Файл: Колесников А.В. - Лекции по курсу Испытания конструкций и систем космических аппаратов [2007,RUS].doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2020
Просмотров: 4270
Скачиваний: 71
В условиях космоса излучение, испускаемое поверхностью КА, назад практически не возвращается, даже если это излучение испускается в сторону находящейся вблизи планеты. То есть космическое пространство можно считать идеальным поглотителем, поэтому говорят о “черноте” космического пространства.
3) Невесомость.
Невесомость – состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга [11]. Невесомость возникает при свободном движении тел в поле только одних гравитационных сил.
Состояние невесомости порождает ряд проблем физического и биологического характера. Так одной из физических проблем, появившейся при организации космических полетов, - проблема работоспособности и, в частности, запуска двигательных установок, работающих на жидких, а особенно на криогенных компонентах. Дело в том, что в невесомости компоненты жидкого топлива могут занимать произвольное положение относительно заборника, а необходимым условием запуска двигателя является наличие сплошности жидкого компонента на входе в двигатель. Подобная проблема возникает в связи с необходимостью разделения жидкой и газовой фаз в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения и в топливных элементах.
Переход в невесомость сопровождается изменением условий и механизма теплообмена с участием жидкости и газа как теплопередающей среды. Не рассматривая всех аспектов влияния невесомости на физические процессы, протекающие в заполненных газом и жидкостью отсеках и устройствах КА (влияние на гидродинамику и гидростатику теплоносителей, на процессы конденсации и испарения), коснемся лишь самого важного вопроса, связанного с отсутствием естественной (гравитационной) конвекции в условиях космического полета, в то время как в наземных условиях гравитационная конвекция чаще всего имеет место и играет значительную роль в передаче энергии через газовую или жидкостную среду и, следовательно, в формировании теплового режима элементов объема или отсека, заполненного газом или жидкостью. Важность вопроса обусловлена тем, что результаты наземных экспериментальных исследований теплового режима КА из-за влияния естественной конвекции могут в ряде случаев существенно отличаться от того теплового режима, который будет иметь место в штатных условиях эксплуатации.
Большая группа проблем, возникающих при невесомости, касается ее биологического воздействия на живые организмы и прежде всего на человека. В невесомости центральная нервная система человека и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечной системы, кровеносных сосудов и др.) находятся в необычных условиях функционирования. Поэтому невесомость рассматривают как специфический раздражитель, действующий на организм человека в течение всего космического полета.
4) Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца.
Считается, что основным источником
солнечной энергии служит так называемая
протон - протонная ядерная реакция, при
которой из 4-х атомов водорода образуется
один атом гелия. Ядерные реакции
совершаются в центральной сверхплотной
и сильно нагретой (приблизительно
)
части Солнца, простирающейся от центра
до
его радиуса
.
В этой зоне электромагнитное излучение
зарождается в форме
- квантов высоких энергий. Эти
кванты
поглощаются атомами той части газа,
которая расположена ближе к поверхности
и где ядерные реакции из-за более низких
температур и давлений невозможны. По
мере перемещения к поверхности в
результате многократного повторения
процессов поглощения и излучения
происходит трансформация
- квантов в кванты рентгеновского,
ультрафиолетового, видимого и инфракрасного
излучения. Считается, что это происходит
в так называемой зоне лучистого равновесия
(
).
От поверхности Солнца до зоны лучистого
равновесия простирается конвективная
зона, в которой энергия переносится
конвекцией. Видимая поверхность Солнца,
называемая фотосферой, испускает
практически всю приходящую к нам энергию
электромагнитного излучения Солнца.
Плотность потока исходящего от фотосферы
излучения составляет приблизительно
,
что соответствует радиационной
температуре
.
