Термостатирование

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Термостатирование

Сообщение gionov » 25 окт 2015, 13:44

Уже дважды возникал вопрос поддержания нужной температуры - для работы тепловыделяющей электронники и для поддержания постоянной температуры оптики.
Поэтому предлагаю здесь обсудить термостатирующую систему аппарата.
1. Окраска разных сторон аппарата.
2. Наличие внешнего радиатора.
3. Тепловые трубки.
4. Тепловые режимы работы различных систем и из энерговыделение.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 25 окт 2015, 13:54

Теплопроводность воздуха 0.024 Вт/(м*К), то есть при градиенте температур 20 градусов на 10 см (характерные величины для аппарата) теплоотдача составит 5 ватт на квадратный метр.
В то же время при температуре 300 К и разности температур 20 К лучистая теплоотдача чёрной поверхности составит 135 ватт на квадратный метр. Таким образом, если не использовать вынужденную конвекцию, то теплоотдача излучением будет основной и закачка воздуха никак не решает проблему.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 25 окт 2015, 14:18

Посмотрим, что будет при обдуве со скоростью 1 м/с.
Число Нуссельта возмём равным Nu = 0.2*Re^0.6*Pr^0.33
Число Рейнольдса Re=rho*v*D/eta, Прандтля Pr = eta*Cp/kappa
Пусть D=10 см, вязкость воздуха eta = 17.2 мкПа*с, теплоёмкость Cp =1 кДж/(кг*К), теплопроводность kappa = 0.024 Вт/(м*К), плотность 1.2 кг/м^3.
Отсюда Re = 7000, Pr = 0.7, Nu = 36. И коэффициент теплоотдачи получается равным alpha = Nu*kappa/D = 9 Вт/(м^2*K)
При градиенте 20 К получаем тепловой поток 180 ватт на квадратный метр, то есть сопоставимый с лучистой теплоотдачей.
Большие скорости обдува потребуют более мощных вентиляторов, вызовут дополнительную вибрацию, понизят надёжность системы из-за необходимости иметь движущиеся механизмы(вентиляторы). К тому же, турбулентные потоки исказят изображение.
По-моему, заполнение воздухом оптической системы - плохая идея не имеющая веской причины.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Термостатирование

Сообщение Ejj » 25 окт 2015, 14:22

В средних величинах все так. Но в локальных участках - посмотри на кулер на процессоре компьютера и попробуй, как будет работать компьютер без него и его радиатора.

Еще одна проблема - на низкой орбите ИСЛ почти половину витка, 20 минут, аппарат будет находится в тени. Там возможно переохлаждение.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 25 окт 2015, 14:37

Ejj писал(а):В средних величинах все так. Но в локальных участках - посмотри на кулер на процессоре компьютера и попробуй, как будет работать компьютер без него и его радиатора.

На оптику кулер не поставишь. Поэтому речь может идти только об обдуве. Я показал, что не имеет смысла держать оптику в атмосфере.
Вентилятор на процессоре сбрасывает тепло в бесконечный объём атмосферы (ну или конечный объём комнаты, в которой он находится). На аппарате получится лишь гонять небольшой замкнутый объём воздуха и он быстро нагреется. То есть возвращаемся к проблеме термостатирования и для её решения воздух как теплоноситель не очень подходящая штука. Сильно тепловыделяющие схемы можно приклеить к тепловым трубкам (тут то самое интересное - как они будут работать в невесомости) и сбрасывать тепло на внешний радиатор или на теневую сторону обшивки аппарата.

Ejj писал(а):Еще одна проблема - на низкой орбите ИСЛ почти половину витка, 20 минут, аппарат будет находится в тени. Там возможно переохлаждение.

Несколько слоёв фольги в вакууме чрезвычайно плохо проводят тепло и здесь как раз проблемы нет. Основная утечка тепла (или приток на дневной стороне Луны) будет идти только через входное отверстие телескопа.
Последний раз редактировалось gionov 25 окт 2015, 15:15, всего редактировалось 1 раз.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Термостатирование

Сообщение Ejj » 25 окт 2015, 14:57

gionov писал(а):... Сильно тепловыделяющие схемы можно приклеить к тепловым трубкам (тут то самое интересное - как они будут работать в невесомости) и сбрасывать тепло на внешний радиатор или на теневую сторону обшивки аппарата.

...Несколько слоёв фольги в вакууме чрезвычайно плохо проводят тепло и здесь как раз проблемы нет. Основная утечка тепла будет идти только через входное отверстие телескопа.

