Исследование прогрева крупногабаритной оболочечной конструкции на околоземной орбите под действием солнечного излучения

В работах [1, 2] предлагается способ создания крупногабаритных космических конструкций (технологических и биологических модулей), основанный на использовании технологии полимеризации волокнистых композитов непосредственно в открытом Космосе под действием солнечного излучения. Согласно этой технологии модуль, изготовленный из препрега, складывается, загружается в контейнер, выводится на орбиту и разворачивается там под действием внутреннего давления. Ожидается, что под воздействием солнечного излучения в нем произойдет полимеризация и конструкция затвердеет.

При успешной реализации такой технологии снимутся серьезные ограничения на размер и формы конструкции, отпадет необходимость технологических операций сборки в открытом Космосе. Для выполнения задуманной программы необходимо представлять каким образом прогревается в Космосе под действием солнечных лучей крупногабаритная конструкция.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-08-00970-а.

Сможет ли солнечное излучение без вспомогательных энергетических источников или принудительного механического воздействия обеспечить необходимый для полимеризации препрега тепловой режим? Начальным исследованиям этого вопроса посвящена настоящая работа.

Рассматривается прогрев крупногабаритной оболочечной конструкции (рис.1), которая состоит из цилиндрической части и двух полусфер. Размеры конструкции: длина 100 метров, диаметр 20 метров, толщина стенки оболочки 0,01 м. Конструкция находится под воздействием солнечной радиации, двигаясь как спутник по круговой орбите, и собственного теплового излучения на внешней поверхности, рассчитываемого по закону Стефана – Больцмана. Коэффициент "серо- сти" поверхности оболочки принимается равным 0.6. Внутри оболочки поддерживается комфортная температура 20оС, что определяет конвективный теплообмен на ее внутренней поверхности. Температура среды вне конструкции варьируется от 100 К до 210 К. Эффективная теплопроводность, ввиду значительного разброса в справочной литературе [3, 4, 5], в расчетах принята в двух вариантах: κ=0,25Вт/(мК) и κ=0,66Вт/(мК).

Исследование прогрева оболочки проводится на двух типах орбит: вариант 1 – солнечно-синхронная (ССО) – плоскость орбиты перпендикулярна потоку солнечной радиации (рис. 2а, 2б); вариант 2 – нормаль к плоскости орбиты перпендикулярна потоку солнечной радиации (рис. 2в). Все остальные ориентации орбит к направлению энергетического потока будут занимать промежуточное к этим вариантам положение.

б

Рис. 2. Орбиты: вариант 1– а), б); вариант 2 – в)

T(K)

Z, м

-100,00        -80,00        -60,00        -40,00        -20,00         0,00          20,00

При движении по ССО (вариант орбиты 1) конструкция имеет постоянную ориентацию на Солнце, поэтому задача теплопроводности оказывается стационарной.

Во втором случае (вариант орбиты 2) ориентация конструкции на Солнце зависит от ее положения на орбите, задача теплопроводности оказывается нестационарной. Задача рассматривается в системе координат конструкции. Вычисления проводятся с помощью инженерного пакета ANSYS.

Результаты вычислений

Вариант 1. Движение по ССО орбите

На рис. 3 приводятся результаты вычислений температуры на внешней поверхности в сечении x=0 (вектор солнечной радиации лежит в плоскости yz оболочки) при различной ориентации конструкции к направлению энергетического потока. Из рисунка видно, что распределение температуры в конструкции существенно неоднородно, различие между максимальной и минимальной температурой превышает 100о. В табл. 1, 2 приведены наибольшая и наименьшая температуры на внешней поверхности при различной ориентации конструкции на орбите.

Z,m

а

в

б

г

Рис. 3. Температура на внешней поверхности оболочки в сечении x=0 при различной ориентации модуля на ССО: а) 0^о; б) 30^о; в) 60^о; г) 90^о. Высота орбиты 300 км

Таблица 1. Наибольшая и наименьшая температуры на внешней поверхности при различной ориентации конструкции на орбите, κ =0.25 Вт/(м К)

Угол падения, градусы	Температура оболочки, о С		Перепад температур, о С
	Минимальная	Максимальная
0	-17	106	123
30	-17	102	120
60	-18	100	117
90	-18	98	116

Таблица 2. Наибольшая и наименьшая температуры на внешней поверхности при различной ориентации конструкции на орбите, κ =0.66 Вт/(м К)

Угол падения, градусы	Температура оболочки, о С		Перепад температур, о С
	Минимальная	Максимальная
0	-77	141	218
30	-78	141	218
60	-78	141	219
90	-77	140	217

В зависимости от температуры внешней среды максимальная температура оболочки может незначительно изменяться, при этом перепад температур оказывается весьма значительным (табл. 3, 4).

Таблица 3. Максимальная и минимальная температура оболочки в зависимости от температуры среды, κ =0.25 Вт/(м К)

Угол падения, градусы	Температура оболочки, о С		Перепад температур, о С
	Минимальная	Максимальная
0	-17	106	123
30	-16	106	122
60	-13	108	121
90	-7	111	118

Таблица 4. Максимальная и минимальная температура оболочки в зависимости от температуры среды, κ =0.66 Вт/(м К)

Угол падения, градусы	Температура оболочки, о С		Перепад температур, о С
	Минимальная	Максимальная
0	-77	141	218
30	-73	143	216
60	-62	147	209
90	-43	153	196

на орбите) в семи точках линии стыка цилиндрической и сферической частей конструкции

Рис. 5. Изменение температуры во времени (витки на орбите) в пяти точках сферической части конструкции в сечении x=0

Для большинства препрегов полимеризация происходит при температуре свыше 80оС, поэтому при рассмотренном варианте движения конструкции по орбите ее полное отверждение возможно лишь при использовании дополнительных мер, обеспечивающих достаточное прогревание.

Вариант 2. Это случай, когда нормаль к плоскости орбиты перпендикулярна потоку солнечной радиации. Оболочка, проходя по орбите, поворачивается к потоку солнечной радиации различными сторонами, поэтому задача рассматривается как нестационарная. Начальная температура оболочки принимается 150 К, интегрирование производится до установления периодического изменения температурного поля.

Приняты эффективные теплопроводность κ =0.66 Вт/(м К), плотность ρ = 1450 кг/м³, удельная теплоемкость с=1150 Дж. При получении решения сделано упрощение – не учитывается попадание оболочки в тень Земли. Это упрощение приводит к завышению прогрева конструкции .

После прохождения пяти витков по орбите в конструкции устанавливается периодически изменяющееся поле температур. Как видно из рис. 4, 5, колебания температуры в отдельных точках поверхности за период (виток по орбите) достигают 33о (точки 1, 7). В целом по конструкции диапазон температур оказывается в пределах (-73 оС +52 оС). Такое температурное поле конструкции не обеспечивает возможности ее полного затвердевания, поэтому необходимы дополнительные энергетические меры, улучшающие ее прогрев.

Выводы

Показана сильная зависимость прогрева крупногабаритной конструкции от типа орбиты ее движения.

Солнечное излучение без вспомогательных энергетических источников или принудительного механического воздействия не может обеспечить необходимый для отверждения препрега тепловой режим.