13.6. Теплообмен в скафандре.

На человека в космическом скафандре на околоземной орбите действуют те же источники теплового излучения, что и на весь ПКК. На поверхности Луны вместо излучения, отраженного от Земли, действует излучение, отраженное от Луны. Кроме того, на скафандр действуют тепловые потоки за счет собственного теплового излучения ПКК и солнечной радиации, отраженной от поверхности ПКК. Этот вклад может стать важным при небольшом удалении космонавта от ПКК.

В зависимости от способов рассеивания тепла СТР скафандров делятся на 3 основные типа: активные, пассивные и комбинированные.

Для активных СТР характерно применение на скафандре мощной теплоизоляции, которая практически изолирует человека от внешних источников тепла. Метаболическое тепло и тепловыделения оборудования скафандра отводятся с помощью циркулирующих в подскафандровом пространстве газообразного или жидкого теплоносителя, а затем сбрасываются в специальных радиационных теплообменниках в космос.

В пассивных СТР в качестве теплообменного устройства используется сама оболочка скафандра. Регулирование теплопотерь через оболочку скафандра осуществляется за счет подбора оптических характеристик наружных поверхностей и за счет термического сопротивления оболочки скафандра. Недостаток пассивной системы – малые возможности при пиковых тепловых нагрузках. Поэтому чаще используют комбинированные системы, совмещающие достоинства пассивной и активной систем.

Активные системы.

Охлаждение с помощью вентиляционного газа.

В СТР космических скафандров советских ПКК «Восход» и «Союз» и американского ПКК «Джемини» использовался газовый теплоноситель. В этих скафандрах газ циркулировал внутри скафандра и затем либо сбрасывался в космос (на ПКК «Восход») либо проходил через теплообменник, где охлаждался и возвращался в вентиляционный зазор (на скафандрах ПКК «Союз» и «Джемини»).

В реальных скафандрах получается не полное насыщение влагой вентиляционного газа, а влажность 70 – 80%.

Удельный теплосъем при этом оказывается 350 Вт, но доля отвода тепла от тела за счет испарения пота составляет 90%, что является некомфортным (комфортна доля 50%). Увеличение теплосъема увеличением расхода вентиляционного газа увеличивает потребную мощность вентилятора, а с ней и массу скафандра, что неприемлемо.

Большая масса вентиляционной системы, а также значительные габариты и повышенные уровни шума в подскафандровом пространстве приводят к отказу от этих СТР.

Охлаждение с помощью жидкого теплоносителя.

В современных скафандрах распространено применение водяного белья, совмещающего функции одежды и теплообменника. Это белье изготавливается из трикотажной сетки или полотна с нашитыми на них с нужным шагом трубочками, по которым с помощью насоса циркулирует вода. Проходя вблизи тела человека, вода аккумулирует тепло, которое затем сбрасывается через радиатор.

Как показывают расчеты и эксперименты, в случае костюма водяного охлаждения оптимален расход 1,5 – 2 л/мин.

При таком расходе для теплосъема с тела человека 350 – 460 Вт перепад температуры воды на входе и выходе из костюма составляет 2 – 3^оС. Расчет показывает, что потребуется трубки длиной 100м. Расход воды 100 – 150 л/ч. Мощность насоса – 2,5 Вт, что на порядок меньше мощности вентилятора в вентиляционной системе. Поэтому основное преимущество СТР, использующих жидкий теплоноситель, - возможность обеспечения комфортного теплового режима человека при высоких метаболических нагрузках при сравнительно небольшой массе источника энергии. Однако дополнительное увеличение массы и габаритов СТР за счет применения костюма, насоса и дополнительных агрегатов является недостатком.

Разрабатываемые в настоящее время теплообменники можно разделить на 3 группы:

- ТО, построенные по разомкнутому циклу, в котором рабочее вещество, поглотив тепло, в результате фазовых превращений затем сбрасывается в космос;

- ТО, построенные по замкнутому циклу;

- ТО, построенные по полузамкнутому циклу, в котором часть рабочего вещества сбрасывается в космос, а часть – восстанавливается на борту ПКК для последующего использования.