Над фотосферой расположена солнечная атмосфера, внешняя часть которой, называемая короной, состоит из чрезвычайно разреженной плазмы с температурой, близкой к миллиону градусов. Хотя общее излучение короны приблизительно в миллион раз меньше общего излучения Солнца [11], однако она является источником интенсивного жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Излучение фотосферы и атмосферы изменяется во времени из-за так называемой солнечной активности.
На орбите Земли плотность потока
излучения Солнца, падающего на площадку,
перпендикулярную направлению на Солнце
(солнечная постоянная
)
изменяется из-за эллиптичности земной
орбиты в пределах от 1350 до 1440
.
Угловой диаметр наблюдаемого с Земли
Солнца составляет приблизительно
.
Зависимость спектральной интенсивности
(
)
или спектральной плотности (
)
электромагнитного излучения Солнца от
длины волны излучения (
)
имеет весьма сложный и изменчивый
характер, зависящий от комплекса
различных явлений в фотосфере и атмосфере
Солнца. На рисунке 1 в виде графика
представлена зависимость относительной
величины спектральной плотности потока
излучения Солнца от
.
Абсолютные текущие значения
относились
к максимальному значению этой величины,
имеющему место при
.
На этом же рисунке в виде пунктирной
кривой 2 изображена аналогичная
зависимость для абсолютно черного тела
с температурой
,
равной радиационной температуре Солнца.
Для второй кривой масштаб зависимости
относительной величины
по оси ординат выбран исходя из условия
равенства интегралов по
для первой и второй кривой. Сопоставляя
кривые 1 и 2 можно заключить, что видимая
(0,38 - 0,75)
и инфракрасная части спектров Солнца
и абсолютно черного тела отличаются
мало.
В
ультрафиолетовой области спектра
наблюдаются существенные отличия.
Несмотря на то, что большая часть энергии
электромагнитного излучения Солнца
сосредоточена в длинноволновой части
спектра (
),
коротковолновая его часть (
)
заслуживает особого внимания, т.к.
коротковолновая радиация (ультрафиолетовое
и рентгеновское излучение) является
одной из причин, вызывающих деградацию
наружных покрытий КА и, следовательно,
изменение их радиационно-оптических
свойств.
Следует заметить, что солнечная
активность практически не изменяет ту
область спектра, которая расположена
правее
.
Существенно изменяется во время солнечных
вспышек спектр рентгеновского излучения.
Излучение становится жестче, плотность
фотонов с
возрастает на два порядка. Общая
интенсивность излучения с
возрастает более чем в два раза.
Помимо электромагнитного излучения Солнце постоянно испускает потоки заряженных частиц, представляющих собой главным образом ионы водорода, гелия, электроны. Эти потоки называются “солнечным ветром”. В результате взаимодействия этих частиц с геомагнитным полем возникает ударная волна. За ударной волной происходит захват заряженных частиц “солнечного ветра” магнитным полем Земли, что приводит к образованию зон захваченной радиации.
Поток солнечного излучения, падающий
на поверхность КА и поглощаемый ею в
той или иной степени в зависимости от
величины коэффициента
- поглощательной способности, может
оказывать на эту поверхность двойственное
воздействие: непосредственное тепловое
и косвенное, проявляющееся со временем
в виде возможного изменения
радиационно-оптических характеристик
поверхности. Изменение этих характеристик
является результатом так называемых
радиационных повреждений материалов,
которые происходят в основном вследствие
ионизации, электронных возбуждений,
смещения атомов вещества, диссоциации
химических связей в молекулах при
поглощении фотонов больших энергий и
взаимодействии с высокоэнергетическими
заряженными частицами солнечного и
галактического происхождения.
5) Исходящее от планет излучение
Исходящее от планет электромагнитное (тепловое) излучение можно условно разделить на две составляющие: отраженное солнечное излучение и собственное инфракрасное излучение, источником которого для планет земного типа в основном является поглощенная солнечная радиация.
