Холодний або гарячий космос!
Якщо тіло не має внутрішніх джерел тепла, то його температура буде визначатися умовами тієї навколишнього середовища, в якій воно знаходиться. Тому спробуємо насамперед зрозуміти, які ці умови в космосі. З фізики відомо, що температура характеризується швидкістю теплового руху частинок тіла, середовища (або системи): чим більше ця швидкість, тим вище температура. На Землі при кімнатній температурі молекули повітря рухаються зі швидкістю близько 500 м / с, відчуваючи при цьому до 5 млрд. Зіткнень в 1 с між собою. У міру зменшення щільності повітря його молекули стикаються між собою все рідше (як кажуть фахівці, довжина їх вільного пробігу зростає), їх швидкість, а, отже, і температура стають все вище. В атмосфері Землі відбуваються більш складні процеси, і температура її шарів, як це випливає з таблиці, що не прямо пропорційна щільності повітря (або концентрації його частинок).Зміна параметрів атмосфери з висотою
Висота, км Тиск, кгс / см2 Температура, ° С Концентрація частинок, см3 Склад повітря 0 1 +15 2,5 • 1018 N2, О2, Ar 11 0,2 -56 4,5 • 1018 N2, О2 (О3), Ar 20 5 повідомлень • 10-2 -56 2 • 1018 Те ж 30 10-3 -42 4 • 1017 "46 10-4 0 3 • 1016" 64 10-5 -33 1015 N2, O2, Ar 79 10-6 - 85 1014 Те ж 102 10-8 -60 1012 N2, О2, O 200 10-10 + 630 1010 N2, N, О, О + 800 10-13 +3040 106 О, O +, Н 6500 10-16 103-104 103 Н, Н + Вище 22000 10-17 103-105 101-102 Н +, Чи не ++ до висоти 11 км температура зменшується і залишається далі постійної до висот 11-25 км. Це пов'язано з тим, що на цих висотах ще сильний вплив на стан частинок надає конвекційне і променисте рівновагу рухомих повітряних мас. Поглинання атмосферним озоном енергії сонячного випромінювання в ультрафіолетовій частині спектру призводить до підвищення температури аж до висоти близько 50 км. При великих висотах (до 80 км) у зв'язку зі зменшенням концентрації озону відбувається деяке зниження температури частинок повітря, а при ще більших висотах спостерігається зростання температури через дисоціації і іонізації кисню під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця. На висоті 200 км, де щільність повітря порівняно мала, а швидкості руху частинок великі, їх температура становить вже понад 600 ° С, на висоті 800 км - більше 3000 ° С. Отже, зі сказаного можна, здавалося б, зробити висновок про те, що космос "гарячий", і конструктор, отже, повинен вжити заходів до того, щоб оберегти космічний апарат від руйнівної дії високих температур. Однак якщо взяти пластинку і розмістити її в космічному просторі так, щоб на неї не надходили ніякі теплові потоки (наприклад, помістити її далеко від світил, планет і т.д.), то її температура з плином часу виявиться близькою до абсолютного нуля і складе всього 4 К. Цей експеримент наочно показує, що космос "холодний". Що ж виходить? Температура частинок повітря в космосі досить висока, а температура тіла, розміщеного в цій "гарячій" середовищі, виявляється низькою. Маємо парадокс, але парадокс здається - це явище пояснюється досить просто. Через малу щільність "космічного повітря" його молекули дуже рідко соударяются з поміщеним в його середовищі тілом і в результаті, не дивлячись на свою високу температуру, не можуть передати йому таку кількість енергії, яка необхідна для помітного підвищення його температури. Фахівці з цього приводу кажуть, що в космосі мала передача тепла за рахунок природної конвекції. Низька температура тіла в космічному просторі жодним чином не говорить ще про те, що перед конструктором варто єдина теплова задача - захистити космічний апарат від переохолодження. Як це ні може здатися дивним на перший погляд, але фахівцям доводиться одночасно вирішувати і другу проблему - захист матеріальної частини від перегріву. Причина цього, однак, не пов'язана з високою кінетичної температурою молекул повітря. Вона обумовлена тим, що в космічному просторі є джерела тепла, що підігрівають розміщені в ньому тіла. Найпотужніший із них - наше світило. За 1 год воно посилає приблизно 1200 ккал на майданчик розміром 1 м2, розташовану перпендикулярно до його променів. Щільність сонячного теплового потоку залежить від відстані до Сонця. Для Меркурія, наприклад, вона становить 8000 ккал / м2ч, для Марса - 525 ккал / м2ч, для Юпітера-45 ккал / м2ч, для Плутона-0,6 ккал / м2ч. Сонячний тепловий