Особенности систем обеспечения теплового режима криогенных емкостей КА.

Применение криогенных жидкостей в качестве компонентов топлива, а также использование их на борту для системы энергопитания и жизнеобеспечения ставит ряд проблем по обеспечению теплового режима КА, который зависит от теплообмена КА с окружающей средой, а также от теплообмена емкостей с криогенными компонентами с другими аппарата.

Криогенные жидкости имеют относительно небольшой рабочий интервал температур и давлений. Их хранение на борту на всех стадиях эксплуатации КА, особенно в условиях космического полета требует преодоления технических трудностей, определяемых низкой температурой, малыми теплоемкостями и теплотой фазового перехода, неизбежными притоками тепла к емкостям с криогенными компонентами и значительными временами функционирования КА, что характерно для рассматриваемых в настоящее время космических программ.

Выбор параметров криогенных отсеков невозможен без знаний о нестационарных тепломассообменных процессах, происходящих в баках. Для этого рассмотрим основные факторы, влияющие на тепловой режим топливного отсека, и методы его определения на различных участках функционирования.

Рассмотрим основные режимы эксплуатации КА и дадим характеристику тепломассообменных процессов и факторов, воздействующих на параметры теплоизоляции баков, рост давления и распределения температуры в системе.

На практике условия функционирования криогенных отсеков оказывают определяющее влияние на выбор конструктивно-компановочной схемы бака, параметры и конструктивные решения тепловой защиты. Можно выделить следующие четыре основных режима функционирования баков с криогенными компонентами: нахождение на стартовой позиции, участок выведения в космос, пассивный полет на орбите искусственного спутника Земли, активные участки при полете в космическом пространстве.

На стартовой позиции общий теплоприток к бакам КА с криогенными компонентами складывается из конвективных тепловых потоков от окружающей среды, потоков тепла за счет теплопроводности от элементов конструкции стартового устройства и элементов самого КА, а также лучистых потоков от Солнца, поверхности Земли, элементов стартового устройства и и элементов конструкции КА. Кроме этого, могут быть и тепловые потоки, определяемые фазовыми переходами компонентов атмосферы на оболочке КА.

После заправки баков криогенными компонентами необходим период их выдержки, так как в противном случае нестационарные процессы охлаждения бака, изоляции и тепловых мостов будут происходить в полете, а аккумулированное в конструкции тепло (до заправки) вызовет дополнительный нагрев. В процессе выдержки и проведения предстартовых работ происходит некоторое выкипание компонента, поэтому производится подпитка баков для компенсации выкипания.

Характерное время для операции с криогенными компонентами на стартовой позиции составляет несколько часов. В процессе неизбежного нагрева криогенного топлива в баке происходят нестационарные процессы тепломассопереноса в теплоизоляции, в жидкой и газовой фазах в баке. На стенках бака возникает тонкий пограничный слой, который выносит прогретый слой жидкости к поверхности раздела фаз. Это приводит к испарению части компонента топлива, повышению давления в газовой подушке. В теплоизоляции бака, для повышения ее эффективности, еще до заправки на стартовой позиции доложен быть удален воздух, поскольку при его конденсации на холодной поверхности теплопритоки к криогенной жидкости возрастают. В дальнейшем при нахождении заправленного изделия на стартовой позиции и при взлете должно быть исключено попадание воздуха и паров криопродуктов в теплоизоляцию. Для этих целей предназначена система наддува, осушки и вентиляции изоляции, состоящая из гермооболочки, баллонов инертных газов для заполнения и продувки полости изоляции, арматуры для подачи и вывода газов, а также клапанов для сброса давления газов в случае нерасчетного перепада давления на оболочке. Для заполнения, просушки и продувки теплоизоляции баков с жидким кислородом и водородом используются гелий и азот. При продувке азотом на стенку водородного бака необходимо нанести подслой пенистой изоляции, температура внешней поверхности которой не должна быть ниже 77 .

На участке выведения КА в космос к поверхности криогенных баков подводятся главным образом конвективные тепловые потоки, зависящие от скорости и высоты полета. Кроме того к криогенным компонентам при работающем двигателе подводятся тепловые потоки от газов наддува. Если используются баки с совмещенными днищами, большие тепловые потоки могут подводиться к жидкости со дна (для верхнего бака) за счет горячего наддува нижнего бака.

Два следующих режима соответствуют полету КА в космическом пространстве. На участке выведения газ, заполняющий полость теплоизоляции, частично удаляется в окружающее пространство. Процесс вакуумирования теплоизоляции продолжается на орбите в течении нескольких часов. По мере вакуумирования уменьшается плотность теплового потока, поступающего в бак через теплоизоляцию. При проектировочных расчетах долю тепла, поступающего в бак на участке выведения и до момента выхода характеристик теплоизоляции на значения, соответствующие ее характеристикам в вакууме, принимают равной количеству тепла, поступающего в бак на орбите в течении 2,5 - 3,5 суток.

Для сохранения криогенных компонентов топлива в жидком состоянии в течении всего полета КА применяют несколько видов термостатирования одновременно или один, наиболее эффективный из них. C анализом эффективности различных видов систем термостатирования можно ознакомиться в ряде работ [6,12,14]. Обычно сравниваются системы термостатирования, использующих теплоизоляцию, переохлаждение, ожижительные и холодильные установки и т.д.