Плотность, угловое распределение
интенсивности и спектральный состав
отраженного от планет солнечного
излучения зависит от многих факторов:
состава и физических характеристик
атмосферы планеты, если она имеется,
характера подстилающей поверхности и
особенностей ее макрорельефа, от
зенитного угла Солнца. Процесс отражения
весьма сложен, особенно при наличии у
планеты атмосферы. Так отраженное
излучение Земли формируется в результате
многократного обратного рассеивания
на молекулах воздуха, каплях воды в
облаках и частицах аэрозоля, а также за
счет отражения от твердых и водных
поверхностей. Для характеристики
отражательной способности планеты в
целом, отдельных участков ее поверхности,
а в ряде случаев и отдельных компонент
отражающей системы используется понятие
альбедо, характеризующее долю отраженной
радиации по отношению к падающей на
данную поверхность. Когда речь идет об
отражательной способности планеты в
целом, то говорят о сферическом
(глобальном) альбедо (
).
Отражательная способность участка
поверхности планеты характеризуется
локальным альбедо (
).
Спектр отраженного от планет солнечного излучения в той или иной степени трансформируется в результате селективного поглощения излучения атмосферой планеты, если она имеется, и взаимодействия излучения с подстилающей поверхностью, которая является, как правило, не серой.
Индикатриса отражения, т.е. функция, характеризующая зависимость относительной величины интенсивности или направленной силы отраженного излучения от направления при различных значениях зенитного угла Солнца весьма изменчива и по времени и по географическим координатам. Но в целом, как свидетельствуют расчеты и наблюдения, эту индикатрису с удовлетворительной точностью можно считать диффузной.
Механизм формирования уходящего от планет собственного излучения чрезвычайно сложен (особенно для Земли) и определяется процессами поглощения, испускания, отражения и рассеивания излучения, но и особенностям протекания процессов сложного теплообмена (лучистого, конвективного и кондуктивного - в совокупности) в макросистемах, включающих в себя элементы подстилающей поверхности и атмосферы, если она имеется. Значительная неопределенность, изменчивость локальных по координатам и времени излучательных характеристик системы подстилающая поверхность – атмосфера побуждает использовать при расчете и экспериментальном моделировании внешнего теплообмена КА упрощенную модель собственного инфракрасного излучения Земли в космос. Модель, основанную на осреднении по поверхности и по времени радиационно-оптических характеристик элементов излучающей системы. Осреднение основано на допущении о равенстве нулю теплового баланса планеты. Предполагается, что поглощенная Землей или Венерой солнечная радиация полностью переизлучается затем в инфракрасной
области спектра некоторой равномерно
нагретой в соответствии с поглощенной
энергией эффективной сферической
поверхностью, являющейся внешней
границей оптически активного слоя
атмосферы. В соответствии с этим
предположением полусферическая
поверхностная плотность
потока собственного излучения Земли и
Венеры определяется следующим простым
соотношением [7]:
.
Если, например, для Земли принять
,
то
,
что соответствует радиационной
температуре поверхности
.
В рамках такой модели предполагается
диффузный характер излучения, то есть
независимость в пределах полусферического
телесного угла интенсивности собственного
излучения Земли от направления.
Спектральное распределение энергии
собственного излучения нашей планеты,
как впрочем и других планет и астероидов
солнечной системы, принимается таким
же, как у абсолютно черного тела с
температурой равной радиационной
температуре планеты.
6) Микрометеорные потоки и собственные выделения КА
В космическом пространстве движется
большое количество метеоров - твердых
тел от нескольких десятков километров
до десятых долей микрометра в поперечнике.
Число метеорных тел тем больше, чем
меньше их масса
(примерно обратно пропорционально
).
Метеоры делятся на два класса: метеорные
потоки (рои) и спорадические метеоры,
не принадлежащие к метеорным потокам.
Орбиты и параметры движения некоторых
метеорных роев солнечной системы
известны. Встреча с ними может
прогнозироваться. Со спорадическими
потоками встречи случайны. Повреждение
конструкции, например пробой оболочки
гермоконтейнера, может происходить при
столкновении с метеорами массой
.
