Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
При решении задач по поддержанию тепловых режимов космических аппаратов (КА) в ходе наземной подготовки к пуску на стартовых комплексах требуется выполнение энергоемких операций по подготовке теплоносителя (чаще всего воздуха) по температуре, влагосодержанию и чистоте [1]. Это связано с циркуляцией теплоносителя через зону размещения КА под головным обтекателем (ГО). Кроме того, в таких контурах ограничивается скорость теплоносителя.
В работах [1, 2] представлены предложения по совершенствованию процессов термостатирования КА при предстартовой подготовке ракет космического назначения (РКН). Предложения основаны на использовании многослойного ГО с щелевыми каналами, образованными внутренней стенкой обтекателя со стрингерами и внутренней стенкой из углепластика, ограничивающей наружный слой в виде сотового наполнителя.
Щелевые каналы ГО используются для циркуляции теплоносителя, образуя контур активного термостатирования. Зона КА используется для пассивного термостатирования. При этом исключается соприкосновение с поверхностью КА основного потока теплоносителя, поэтому требования к нему могут быть существенно упрощены, а энергоемкость процесса термостатирования снижена.
Реализация перспективного предложения потребует проведения доработок наземных систем, обеспечивающих подготовку и подачу теплоносителя. Цель настоящей работы — обосновать целесообразность проведения доработок наземных систем, направленных на совершенствование процессов термостатирования КА. Для достижения цели проводится сравнительный анализ эффективности существующего, предложенного перспективного и промежуточного вариантов организации контуров теплоносителя при термостатировании КА с минимальными доработками.
В существующем варианте теплоноситель подается через зону с КА под ГО без щелевых каналов, но с теплоизоляцией, смонтированной на внутренней поверхности ГО, что обеспечивает требуемую температуру теплоносителя в зоне КА [3].
В промежуточном варианте теплоноситель также подается через зону с КА под ГО, но без теплоизоляции и с щелевыми каналами, используемыми для пассивного термостатирования. Ожидаемый полезный эффект в промежуточном варианте — уменьшение массы ГО и увеличение объема под обтекателем для размещения КА по сравнению с существующим вариантом.
Анализ в работе проводится по результатам численного математического моделирования теплообменных процессов между элементами ГО, теплоносителем (воздухом), а также с учетом параметров КА и окружающей среды в зимний период, воздействующей на КА с наибольшим температурным перепадом.
Для промежуточного варианта получены практически линейные зависимости изменения температуры внутренней поверхности стенки ГО и коэффициента свободной конвекции в каналах из-за перепада температур стенок в зависимости от толщины щелевых каналов. Теплоизолирующие свойства воздуха в щелевых каналах ограничиваются критериями Грасгофа Gr и Прандтля Pr в комплексе Gr · Pr < 103 [4]. С увеличением толщины щелевых каналов теплоизолирующие свойства воздуха ухудшаются за счет роста влияния свободной конвекции. Так, при увеличении толщины каналов с 10 до 20 мм, наблюдается почти двухкратный рост коэффициента свободной конвекции.
Показано, что допустимый температурный уровень внутренней поверхности стенки ГО для промежуточного варианта не обеспечивается. В то же время полученные результаты математического моделирования аналогичных процессов при активном термостатировании через щелевые каналы в ГО без теплоизоляции и при пассивном термостатировании в зоне КА являются удовлетворительными.
Таким образом, проведение доработок наземных систем подготовки и подачи теплоносителя для активного термостатирования КА через щелевые каналы ГО без теплоизоляции целесообразно и будет способствовать снижению требований к теплоносителю, а также потребляемой электроэнергии.
