ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПРИБОРОВ ВНЕ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОТСЕКОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Обеспечение теплового режима приборов, функционирующих в особых условиях космического пространства, является одной из самых важных задач. Кратковременное несоблюдение допустимых температурных пределов может привести к критическим сбоям в работе приборов (см. рисунок 1), что может оказать фатальное влияние на функционирование всего космического аппарата[1].

Рисунок 1. Зависимость количества отказов приборов космических аппаратов от окружающей температуры:

1 – комнатная температура; 2 – фаза перехода от максимально допустимой к минимально допустимой температуре приборов; 3 – минимально допустимая температура приборов; 4 – максимально допустимая температура приборов

Обеспечение стабильности температурных режимов является фактором, который оказывает существенное влияние на надежность и характеристики системы и приборов в целом. Особенности космической среды, такие как экстремально низкий коэффициент конвективной теплоотдачи и наличие условий, которые могут вызвать как сильное охлаждение, так и перегрев приборов, делают обеспечение теплового режима трудной задачей. К тому же, многие приборы имеют внутренние источники тепла. В этой связи, конструктор сталкивается с необходимостью решения двух полностью противоположных задач – защитить аппаратуру от перегрева и переохлаждения. И хотя теоретически решение первой задачи может быть довольно простым, вторая требует от разработчика значительных затрат на создание эффективной системы охлаждения.

Для улучшения отвода тепла в космос могут применяться различные методы. Один из них заключается в нанесении специального лакокрасочного покрытия на радиационную поверхность, что позволяет увеличить коэффициент поглощения  и степени черноты . Однако, такое решение не всегда универсально и может не полностью решить проблему обеспечения теплового режима в различных условиях изменения внешнего теплового потока и внутреннего тепловыделения. В такой ситуации применяются другие способы регулирования внешнего теплообмена, например, использование подвижных экранов или жалюзи (рисунок 2в), с помощью которых открывают или закрывают участки поверхности с различными радиационными характеристиками. Жалюзи управляются исполнительным механизмом, реагирующим на температуру поверхности, или специальными приводами, работающими по командам чувствительных элементов. Хотя жалюзи являются эффективным способом регулирования радиационного теплообмена, некоторые ограничения существуют в связи с радиационными характеристиками покрытий и внешними тепловыми потоками. 

Следует отметить, что для повышения эффективности регулирования внешнего теплообмена могут быть использованы более сложные механизмы, такие как создание специальных радиационных поверхностей, отделенных от корпуса КА (рисунок 2г, 2д). В таких системах изменение тепловых связей между радиационной поверхностью и внутренними объемами позволяет регулировать внешний теплообмен. Такие радиационные поверхности могут менять температуру в зависимости от количества излучаемого тепла.

В случае необходимости сброса тепла на изолированных радиационных поверхностях, их оборудуют поверхностями для сброса тепла и наносят на них покрытия с коэффициентом поглощения солнечной радиации  и степенью черноты ε=1. При этом стараются расположить их так, чтобы они получали наименьшее количество внешних тепловых потоков. Изолированные радиационные поверхности могут использоваться для сброса тепла и в тех случаях, когда внутренние тепловые нагрузки и внешние тепловые потоки не позволяют достичь нужных температур с помощью терморегулирующих покрытий. В таких системах для передачи тепла необходимо использование холодильной машины.

Существуют различные методы регулирования внешнего теплообмена, направленные на снижение теплообмена поверхности с окружающим пространством. Одним из таких методов является нанесение на поверхность покрытий с минимальными коэффициентом поглощения и степенью черноты (рисунок 2г). Также поверхность может быть экранирована или защищена изоляцией (рисунок 2ж). Установка над поверхностью нескольких экранов с одинаковой степенью черноты дает возможность уменьшить тепловой поток, излучаемый поверхностью в космическое пространство (при отсутствии внешнего теплового потока) в n+1 раз, где n – число экранов.

Продвинутой технологией в области регулирования внешнего теплообмена является экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), состоящая из пакета экранов, выполненных из фольги или металлизированной пленки толщиной 5÷10 мкм (рисунок 2г). Чтобы уменьшить контакты между экранами, они переложены стекловуалью или стеклосеткой. Также могут использоваться экраны с рифлением, обеспечивающие точечные контакты между ними. Свойства ЭВТИ существенно зависят от температуры, так как основной теплообмен в ней осуществляется излучением. Однако ее преимуществом перед другими видами изоляции являются малые массовые затраты в вакууме на единицу термического сопротивления (в 5 ÷ 10 раз меньше, чем у пористых изоляционных материалов).

Существует множество методов, направленных на регуляцию внешнего теплообмена на борту космических аппаратов. Одним из них являются испарительные системы, которые используют теплоту фазовых превращений веществ для поглощения энергии, получаемой КА или выделяющейся в результате внешнего теплообмена. (см. рисунок 2ж).

