УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2008 года по МПК B64G1/58 G01N25/18 

Изобретение относится к космической технике, к области проектирования, наземной отработки в тепловакуумных камерах (ТВК) и эксплуатации системы терморегулирования (СТР) космического аппарата (КА), а именно к вопросам контроля термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) системы терморегулирования КА.

СТР предназначена для поддержания теплового режима всех элементов КА в заданных пределах путем обеспечения контролируемого их теплообмена с окружающей средой. Потребный тепловой режим КА в целом и отдельных его элементов поддерживается активными и пассивными средствами обеспечения тепловых режимов (СОТР). К пассивным СОТР относят ЭВТИ - пакет многослойной теплоизоляции, состоящий из набора экранов с высокой отражательной способностью, разделенных прокладками из материалов с низкой теплопроводностью. ЭВТИ обладает уникальными теплоизоляционными характеристиками. Ее термическое сопротивление, отнесенное к весу единицы площади поверхности, является наибольшим из всех известных типов теплоизоляции. ЭВТИ технологична, может наносится на элементы КА различной формы. Обычно для поддержания необходимого теплового режима КА вся его поверхность покрывается ЭВТИ, за исключением определенных участков поверхности, через которые осуществляется регулируемый теплообмен с окружающей средой, а также тех внешних элементов КА, которые должны функционировать в открытом виде. Однако уникальные теплоизоляционные свойства ЭВТИ проявляются в чистом виде лишь для гладких поверхностей, через которые не проходят ни выводы, ни конструктивные элементы. Иначе возникают значительные перетечки тепла вдоль отдельных слоев ЭВТИ, приводящие к снижению суммарного термического сопротивления [1, с.9].

Одним из важнейших определяющих параметров ЭВТИ является плотность упаковки слоев и связанное с этим изменение термического сопротивления ЭВТИ. По своей природе пакеты многослойной теплоизоляции являются весьма гибкими и свободно укладываются на элементы конструкции; все это приводит, с учетом перегрузок и сил, возникающих при вакуумировании пакета теплоизоляции, к значительным изменениям местных значений плотности упаковки ЭВТИ [1, с.413].

Ухудшение характеристик теплоизоляции ЭВТИ связано также и с тем, что в конструкции толстых пакетов (более 30 слоев) не удается обеспечить надлежащий выход молекул газа наружу, вследствие чего для достижения давления между слоями ниже 10^-3...10^-4 Па требуется значительный промежуток времени. Чтобы свести к минимуму вклад теплопроводности газа, обеспечить радиационный характер теплопередачи и рабочий режим работы ЭВТИ необходимо обеспечить давление газа внутри теплоизоляции ниже 10^-3...10^-4 Па [2, с.6], а в конструкции ЭВТИ предусмотреть специальные меры дренирования. Трудности оценки вклада теплопроводности газа связаны с экспериментальными трудностями измерения газа внутри ЭВТИ, а также с неадекватным аналитическим описанием и сложной природой явлений адсорбции-десорбции молекул внутри ЭВТИ. Существует некоторая оптимальная степень дренирования ЭВТИ, так как при увеличении степени дренирования (например, перфорации экранов) в целях снижения теплопроводности газа одновременно возрастает вклад радиационной теплопередачи через ЭВТИ [1, с.361]. Учет особенностей конфигурации КА, применяемая технология изготовления и сборки ЭВТИ приводят к усложнению расчетных методов прогнозирования термического сопротивления ЭВТИ. Поэтому контроль за изменением величины термического сопротивления отдельных участков ЭВТИ может быть выполнен только непосредственным измерением при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) КА, проводимых в ТВК с имитацией внешних и внутренних тепловых воздействий или при эксплуатации КА на орбите функционирования.

Прототип предложенного устройства определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата не найден.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание надежного устройства, позволяющего определять величины термического сопротивления отдельных участков ЭВТИ (на ровной плоскости или на искривленных плоскостях) для конкретной ЭВТИ, непосредственно установленной на КА в процессе ТВИ КА или эксплуатации КА на орбите.

Техническим результатом, получаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность:

- определения величины местного термического сопротивления ЭВТИ в условиях наземной отработки КА в ТВК или эксплуатации КА на орбите;

- определения термического сопротивления ЭВТИ на искривленных поверхностях, с учетом особенностей конфигурации КА.

