Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 69-93

Экранированные радиационные теплообменники космических аппаратов для использования на дневной поверхности Меркурия, Луны и астероидов внутренней части Солнечной системы

Игрицкий В. А.

https://doi.org/10.7463/aersp.0616.0850177

Аннотация

В дневное время поверхность Луны, планеты Меркурий и астероидов во внутренней части Солнечной системы значительно нагревается и инфракрасное излучение местного грунта становится существенным. В это же время прямое и отраженное от поверхности солнечное излучение также достигает максимума. Эти радиационные потоки могут существенно снизить эффективность радиационных теплообменников космических аппаратов в дневное время. Особенно сильным этот эффект является на поверхности Меркурия, где прямое солнечное излучение в 10 раз интенсивнее, чем солнечное излучение у Земли. В результате, обычные низкотемпературные радиационные теплообменники на дневной поверхности Меркурия становятся полностью неработоспособными.

Статья посвящена разработке специальных экранированных радиационных теплообменников космических аппаратов, предназначенных для использования в условиях дневного времени на Меркурии и других безатмосферных телах внутренней части Солнечной системы. Для решения этой задачи используются зеркальные экраны (бленды). Форма этих экранов разрабатывается такой, чтобы за счёт рациональной схемы отражения излучения улучшить условия работы радиационного теплообменника космического аппарата. Задача рассмотрена в двумерном и пространственном случаях. Предложена новая конструкция экранированных радиационных теплообменников космических аппаратов и определены рациональные соотношения размеров таких радиационных теплообменников. С помощью зонального метода при учете частичного зеркального отражения получена оценка работоспособности предложенных радиационных теплообменников в условиях Меркурия и Луны. Вычисления показали, что разработанные экранированные радиационные теплообменники космических аппаратов способны работать на поверхности Меркурия в качестве низкотемпературных радиаторов даже в дневное время. Новые радиационные теплообменники обеспечивают минимальную допустимую рабочую температуру 241К (-32°С), в то время как минимальная рабочая температура радиаторов традиционной конструкции составляет 479К (206°С). Использование таких радиаторов на Луне даст возможность увеличить эффективность радиационных теплообменников и уменьшить их минимальную рабочую температуру с 270К (-3°С) до 137К (-136°С).

Список литературы

1. Основные положения ОСНОВ государственной политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу, утвержденные Президентом Российской Федерации от 19 апреля 2013 г. № Пр-906 // Режим доступа: http://www.roscosmos.ru/media/files/docs/3/osnovi_do_2030.doc (дата обращения 26.09.2016).

2. Смородин А.И., Меньщиков И.Е., Гаранов С.А. Система терморегулирования пилотируемого орбитального космического аппарата с парокомпрессионной холодильной машиной // Изв. высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. №11(656). С. 25–31. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-11-25-31

3. Касилов П.В. 77-30569/253502 Теплообменник радиационного типа энергоустановки космического базирования // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2011. № 10. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/253502.html (дата обращения 26.09.2016).

4. Абросимов А.И., Верлан А.А., Сысоев В.К. Козырек-бленда пассивной криогенной системы охлаждения детектора для геостационарного спутника // XXXIV академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, январь 2010 г.): труды. М., 2010. С. 500.

5. Абросимов А.И., Верлан А.А., Пичхадзе К.М., Сысоев В.К. Пассивная криогенная система охлаждения детектора для геостационарного спутника с поворотной блендой-козырьком // XXXV академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, январь 2011 г.): труды. М., 2011. С. 524-525.

6. Kaskiewicz P., Liu L.O., Wu A.T. Spacecraft shading device: US Patent WO2000005134 A2. 2002.

7. Ewing A.P., Back J.M., Schuettpelz B.M., Laue G.P. James Webb Space Telescope Sunshield Membrane Assembly // 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (Palm Springs, CA, USA, May 4-7, 2009): AIAA 2009-2156. Режим доступа: http://www.enu.kz/repository/2009/AIAA-2009-2156.pdf (дата обращения 26.09.2016).

8. Ercol C.J., Begley S.M., Holtzmann G.A. Return to Mercury: an overview of the Messenger spacecraft thermal control system design and update on orbital flight performance // 23rd Thermal and Fluids Analysis Workshop. TFAWS-2012 (Pasadena, CA, USA, August 13-17, 2012): proceedings. TFAWS2012-PT-03. Режим доступа: https://tfaws.nasa.gov/TFAWS12/Proceedings/TFAWS2012-PT-003.pdf (дата обращения 26.09.2016).

9. Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Гл. ред. Р.А. Сюняев. 2-е изд. М.: Советская Энциклопедия, 1986. 783 с.

10. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

11. JPL Small-Body Database Browser / Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology. Режим доступа: http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=163693 (дата обращения 09.10.2016).

12. Игрицкий В.А. Вопросы проектирования радиаторов с зеркальными экранами для использования в составе перспективных лунных баз в приэкваториальных районах Луны // XXXIV академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, январь 2010 г.): труды. М., 2010. М., 2010. C. 340-341.

13. Жаренов И.С., Игрицкий В.А., Ханеня Н.Н. Разработка системы обеспечения теплового режима планетохода для исследования Меркурия // XXXVI академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, январь 2012 г.): труды. М., 2012. С. 412-413.

Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 69-93

Shaded Spacecraft Radiators to Be Used on the Daytime Surface of the Mercury Planet, the Moon, and Asteroids of the Solar System Inner Part

Igrickii V. A.

https://doi.org/10.7463/aersp.0616.0850177

Abstract

During the daytime a surface of the Moon, Mercury planet, and asteroids of the Solar system inner part, significantly heats up, and infrared radiation of the local soil becomes essential. At the same time direct solar radiation and reflected from the surface solar radiation reach the maximum too. These radiation fluxes can significantly decrease the efficiency of spacecraft radiators in the daytime. This effect is especially strong on the Mercury surface where direct solar radiation is 10 times stronger than solar radiation near the Earth. As a result, on the daytime surface of the Mercury the conventional low-temperature radiators become completely disabled.