потік, досягаючи Землі, частково відбивається від її поверхні і атмосфери: вода відображає 5% цього потоку, сніг - 77, пісок - 24, будови - 9%. Величина відбитого потоку сильно залежить від пори року. У липні, коли для атмосфери характерна порівняно невелика хмарність, відбивається 32% сонячного потоку, в жовтні, коли хмари затримують більшу кількість тепла, ця величина зростає до 52%. Фахівці вважають, що в середньому від поверхні Землі і хмар відбивається близько 40% сонячного теплового потоку. Інша частина цього потоку (приблизно 60%) поглинається Землею і потім випромінюється її поверхнею в навколишній простір. Щільність потоку власного випромінювання Землі порівняно невелика - в сумі з відбитим потоком вона становить в середньому (по поверхні Землі) 35% від сонячного теплового потоку. Зі збільшенням відстані від поверхні Землі ці два потоки швидко розсіюються, хоча і на порівняно великих висотах можуть надавати помітний вплив на тепловий режим літальних апаратів. При космічних польотах на порівняно невеликій висоті може бути помітним аеродинамічний нагрів частин конструкції апаратів. На рис. 1 приведена щільність теплового потоку, що надходить на платівку, що рухається на різних відстанях від поверхні Землі з першою космічною швидкістю. Неважко бачити, що вже на висоті 200 км щільність потоку аеродинамічного нагріву стає на порядок менше щільності сонячного потоку і далі швидко зменшується з ростом висоти. На корпусі космічних апаратів зазвичай розташовуються різні пристрої, прилади, механізми тощо., Що працюють в умовах відкритого космосу. Їх тепловий режим може визначатися також і деякими додатковими джерелами тепла. Так, наприклад, на них може надходити сонячний тепловий потік, відбитий від сонячних батарей, від корпусу та інших частин конструкції, на них надходять потоки, які випромінює високонагретимі елементами, і т.д. Ось, коротко, ті зовнішні джерела тепла, дія яких призводить в загальному випадку до розігріву конструкції космічного апарату і зовнішніх елементів.
Мал. 1. Залежність щільності аеродинамічного теплового потоку, що надходить на платівку, в залежності від висоти над поверхнею Землі.
Тепловий режим космічних апаратів в істотному ступені визначається і їх внутрішніми джерелами тепла. На борту цих апаратів розміщуються різні прилади, енергетичні установки, засоби контролю та інформації тощо., Які виділяють при своїй роботі теплову енергію, яка дуже різниться для кожного конкретного випадку і залежить від класу і призначення апарату. На американському космічному кораблі "Джеміні", наприклад, тепловиділення тільки бортової апаратури становило близько 500-600 ккал / год. Але ж для пілотованого корабля конструкторам необхідно ще подбати і про відвід тепла, що виділяється організмом космонавтів. Величина цього тепла коливається в досить широкому діапазоні, складаючи приблизно 230 ккал / ч в період неспання і 70 ккал / год під час сну космонавта. З розвитком космонавтики космічні апарати стали мати все більшу кількість приладів на борту, збільшується і число членів екіпажу. Все це призвело до збільшення кількості тепла, що виділяється в гермовідсіків, а значить, і до ускладнення і без того складної проблеми терморегулювання. Простежимо тепер, що відбувається з зовнішнім тепловим потоком, що надходять на платівку, орієнтовану перпендикулярно напрямку сонячних променів. При цьому для простоти міркувань припустимо, що ця платівка розташована на значній відстані від Землі і все потоки, окрім сонячного випромінювання, нехтує малі. Сонячний потік при цьому буде частково поглинатися платівкою, а частково відіб'ється від неї в космос. Величина потоку, поглинена платівкою, визначається середнім по всьому спектру коефіцієнтом поглинання As. Платівка жодним чином не є акумулятором тепла: вона його не утилізує, не використовує - це тепло буде за допомогою випромінювання "скинуто" в космос. Здатність пластинки випромінювати тепло визначається так званої ступенем чорноти її поверхні ε: при одному і тому ж зовнішньому потоці пластинка з більш високим значенням ε "скидає" надійшло на неї тепло при більш низькій температурі. Величини As і ε залежать від особливостей матеріалу і стану його поверхні і мають максимальні теоретичні значення, рівні 1. Отже, тепло, яке надійшло на платівку, в зв'язку з відсутністю в космосі