При суммарном времени пребывания человека в скафандре в открытом космосе, измеряемом несколькими десятками часов, целесообразны по объемно-массовым и энергетическим свойствам ТО с разомкнутым циклом.

Для экономии запаса рабочего тела, повышения надежности и исключения неблагоприятного воздействия ТО на другие системы скафандра и ПКК предпочтительны схемы, в которых исключается выброс жидкой фазы рабочего тела в переходных режимах при изменении тепловой нагрузки, определяемой метаболическими выделениями человека в широком диапазоне от 100 Вт до 700 Вт. Это возможно при схеме, использующей фазовые превращения рабочего тела. Например, испарительный ТО с подводом воды к поверхности нагрева с помощью капиллярно-пористого тела или сублимационный ТО, в котором сублимация льда происходит в порах металлокерамического элемента.

Одна из конструкций такого ТО содержит трубки с водой, нагретой после прохождения вблизи тела человека, находящиеся в полости, заполненной капиллярно-пористым материалов. Оболочка этой полости при такой конструкции обычно является и емкостью для хранения запаса воды на время одиночного выхода космонавта. Необходимое абсолютное давление во внутренней полости испарительного ТО составляет 57 – 70 мм вод. ст. и поддерживается с помощью специального клапана, что обеспечивает температуру кипения воды 1 – 4^оС.

Такая схема испарительного ТО обладает рядом достоинств:

- капиллярно-пористое тело связывает воду, залитую во внутреннюю полость ТО, что особенно важно при работе в невесомости;

- отпадает необходимость в специальных устройствах подачи воды к теплоотдающей поверхности, так как транспортировка воды осуществляется за счет капиллярных сил;

- обеспечивается саморегулирование подачи воды, идущей на испарение;

- при правильном конструктивном оформлении ТО можно практически исключить выброс капельной влаги.

Основные элементы сублимационного ТО – металлокерамическая пластина и ТО. Наружная поверхность металлокерамической пластины обращена в вакуум. Между пластиной и ТО существует сублимационный зазор. Вода, подаваемая в сублимационный зазор, проникает в поры пластины, замерзает в них, и затем образовавшийся лед сублимирует в космос с поглощением тепла, что приводит к охлаждению жидкого и газообразного теплоносителя, циркулирующего по каналам ТО.

Процесс сублимации в единичном микрокапилляре носит нестационарный периодический характер. Однако наличие в металлокерамической пластине микропор, значительно отличающихся своими геометрическими характеристиками, приводит к тому, что аналогичные процессы в различных порах сдвигаются во времени, в результате чего пульсации сглаживаются и можно говорить о стационарном режиме работы ТО с постоянными во времени параметрами.

Лекция 10 по АС. 2004

СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ

План

1. Тепловой режим организма человека.

2. Внутренний теплообмен в ПКК.

3. Внешний теплообмен ПКК.

4. Теплообмен в скафандре.

10. СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ.

10.1. Задачи и состав СОТР. с. 2

2. Тепловой режим организма человека. с. 6

10.3. Внутренний теплообмен в ПКК. с. 8

10.4. Внешний теплообмен ПКК. с. 11

10.5. Особенности конструкции РТО. с. 13

4. Теплообмен в скафандре.

10.1. Задачи и состав СОТР.

Система обеспечения теплового режима (СОТР) предназначена для обеспечения требуемого температурного режима ПКК, находящегося в космическом полете. Для бортовой аппаратуры должна поддерживаться температура в пределах 0 – 40^оС, для экипажа – 15-25^оС. Заданный температурный режим обеспечивается регулированием подвода и отвода тепла.

Основные функции СОТР:

• поддержание в отсеках ПКК требуемых температур воздуха,

• выведение из отсеков ПКК тепла, выделяемого экипажем и оборудованием при полете в космосе, а также на старте перед запуском РН, при полете в атмосфере и после приземления.

При наличии в ПКК регенерационных СЖО в задачи СОТР входит также термостатирование тепло- и массообменных аппаратов СЖО на требующихся температурных уровнях.

Общую задачу СОТР можно условно разделить на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя задача – организация отвода тепла и регулирование температур атмосферы отсеков и аппаратов СЖО путем конвективного теплообмена с рабочим телом – теплоносителем, использующимся в СОТР.

