Автоматические космические аппараты - Евгений Попов

Для нормальной работы приборов и систем создают более узкий диапазон температур от 0 до 30 °C. Поддержание такого интервала температур и возлагается на систему терморегулирования, в которой используются как пассивные, так и активные средства поддержания заданного теплового режима.

К пассивным средствам можно отнести окраску наружных поверхностей автоматических КА: подбираются различного цвета краски с определенными оптическими коэффициентами. Поглощение и рассеяние тепла поверхностью характеризуются коэффициентом поглощения и степенью черноты поверхности. И при избытке тепла на автоматическом КА необходимо, чтобы поверхность эффективно излучала тепло и мало его поглощала. А для этого нужно снизить коэффициент поглощения и увеличить степень черноты поверхности.

К пассивным средствам терморегулирования относится и изготовление специальных «шуб» — экрановакуумной тепловой изоляции (ЭВТИ). Такая изоляция состоит из 15–30 слоев металлизированной полимерной пленки, переложенных тончайшими слоями стекловаты, причем верхний и нижний слои для прочности выполнены из стеклоткани. ЭВТИ для упрощения технологии изготовления создается из нескольких частей, подобно тому как сшивается из разных частей одежда для человека: рукав, спинка и т. д. Различие только в том, что тепловой «комбинезон» для автоматического КА «сшивается» не заранее, а соединяется из частей непосредственно на самом КА.

Тепловая зашита с помощью ЭВТИ заключается в том, что каждый слой металлизированной пленки отражает большую часть теплового потока, а пропускает малую его часть. В итоге поток тепла от Солнца доходит до конструкций в очень ослабленном виде. С теневой же стороны КА «шуба» препятствует уходу тепла в окружающее пространство путем лучеиспускания.

Как правило, одних пассивных средств системы терморегулирования недостаточно, особенно для длительно существующих ИСЗ или межпланетных станций. Ведь условия работы последних меняются: тепловой поток с приближением к Солнцу увеличивается, а при удалении — уменьшается. Поэтому приходится использовать активные средства терморегулирования в сочетании с пассивными.

Активные средства системы терморегулирования включают в себя два радиатора (холодного и горячего контура), вентиляторы, систему трубопроводов, заслонки с приводами, логические блоки и систему температурных датчиков, размещающихся и различных местах автоматического КА. В зависимости от применяемого рабочего тела сама система может быть воздушной (на станциях «Венера», начиная с "Вснеры-4") или жидкостной (на ИСЗ типа "Молния"). Причем в холодном контуре применяется жидкость, способная оставаться жидкой при низких температурах, в горячем — жидкость с очень высокой температурой кипения.

Холодный контур содержит радиатор-холодильник, имеющий большую поверхность, обращенную к теневой части автоматического КА. Горячий контур имеет соответственно рядиатор-нагреватель, обращенный в солнечную сторону. Причем наружная поверхность радиатора-холодильника окрашивается специальной краской с большим значением степени черноты, чтобы интенсивнее рассеивать тепло, тогда как для радиатора-нагревателя краска подбирается с максимальным значением коэффициента поглощения.

Трубопроводы после выхода из радиаторов подсоединяются к радиатору-смесителю, через который протекают жидкости обоих контуров. Подачей холодной или горячей жидкости на радиатор-смеситель регулируется его температура. Через этот радиатор продувается вентилятором воздух, поддерживающий заданную температуру внутри автоматического КА. Блок автоматики, получая сигналы от температурных датчиков, регулирует массу горячей или холодной жидкости, направляемой к радиатору-смесителю (путем поворота заслонок в трубопроводах).

В воздушных системах терморегулирования также имеются два контура. В холодном — воздух по системе трубопроводов попадает к радиатору-холодильнику, в горячем — протекает через радиатор-нагреватель, расположенный с солнечной стороны.

Трубопроводы после радиаторов сходятся вместе, и поток воздуха регулируется заслонкой, способной перскрывать либо горячий, либо холодный поток или смешивать их в любой пропорции. Заслонка с приводом управляется блоком автоматики, к которому сходятся данные от температурных датчиков.

Так, например, при понижении температуры внутри отсека температурные датчики выдают сигнал на блок автоматики, который формирует команду на перекладку заслонки. Последняя частично перекрывает поток воздуха от холодильника и увеличивает доступ воздуха от радиатора, нагренаемого Солнцем. В итоге из смесителя идет более теплый воздух. При повышении же температуры заслонка поворачивается в другую сторону. Весь воздушный поток через трубопроводы и смеситель продувается вентилятором, непрерывно функционирующим во время полета автоматического КА.