Поставленная задача достигается устройством определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата, содержащим пластину с анизотропными свойствами, установленную через слой электроизоляции на наружном экране экранно-вакуумной теплоизоляции, толщиной δ₀, выполненную из n последовательно соединенных термоэлементов, образуемых двумя разнородными проводниками а и b с коэффициентами теплопроводности λ_а и λ_b соответственно, равномерно распределенных в непрерывной электроизолирующей матричной фазе с коэффициентом теплопроводности λ_ф<<λ_а и λ_ф<<λ_b, причем "горячие" контакты проводников выведены к нагреваемой поверхности пластины, а "холодные" контакты проводников выведены к охлаждаемой поверхности пластины, при этом на наружной поверхности пластины нанесен слой электроизоляции, который закрыт оболочкой, выполненной из материала с оптическими характеристиками, аналогичными материалу и оптическим характеристикам наружного экрана экранно-вакуумной теплоизоляции, на котором установлена упомянутая пластина; датчики температуры установлены на внутренних поверхностях наружных экранов экранно-вакуумной теплоизоляции друг против друга и напротив центра тяжести этой пластины, а термическое сопротивление экранно-вакуумной теплоизоляции (R) определяют по соотношению

при этом должны выполняться условия:

где v_a, v_b, v_ф - объемное содержание проводников а и b термоэлементов и матричной фазы в долях единицы соответственно; Т₁, Т₂ - температуры наружных экранов экранно-вакуумной теплоизоляции; α_ab - коэффициент термоэдс между данными проводниками а и b; Е - термоэдс; λ₀ ^⊥, λ₀ ^|| - эквивалентные теплопроводности пластины в направлении нормали к поверхности пластины и в продольном направлении соответственно; δ_и и λ_и - толщина и коэффициент теплопроводности слоя электроизоляции, соответственно.

Разнородные проводники термоэлементов выполнены из пар: Cu - константан, Fe - константан, хромель - копель, хромель - алюмель, нихросил - нисил.

Для снижения влияния на конечный результат боковых границ пластины предложено датчики температуры наружных экранов ЭВТИ устанавливать друг против друга и напротив центра тяжести пластины как, в среднем, наиболее удаленного от боковых границ. Учитывая равномерную распределенность термоэлементов в матричной фазе, очевидно, что центр тяжести пластины, выполненной, например, в виде круглой пластины, будет совпадать с центром круга, а в виде прямоугольной или квадратной пластины - на пересечении диагоналей.

Для снижения влияния воздействия окружающей внешней среды на показания датчиков температуры целесообразно устанавливать эти датчики температуры на внутренних поверхностях наружных экранов ЭВТИ.

Чтобы создать одинаковые условия теплообмена с внешней средой пластины и ЭВТИ, оптические характеристики наружных поверхностей которых могут значительно отличаться, и, таким образом, минимизировать влияние пластины на результаты определения термического сопротивления ЭВТИ, предложено наружную поверхность пластины через слой электроизоляции закрывать оболочкой, выполненной из материала и с оптическими характеристиками аналогично экрану ЭВТИ, с которым через слой электроизоляции контактирует пластина.

Термоэлементы, состоящие из двух разнородных проводников и выполненные из пар: Cu - константан, Fe - константан, хромель - копель, хромель - алюмель, нихросил - нисил, выбраны как имеющие наиболее высокие значения максимальных термоэдс в рабочих интервалах температур применения ЭВТИ [3, с.181].

Разнородные проводники в термоэлементе можно выполнять в сечении круглыми, квадратными или прямоугольными, как наиболее технологичные в исполнении. Площади сечений s_a и s_b двух разнородных проводников а и b могут быть не равны, т.е. s_a≠s_b. Например, один проводник может быть выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратными основаниями, а другой выполнен прямоугольного сечения (например, в виде полосок фольги) и контактирует с ним по плоскости основания параллелепипеда. Благодаря подбору материалов, из которых состоит пластина (λ_ф<<λ_а и λ_ф<<λ_b), и соответствующему конструктивному исполнению можно получить анизотропную пластину, обладающую свойством λ₀ ^⊥>>λ₀ ^||.

