Известия РАН. Энергетика, 2019, № 2, стр. 52-67

ВВЕДЕНИЕ

Надежное функционирование всех систем космического аппарата (КА) обеспечивается поддержанием допустимого теплового режима с помощью специальной бортовой системы – системы обеспечения теплового режима (СОТР).

Экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) является одним из важнейших пассивных средств СОТР [1]. Качественная тепловая защита элементов конструкции КА с помощью матов ЭВТИ позволяет:

– уменьшить тепловые потери и тем самым снизить тепловую нагрузку на КА;

– активизировать лучистые и кондуктивные связи во внутреннем объеме КА увеличивая тепловую инерционность элементов конструкции КА;

– уменьшить амплитуду колебания температуры элементов конструкции при периодических изменениях внешней тепловой нагрузки.

Теплоизоляционные свойства ЭВТИ существенно зависят от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Поэтому особо важную роль приобретает надежная конечная оценка этих свойств путем расчетно-теоретических методов в сочетании с экспериментальной отработкой по верификации гарантированного диапазона возможных действительных значений удельного термического сопротивления матов ЭВТИ. В этом случае общая проектная и экспериментальная надежность СОТР гарантированно подтверждается для экстремальных условий внешнего и внутреннего теплообмена КА:

– при отработке “холодного” расчетного случая используются значения нижней границы гарантированного диапазона удельного термического сопротивления матов ЭВТИ;

– при отработке “горячего” расчетного случая используются значения верхней границы гарантированного диапазона удельного термического сопротивления матов ЭВТИ.

МАТЫ ЭВТИ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

В действующей нормативной документации [2], [3] и в целом ряде опубликованных статей предлагаются попытки нормирования удельного термического сопротивления (УТС) для отдельных марок ЭВТИ в зависимости от дифференцированного влияния различных факторов, так, например:

– отраслевой стандарт [2] таблично регламентирует значения УТС отдельных марок ЭВТИ дифференцированно по таким факторам как диапазон рабочих температур, внутреннее давление в слоях ЭВТИ, плотность укладки слоев, степень перфорации;

– в работе [4] предлагается оценка влияния погрешности моделирования внешних тепловых потоков и степени обжатия пакета ЭВТИ на теплоперенос через экранно-вакуумную теплоизоляцию.

В действующей нормативной документации [2] и [3] не предусмотрены объективные методы верификации удельного термического сопротивления матов ЭВТИ (после их изготовления и хранения перед установкой на КА), а осуществляется только визуальный контроль при поэтапном выполнении технологического процесса изготовления и сборки матов ЭВТИ.

Поэтому для повышения надежности обеспечения теплового режима, перед установкой на изделие изготовленного комплекта матов ЭВТИ необходимо осуществлять выборочную проверку образцов матов ЭВТИ на соответствие нормативным требованиям по удельному термическому сопротивлению с помощью объективных методов верификации действительных значений удельного термического сопротивления.

МЕТОДИКА ВЕРИФИКАЦИИ КАЧЕСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ МАТОВ ЭВТИ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ

На рис. 2 представлена конструктивная расчетная схема объекта испытаний, состоящего из образца-свидетеля мата ЭВТИ и нагревательной пластины. Математическая постановка методики испытаний формулируется при следующих допущениях:

– через фронтальные поверхности образцов-свидетелей, расположенные с обеих сторон нагревательной пластины, проходят одинаковые мощности теплового потока. Иными словами пакеты ЭВТИ, расположенные с обеих сторон нагревательной пластины принимаются одинаковыми во всех отношениях, а также принимаются одинаковыми граничные условия на стенках ТВК с обеих сторон;

– тепловые потери по кабельной сети не учитываются (“Q_каб = 0”). Данное допущение обеспечивает гарантированный расчетный запас по определению диапазона действительных значений удельного термического сопротивления;

– верхняя (оптимистическая) граница действительных значений удельного термического сопротивления определяется с учетом принятого допущения о существовании идеального теплового контакта между нагревательной пластиной и внутренним облицовочным слоем образца ЭВТИ, т.е. при равенстве температурных значений между этими элементами конструкции ЭУ;

– нижняя (пессимистическая) граница действительных значений удельного термического сопротивления определяется с учетом принятого допущения об отсутствии теплового контакта (кондуктивной связи) между нагревательной пластиной и внутренним слоем образца ЭВТИ, т.е. с учетом единственного лучистого способа теплопередачи между этими элементами конструкции ЭУ.

