Главная страница >  Цитатник 

Холодный или горячий космос!

Если тело не имеет внутренних источников тепла, то его температура будет определяться условиями той окружающей среды, в которой оно находится. Поэтому попытаемся прежде всего понять, каковы эти условия в космосе.

Холодный или горячий космос!

В атмосфере Земли происходят более сложные процессы, и температура ее слоев, как это следует из таблицы, не прямо пропорциональна плотности воздуха (или концентрации его частиц). Изменение параметров атмосферы с высотой Высота, км Давление, кгс/см2 Температура, °С Концентрация частиц, см3 Состав воздуха 0 1 +15 2,5•1018 N2,О2,Ar 11 0,2 -56 4,5•1018 N2, О2 (О3), Ar 20 5•10-2 -56 2•1018 То же 30 10-3 -42 4•1017 " 46 10-4 0 3•1016 " 64 10-5 -33 1015 N2,O2,Ar 79 10-6 -85 1014 То же 102 10-8 -60 1012 N2,О2,O 200 10-10 +630 1010 N2,N,О,О+ 800 10-13 +3040 106 О,O+,Н 6500 10-16 103-104 103 Н, Н+ Выше 22000 10-17 103-105 101-102 Н+, Не++

Из физики известно, что температура характеризуется скоростью теплового движения частиц тела, среды (или системы): чем больше эта скорость, тем выше температура. На Земле при комнатной температуре молекулы воздуха движутся со скоростью около 500 м/с, испытывая при этом до 5 млрд. столкновений в 1 с между собой. По мере уменьшения плотности воздуха его молекулы сталкиваются между собой все реже (как говорят специалисты, длина их свободного пробега возрастает), их скорость, а, следовательно, и температура становятся все выше.

Итак, из сказанного можно, казалось бы, сделать вывод о том, что космос "горячий", и конструктор, следовательно, должен принять меры к тому, чтобы предохранить космический аппарат от разрушающего действия высоких температур. Однако если взять пластинку и разместить ее в космическом пространстве так, чтобы на нее не поступали никакие тепловые потоки (например, поместить ее вдали от светил, планет и т.д.), то ее температура с течением времени окажется близкой к абсолютному нулю и составит всего 4 К. Этот эксперимент наглядно показывает, что космос "холодный".

До высоты 11 км температура уменьшается и остается далее постоянной до высот 11–25 км. Это связано с тем, что на этих высотах еще сильное влияние на состояние частиц оказывает конвекционное и лучистое равновесие движущихся воздушных масс. Поглощение атмосферным озоном энергии солнечного излучения в ультрафиолетовой части спектра приводит к повышению температуры вплоть до высоты порядка 50 км. При больших высотах (до 80 км) в связи с уменьшением концентрации озона происходит некоторое снижение температуры частиц воздуха, а при еще больших высотах наблюдается возрастание температуры из-за диссоциации и ионизации кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца. На высоте 200 км, где плотность воздуха сравнительно мала, а скорости движения частиц велики, их температура составляет уже свыше 600°С, на высоте 800 км — более 3000° С.

Низкая температура тела в космическом пространстве никоим образом не говорит еще о том, что перед конструктором стоит единственная тепловая задача — предохранить космический аппарат от переохлаждения. Как это ни может показаться странным на первый взгляд, но специалистам приходится одновременно решать и вторую проблему — защиту материальной части от перегрева. Причина этого, однако, не связана с высокой кинетической температурой молекул воздуха. Она обусловлена тем, что в космическом пространстве есть источники тепла, подогревающие размещенные в нем тела. Наиболее мощный из них — наше светило. За 1 ч оно посылает примерно 1200 ккал на площадку размером 1 м2, расположенную перпендикулярно к его лучам. Плотность солнечного теплового потока зависит от расстояния до Солнца. Для Меркурия, например, она составляет 8000 ккал/м2ч, для Марса — 525 ккал/м2ч, для Юпитера-45 ккал/м2ч, для Плутона-0,6 ккал/м2ч.

Что же получается? Температура частиц воздуха в космосе весьма высокая, а температура тела, размещенного в этой "горячей" среде, оказывается низкой. Налицо парадокс, но парадокс кажущийся — это явление объясняется довольно просто. Из-за малой плотности "космического воздуха" его молекулы очень редко соударяются с помещенным в его среде телом и в результате, несмотря на свою высокую температуру, не могут передать ему такое количество энергии, какое необходимо для заметного повышения его температуры. Специалисты по этому поводу говорят, что в космосе мала передача тепла за счет естественной конвекции.