Поверхности контактов разнородных проводников а и b термоэлементов, выходящие на поверхности пластины, покрыты слоем электроизоляции толщиной δ_и с коэффициентом теплопроводности λ_и. При этом толщины пластины и слоя электроизоляции, а также материалы проводников термоэлементов и слоя электроизоляции подбираются так, чтобы соблюдалось условие (δ₀/λ₀ ^⊥+2•δ_и/λ_и)<<R. Слой электроизоляции поверхностей контактов термоэлементов может быть выполнен из того же материала и зацело с матричной фазой, покрывая всю поверхность пластины, а может состоять из отдельных фрагментов, покрывая только контакты разнородных проводников термоэлементов. Слой электроизоляции поверхностей контактов термоэлементов может быть нанесен, например, напылением из оксида алюминия.

Чтобы минимизировать контактное термическое сопротивление между слоем электроизоляции и экраном ЭВТИ, с одной стороны пластины, а также между слоем электроизоляции и оболочкой, с другой стороны пластины, можно в зоне контакта использовать теплопроводящий слой, например, в виде теплопроводящей пасты или теплопроводящего клея.

С целью контроля термического сопротивления ЭВТИ на искривленных поверхностях, с учетом особенностей конфигурации КА, предложено матричную фазу выполнять из эластичного материала с электроизолирующими свойствами, например из резины. В этом случае возможно слой электроизоляции выполнять из материала матричной фазы, сплошь покрывающей поверхности пластины.

В принципе в условиях рабочего режима работы ЭВТИ электроизолирующей матричной фазой может служить установившийся вакуум (рабочий режим работы ЭВТИ при вакууме в пределах 10^-3...10^-4 Па), при этом при конструировании цепочки из термоэлементов пластины нужно предусмотреть недопущение возможности газового разряда [4, с.523].

Суть изобретения поясняется на фиг.1 и фиг.2. На фиг.3, фиг.4 и фиг.5 приведен вариант исполнения пластины. Предлагаемое устройство определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования космического аппарата (фиг.1 и фиг.2) состоит из следующих основных элементов. Пластина 1 включает последовательно соединенные термоэлементы 2, состоящие из двух разнородных проводников 3 и 4, равномерно распределенных в непрерывной электроизолирующей матричной фазе 5. Пластина 1 с одной стороны контактирует через слой электроизоляции 6 и теплопроводящий слой 8 с оболочкой 7, а с другой стороны через слой электроизоляции 6 и теплопроводящий слой 8 с наружным экраном 16 ЭВТИ 12. С помощью токовыводов 9 и 10 термоэдс последовательно соединенных термоэлементов 2 регистрируется гальванометром 11. Перепад температуры по толщине контролируемого участка ЭВТИ 12 регистрируется датчиками температуры 13 и 14, установленными на внутренних поверхностях наружных экранов 15 и 16 друг против друга и напротив центра тяжести пластины 1.

На фиг.3, фиг.4 и фиг.5 пластина 1 выполнена прямоугольной, толщиной δ₀, включает последовательно соединенные термоэлементы 2, состоящие из двух разнородных проводников 3 и 4, равномерно распределенные в непрерывной электроизолирующей матричной фазе 5, выполненной из эластичного материала, например резины. Проводники 3 выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с площадью сечения s_a с квадратными основаниями и равномерно распределены по площади прямоугольной пластины 1, а другие проводники 4 выполнены в виде полосок фольги с площадью сечения s_b. Контакт проводников 4 выполнен по плоскостям квадратных оснований прямоугольных параллелепипедов проводников 3. Слой электроизоляции 6 толщиной δ_и, выполненной из материала матричной фазы 5, сплошь покрывает всю поверхность пластины 1.

Устройство определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА работает следующим образом.

Устанавливаем предлагаемое устройство на контролируемый участок ЭВТИ 12 СТР КА, который помещаем в ТВК (не показано). После помещения КА в ТВК (или запуска КА на орбиту функционирования) и начала приема информации о функциональных характеристиках СТР, с помощью пластины 1, установленной на наружном экране 16 ЭВТИ 12, производим контроль за изменением термического сопротивления контролируемого участка ЭВТИ 12.