Стационарный тепловой баланс для объекта испытаний описывается ниже следующей системой уравнений.

Общий тепловой баланс объекта испытаний

где ${{N}_{{{\text{Э Н }}}}}$ – электрическая мощность, потребляемая нагревательной пластиной, Вт;

${{Q}_{{\text{F}}}}$ – тепловой поток, проходящий через фронтальную поверхность ЭВТИ, Вт;

${{Q}_{{{Б О К \;}}}}$ – тепловые потери через окантовку образца-свидетеля, Вт;

${{Q}_{{{К А Б \;}}}} = 0$ – тепловые потери по кабельной сети объекта испытаний, Вт.

Мощность, передаваемая с нагревательной пластины на внутреннюю фронтальную поверхность ЭВТИ:

где $F$ – площадь фронтальной поверхности ОИ, м²;

σ = 5.67 × 10^–8 Вт/(м² К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

${{T}_{{\text{п }}}}$ – температура нагревательной пластины, К;

${{T}_{1}}$ – температура внутреннего облицовочного слоя ЭВТИ, К;

${{\varepsilon }_{{{\text{п }}{\kern 1pt} \_{\kern 1pt} 1}}} = \frac{1}{{\left( {{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{\varepsilon }_{{\text{п }}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\varepsilon }_{{\text{п }}}}}} + {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{\varepsilon }_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{\varepsilon }_{1}}}} - 1} \right)}}$ – приведенная степень черноты между нагвательной пластиной и внутренним слоем ЭВТИ;

${{\varepsilon }_{{\text{п }}}}$ – степень черноты нагревательной пластины;

${{\varepsilon }_{1}}$ – степень черноты внутреннего облицовочного слоя ЭВТИ.

Мощность, переизлучаемая с наружной поверхности ЭВТИ на внутреннюю поверхность ТБК и определяемая по [5]:

где ${{T}_{2}}$ – температура наружного облицовочного слоя ЭВТИ, К;

${{T}_{{\text{д }}}},$ ${{T}_{{\text{ц }}}},$ ${{T}_{{\text{к }}}}$ – измеряемые значения температуры внутренней поверхности элементов конструкции ТБК (в том числе днища, цилиндра и крышки), К;

${{k}_{{1{\text{д }}}}}$ – взаимная поверхность переизлучения между фронтальной поверхностью объекта испытаний и днищем ТБК, м²;

${{k}_{{1{\text{ц }}}}}$ – взаимная поверхность переизлучения между фронтальной поверхностью объекта испытаний и цилиндром ТБК, м²;

${{k}_{{1{\text{к }}}}}$ – взаимная поверхность переизлучения между фронтальной поверхностью объекта испытаний и крышкой ТБК, м².

Взаимная поверхность переизлучения между фронтальной поверхностью объекта испытаний и днищем ТБК определяется по формуле:

Взаимная поверхность переизлучения между фронтальной поверхностью объекта испытаний и цилиндром ТБК определяется по формуле:

Взаимная поверхность переизлучения между фронтальной поверхностью объекта испытаний и крышкой ТБК определяется по формуле:

В формулах (3.1)–(3.3) используются следующие обозначения:

${{\varepsilon }_{2}}$ – степень черноты наружного облицовочного слоя ЭВТИ;

${{\varepsilon }_{{\text{д }}}},$ ${{\varepsilon }_{{\text{ц }}}},$ ${{\varepsilon }_{{\text{к }}}}$ – степени черноты внутренних поверхностей элементов конструкции ТВК (днища, цилиндра и крышки);

${{\varphi }_{{1{\kern 1pt} \_{\kern 1pt} {\text{д }}}}},$ ${{\varphi }_{{{\text{д }}{\kern 1pt} \_{\kern 1pt} 1}}},$ ${{\varphi }_{{1\,\_\,{\text{ц }}}}},$ ${{\varphi }_{{{\text{ц }}{\kern 1pt} \_{\kern 1pt} 1}}},$ ${{\varphi }_{{1{\kern 1pt} \_{\kern 1pt} {\text{к }}}}},$ ${{\varphi }_{{{\text{к }}{\kern 1pt} \_{\kern 1pt} 1}}}$ – предварительно рассчитываемые значения взаимных угловых коэффициентов облученности между объектом испытаний и соответствующими элементами конструкции внутренней поверхности ТБК (при заданных координатах расположения объектов испытаний в системе координат ТБК).