Остальная часть этого потока (примерно 60%) поглощается Землей и затем излучается ее поверхностью в окружающее пространство. Плотность потока собственного излучения Земли сравнительно невелика — в сумме с отраженным потоком она составляет в среднем (по поверхности Земли) 35% от солнечного теплового потока. С увеличением расстояния от поверхности Земли эти два потока быстро рассеиваются, хотя и на сравнительно больших высотах могут оказывать заметное влияние на тепловой режим летательных аппаратов.

Солнечный тепловой поток, достигая Земли, частично отражается от ее поверхности и атмосферы: вода отражает 5% этого потока, снег — 77, песок — 24, строения — 9%. Величина отраженного потока сильно зависит от времени года. В июле, когда для атмосферы характерна сравнительно небольшая облачность, отражается 32% солнечного потока, в октябре, когда облака задерживают большее количество тепла, эта величина возрастает до 52%. Специалисты считают, что в среднем от поверхности Земли и облаков отражается порядка 40% солнечного теплового потока.

На корпусе космических аппаратов обычно располагаются различные устройства, приборы, механизмы и пр., работающие в условиях открытого космоса. Их тепловой режим может определяться также и некоторыми дополнительными источниками тепла. Так, например, на них может поступать солнечный тепловой поток, отраженный от солнечных батарей, от корпуса и других частей конструкции, на них поступают потоки, излучаемые высоконагретыми элементами, и т.д.

При космических полетах на сравнительно небольшой высоте может быть заметным аэродинамический нагрев частей конструкции аппаратов. На рис. 1 приведена плотность теплового потока, поступающего на пластинку, движущуюся на разных расстояниях от поверхности Земли с первой космической скоростью. Нетрудно видеть, что уже на высоте 200 км плотность потока аэродинамического нагрева становится на порядок меньше плотности солнечного потока и далее быстро уменьшается с ростом высоты.

Тепловой режим космических аппаратов в существенной степени определяется и их внутренними источниками тепла. На борту этих аппаратов размещаются различные приборы, энергетические установки, средства контроля и информации и пр., выделяющие при своей работе тепловую энергию, которая весьма различается для каждого конкретного случая и зависит от класса и назначения аппарата. На американском космическом корабле "Джемини", например, тепловыделение только бортовой аппаратуры составляло порядка 500–600 ккал/ч. А ведь для пилотируемого корабля конструкторам необходимо еще позаботиться и об отводе тепла, выделяемого организмом космонавтов. Величина этого тепла колеблется в достаточно широком диапазоне, составляя примерно 230 ккал/ч в период бодрствования и 70 ккал/ч во время сна космонавта. С развитием космонавтики космические аппараты стали иметь все большее количество приборов на борту, увеличивается и число членов экипажа. Все это привело к увеличению количества тепла, выделяющегося в гермоотсеках, а значит, и к усложнению и без того сложной проблемы терморегулирования.

Вот, вкратце, те внешние источники тепла, действие которых приводит в общем случае к разогреву конструкции космического аппарата и внешних элементов. Рис. Зависимость плотности аэродинамического теплового потока, поступающего на пластинку, в зависимости от высоты над поверхностью Земли.

Пластинка никоим образом не является аккумулятором тепла: она его не утилизирует, не использует — это тепло будет посредством излучения "сброшено" в космос. Способность пластинки излучать тепло определяется так называемой степенью черноты ее поверхности

Проследим теперь, что происходит с внешним тепловым потоком, поступающим на пластинку, ориентированную перпендикулярно направлению солнечных лучей. При этом для простоты рассуждений предположим, что эта пластинка расположена на большом удалении от Земли и все потоки, кроме солнечного излучения, пренебрежимо малы. Солнечный поток при этом будет частично поглощаться пластинкой, а частично отразится от нее в космос. Величина потока, поглощенная пластинкой, определяется средним по всему спектру коэффициентом поглощения As.





Далее:
КАНДИДАТЫ В КОСМОНАВТЫ.
Ракетное оружие XIX века.
КУБАСОВ Валерий Николаевич.
Глава 30-39.
1.2. ИДЕИ ПО ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЕ ЖРД ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПИОНЕРОВ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ.
Глава 4.
Введение.
Полёт Руслана.
Атмосфера Марса.


Главная страница >  Цитатник