Положим, что равновесие между контролируемым участком ЭВТИ 12 и излучением, при установившемся тепловом состоянии системы, нарушено, т.е. контролируемый участок ЭВТИ с установленным устройством определения термического сопротивления будет излучать (или поглощать) энергии больше, чем поглощать (или излучать). В этом случае через слои контролируемого участка ЭВТИ 12, оболочку 7, пластину 1, слои электроизоляции 6 и теплопроводящие слои 8 идет тепловой поток в направлении нормали к этим слоям. С помощью датчиков температуры 13 и 14 на наружных экранах 15 и 16 фиксируем температуры Т₁ и Т₂. При этом выполняется соотношение Т₁≠Т₂. Датчики температуры 13 и 14 установлены на внутренних поверхностях наружных экранов 15 и 16, что позволяет снизить влияние воздействия окружающей внешней среды на показания этих датчиков. Для снижения влияния на конечный результат границ пластины 1 датчики температуры 13 и 14 устанавливают напротив друг друга и напротив центра тяжести пластины 1, как, в среднем, наиболее удаленного от границ пластины 1. Учитывая равномерную распределенность термоэлементов 2 в матричной фазе 5, очевидно, что центр тяжести пластины 1, выполненной, например, в виде круглой пластины, будет примерно совпадать с центром круга, а в виде прямоугольной или квадратной пластины - на пересечении их диагоналей.

В результате разности температур dT по толщине δ₀ пластины 1 (между спаями двух разнородных проводников 3 и 4) в цепи n последовательно соединенных термоэлементов 2 возникает термоэдс Е, измеряемая гальванометром 11, с использованием токовыводов 9 и 10. Подставляя измеренные значения температур наружных экранов 15 и 16, известные характеристики для проводников 3 и 4 термоэлементов 2 и матричной фазы 5, соответствующие измеренной датчиком температуры 14 температуре наружного экрана 16, с которым контактирует через слой электроизоляции 6 пластина 1, а также измеренное значение термоэдс Е цепи термоэлементов 2 в соотношение (1), определяем термическое сопротивление R ЭВТИ 12. Затем проверяем соблюдение необходимых условий (2) и (3).

Вывод соотношения (1) основан на высоких электроизоляционных свойствах слоя электроизоляции и свойствах анизотропии пластины, при которых выполнены условия (2) и (3).

Вышеприведенные свойства позволяют изменением теплового потока через ЭВТИ, вследствие наложения пластины, и изменением общего термического сопротивления пренебречь, т.е. при установившемся тепловом состоянии системы через ЭВТИ проходит тепловой поток с той же плотностью, как и через пластину.

Исходя из равенства плотностей теплового потока через ЭВТИ и пластину, используя закон Фурье [5, с.9 и 13], можно записать

В соотношении (4) dT - перепад температуры по толщине пластины, определяется из показаний гальванометра Е, измеряющего суммарную термоэдс n последовательно соединенных термоэлементов [6, с.287]

где α_ab определяется материалами разнородных проводников термоэлемента и температурами горячего и холодного контактов.

Эквивалентную теплопроводность пластины λ₀ ^⊥,^{в первом приближении, можно определить из соотношения}

где s_ф - площадь, занимаемая матричной фазой;

S - площадь пластины.

Площадь пластины S можно записать в виде

Из (6), с учетом (7), определяем λ₀ ^⊥

Из выражения (4), после подстановки (5) и (8) в (4), получаем соотношение (1) для определения термического сопротивления ЭВТИ.

Приведем расчетный пример определения термического сопротивления ЭВТИ. Размерности всех параметров приведены в Международной системе единиц.

Устанавливаем устройство на контролируемый участок ЭВТИ 12 СТР КА, который помещаем в ТВК при имитации в ТВК тепловой части внешнего электромагнитного излучения, имитации поглощения излучения космическим пространством и вакуума, обеспечивающего радиационный характер внешней теплопередачи и рабочий режим работы теплоизоляции и устройства (в пределах 10^-3...10^-4 Па).

Используем пластину 1, аналогичную приведенной на фиг.3, фиг.4 и фиг.5. Квадратная пластина 1 с длиной стороны L=4·10^-2 м, площадью S=16·10^-4 м² и толщиной δ₀=1,5·10^-3 м, которая включает n=100 последовательно соединенных термоэлементов 2, состоящих из проводников 3 и 4 пар Fe - константан, равномерно распределенных в непрерывной электроизолирующей матричной фазе 5, выполненной из эластичного материала - резины. Проводники 3 из Fe выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с площадью сечения s_a=4·10^-6 м² с квадратными основаниями и равномерно распределены по площади пластины 1, а проводники 4 из константана выполнены в виде полосок фольги шириной 2·10^-3 м и толщиной 10^-5 м с площадью поперечного сечения s_b=2·10^-8 м². Контакт проводников 4 из константана выполнен по плоскостям квадратных оснований прямоугольных параллелепипедов проводников 3 из Fe, как показано на фиг.4 и 5. Откуда объемное содержание проводников а и b термоэлементов и матричной фазы в долях единицы будет составлять v_a˜0,25, v_b˜1,3·10^-3 и v_ф˜0,75 соответственно.

