40 С°). Если температура окружающей 111 среды выйдет за этот диапазон, то оборудование может перегреться или наоборот замерзнуть. В космическом пространстве складываются такие условия, что отдельные участки поверхности КА, находящиеся в тени, могут остывать ниже минус 150 С°, а освещенные солнечными лучами про- греваться выше плюс 150 С°. Соответственно, для размещенного на борту КА оборудования требуются меры для обеспечения допусти- мых температурных (тепловых) условий. Для решения этой задачи используются специальные устройства обеспечения теплового ре- жима на борту КА. 3.5.1 Потоки тепловой энергии в космическом пространстве А) Виды теплопередачи Тепловая энергия характеризует уровень хаотичного движения элементарных частиц, из которых состоит материальный объект (твердое тело, жидкость, газ, плазма и т.д.). Чем выше уровень хаотичного движения элементарных составных частиц материально- го объекта, тем большей тепловой энергией он обладает. Количе- ственной мерой тепловой энергии является – Джоуль. В качестве оценки уровня тепловой энергии в материальном теле также исполь- зуется температура (в разных шкалах). Считается, что тепловую энергию можно передавать от одного тела к другому, т.е. совершать передачу тепла (теплопередачу). При этом между материальными телами возникает тепловой поток. Аб- солютное количество переданного тепла измеряется в Джоулях [Дж], а скорость передачи тепла измеряется мощностью теплового потока, единицей измерения которой является Ватт [Вт]. По способу математического и физического описания процесс теплопередачи можно разделить на три вида: теплопроводность; конвективный теплообмен; лучистый теплообмен. Теплопроводность – это процесс передачи тепла через твердое тело или соединенные между собой твердые тела. Тепловая энергия передается за счет внутренней энергии колебаний молекул твёрдого тела (от более нагретой области к менее нагретой). 112 Рис. 3.39. К определению теплопроводности Для описания теплопроводности используется закон Фурье, со- гласно которому мощность теплового потока через поверхность площадью и толщиной прямо пропорциональна градиенту темпера- тур. Скорость движения теплового потока через твердое тело харак- теризует коэффициент теплопроводности. Конвективный теплообмен – это процесс передачи тепла через жидкую или газовую среду, при котором вместе с тепловым потоком также движутся молекулы жидкости или газа, тем самым увеличивая интенсивность теплопередачи по сравнению с твёрдой средой. Рис. 3.40. К определению конвективного теплообмена Из рисунка 3.40 видно, что через «условную» поверхность в жидкой (газообразной) среде может возникнуть тепловой поток от бо- лее нагретых областей среды к менее нагретым областям. При этом часть молекул жидкости (газа) нагревается и движется по направле- нию вектора теплового потока. К примеру, движения течений в океа- 113 нах Земли и движения ветров в атмосфере обусловлены перепадом температур в разных географических областях. Лучистый теплообмен (радиационный теплообмен) – процесс передачи тепла из материального тела (в любом физическом состоя- нии) в окружающее пространство, обусловленный превращением ча- сти внутренней энергии вещества в энергию излучения электромаг- нитной волны. И, наоборот, процесс поглощения части энергии элек- тромагнитной волны из окружающего пространства с превращением во внутреннею энергию вещества. Подобный теплообмен может осуществляться и через вакуум. Рис. 3.41. К определению лучистого теплообмена Мощность лучистого теплового потока можно вычислить ис- пользуя закон Стефана-Больцмана. Суммарный лучистый тепловой поток прямо пропорционален площади поверхности излучения (по- глощения), качеству поверхности и температуре поверхности в 4-й степени. Б) Внешние тепловые потоки в околоземном космическом пространстве Поскольку на околоземной орбите КА существует в условиях вакуума, то процессы теплообмена с окружающей средой, в основ- ном, носят характер лучистого теплообмена. Хотя на низких орбитах присутствует остаточная сильно-разряженная атмосфера, при трении о которую возникают едва различимые тепловые потоки на внешней