The article describes the development of the special shaded spacecraft radiators to be used in daytime on the Mercury and other atmosphereless bodies of the Solar system inner part. To solve this task are used mirror shades. The shape of these shades is developed to improve operation conditions of the spacecraft radiator through the appropriate scheme of radiation reflection. The task is discussed in 2D and 3D cases. A new design of shaded spacecraft radiators is proposed, and reasonable proportions of radiators are determined. The performance capability of proposed radiators for environments of the Mercury and the Moon is estimated using the zonal method in view of partial mirror reflection. The calculations showed that the developed shaded spacecraft radiators are capable to work on the Mercury surface as the low-temperature radiators even during the daytime. New radiators provide minimum accepted operating temperature of 241К (-32°С), meanwhile radiators of common design have minimum operating temperature of 479К (206°С). Using such radiators on the Moon enables us to increase effectiveness of spacecraft radiators and to decrease their minimum operating temperature from 270К (-3°С) to 137К (-136°С).

References

1. Osnovnye polozheniya OSNOV gosudarstvennoi politiki Rossiiskoi Federatsii v oblasti kosmicheskoi deyatel'nosti na period do 2030 goda i dal'neishuyu perspektivu, utverzhdennye Prezidentom Rossiiskoi Federatsii ot 19 aprelya 2013 g. № Pr-906 // Rezhim dostupa: http://www.roscosmos.ru/media/files/docs/3/osnovi_do_2030.doc (data obrashcheniya 26.09.2016).

2. Smorodin A.I., Men'shchikov I.E., Garanov S.A. Sistema termoregulirovaniya pilotiruemogo orbital'nogo kosmicheskogo apparata s parokompressionnoi kholodil'noi mashinoi // Izv. vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. 2014. №11(656). S. 25–31. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-11-25-31

3. Kasilov P.V. 77-30569/253502 Teploobmennik radiatsionnogo tipa energoustanovki kosmicheskogo bazirovaniya // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2011. № 10. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/253502.html (data obrashcheniya 26.09.2016).

4. Abrosimov A.I., Verlan A.A., Sysoev V.K. Kozyrek-blenda passivnoi kriogennoi sistemy okhlazhdeniya detektora dlya geostatsionarnogo sputnika // XXXIV akademicheskie chteniya po kosmonavtike «Aktual'nye problemy rossiiskoi kosmonavtiki» (Moskva, yanvar' 2010 g.): trudy. M., 2010. S. 500.

5. Abrosimov A.I., Verlan A.A., Pichkhadze K.M., Sysoev V.K. Passivnaya kriogennaya sistema okhlazhdeniya detektora dlya geostatsionarnogo sputnika s povorotnoi blendoi-kozyr'kom // XXXV akademicheskie chteniya po kosmonavtike «Aktual'nye problemy rossiiskoi kosmonavtiki» (Moskva, yanvar' 2011 g.): trudy. M., 2011. S. 524-525.

6. Kaskiewicz P., Liu L.O., Wu A.T. Spacecraft shading device: US Patent WO2000005134 A2. 2002.

7. Ewing A.P., Back J.M., Schuettpelz B.M., Laue G.P. James Webb Space Telescope Sunshield Membrane Assembly // 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (Palm Springs, CA, USA, May 4-7, 2009): AIAA 2009-2156. Rezhim dostupa: http://www.enu.kz/repository/2009/AIAA-2009-2156.pdf (data obrashcheniya 26.09.2016).

8. Ercol C.J., Begley S.M., Holtzmann G.A. Return to Mercury: an overview of the Messenger spacecraft thermal control system design and update on orbital flight performance // 23rd Thermal and Fluids Analysis Workshop. TFAWS-2012 (Pasadena, CA, USA, August 13-17, 2012): proceedings. TFAWS2012-PT-03. Rezhim dostupa: https://tfaws.nasa.gov/TFAWS12/Proceedings/TFAWS2012-PT-003.pdf (data obrashcheniya 26.09.2016).

9. Fizika kosmosa: Malen'kaya entsiklopediya / Gl. red. R.A. Syunyaev. 2-e izd. M.: Sovetskaya Entsiklopediya, 1986. 783 s.

10. Fizicheskie velichiny: Spravochnik / Pod red. I.S. Grigor'eva, E.Z. Meilikhova. M.: Energoatomizdat, 1991. 1232 s.

11. JPL Small-Body Database Browser / Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology. Rezhim dostupa: http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=163693 (data obrashcheniya 09.10.2016).

12. Igritskii V.A. Voprosy proektirovaniya radiatorov s zerkal'nymi ekranami dlya ispol'zovaniya v sostave perspektivnykh lunnykh baz v priekvatorial'nykh raionakh Luny // XXXIV akademicheskie chteniya po kosmonavtike «Aktual'nye problemy rossiiskoi kosmonavtiki» (Moskva, yanvar' 2010 g.): trudy. M., 2010. M., 2010. C. 340-341.

13. Zharenov I.S., Igritskii V.A., Khanenya N.N. Razrabotka sistemy obespecheniya teplovogo rezhima planetokhoda dlya issledovaniya Merkuriya // XXXVI akademicheskie chteniya po kosmonavtike «Aktual'nye problemy rossiiskoi kosmonavtiki» (Moskva, yanvar' 2012 g.): trudy. M., 2012. S. 412-413.