Если "приклеить" тепловыделяющие схемы к тепловым трубкам, а потом АМС входит в тень Луны - то к моменту выхода она может переохладится.

Аватар пользователя
voyager-1
Сообщений: 41
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 18:34

Сообщение voyager-1 » 25 окт 2015, 15:03

Для терморегулирования можно ещё рассмотреть такую экзотику, как материалы с меняющимися показателем преломления, если материал правильно подобрать, можно даже на саморегулирование рассчитывать.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 25 окт 2015, 15:12

Ejj писал(а):Если "приклеить" тепловыделяющие схемы к тепловым трубкам, а потом АМС входит в тень Луны - то к моменту выхода она может переохладится.

ТермоСТАТ подразумевает наличие некоторого регулирования теплового потока чтобы поддерживать температуру постоянной. Зашёл в тень - не дал тепловому потоку вырасти из-за понижения температуры радиатора. Например, можно устроить механический тепловой вентиль просто прерыванием механического контакта между двумя теплопроводящими пластинами. Прижал пластины - тепло пошло, развёл на 0.01 мм - тепло перестало идти. Только надо иметь в виду, что обе пластины не могут быть из одного металла, чтобы в вакууме не приварились друг к другу. Можно покрыть из теплопроводящим клеем, например, http://www.chipdip.ru/product/radial-2g/
Им же можно приклеивать схемы. Он является изолятором, но хорошо проводит тепло.

Аватар пользователя
Megakoteyka
Сообщений: 15
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 11:56

Re: Термостатирование

Сообщение Megakoteyka » 25 окт 2015, 23:31

gionov писал(а):Можно покрыть из теплопроводящим клеем, например, http://www.chipdip.ru/product/radial-2g/
Им же можно приклеивать схемы. Он является изолятором, но хорошо проводит тепло.

С клеем осторожней надо, аппарат по идее должен пройти виброиспытания.

Аватар пользователя
Ejj
Сообщений: 290
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 21:01

Re: Термостатирование

Сообщение Ejj » 26 окт 2015, 05:35

Megakoteyka писал(а):С клеем осторожней надо...

Особенно если платформа будет негерметичной.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 26 окт 2015, 06:45

Megakoteyka писал(а):С клеем осторожней надо, аппарат по идее должен пройти виброиспытания.

Клей не несёт нагрузки, он заполняет промежуток для передачи тепла. А крепится деталь так, как будто нет клея, например заклёпками или чем она там обычно крепится на космических аппаратах...

Андрей
Сообщений: 6
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 11:26

Re: Термостатирование

Сообщение Андрей » 26 окт 2015, 21:00

На КА все крепится в основном резьбовыми соединениями. Еще применяется пайка и сварка. Клей используется в крайнем случае. Клей бывает специальный, для КА. Для улучшения теплопроводности лучше подойдет термопаста, например КПТ-8, но есть варианты и получше.
Лучше всего использовать опробованные в космической технике элементы. Например нагреватели и датчики температуры есть достаточно маленькие и легкие (вопрос в цене).
Проектировать КА лучше вакуумного исполнения, нет угрозы разгерметизации. Тепло от нагревателя передавать тепловыми трубками, излучением и теплопроводностью материала.
С учетом того, что поверхность покрыта солнечными батареями, как вариант, экранно-вакуумную изоляцию надо использовать с внутренней стороны корпуса, и точный тепловой расчет всей системы обязателен.

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 26 окт 2015, 21:04

Полностью по всем пунктам поддерживаю.

paul_155
Сообщений: 9
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 23:05

Re: Термостатирование

Сообщение paul_155 » 27 окт 2015, 00:45

gionov писал(а):2. Наличие внешнего радиатора.

"чтобы продать что-нибудь ненужное, нужно купить что-нибудь ненужное, а у нас денег нет"

при массе до 100кг можно рассчитывать на мощность СЭП 10-20 Вт. думаю это не так уж сложно сбросить через конструкцию КА.
оптику скорее всего придётся греть. гироскопы охлаждать. процессор нужно подобрать чтобы сам справлялся.