Внешняя задача – обеспечение передачи выделенного из отсеков тепла путем излучения в наружное пространство в специфических физических условиях космического полета.

Следует отметить, что задача обеспечения температурных режимов в жилых отсеках включает в себя и специфические вопросы обеспечения высокой работоспособности экипажа. Этого можно достигнуть при постоянной оценке состояния человека и оценке связи состояния с тепловыми режимами в отсеке. В длительном полете СОТР должна выполнять определенные функции тренажера для системы терморегуляции человеческого организма вследствие непрерывного воздействия тепловых условий окружающей среды.

Поэтому под тепловым режимом ПКК понимается не определенный неизменный во времени диапазон температур в жилом отсеке, а последовательность во времени совокупности значений температуры, влажности, подвижности (скорости движения) воздуха и характеристик тепловых потоков (величин, градиентов, направлений).

СОТР обычно делят на функциональные подсистемы:

- подсистема теплозащиты,

- подсистема терморегулирования,

- подсистема вентиляции,

- подсистема поддержания влажности.

Варианты каждой подсистемы могут различаться по принципу действия и по схемным и конструктивным решениям.

Подсистемы теплозащиты.

1. Теплоограждающие на основе:

- терморегулирующих покрытий,

- ЭВТИ,

- однородной теплоизоляции.

2. Теплопоглощающие:

- на основе изоляции с большой теплоемкостью,

- на основе частично уносимых материалов,

- с газодинамическим (гидродинамическим) охлаждением.

3. Теплорассеивающие с использованием:

- конвективного охлаждения,

- испарительного охлаждения,

- термоэлектрического насоса.

Подсистемы терморегулирования.

1. Конвективные:

- замкнутые,

- с газовым циклом.

2. На основе изменения агрегатного состояния теплоносителя:

- разомкнутые,

- замкнутые.

3. Термоэлектрические:

- с теплоносителем,

- без теплоносителя.

4. Теплоаккумулирующие на основе материалов:

- с большой теплоемкостью,

- с изменением агрегатного состояния.

Подсистемы вентиляции.

1. Централизованные на основе:

- сосредоточенной подачи и удаления теплоносителя,

- распределенной подачи и удаления теплоносителя,

рециркуляции.

2. Локализованные:

- закрытого типа,

- полуоткрытого типа,

- открытого типа.

Подсистемы осушки.

1. С возвратом влаги в цикл на основе:

- конденсации,

- адсорбции с регенерируемыми поглотителями,

- электролиза паров воды.

2. Со складированием влаги на основе:

- конденсации и влагоудерживающих пористых тел,

- адсорбции с нерегенерируемыми поглотителями,

- хемосорбции.

Перечисленные варианты СОТР часто встречаются в объединении друг с другом.

На практике обычно выделяют пассивные и активные элементы.

К пассивным элементам относится тепловая защита, которая благодаря своей простоте нашла широкое применение. В нее входят специальные покрытия внешней поверхности ПКК, обеспечивающие наиболее выгодное соотношение коэффициентов поглощения и излучения тепла, а также экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ).

К элементам СОТР предъявляются общие и специальные требования.

Общие требования – надежность и безопасность, минимальные масса и габариты, минимальное энергопотребление, ремонтопригодность, максимальная унификация элементов.

Специальные требования к элементам СОТР – функциональные (перечень обеспечиваемых величин температуры, влажности, скорости воздуха, производимого шума), физико-технические и эксплуатационные.

Объектами обеспечения теплового режима в ПКК могут быть: члены экипажа, животные, растения, приборы, оборудование, элементы конструкции. Обычно выделяют отдельные отсеки с индивидуальным набором требований:

• жилые и рабочие,

• отсеки электронного оборудования,

• отсеки с животными,

• оранжерея.

В простейшей СОТР ПКК 3 основных функциональных элемента, по сути дела определяющие проектные характеристики СОТР: холодильно-сушильный агрегат (ХСА), радиатор, излучающий избыточное тепло в космос, пакет экрано-вакуумной теплоизоляции.

В ДОС СОТР значительно сложнее.