В специфических условиях система терморегулирования несколько видоизменяется. Так, на «Луноходе-1» и «Луноходе-2» лунным днем, длящимся двс земные недели, наблюдался избыток тепла за счет солнечного подогрева и выделения тепла от работающей аппаратуры. Крышка приборного контейнера была открыта, с внутренней стороны на ней наносились элементы солнечном батареи. Верхняя часть корпуса была окрашена краской с малым коэффициентом поглощения и большой степенью черноты поверхности. Тепло, выделявшееся во время сеансов, путем лучеиспускания рассеивалось в пространстве.

Лунной ночью задача была прямо противоположной: в темноте движение «Луноходов» не проводилось — КА фактически на 14 сут был законсервирован. При этом осуществлялись только кратковременные сеансы для получения телеметрической информации о значениях температуры в различных местах «Лунохода», давлении в отсеке, работе вентиляторов и т. д. Выделение тепла в этом случае было ничтожно. Крышка «Лунохода» закрьвалась, верхняя часть ее имела поверхность с большим коэффициентом поглощения и малой степенью черноты. Корпус «Лунохода» со всех сторон был закрыт экранно-вакуумной изоляцией, имелась она и на крышке. Но, несмотря на применение пассивных средств, их было недостаточно — аппарат остывал. Для поддержания теплового режима в заданных пределах необходим подвод тепловой энергии. В условиях лунной ночи поверхность Луны остывает примерно до -150 °C. Для поддержания в нормальных температурных условиях работу КА в систему терморегулирования был введен блок обогрева, имеющий в своем составе радиоизотопный источник тепла. Помещенный в блок обогрева еще на Земле, при предстартовой подготовке к запуску автоматического КА, радиоактивный элемент приводил в рабочее состояние данную систему. С этого момента от начала радиоактивного распада шел постоянный поток тепловой энергии, разогревающий блок обогрева до 500 °C.

Блок обогрева размещался в небольшом герметичном отсеке, расположенном на кронштейнах вне корпуса «Лунохода». После доставки «Лунохода» на Луну и при наступлении лунной ночи через отсек с помощью двух патрубков осуществлялось прохождение охладившегося воздуха из корпуса «Лунохода» и возвращение обратно по второму патрубку нагретого воздуха (циркуляция воздуха осуществлялась вентилятором). Тепловая энергия от радиоизотопного источника обогревала весь «Луноход», и лунным днем блок обогрева с помощью заслонки, расположенной в патрубке, отсекался от атмосферы корпуса «Лунохода».

Чтобы предотвратить перетекание избыточного теплового потока через конструкцию, блок обогрева соединялся с корпусом «Лунохода» через тепловые изоляторы как по кронштейнам, так и по патрубкам. Однако от блока обогрева путем лучеиспускания распространялся поток тепла, и для защиты корпуса «Лунохода» от этого потока на блоке обогрева был установлен параболический зеркальный экран. Он отражал лучистую энергию, идущую в сторону «Лунохода», и рассеивал се в окружающее пространство.

В отдельных случаях при создании систем терморегулирования КА приходится учитывать условия, резко отличные от условий космического пространства. Например, при исследовании Венеры от межпланетной станции перед подлетом к планете отделяется спускаемый аппарат, предназначенный для изучения химического состава и физико-механических свойств атмосферы и поверхности планеты. Условия на поверхности Венеры отличаются не только от земных, но и резко отличаются от факторов космического пространства. Температура у поверхности Венеры достигает почти 500 °C, а давление атмосферы — около 90 кг/см2. Мощный натиск давлсния и большого потока тепла заставляет принимать меры для сохранения работоспособности КА в течение времени, достаточного для решения поставленных задач.

Перед подлетом к Венере спускаемый аппарат «захолаживается» с помощью системы терморегулирования КА «Венера». По команде с Земли принудительно холодным воздухом температура спускаемого аппарата за 10 сут до подлета плавно понижается до -10 °C (холодный воздух поступает из холодного контура станции). Такое понижение температуры нужно для увеличения срока жизнедеятельности аппаратуры, находящейся внутри спускаемого аппарата при прохождении им атмосферы и после посадки па поверхности Венеры. За 2 сут до подлета, когда понижение температуры спускаемого аппарата заканчивается, он отделяется и летит к планете.