Слой электроизоляции 6 толщиной δ_и=δ·10^-6 м, выполненный из материала матричной фазы 5, сплошь покрывает всю поверхность пластины 1.

Рассмотрим случай №1. Положим измерение температур наружных экранов 15 Т₁ и 16 Т₂ с помощью датчиков температуры 13 и 14 показало соответственно Т₁=293 К и T₂=93 К. В первом приближении в расчетах средняя температура термоэлементов 2 принималась при температуре Т₂ наружного экрана 16 ЭВТИ 12, с которым через слой электроизоляции 6 контактирует пластина 1. Положим, что температуре ˜93 К соответствуют коэффициенты теплопроводности: для проводника 3 из Fe λ_а˜170 Вт/(м·К) [3, с.341], для проводника 4 из константана λ_b˜24 Вт/(м·К) [7, с.197], для матричной фазы 5 из резины синтетической λ_ф˜ 0,12 Вт/(м·К) [3, с.362]. Положим, что по результатам предварительно выполненной градуировки, для средней температуры термоэлементов 2 ˜ 93 К, коэффициент термоэдс α_ab˜3,9·10^-5 В/К (в данном расчетном примере, для ориентировки, использовалась градуировочная таблица термопары Fe - константан из [3, с.183]). Положим по показаниям гальванометра 11 получили величину термоэдс Е=4·10^-7 В. Подставляя в (1), получим

R=δ₀•(T₁-T₂)•α_ab•n/[(λ_a•v_a+λ_b•v_b+λ_ф•v_ф)•E]≈1,5·10^-3•(293-93)•3,9·10^-5•100/[(170•0,25+24•1,25·10^-3+0,12•0,75)•4·10^-7]≅69 м²·К/Вт.

Оценим величину предельной абсолютной погрешности определения термического сопротивления ЭВТИ 12 ΔR [8, с.132] для значений переменных Т₁, Т₂, Е функции R (1) из следующего выражения

Примем предельные абсолютные погрешности при измерении T₁, и Т₂ датчиками температуры 13 и 14 соответственно равными ΔT₁=ΔТ₂=1 К, а при измерении Е гальванометром 11 ΔЕ=5·10^-9 В [9, с.109]. Откуда из (9)

ΔR=1,5·10^-3•3,9·10^-5•100•[2•mod(1/4·10^-7)+5·10^-9•mod(293-93)/16·10^-14]/(170•0,25+24•1,25·10^-3+0,12•0,75)≅1,5 м²·К/Вт. При этом относительная погрешность ΔR/R=(1,5/69)•100%≈2,2%.

Проверим соблюдение необходимых условий (2) и (3), имея ввиду, как сказано выше, равенство λ_и=λ_ф.

Проверим соотношение (2). Из (8) λ₀ ^⊥=λ_a•v_a+λ_b•v_b+λ_ф•v_ф≈170•0,25+24•1,25·10^-3+0,12•0,75=42,62 Вт/(м·К), откуда из (2) δ₀/λ₀ ^⊥+2•δ_и/λ_и=1,5·10^-3/42,62+2•5·10^-6/0,12=1,2·10^-4 м²·К/Вт, что намного меньше R=69 м²·К/Вт.

Проверим соотношение (3), имея в виду, что основное термическое сопротивление для теплового потока в продольном направлении пластины 1 будет определяться матричной фазой 5 и полосками фольги проводников 4 из константана. Эквивалентную теплопроводность пластины 1 в продольном направлении λ₀ ^|| в первом приближении оценим из соотношения

где S_b, S_ф, S_т - площади поперечных сечений в продольном направлении пластины 1 проводников 3 из константана, матричной фазы 5 и торцевой площади квадратной пластины 1.

В первом приближении можно оценить S_b=10•s_b=10•2·10^-8=2·10^-7 м²; S_ф=S_т=L•δ₀=4·10^-2•1,5·10^-3=6·10^-5 м².