Установлено, что вероятность столкновения
с такими метеорами, если они относятся
к классу спорадических, мала. Вероятность
пробоя при попадании в метеорный рой
возрастает на порядок или даже на
несколько порядков [4]. Частицы массой
менее
(метеорная пыль) не представляют
непосредственной опасности для жизненно
важных узлов КА, но они вызывают
поверхностную эрозию материалов, причем
наиболее интенсивная эрозия возникает
при взаимодействии с частицами массой
,
поток которых достаточно велик. В
результате эрозии полированные и
зеркальные поверхности мутнеют,
приобретая частично диффузные свойства,
отражательная способность их снижается,
оптические материалы также мутнеют,
уменьшается их пропускательная
способность.
В ряде случаев важным фактором, влияющим на характеристики терморегулирующих покрытий и оптики, являются собственные выделения КА в результате вакуумирования, гашения его конструктивных элементов, выброса продуктов горения из реактивных управляющих двигателей, выбросов рабочих веществ различных клапанов бортовых систем, испарительных теплообменников и т.п. Данный фактор проявляется в условиях низкого давления окружающей среды и приводит к так называемому загрязнению поверхностей КА. Выделяемые КА газообразные вещества, рассеиваясь в окружающем пространстве, могут сталкиваться друг с другом и частицами газа окружающей среды и вновь попадать на поверхности КА и осаждаться на них. Осаждение наиболее вероятно на холодных поверхностях, особенно на тех, которые имеют криогенные температуры. Влияние загрязнения поверхностей усугубляется одновременным воздействием жесткого электромагнитного и ультрафиолетового воздействия. Под воздействием этого излучения, а также под воздействием заряженных частиц солнечного происхождения в осевших продуктах происходят химические реакции, которые препятствуют испарению осевших частиц и приводят к изменению радиационно-оптических свойств поверхностей КА.
Торможение и спуск КА или его части (CA) в атмосфере планет.
КА входит в атмосферу с большой начальной скоростью. Аэродинамические силы сопротивления при снижении замедляют КА, и его скорость уменьшается до малого (дозвукового) значения. В зависимости от тормозящих свойств атмосферы на процесс торможения влияют те или иные характеристики КА, основные из которых являются аэродинамическое качество и нагрузка на лобовую поверхность, т.е. масса КА, отнесенная к площади его миделя. При спуске в атмосфере Земли нагрузка на лобовую поверхность несущественна, т.к. даже КА с нулевым аэродинамическим качеством и с большой нагрузкой на лобовую поверхность тормозятся до малых дозвуковых скоростей. В разреженной атмосфере Марса со слабыми тормозящими свойствами только аппараты со сравнительно небольшими нагрузками на мидель в состоянии погасить начальную скорость до дозвуковых скоростей. Интенсивность торможения атмосферой ограничивается допустимыми перегрузками для экипажа, приборов или конструкции КА.
Характер траектории спуска в атмосфере
в основном определяется аэродинамическими
характеристиками КА, а также начальными
условиями движения и параметрами
атмосферы. Если КА не обладает подъемной
силой, то он осуществляет баллистический
спуск. Вид баллистической траектории
целиком определяется начальными
условиями входа в плотную атмосферу и
прежде всего углом входа. Баллистический
спуск связан с большими перегрузками.
Такой спуск применялся при первых полета
человека в космос. Если СА обладает даже
малым аэродинамическим качеством
(
),
то для него характерно существенное
уменьшение перегрузок по сравнению с
баллистическим спуском. Аэродинамическое
качество может быть использовано и при
формировании характера распределения
по времени внешней тепловой нагрузки
на поверхность СА, что открывает
принципиальную возможность осуществления
минимизации массы тепловой защиты.
Возможен и планирующий спуск, характерной
особенностью которого является управление
траекторией движения путем использования
аэродинамической подъемной силы.