Аватар пользователя
Nick
Сообщений: 45
Зарегистрирован: 25 окт 2015, 02:50

Re: Термостатирование

Сообщение Nick » 27 окт 2015, 05:34

Система терморегулирования в условиях открытого космоса-очень важная деталь любого космического аппарата и естссно держится в глубоком секрете-чтоб "всякие там" не запускали спутники)но если подумать-то можно и с этим разобраться, если называть вещи своими именами, что подразумевает понимание их свойств и процессов происходящих с ними в определённых условиях. Я конечно не академик и экспериментов в космосе не проводил, но по некоторым косвенным данным на просторах инета и своим наблюдениям делаю вывод, что всё обсуждение выше идет в неверном направлении и всё гораздо сложнее и, в то же самое время, проще.
Начну с того, что общеизвестно.
1. холода не существует-холод это отсутствие тепла(волны)
2. в открытом космосе основной задачей стоит отразить тепло(волны) исходящие от солнца-иначе перегрев неизбежен(смотрим на фото любого космического аппарата) и для этого действительно достаточно "зонтика из фольги на микроскопической дистанции от защищаемого предмета ведь вакуум не теплопроводен))))
3. при понижении давления температура закипания воды, например, понижается http://www.fptl.ru/spravo4nik/water_bp-pressure.html И ЧТО СЛУЧИТСЯ с термопастой или ещё какими компонентами спутника в условиях космического вакуума в негерметичном корпусе?????????? нужно проверять.....)))) или может не нужно?))....
4. и ещё раз о вакууме...космический вакуум не теплопроводен (с точки зрения академической науки) так куда отводить тепло от греющегося оборудования?

исходя из п.п.2-3 и следующего текста конструкция должна быть только герметичной с четко контролируемыми параметрами давления (соответственно свойств применяемых материалов и компонентов) и температуры внутри корпуса при полной изоляции от нагревания корпуса солнцем. забор "тепла" и его "утилизацию" можно производить , используя уникальные свойства обыкновенной воды при переходе из одного агрегатного состояния в другое с учетом возможности регулировки этих свойств давлением))) и кстати именно вода использовалась для терморегулировки работающего оборудования станций "Луна" http://astronaut.ru/bookcase/books/popov02/text/13.htm да и оборудование для работы с водой можно купить в "любом магазине")))
Так же нужно не забывать о термо контроле оптики !!! и самое главное о бленде со светопоглощающим покрытием внутри которая например у хаббла процентов 70 от всей длины конструкции и ещё у него есть "крышка апертуры", автоматически закрывающаяся, чтоб не спалить все оборудование солнцем.
Для заурядного ума любая дверь,увы-стена.
Для умудрённого, поверь, стена любая -это дверь!

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 27 окт 2015, 06:52

Не согласен по многим заявлениям, но нет времени разбирать. Линзы греются, основное охлаждение - процессору, вода - крайне неудачный теплоноситель, герметичность даёт больше проблем, чем решает. Баланс на орбите Земли даёт около -5 Цельсия, отражение тепла от Солнца не является проблемой.

paul_155
Сообщений: 9
Зарегистрирован: 22 окт 2015, 23:05

Re: Термостатирование

Сообщение paul_155 » 28 окт 2015, 00:11

Nick писал(а):4. и ещё раз о вакууме...космический вакуум не теплопроводен (с точки зрения академической науки) так куда отводить тепло от греющегося оборудования? .

интересно, а как же тогда Солнце нас греет? эврика! через космос неплохо пролетает излучение. так вот. любое тело излучает.
мощность излучения пропорциональна степени черноты и температуры в четвертой степени. например, если температуру поднять в 2 раза, площадь холодильника-излучателя можно уменьшить в 16 раз! правда температура в Кельвинах и в два раза это например с 300 до 600 градусов К (30-330 С).
также тело поглощает излучение других тел (Солнца, планет), из какой-то части производится электричество.
думаю нам доступно ватт 20. предположим КПД наших приборов 50%, соответственно 10 Вт надо сбросить. это немного.
от остальной части неплохо спасает ЭВТИ.

в общем процессор и гироскопы работают до 60-70С (330-340К), думаю надо придерживаться этих температур.
по оптике не знаю.

Аватар пользователя
Nick
Сообщений: 45
Зарегистрирован: 25 окт 2015, 02:50

Re: Термостатирование

Сообщение Nick » 28 окт 2015, 01:40

[quote="paul_155"]
интересно, а как же тогда Солнце нас греет? эврика! через космос неплохо пролетает излучение. так вот. любое тело излучает.