Откуда из (10) λ₀ ^||=[λ_b•S_b/(L/2)+λ_ф•S_ф/L]/(S_т/L)=[24•2·10^-7/2·10^-2+0,12•6·10^-5/4·10^-2]/(6·10^-5/4·10^-2)=0,28 Вт/(м·К), что намного меньше λ₀ ^⊥=42,62 Вт/(м·К).

Рассмотрим случай №2. Положим измерение температур наружных экранов 15 (Т₁) и 16 (Т₂) с помощью датчиков температуры 13 и 14 показало соответственно Т₁=293 К и Т₂=177 К. Положим, что температуре ˜177 К соответствуют коэффициенты теплопроводности: для проводника 3 из Fe λ_а˜100 Вт/(м·К) [7, с.341], для проводника 4 из константана λ_b˜26 Вт/(м·К) [7, с.197], для матричной фазы 5 из резины синтетической λ_ф˜0,145 Вт/(м·К) [3, с.362]. Положим, что по результатам предварительно выполненной градуировки, при средней температуре термоэлементов ˜177 К, коэффициент термоэдс α_ab˜4,6·10^-5 В/К (в данном расчетном примере, для ориентировки, использовалась градуировочная таблица термопары Fe - константан из [3, с.183]). Положим по показаниям гальванометра 11 получили величину термоэдс Е=4·10^-6 В. Подставляя в (1), получим

R=δ₀•(T₁-T₂)•α_ab•n/[(λ_a•v_а+λ_b•v_b+λ_ф•v_ф)•E]≈1,5·10^-3•(293-177)•4,6·10^-5•100/[(100•0,25+26•1,25·10^-3+0,145•0,75)•4·10^-6=8 м²·К/Вт.

Оценим величину предельной абсолютной погрешности ΔR из (9) ΔR=1,5·10^-3•4,6·10^-5•100•[2•mod(1/4·10^-6)+5·10^-9•mod(293-177)/16·10^-12]/( λ_a•v_a +λ_b•v_b+λ_ф•v_ф)=0,15 м²·К/Вт. При этом относительная погрешность ΔR/R=(0,15/8)•100%˜1,9%.

Проверим соблюдение условия (2). Из (8) λ₀ ^⊥=λ_a•v_a+λ_b•v_b+λ_ф•v_ф≈100•0,25+26•1,25·10^-3+0,145•0,75=25,14 Вт/(м·К), откуда из (2) δ₀/λ₀ ^⊥+2•δ_и/λ_и=1,5·10^-3/25,14+2•5·10^-6/0,145=1,29·10^-4 м²·К/Вт, что намного меньше R=8 м²·К/Вт.

Проверим соблюдение условия (3). Из (10) λ₀ ^||=[λ_b•S_b/(L/2)+λ_ф•S_ф/L]/(S_т/L)=[26•2·10^-7/2·10^-2+0,145•6·10^-5/4·10^-2]/(6·10^-5/4·10^-2)=0,32 Вт/(м·К), что намного меньше λ₀ ^⊥=25,14 Вт/(м·К).

В вышеприведенном расчетном примере определено термическое сопротивления R для двух контролируемых участков ЭВТИ. В случае №1 термическое сопротивление R данного контролируемого участка ЭВТИ, будем считать, соответствует проектной величине. Для второго контролируемого участка ЭВТИ, в случае №2, термическое сопротивление R почти на порядок меньше проектной величины. Таким образом, данные результаты ТВИ позволяют выявлять дефекты отдельных участков ЭВТИ, совершенствовать конструктивное исполнение и технологию сборки ЭВТИ при дальнейшей отработке СТР КА в ТВК.

Таким образом, применение предлагаемого устройства для определения термического сопротивления ЭВТИ системы терморегулирования КА при наземной отработке КА в ТВК или в орбитальном полете позволяет:

1) контролировать величину местного термического сопротивления ЭВТИ в условиях наземной отработки КА в ТВК или эксплуатации КА на орбите;

2) осуществлять контроль термического сопротивления ЭВТИ на искривленных поверхностях, с учетом особенностей конфигурации КА;

3) использовать результаты определения термического сопротивления

ЭВТИ при анализе вклада теплопроводности газа в ЭВТИ и процесса его дренирования при выходе на рабочий режим;

4) использовать результаты определения термического сопротивления ЭВТИ при оценке вклада радиационной теплопередачи через ЭВТИ, слои которой подвергнуты перфорации, а также при оценке оптимальности степени дренирования;

5) выявлять дефекты отдельных участков ЭВТИ, совершенствовать конструктивное исполнение и технологию сборки ЭВТИ как при отработке СТР КА в ТВК, так и по результатам летных испытаний;

6) автоматизировать процесс определения термического сопротивления ЭВТИ, используя информацию, поступающую с соответствующих датчиков температуры и гальванометра;

7) использовать устройство в системе функционального контроля и диагностики системы терморегулирования космического аппарата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов / Пер. с англ. М.: Мир. 1974.