поверхности КА. 114 Среди лучистых тепловых потоков на орбите Земли можно вы- делить: тепловой поток солнечного излучения ( солн Q ); тепловой поток солнечного излучения, отраженный от земной поверхности ( отр Q ); тепловой поток собственного излучения планеты ( пл Q ). Рис. 3.42. Основные тепловые потоки Мощность теплового излучения от Солнца можно определить из выражений (3.6): солн пов солн q S Q , осл солн солн солн k r R T q 4 , (3.6) где пов S – площадь нагреваемой поверхности [м 2 ]; солн q – удельная мощность теплового излучения от Солнца [Вт/м 2 ]; – постоянная Стефана-Больцмана; солн T – температура поверхности Солнца ( 5755 солн T К); солн R – радиус Солнца ( 8 10 96 , 6 солн R м); r – расстоя- ние от Солнца до КА (учитывая, что расстояние от центра Земли до КА намного меньше расстояния от Солнца до Земли, считаем, что 7 10 95 , 10 r км); осл k – коэффициент ослабления ( 000483 , 0 осл k ). По выражению 3.6 можно рассчитать, что порядок величины удельного теплового потока от Солнца на низкой орбите Земли состав- ляет порядка 1400 Вт/м 2 Мощность теплового потока, отраженной от Земли, солнечной энергии можно определить из выражений (3.7): отр пов отр q S Q , 115 cos 1 2 1 3 2 2 0 0 2 0 0 0 B B B B B q q солн пл отр , орб З З H R R B 0 , (3.7) где пов S – площадь нагреваемой поверхности [м 2 ]; отр q – удельная мощность отраженного от Земли теплового излучения [Вт/м 2 ]; пл – альбедо планеты (отражательная способность, для Земли 29 , 0 пл ); З R – средний радиус Земли ( 6371 З R км); орб H – высота орбиты КА; – угол между направлениями из центра Земли на Солнце и на КА. Мощность теплового потока собственного излучения Земли можно определить из выражений (3.8): пл пов пл q S Q , солн пл пл q B q 2 0 1 1 1 5 , 0 , (3.8) где пов S – площадь нагреваемой поверхности [м 2 ]; пл q – удельная мощность теплового излучения Земли [Вт/м 2 ]. 3.5.2 Создание тепловых условий для оборудования космического аппарата При создании комфортных для работы температурных условий на борту КА решаются две основные задачи: защита внутреннего бортового пространства от внешних тепловых потоков; терморегуля- ция локальных температур приборов в допустимом диапазоне темпе- ратур. Для защиты от внешних тепловых потоков поверхность КА покрывают специальными термозащитными покрытиями (лакокра- сочными, экранно-вакуумной теплоизоляцией и т.п.), которые отра- жают или рассеивают падающие на поверхность спутника лучистые тепловые потоки (см. рис. 3.43). 116 а) б) Рис. 3.43. Термозащита КА от внешних тепловых потоков: схема отражения тепловых потоков (а); фото малого КА, покрытого экранно-вакуумной теплоизоляцией (б) [3] Для создания термозащитного покрытия КА выбираются мате- риалы с такими оптическими свойствами, при которых все внешние тепловые потоки отражаются почти полностью назад в космическое пространство. Свойство материала поглощать тепловое излучение описывается следующими коэффициентами: S A – коэффициент поглощения солнечного излучения (показы- вает долю поглощения солнечной энергии поверхностью из рассмат- риваемого материала, 1 0 S A ); W – коэффициент степени черноты тела (показывает долю по- глощения остальной тепловой энергии поверхностью из рассматри- ваемого материала, 1 0 W ). При этом суммарный тепловой поток поглощаемый поверхно- стью КА можно определить из выражения (3.9) [10]: пл W отр солн S внешн Q Q Q A Q , (3.9) Поэтому, к примеру, если подобрать в качестве термозащитно- го покрытия такой материал, у которого 0 S A и 0 W (идеальный отражатель), то суммарный внешний тепловой поток поглощаемый поверхностью КА также будет стремиться к нулю ( 0 внешн Q ). Для терморегуляции на борту КА устанавливаются специаль- ные устройства, которые выполняют следующие функции: - сброс избытков внутренней тепловой энергии КА в космиче- ское пространство; 117 - передача избытков внутренней тепловой энергии от приборов к местам сброса в космическое пространство; - подогрев отдельных приборов в случае их локально- временного переохлаждения. Устройство, которое сбрасывает избытки внутренней тепловой энергии приборов КА в космическое пространство, называется |