именно этого вопроса я и ожидал. потому и уточнил "с точки зрения академической науки" т.е. того что мы как обыватели слышим, или другими словами "то, что нам впаривают" и при этом (смотрим ссылку с "ЛУНОЙ") они делают обогрев оборудования на время лунной ночи( парадокс? ведь должно быть как в термосе))) Я ставил задачу обратить внимание всех на физику процессов которые совершенно не "классические", держатся в секрете и скорее-всего нам доступны не станут. Сегодня ещё в одной из веток форума(кажется что-то с оптикой) прочитал, что некоторые материалы просто испаряются в условиях космоса, что подтвердило мои догадки (пример с температурой кипения воды при пониженном давлении) о возможности простого выкипания(испарения) веществ (в посте говорилось про пайку оловом) при отсутствии давления.
ещё я сегодня прочитал, что только недавно РФ начала запускать негерметичные аппараты, что говорит о многолетних испытаниях "космических" материалов и технологий, а до недавнего времени ВСЕ аппараты имели герметичный корпус.
Т.к. в этой ветке обсуждается именно герметичность исполнения корпуса, то я попытался обратить внимание обсуждавших на тот ФАКТ, что не имея ни малейшего представления о том как поведут себя те или иные материалы и компоненты в условиях космоса- только герметичное исполнение даст нам "классические параметры" для последующих расчетов и моделирования ситуаций. если конечно кто-нть не раскроет нам государственные секреты))))))))))))
З.Ы. и ещё: я так понимаю, что технический вакуум (механическая откачка вещества из замкнутого пространства) и космический "вакуум" совсем не одно и то же )))) потому-то солнце и греет, а приборы попросту замерзают без отопления в тени)))))
Для заурядного ума любая дверь,увы-стена.
Для умудрённого, поверь, стена любая -это дверь!

gionov
Сообщений: 272
Зарегистрирован: 23 окт 2015, 21:15
Откуда: г. Снежинск, Челябинская обасть
Контактная информация:

Re: Термостатирование

Сообщение gionov » 28 окт 2015, 03:43

Nick писал(а):о возможности простого выкипания(испарения) веществ (в посте говорилось про пайку оловом) при отсутствии давления.

Я это написал с сарказмом.
Nick писал(а):Т.к. в этой ветке обсуждается именно герметичность исполнения корпуса, то я попытался обратить внимание обсуждавших на тот ФАКТ, что не имея ни малейшего представления о том как поведут себя те или иные материалы и компоненты в условиях космоса- только герметичное исполнение даст нам "классические параметры" для последующих расчетов и моделирования ситуаций. если конечно кто-нть не раскроет нам государственные секреты))))))))))))

В этой ветке обсуждается термостатирование, а не герметичность. Фазовые диаграммы веществ в области нулевого давления не являются секретными и можно найти всю необходимую информацию.
Nick писал(а):З.Ы. и ещё: я так понимаю, что технический вакуум (механическая откачка вещества из замкнутого пространства) и космический "вакуум" совсем не одно и то же )))) потому-то солнце и греет, а приборы попросту замерзают без отопления в тени)))))

Это одно и то же, если откачать ниже давления насыщенных паров соответствующего вещества. Из внешних приборов только солнечные батареи, антенны и двигатели. Всё остальное - внутри термостатированной обшивки.

Аватар пользователя
voyager-1
Сообщений: 41
Зарегистрирован: 21 окт 2015, 18:34

Re: Термостатирование

Сообщение voyager-1 » 28 окт 2015, 03:48

Испытывать в техническом вакууме аппарат так и так придётся, разница с космосом на таких установках и сейчас есть, но таких проблем, как случая с Леоновым, который Винни Пуха изобразил быть не должно - если что-то будет испаряться, это будет заметно. Излучение для малого аппарата может быть лучше конвекции, и само по себе - оно надёжнее, но я решительно не понимаю, как только с помощью него можно будет уложиться в температурные рамки (если орбита будет полярной - тогда ещё шансы какие-то есть). Ещё в плюс открытому исполнению - это отсутствие риска разгерметизации, и лёгкая конструкция, одна атмосфера - это килограмм на квадратный сантиметр.

В испарении при низком давлении жидкостей/твёрдых тел с низкой температурой кипения нет, это уже давно известно, и каких-то секретных данных по материалам тут быть не должно, и я конечно занудствую) но материал не испаряться будет, а сублимироваться:
state_of_matter.png
state_of_matter.png (90.18 KiB) 5909 просмотра


Пожалуй пора кастовать разработчиков на форум, и узнавать рамки, в которых нужно работать, а то мы так до постройки звёздного крейсера "Галактика" договоримся :)


Вернуться в «Состав космического аппарата»

Кто сейчас на форуме

Количество пользователей, которые сейчас просматривают этот форум: нет зарегистрированных пользователей и 3 гостей