ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КА

Создание системы обеспечения теплового режима (СОТР) конкретного аппарата идет по трем взаимно связанным стадиям [7]:

1) Расчетно-теоретический анализ процессов внешнего и внутреннего теплообмена КА; сравнение возможных схем решения задачи обеспечения теплового режима и окончательная расчетная проверка выбранного варианта СОТР.

2) Экспериментальная проверка и отработка СОТР в наземных условиях при моделировании в экспериментальных установках условий внешнего и внутреннего теплообмена.

3) Окончательная проверка и отработка СОТР на основе результатов натурных испытаний или штатной эксплуатации КА.

В связи с тем, что экспериментальная отработка связана с большими материальными затратами, расчетно-теоретические методы анализа и проверки теплового режима и эффективности СОТР играют весьма важную роль в решении задачи обеспечения теплового режима КА. Они необходимы не только на стадии проектирования СОТР, но и на стадии экспериментальной проверки принятых технических решений. При разработке математических моделей теплообмена КА наиболее часто осуществляется следующий порядок действий. Первым и непременным этапом разработки математической модели является составление тепловой схемы объекта исследования. Тепловая схема представляет собой схематическое изображение узлов КА, включая элементы СОТР (в случае анализа теплового режима КА в целом) или такое же изображение какого-либо из элементов КА при решении частной задачи, с указанием всех существенных тепловых связей, а также внешних и внутренних тепловых воздействий. При составлении тепловой схемы выделяются узловые точки, характеризующие температуру, формулируются допущения в части возможного упрощения изображаемых процессов. В итоге тепловая схема является наглядным представлением тех взаимодействий, которые предстоит анализировать с помощью математических соотношений. Уже на этой стадии представляется возможным, сформулировав граничные условия и возможные диапазоны характеризующих их величин, ограничить тепловые связи некоторыми наперед заданными тепловыми состояниями сопряженных элементов. Например, влияние тепловыделений отдельных блоков аппаратуры на температуру газовой среды может быть рассмотрено через некоторую среднемассовую температуру каждого блока без подробного описания тепловых процессов, протекающих внутри него. На основе выбранной тепловой схемы для дальнейшего перехода к математической модели создается расчетная схема - схемное или словесное описание тепловых взаимодействий элементов, выделенных в тепловой схеме, и допущений, принятых с целью математического описания процессов теплообмена. Это наиболее ответственный этап требует не только логической оценки существенности того или иного звена, но и четкого представления об определяющих тепловое его состояние, процесcах и расчетной оценки справедливости принятых допущений. Является недопустимым произвольное упрощение физики процесса, если для этого нет достаточных оснований и если такое допущение приводит к получению не экстремальных значений анализируемой величины. Например, в ряде случаев пренебрежение процессами лучистого теплообмена во внутренних объемах КА может приводить к существенному завышению или занижению температуры элемента конструкции по сравнению с фактической. Поэтому такое пренебрежение допустимо только в том случае, когда в результате допущения ожидается получение максимально или минимально возможной температуры. Далее расчетная схема реализуется в виде математической модели-описания, представляющей, по сути, алгоритм решения задачи, представленный в математической форме. От математической модели - описания обычно переходят затем к модели-аналогии, представляющую собой компьютерную программу решения задачи.

Одним из важных этапов работ в общем процессе разработки и обоснования тепловых математических моделей является их коррекция.

Этот этап представляет собой комплексное расчетно-экспериментальное исследование с использованием аппарата обратных задач теплообмена и привлечением методов оптимального планирования тепловых экспериментов. Проверка математической модели предполагает сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными и введение поправок в математическую модель, если расчет и эксперимент не согласуются между собой.

Источники расхождений между измеренными и рассчитанными значениями температуры разделяются на три основные группы. К первой относится неправильное определение функциональной схемы тепловой модели; вторая связана с ошибками измерений; третья включает в себя неправильный выбор значений параметров модели. Если функциональная схема модели не является достаточно точной, то необходима разработка новой схемы. Второй и третий источники расхождений измеренных и рассчитанных температур выявляются известными методами оценки параметров тепловой математической модели.

Деление процесса создания СОТР на отмеченные выше стадии часто является весьма условным, учитывая сложность конструкции КА, наличие многочисленных c неопределенными количественными характеристиками тепловых связей между его отдельными элементами. Поэтому характерной особенностью теплового проектирования КА является органическое сочетание расчетно-теоретических и проектных работ с экспериментальными исследованиями.

Роль эксперимента в тепловом проектировании особенно велика при создании СОТР для спускаемого аппарата (СА), так как в этом случае процесс теплообмена в теплозащитных покрытиях, как правило, характеризуется сложными взаимосвязанными и еще недостаточно изученными теплофизическими, физико-химическими, газодинамическими, эррозионными и другими процессами.

Экспериментальные исследования и испытания (как стендовые, так и летные) используются не только для проверки правильности расчетно-теоретических исследований, но и для доработки математических моделей теплового состояния КА, в частности, коррекции параметров математической модели.

В тех случаях, когда изучаемый процесс труден для понимания, а также когда теоретический анализ не дает удовлетворительных результатов в связи со многими неопределенностями и сложностями вычислительного характера (как, например, в ряде задач нестационарного конвективного теплообмена на поверхности теплозащитных покрытий, в двигательных установках, в топливных баках и трубопроводах, особенно с криогенными компонентами топлива) эксперимент играет самостоятельную роль.