2. О.Б.Андрейчук, Н.И.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение. 1982.

3. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991.

4. Физический энциклопедический словарь. Главный редактор А.М.Прохоров. М.: Советская энциклопедия. 1983.

5. М.А.Михеев, И.М.Михеева. Основы теплопередачи. - М.: Энергия. 1973.

6. Основы теории космических электрореактивных двигательных ус тановок: Учеб. пособие для втузов / Под ред. О.Н.Фаворского. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высшая школа. 1978.

7. Теплопроводность твердых тел. Справочник под ред. А.С.Охотина. М.: Энергоатомиздат.1984.

8. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. 1986.

9. Политехнический словарь / Гл. ред. А.Ю.Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия. 2000.

Изобретение относится к области проектирования, наземной отработки в тепловакуумных камерах и эксплуатации элементов системы терморегулирования космического аппарата. Устройство содержит анизотропную в тепловом отношении пластину, установленную на наружном экране экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ). Предусмотрены датчики температуры, установленные на внутренних поверхностях наружных экранов ЭВТИ друг против друга и напротив центра тяжести указанной пластины. Пластина содержит несколько последовательно соединенных термоэлементов, образованных парами разнородных проводников, равномерно распределенных в непрерывной электроизолирующей матричной фазе. Коэффициент теплопроводности матричной фазы намного меньше коэффициентов теплопроводности указанных проводников. "Горячие" контакты данных проводников выведены к нагреваемой поверхности пластины, а "холодные" контакты проводников - к охлаждаемой поверхности пластины. На наружную поверхность пластины нанесен слой электроизоляции, который закрыт оболочкой из материала и с оптическими характеристиками, аналогичными материалу и оптическим характеристикам указанного наружного экрана ЭВТИ. Техническим результатом изобретения является возможность определения местного термического сопротивления ЭВТИ, в том числе на искривленных поверхностях космического аппарата - как при наземной отработке, так и на орбите. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство определения термического сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции системы терморегулирования космического аппарата, содержащее пластину с анизотропными в тепловом отношении свойствами, установленную своей наружной поверхностью на наружном экране экранно-вакуумной теплоизоляции, датчики температуры, установленные на внутренних поверхностях наружных экранов экранно-вакуумной теплоизоляции друг против друга и напротив центра тяжести указанной пластины, причем пластина имеет толщину δ₀ и содержит несколько последовательно соединенных термоэлементов, образованных парами разнородных проводников (а, b) с коэффициентами теплопроводности λ_а и λ_b, равномерно распределенных в непрерывной электроизолирующей матричной фазе с коэффициентом теплопроводности λ_ф, выбранным из условий: λ_ф<<λ_а, λ_ф<<λ_b, причем "горячие" контакты проводников выведены к нагреваемой поверхности пластины, а "холодные" контакты проводников - к охлаждаемой поверхности пластины, на наружную поверхность пластины нанесен слой электроизоляции, который закрыт оболочкой, выполненной из материала и с оптическими характеристиками, аналогичными материалу и оптическим характеристикам указанного наружного экрана экранно-вакуумной теплоизоляции, причем конструктивные параметры пластины удовлетворяют условию

(δ₀/λ₀ ^⊥+2δ_и/λ_и)<<R; λ₀ ^⊥>>λ₀ ^||,

где λ₀ ^⊥, λ₀ ^|| - эквивалентные теплопроводности пластины, соответственно в направлении нормали к ее поверхности и в продольном направлении,

δ_и и λ_и - соответственно толщина и коэффициент теплопроводности слоя электроизоляции,

R - термическое сопротивление экранно-вакуумной теплоизоляции, определяемое из соотношения

где v_a, v_b, v_ф - объемное содержание соответственно указанных проводников а и b и матричной фазы в долях единицы,

T₁, Т₂ - температуры наружных экранов экранно-вакуумной теплоизоляции,

α_ab - коэффициент термоЭДС (Е) между указанными проводниками а и b.