природної конвекції повітря (або, як кажуть фахівці, через пренебрежимо малого коефіцієнта конвективної тепловіддачі) передається нею в навколишнє середовище шляхом випромінювання. Якщо одна сторона пластинки теплоізольована, то температура цієї платівки буде повністю визначатися ставленням As / ε, характерним для поверхні іншої її боку. При хімічної полірування поверхні металевої пластинки коефіцієнти As і ε виявляються рівними відповідно 0,2 і 0,1, і в цьому випадку температура пластинки, що опромінюється сонячним тепловим потоком, дорівнює приблизно 200 ° С. Така температура цілком реальна для зовнішньої сторони космічного апарату, зверненої до Сонця. Це означає, що космічний простір одночасно є і "холодним" (4 К без нагріву), і "гарячим" (473 К при висвітленні Сонцем). Отже, конструктор космічних кораблів змушений вирішувати дві прямо протилежні завдання: охороняти космічний апарат і від переохолодження, і від перегріву. Вирішити перше завдання можна, взагалі кажучи, досить просто - утеплити корпус апарату свого роду космічної "шубою" і, крім того, підігрівати окремі частини його конструкції (хоча останнє призводить до зайвих витрат наявних енергоресурсів). Друге завдання більш підступна - охолодження вимагає більш серйозних зусиль. Поліпшити умови відводу тепла в космос можна двома способами. По-перше, шляхом зменшення відносини As / ε, що на практиці досягається за допомогою відповідної обробки випромінює, або, як її ще прийнято називати, радіаційної поверхні. Широке поширення набуло, наприклад, нанесення на цю поверхню спеціальних лакофарбових покриттів, що забезпечують робоче значення As / ε = 0,5 (в цьому випадку температура знизиться і складе приблизно 60 ° С). По-друге, можна відмовитися від повної теплоізоляції однієї зі сторін розглянутої раніше пластинки (тобто зменшити відношення площ, що сприймає і випромінює тепловий потік). Тоді тепло буде надходити на неї з одного боку, а випромінюватися - з двох. В результаті температура пластинки становитиме для поверхонь, підданих хімічної полірування, -120 ° С, а для поверхонь з лакофарбовим покриттям, що володіють зазначеними характеристиками, -10 ° С. У останньому випадку відоме перевагу в порівнянні з прямокутної платівкою має циліндр. Сонячний потік може надходити на так званий сонячний мидель циліндра, тобто на площу його перерізу, перпендикулярного сонячним променям. У той же час випромінювання тепла (без урахування підстав циліндра) відбуватиметься з бічної поверхні циліндра. Як показують розрахунки, середня по поверхні температура циліндра при лакофарбових покриттях з Аs / ε = 0.5 дорівнює приблизно -20 ° С. Таким чином, за допомогою порівняно простих заходів можна домогтися того, щоб середня температура оболонки космічного апарату, що нагрівається сонячними променями, була досить низькою. Однак космічний апарат, як уже зазначалося, нагрівається не тільки Сонцем, а й теплом, виділеним його бортовою апаратурою і членами екіпажу. Відвести це надлишкове тепло можна шляхом збільшення площі радіаційної поверхні. За рахунок відповідного вибору величини цієї площі можна при заданій температурі відводити від космічного апарату досить великі теплові потоки. Вирішуючи проблему терморегулювання космічного апарату, конструктор перебуває ніби в порочному колі. Дійсно, за час польоту апарату площину його орбіти постійно змінює своє положення щодо направлення на Сонце. Політ може проходити протягом тривалого часу тільки по освітленій Сонцем орбіті або по орбіті, має ділянку тіні. При цьому на сонячній орбіті на апарат будуть не тільки надходити значні зовнішні теплові потоки, але і його прилади, інтенсивно працюючи, можуть виділяти максимальну кількість тепла. У тіні ж Землі, навпаки, зовнішні потоки, а також тепловиділення знаходяться в черговому режимі приладів можуть бути мінімальними. Рятуючи від переохолодження космічний апарат на тіньовій стороні, конструктор може "укутати його шубою", але тоді на сонячній стороні можна буде позбутися від зайвого тепла і апарат перегріється: закипить електроліт в акумуляторах, вийдуть з ладу різного роду елементи бортової апаратури і т.д. Який же вихід з цього протиріччя? Він простий, хоча і здається на перший погляд парадоксальним. Його ми і розглянемо в наступному розділі.Далі ...
Що ж виходить?
Який же вихід з цього протиріччя?