Анализ теплопереноса через экранно-вакуумную теплоизоляцию криогенных агрегатов при механическом воздействии

Язык труда и переводы:
УДК:
536.33
Дата публикации:
24 января 2022, 20:05
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Зинкевич Вера Павловна
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Аннотация:
Основным элементом пассивной системы обеспечения теплового режима космического аппарата является экранно-вакуумная теплоизоляция. В связи с этим велико значение определения ее характеристик и становится актуальной проблема извлечения максимального количества информации из данных, полученных в ходе тепловакуумной отработки космической техники. В представленной работе рассмотрен один из путей усовершенствования математической модели экранно-вакуумной теплоизоляции. На данный момент в моделях сжатой теплоизоляции не учитывалось такое явление как теплообмен в ближней зоне. Этот вид радиационного теплопереноса может вносить существенный вклад в тепловой поток через изоляцию, что особенно важно для криогенных систем.
Ключевые слова:
экранно-вакуумная теплоизоляция, ближняя зона, излучение, обратная задача теплопроводности
Основной текст труда

Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) является основной и наиболее эффективной частью пассивной системы терморегулирования в составе космического аппарата (КА). В связи с этим, для особо чувствительных к нагреву агрегатов важно точное определение тепловых потоков через ЭВТИ при анализе их теплового состояния. Из-за высокой стоимости тепловой отработки космической техники и сложности теоретического анализа тепловых процессов остается актуальной проблема извлечения максимального количества информации о характеристиках исследуемой тепловой системы. 

Сжатие экранов, возникающее при изготовлении и установке ЭВТИ, сказывается на величине теплового потока через маты теплоизоляции. На данный момент математические модели, основанные на первопричинах его увеличения, не рассматривались, а все имеющиеся модели сжатой ЭВТИ являются эмпирическими. Эти модели не учитывают изменение характера лучистого теплообмена между экранами [1, 2].

В основу уточненной математической модели могут быть положены решения обратных задач теплообмена, которые являются основным средством обработки и интерпретации результатов тепловакуумных испытаний экспериментальных образцов и изделий. При этом возникает необходимость определения граничных условий и полей температур, нахождение коэффициентов теплопереноса, определение теплопроводности [3]. Саму систему экранов можно рассмотреть как плоскопараллельные изолированные тела, разделенные вакуумным зазором [4, 5].

В случае расстояний между телами меньше, чем длина волны излучения, возникает теплообмен в ближней зоне, который является следствием взаимодействия нераспространяющихся электромагнитных волн (поверхностных поляритонов). Это взаимодействие дает значительный прирост теплового потока через вакуумный зазор между телами [5, 6]. 

При снижении граничных температур нераспространяющиеся волны начинают вносить вклад в теплообмен на расстоянии порядка десятков микрометров и более, что даст прирост теплового потока даже при свободной укладке экранов в криогенных системах, который не учитывается при традиционном моделировании ЭВТИ. Так, например, для медного диска расстояние, на котором возникает существенное влияние нераспространяющихся волн, составляет до 60 мкм при температуре приемника, равной температуре жидкого азота, а для области гелиевых температур — до 190 мкм [7]. При этом тепловой поток между металлическими поверхностями в результате взаимодействия электромагнитных волн в ближней зоне может превышать тепловой поток в дальней зоне до 10 000 раз [8]. Несмотря на небольшие абсолютные значения теплового потока при низких температурах, такое многократное преобладание теплового потока в ближней зоне над потоком излучения по классическим законам привносит погрешность в расчеты теплового состояния систем. 

Имеющиеся модели ЭВТИ либо не учитывают плотность укладки экранов, либо не принимают во внимание теплообмен в ближней зоне и сильно зависят от качества экспериментальных данных [1, 2, 9]. Математическая модель, включающая в себя данный механизм теплообмена, имеет особое значение для низкотемпературных систем, поскольку при снижении температуры нераспространяющиеся волны начинают взаимодействовать на больших расстояниях, что приводит к более строгим требованиям по плотности укладки слоев. Применение уточненной модели к таким системам позволит более качественно анализировать тепловое состояние КА при снижении объемов экспериментальной отработки.

Дальнейшая работа предполагает проведение экспериментального исследования для проверки обоснованности предложенной модели.

Таким образом, в работе предложен вариант усовершенствования математической модели экранно-вакуумной теплоизоляции, учитывающий влияние нераспространяющихся волн на теплоперенос между экранами. Применение представленной модели наиболее обосновано для криогенных систем и агрегатов в составе космического аппарата, поскольку позволит учитывать тепловые потоки, не учтенные традиционными способами расчета.

Литература
  1. Nast T.C., Frank D.J., Feller J. Multilayer insulation considerations for large propellant tanks // Cryogenics. 2014. Vol. 64. Pp. 105–111. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2014.02.014
  2. Okazaki S., Kawasaki H., Murakami M., Sugita H., Kanamori Ya. Influence of processing on thermal performance of space use multilayer insulation // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2014. Vol. 28, no. 2. Pp. 334–342. DOI: 10.2514/1.T4163
  3. Alifanov O.M., Nenarokomov A.V., Gonzalez V.M. Study of multilayer thermal insulation by inverse problems method // Acta Astronautica. 2009. Vol. 65, iss. 9–10. Pp 1284–1291. DOI: 10.1016/j.actaastro.2009.03.053
  4. Song B., Fiorino A., Meyhofer E., Reddy P. Near-field radiative thermal transport: From theory to experiment // AIP Advances. 2015. Vol. 5, iss. 5. Art. ID 053503. 47 p. DOI: 10.1063/1.4919048
  5. Дмитриев А.С. Введение в нанотеплофизику. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2019. 790 с.
  6. Lim M., Song J., Lee S.S., Lee B.J. Tailoring near-field thermal radiation between metallo-dielectric multilayers using coupled surface plasmon polaritons // Nature Communications. 2018. No. 9. Art. ID 4302. 9 p. DOI: 10.1038/s41467-018-06795-w
  7. Кутателадзе С.С., Рубцов Н.А., Бальцевич А.Я. Влияние величины зазора между металлическими пластинами на их тепловое взаимодействие при криогенных температурах // Доклады АН СССР. 1978. Т. 241, № 4. С. 805–807.
  8. Kralik T., Hanzelka P., Zobac M., Musilova V., Fort T., Horak M. Strong near-field enhancement of radiative heat transfer between metallic surfaces // Physical Review Letters. 2012. Vol. 109, iss. 22. Art. ID 224302. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.224302
  9. Малоземов В.В. Тепловой режим космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1980. 232 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.