Тепловой поток, проходящий через фронтальную поверхность образца-свидетеля мата ЭВТИ

где ${{R}_{{\text{F}}}}$ – искомое значение УТС образца-свидетеля мата ЭВТИ, м² К/Вт.

Тепловой поток, проходящий через окантовку образца мата ЭВТИ, условно принятую в виде концентрических поверхностей продольной половины цилиндра, длина которого равна периметру объекта испытаний,

где ${{{\text{П }}}_{{{\text{б о к }}}}}$ – периметр нагревательной пластины, м;

${{\delta }_{{\text{э }}}}$ – толщина пакета ЭВТИ, м;

${{\delta }_{{\text{п }}}}$ – толщина нагревательной пластины, м;

${{m}_{{{\text{б о к }}}}}$ – фиксированная доля тепловых потерь через окантовку образца-свидетеля мата ЭВТИ.

Фиксированная доля тепловых потерь через окантовку образца-свидетеля мата ЭВТИ определяется по формуле:

Мощность тепловых потерь по кабельной сети (с учетом принятого допущения)

Система уравнений (1)–(6) содержит шесть неизвестных параметров ${{R}_{{\text{F}}}},$ ${{Q}_{{\text{F}}}},$ ${{T}_{1}},$ ${{T}_{2}},$ ${{Q}_{{{\text{Б О К }}}}},$ ${{Q}_{{{\text{К А Б }}}}}$ при назначенном составе контролируемых и измеряемых параметров ЭУ.

После исключения параметров ${{Q}_{{{\text{Б О К }}}}},$ ${{Q}_{{{\text{К А Б }}}}}$ и выполнения преобразований, расчетное текущее значение удельного термического сопротивления образцов матов ЭВТИ определяется при последовательном выполнении ниже следующего алгоритма вычислений, реализуемого в ходе проведения испытаний средствами ИВУСТП.

Рассчитываются текущие осредненные значения температуры элементов конструкции ТБК по измеряемым параметрам датчиковой аппаратуры (см. рис. 1):

– температура днища ТБК:

– температура цилиндра ТБК:

– температура крышки ТБК:

– температура фона ТБК (одинаковая для обоих образцов-свидетелей):

Рассчитываются текущие осредненные значения температуры для каждой нагревательной пластины по измеренным параметрам датчиковой аппаратуры (см. рис. 2):

– температура нагревательной пластины “эталонного” образца-свидетеля:

– температура нагревательной пластины “исследуемого” образца-свидетеля:

Рассчитывается текущее значение температуры на наружной поверхности “эталонного” образца-свидетеля по измеренным параметрам “${{T}_{{\text{Ф }}}}$” и “${{N}_{{{\text{Э Н 0}}}}}$”:

Рассчитывается текущее значение температуры на наружной поверхности “исследуемого” образца-свидетеля по измеренным параметрам “${{T}_{{\text{Ф }}}}$” и “${{N}_{{{\text{Э Н }}}}}$”:

Рассчитываются текущие значения температуры на внутренней поверхности “эталонного” образца-свидетеля по измеренным параметрам “${{T}_{{{\text{П 0}}}}}$” и “${{N}_{{{\text{Э Н 0}}}}}$”:

– для оптимистической оценки,

– для пессимистической оценки (при положительном значении подкоренного выражения):

Рассчитываются текущие значения температуры на внутренней поверхности “исследуемого” образца-свидетеля по измеренным параметрам “${{T}_{{\text{П }}}}$” и “${{N}_{{{\text{Э Н }}}}}$”:

– для оптимистической оценки:

– для пессимистической оценки (при положительном значении подкоренного выражения):

Рассчитываются текущие значения удельного термического сопротивления “эталонного” образца-свидетеля:

– для оптимистической оценки (при ${{N}_{{{\text{Э Н 0}}}}} > 0$):

– для пессимистической оценки (при ${{N}_{{{\text{Э Н 0}}}}} > 0$ и ${{T}_{{10{\text{min}}}}} > {{T}_{{20}}}$):

Рассчитываются текущие значения удельного термического сопротивления “исследуемого” образца-свидетеля:

– для оптимистической оценки (при ${{N}_{{{\text{Э Н }}}}} > 0$):

– для пессимистической оценки (при ${{N}_{{{\text{Э Н }}}}} > 0$ и ${{T}_{{1{\text{min}}}}} > {{T}_{2}}$),

В качестве зачетных результатов принимаются значения соответствующие достижению стационарного состояния объектов испытаний по измеренным значениям температуры нагревательных пластин при градиенте не более 1 K/ч и, в конечном итоге, по достижению стационарного состояния для рассчитываемых значений удельного термического сопротивления при градиенте не более 0.05 м² К/(Вт ч).

Перечень измеряемых и рассчитываемых параметров методики представлен в табл. 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КАЧЕСТВА МАТОВ ЭВТИ

Состав матов ЭВТИ и оптические характеристики облицовочных материалов подбираются с учетом влияния конкретных факторов космического пространства при орбитальной эксплуатации КА. При этом теплоизоляционные характеристики матов ЭВТИ, при прочих равных условиях, существенно зависят от уровня температуры теплоизолируемой поверхности, так, например, в случае применения ЭВТИ для теплоизоляции баков с криогенным жидкостями значение УТС в несколько раз эффективнее по сравнению с теплоизоляцией поверхностей приборных и жилых отсеков КА.

Ниже иллюстрируются полученные результаты верификации образцов-свидетелей матов ЭВТИ, предназначенных для эксплуатации на околоземной орбите в составе КА с допустимым диапазоном температуры термостатируемых поверхностей от минус 20 до плюс 60°С. Испытаниям по оценке удельного термического сопротивления подвергались три образца-свидетеля матов ЭВТИ с одинаковым составом облицовочных материалов, но отличающихся составом применяемых экранных материалов при одинаковом количестве слоев, в том числе следующие типы марок:

– “эталонный” образец № 1 типа ЭВТИ-2В-10;

– “исследуемый” образец № 2 типа ЭВТИ-ЭБК-10;

– “исследуемый” образец № 3 типа ЭВТИ-2Б-10.

На рис. 3–6 представлены результаты испытаний по определению оптимистических и пессимистических оценок удельного термического сопротивления образцов-свидетелей матов ЭВТИ для типовых граничных условий эксплуатации орбитального полета КА. При этом более подробно исследовался температурный диапазон для применения матов ЭВТИ в качестве теплоизоляции приборных и жилых отсеков КА. Для этого диапазона, в качестве критерия достижения стационарного режима в процессе испытаний, использовалось значение градиента рассчитываемого значения удельного термического сопротивления не более 0.1 м² К/(Вт ч), но с продолжительностью режима не более восьми часов.

На рис. 6 представлены обобщенные результаты сравнения теплоизоляционных характеристик испытываемых образцов-свидетелей матов ЭВТИ в виде зависимости удельного термического сопротивления от температуры нагревательных пластин (от температуры теплоизолируемой поверхности КА). На рис. 6, по результатам испытаний, отмечена область существования гарантированных значений УТС. Установлено, что “эталонный” образец-свидетель мата ЭВТИ № 1 обладает более эффективными теплоизоляционными свойствами и его применение на КА является предпочтительным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана и экспериментально апробирована программа и методика инженерной оценки удельного термического сопротивления образцов-свидетелей матов ЭВТИ для типовых граничных условий эксплуатации. Методика позволяет производить качественную и количественную оценку удельного термического сопротивления вновь разрабатываемых конструкций матов ЭВТИ с гарантированным запасом, что обеспечивает повышение надежности проектирования СОТР.

2. Разработана ЭУ для верификации матов ЭВТИ с применением оборудования из состава экспериментальной базы РКК “Энергия”.

3. Проведены испытания по определению удельного термического сопротивления различных образцов матов ЭВТИ в целях выявления наиболее эффективных марок для применения на перспективных КА.