Упрощенная тепловая математическая модель многослойной экранно-вакуумной тепловой изоляции Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

Жесткость образцов труб, изготовленных по технологии с промежуточной предварительной полимеризацией, выше, чем у аналогичных образцов труб, изготовленных без промежуточной полимеризации. Все образцы благодаря своей удельной плотности имеют массу меньшую, чем аналогичные образцы из металлических сплавов [4]. Наиболее оптимальным является изготовление силовых стоек методом намотки материала М551 с предварительной промежуточной полимеризацией через каждые 4 слоя.

По данным исследования можно сделать вывод, что, применяя углепластиковый материал для изготовления силовой конструкции КА, получаем оптимальное соотношение массово-жесткостных характеристик.

Библиографические ссылки

1. Васильев В. В., Протасов В.Д., Болотин В. В. / под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. М. : Машиностроение, 1990. 512 с.

2. Справочник по композиционным материалам / под. ред. Дж. Любина ; пер. с англ. А. Б. Геллера. М. : Машиностроение, 1988. 584 с.

3. Мурашов В. В., Румянцев А. Ф. Диагностика состава и свойств полимерных композитов в деталях и конструкциях // Виам. 2008-205043.

4. Углеродные волокна и углекомпозиты / под ред. Э. Фитцера ; пер. с англ. М. : Машиностроение, 1988. 336 с.

References

1. Vasilev V. V., Protasov V. D., Bolotin V. V. Under the general ed. V. V. Vasilev, U. M. Tarnopolsky. Moscow : Engineering, 1990, 512 p.

2. Handbook of composites / Under the editorship G. Lubin ; Translation from english A. B. Geller. Moscow : Engineering, 1988, 584 p.

3. Murashov V. V., Rumyantsev A. F. Diagnosis of the composition and properties of polymer composites in the details and constructions // Viam. 2008-205043.

4. Carbon fibres and their composites / Under the ed. E. Fitzer ; translation from English. Moscow, Engineering, 1988, 336 p.

© Широкова Н. Н., Старицын А. В., Назаренко Ю. С., 2014

УДК 629.76/78.023.222:536.2

УПРОЩЕННАЯ ТЕПЛОВАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОСЛОЙНОЙ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Е. В. Юртаев, А. В. Убиенных, А. П. Колесников

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: [email protected]

Рассмотрен подход к созданию упрощенной тепловой математической модели многослойной экранно-вакуумной тепловой изоляции (ЭВТИ) для её применения в составе общей тепловой математической модели космического аппарата. Подход основан на приведении многоузловой модели ЭВТИ, в которой каждому экрану соответствует расчетный узел, к эквивалентной модели, состоящей из двух расчетных узлов. Тепловые связи математической модели ЭВТИ получены расчетно-экспериментальным способом.

Ключевые слова: экранно-вакуумная тепловая изоляция, упрощенная тепловая математическая модель.

THE REDUCED THERMAL MATHEMATICAL MODEL OF MULTI-LAYER INSULATION E. V. Yurtaev, A. V. Ubiennykh, A. P. Kolesnikov

JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]

The approach to the creation of a reduced thermal mathematical model of multi-layer insulation (MLI) is presented for its use in the general thermal mathematical model of the spacecraft. The approach is based on the reduction of MLI multinode model in which each screen corresponds to individual calculating node of an equivalent model consisting of two nodes. The thermal couplings for the reduced thermal model of MLI have been obtained by experiment-calculated method.

Keywords: multilayer insulation, reduced thermal mathematical model.

Решетневскуе чтения. 2014

Экранно-вакуумная тепловая изоляция, являясь наиболее эффективным средством для ограничения теплового потока в вакууме (10-5 мм рт. ст. и ниже), нашла широкое применение в составе средств терморегулирования космических аппаратов. Так как ЭВТИ закрывается значительная часть внешней поверхности корпуса КА, то на уровне теплового анализа КА требуется точная оценка теплового потока, прошедшего через ЭВТИ.

