Глава 2 Некоторые аспекты тепловых расчётов при проектировании изделий космической техники

Кондуктивная тепловая связь для двух элементов определяется по выражению

где К – значение связи, R₀ – контактное термическое сопротивление, R₁, R₂ – термические сопротивления со стороны первого и второго элементов.

Она измеряется в Вт/К.

Термическое сопротивление — тепловое сопротивление, способность тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению теплового движения молекул.

Тепловое сопротивление участка постоянного сечения определяется по формуле:

где l – длина участка тепловой цепи,  – коэффициент теплопроводности материала, S – площадь поперечного сечения.

Тепловое сопротивление измеряется в К/Вт.

Кондуктивная тепловая связь стержня 12X18H10T диаметром 5 см и длиной 1 м, рассматриваемого в предыдущем примере, K=0,03 Вт/К.

Тепловое сопротивление N последовательно идущих участков, по аналогии с электрическим сопротивлением, складывается:

Разобьем стержень на 10 равных участков.

Тепловое сопротивление одного участка R₁=3,285 К/Вт.

Тогда тепловое сопротивление всего стержня равно R=32,85 К/Вт.

Тепловая связь одного участка K₁=0,30 Вт/К.

Суммарная тепловая связь будет рассчитываться по формуле:

так как стержень поделён на равные участки.

Суммарная тепловая связь стержня равна K=0,03.

При последовательной тепловой связи складывается тепловое сопротивление, а кондуктивную тепловую связь считают по формуле:

 

 

Добавим между двумя пластинами из предыдущего примера ещё 4 таких же стержня и рассчитаем параллельную кондуктивную тепловую связь.

Тогда тепловое сопротивление одного стержня равно R=32,85 К/Вт.

Суммарное тепловое сопротивление 5 одинаковых стержней:

Подставляя значение , R=6,57 К/Вт.

Суммарная тепловая связь K=0,76 Вт/К.

Тепловой мост, также называемый холодный мост, представляет собой область или компонент объекта, который имеет более высокую теплопроводность, чем окружающие материалы, создавая путь наименьшего сопротивления для передачи тепла. Тепловые мосты приводят к общему снижению теплового сопротивления объекта.

Тепловая развязка – это элемент низкой теплопроводности. Он помещается в сборке, чтобы уменьшить или предотвратить поток тепловой энергии между проводящими материалами.

Примеры реальных значений тепловых характеристик в КА из реальных разработок и испытаний:

После изготовления мата, методом выкройки и сшивания на основе размеров корпусного модуля и в соответствие с монтажным чертежом была получена окончательная ЭВТИ. После этого производились контрольные проверки степеней черноты En и коэффициентов солнечного поглощения, подтвердившие для внешнего слоя значение коэффициентов En ³ 0.6, коэффициентов As £ 0,4. Затем производились проверки коэффициента поперечной тепловой проводимости ЭВТИ, подтвердившей значение 0.1 Вт/К. Проверки производились с помощью тепловизора "FLIR P660" и термокриокамеры, которая обеспечивалась жидким азотом с помощью азотной ожижительной станции LNP40 (Cryomech Inc.) и генератора жидкого азота LNP 40.

На рисунке 2.1 показаны фрагменты процесса укрывания корпусного модуля ЭВТИ.

Рисунок 2.1 Фрагмент процесса укрывания корпусного модуля ЭВТИ.

Моделирование теплового потока маршевого двигателя на ЖРДМТ с помощью имитатора – излучателя разработки НИЦ КЭ. Излучатель, выполненный в виде электрического нагревателя, обеспечивал, создание заданной плотности теплового потока в выходном сечении его дефлектора, в диапазоне от 0 до 20 кВт/м². Корпус излучателя имеет круглую плоскую излучающую поверхность наружным диаметром 180 мм, по периметру которого перпендикулярно к её плоскости установлен цилиндрический дефлектор. Регулирование излучателя осуществлялось путём изменения напряжения питания имитатора и контроля напряжения и тока в электрической цепи нагревателя. Перед проведением испытаний была проведена градуировка имитатора теплового потока (рис. 2.2).

 

Рисунок 2.2 Зависимость плотности теплового потока имитатора-излучателя от напряжения питания, подаваемого на имитатор-излучатель

 

Максимальная температура ЖРДМТ достигала 120 градусов Цельсия. Результаты испытаний показаны на рис. 2.3 и 2.4.

Рисунок 2.3 Изменение во времени плотности теплового потока, проходящего через ЭВТИ двигателя

 

Рисунок 2.4 Высота полета, тепловой поток в точке торможения, температура оболочки бака окислителя (горючего) в зависимости от времени при спуске РБФ с ССО.

Видно, что к моменту разгерметизации бака на 170-й секунде полета тепловой поток достигает значений ~ 120 кВт/м2 на высоте ~ 100 км [13].

Выводы.

1. Рассмотрены случаи параллельных и последовательных тепловых связей и тепловых сопротивлений.

2. Для регуляции температурного режима в КА использую тепловые мосты и тепловые развязки.

3. Рассмотрены реальные значения тепловых характеристик.