Рабочим веществом для таких систем обычно является вода, которая обладает максимальной скрытой теплотой испарения. Пары воды сбрасываются в окружающий вакуум борта КА. Эти средства используются тогда, когда невозможно осуществить требуемый теплообмен с окружающей средой другими методами или когда масса испарительной системы вместе с запасами воды меньше, чем масса радиационных поверхностей, необходимых для этого.

Рисунок 2. - Основные способы регулирования внешнего теплообмена:

а – подбор покрытий с определенными радиационными характеристиками; б – створчатые жалюзи; в – жалюзи в виде экранов, перемещающихся параллельно поверхности; г – экранирование поверхности; д - изолированная радиационная поверхность; е – экранно-вакуумная теплоизоляция; ж – испарительная система; 1 – поверхность КК; 2 – створки; 3 – жалюзи; 4 – экран; 5 – радиационная поверхность; 6 – изоляция; 7 – трубопровод с теплоносителем; 8 – датчик температуры, управляющий перепускным клапаном; 9 – перепускной клапан; 10 – внешний слой с определенными радиационными характеристиками; 11 – металлизированная пленка; 12 – стеклосетка; 13 – емкость с рабочим телом; 14 – испаритель; 15 – сопло, сбрасывающее пары.

Кроме того, система обеспечения теплового режима требует не только сброса избыточного тепла с поверхности прибора, но и переноса тепла к радиационным поверхностям, а также перераспределения тепла между различными элементами КА. Чтобы решить эту задачу, требуется возможность принудительного переноса тепла. В настоящее время наиболее распространенным методом передачи тепла является передача через жидкий теплоноситель в трубопроводах жидкостных контуров. Такая система способна передавать большие количества тепла и обеспечивает стабилизацию температуры элементов приборов.

Для передачи тепла на большие расстояния и отвода его от источников большой мощности с высокой удельной плотностью тепловыделения можно использовать термовакуумные и газовые тепловые трубы, которые удобны, потому что не требуют непосредственного контакта с тепловым источником и могут передавать тепло на достаточно большие расстояния.

Также возможен перенос тепла газами, движущимися в вентиляционной системе. Однако это возможно лишь в герметичных контейнерах. Для КА с тепловыделяющей аппаратурой, расположенной в негерметичных отсеках, жидкие теплоносители являются наиболее эффективными вариантами.

Теплоносители могут быть различными: углеводороды, кремнийорганические жидкости, фреоны, водные растворы этиленгликоля, вода и т.п. При использовании жидких теплоносителей температура циркулирующего теплоносителя должна быть поддерживаема в пределах заданных значений, что гарантирует стабильность состояния элементов приборов.

В качестве альтернативного способа передачи тепла на небольшие расстояния и отвода его от источников с большой плотностью тепловыделения могут быть использованы тепловые трубы. Они представляют собой герметичный объем, заполненный рабочим телом и покрытый изнутри смачиваемой капиллярно-пористой структурой. Рабочее тело находится в паровой и жидкой фазах, причем последняя заполняет капиллярно-пористую структуру. При наличии различных температур рабочее тело испаряется в зоне повышенной температуры, а в зоне пониженной температуры конденсируется. Благодаря разности давлений, вызванной конденсацией, пар перемещается в зону конденсации, а жидкость по капиллярной структуре за счет капиллярных сил двигается в зону испарения.

В зависимости от задачи трубы могут быть заполнены различными рабочими веществами, например водой, ацетоном, фреонами, аммиаком и т.п. Плотность теплоотдачи трубы зависит от геометрических размеров и особенностей рабочего тела, которое может достигать десятков Вт/см².

Обеспечение тепловой защиты приборов, расположенных вне герметичных отсеков, представляет собой непростую задачу, требующую тщательного анализа всех факторов и условий эксплуатации. Популярные сегодня системы, такие как ЭВТИ, могут оказаться недостаточными для конкретной задачи, и потребуют разработки и применения новых технологий и инновационных методов. Индивидуальный подход к каждому случаю может обеспечить более лучшую защиту приборов и повысить их эффективность. В будущем, в связи с развитием и совершенствованием технологий, возникнут новые, более сложные задачи по обеспечению теплового режима приборов. Появятся оригинальные технические решения, включающие в себя новейшие материалы, устройства и методы обработки, которые смогут решать самые сложные инженерные задачи. Таким образом, обеспечение тепловой защиты приборов вне герметичных отсеков КА — это сложный и важный этап проектирования и эксплуатации, который требует индивидуального подхода и постоянного совершенствования технических решений. Разработка новых и усовершенствование уже существующих методов тепловой защиты, позволит создавать более сложные и функциональные аппараты, которые могут решить самые непростые задачи в космической отрасли.