Процесс передачи тепла через ЭВТИ представляет собой сочетание процессов передачи тепла излучением, теплопроводностью по элементам конструкции ЭВТИ и теплопроводностью газа, находящегося между экранами. Конструкция ЭВТИ предусматривает сведение к минимуму этих форм теплообмена. Передача тепла излучением минимизирована за счет большого количества экранов с низким коэффициентом излучения, разделенных между собой (металлизированные пленки). Передача тепла теплопроводностью минимизирована за счет применения разделительных прокладок между экранами с низкой плотностью и теплопроводностью. Также конструкция ЭВТИ предусматривает необходимое количество вентиляционных отверстий, позволяющих воздуху покидать пространство между экранами после выведения КА на орбиту.

Расчетная схема многоузловой модели ЭВТИ приведена ниже (см. рисунок).

Уравнение теплового баланса для внешнего экрана:

cm ) dT

1 2

q(t)

N

s

i T,

y-

— \-T = ^неш (t) -S1CT0T1 +

F )1 d t

+Ы2сто(?24 - Т14) + £и(Т2 - Т1). Уравнение теплового баланса для внутреннего экрана (обращенного к изолируемой конструкции):

dTN

F ) N d t

a0(TN-1 - TN ) +

"*прN-1,Nu 0V-1 N-1

/ У У

Т! Т, Гм

Многоузловая модель ЭВТИ

Полагая массу ЭВТИ сосредоточенной в экранах и принимая температуру экрана одинаковой, как вдоль пленки, так и по толщине слоя пленки, запишем дифференциальное уравнение изменения температуры ,-го экрана с учетом передачи тепла излучением и теплопроводностью:

(ст ^ ёТ, 4 ^

+кг-\,г (Тг-1 - Т ) + 6прг,г +1СТ0 (Т+1 - Т4) + +кг,г+1(Т+1 - Тг ),

где г - номера экранов; N - число экранов ЭВТИ; епр -приведенная степень черноты между двумя экранами; к - коэффициент кондуктивной теплопередачи между экранами.

+kN-1,N (TN-1 TN ) + кэ (Tk TN )-

Здесь T, _ температура k-го узла конструкции КА, закрытого ЭВТИ; ,э - коэффициент теплопередачи от N-го внутреннего слоя к конструкции.

В предлагаемой математической модели ЭВТИ система из N уравнений теплового баланса, приведенных выше, сводится к системе из двух уравнений: ' cm ) dT1 4

F\ dT = ^внеш (т) -e1CT0T1 +

+&ef (N, Бпрг-1,г, Бпрг,г +1 )СТ0 (T2 - T14) +

+,ef (T! - T1).

cm) ~dr = Sef (N, 8прг-1,гепрг,г+1 ) x

XCT0 (T14 - T24) + kef (T1 - T2), где eef - эффективный коэффициент излучения, определяемый количеством экранов ЭВТИ, оптическими коэффициентами сторон экранов; kef - эффективный коэффициент кондуктивной теплопередачи ЭВТИ, зависящий от теплофизических и механических свойств пленки и прокладки, от усилия обжатия пакета теплоизоляции, от количества швов, элементов крепления и точек металлизации на единицу площади [2]. Таким образом, kef зависит от конструкции ЭВТИ, способа ее установки и определяется экспериментальным путем.

Геометрически предлагаемая модель ЭВТИ представлена одной поверхностью, каждой стороне которой соответствуют расчетный узел 1 и узел 2.

Результаты теплового расчета с применением многоузловой и двухузловой модели ЭВТИ показывают сходимость результатов между моделями, достаточную для проведения тепловых анализов на уровне полной тепловой математической модели КА при значительно меньшем количестве расчетных узлов.

Библиографические ссылки

1. Малоземов В. В. Тепловой режим космических аппаратов. М. : Машиностроение, 1980. 232 с.

2. Charles D. Brown Elements of spacecraft design. American Institute of Aeronautics & Astronautics, 2002.

References

1. Malozemov V. V. Teplovoy rezhim kosmicheskikh apparatov. M. : Mashinostroenie, 1980. 232 s.

2. Charles D. Brown Elements of spacecraft design. American Institute of Aeronautics & Astronautics, 2002.

© Юртаев Е. В., Убиенных А. В., Колесников А. П., 2014

б

б