Система терморегулирования. Научные приборы, радиокомплекс и источник питания обеспечивают работоспособность автоматического КА, но при наличии рабочей температуры на его борту. Температурный режим КА и поддержание его в заданных пределах обеспечивает система терморегулирования. Как мы уже знаем, научная аппаратура, радиокомплекс, вспомогательная и служебная системы КА в процессе работы потребляют электроэнергию. Но, как известно, при потреблении электрической энергии на любом приборе, агрегате или системе происходит выделение тепла. В этом легко убедиться даже в домашней обстановке, если, скажем, слушая радио или просматривая телевизионные передачи, положить руку на верхнюю крышку приемника или телевизора. У длительно работающих устройств рука ощутит более нагретую поверхность по сравнению с окружающими предметами.
В земных условиях это тепло в большинстве случаев отводится от приборов по принципу естественной конвекции: нагретый воздух, расширяясь, понижает свою плотность и поднимается вверх. На его место приходит более тяжелый холодный воздух и забирает избыточное тепло от аппаратуры. На автоматическом же КА в условиях невесомости нагретый воздух, находящийся в герметичном отсеке, никуда от аппаратуры не уходит. Следовательно, во избежание перегрева необходимо принудительно его удалять и замещать более холодным. Это делается с помощью вентиляторов, которые приводят в движсние внутреннюю атмосферу автоматического КА.
В космическом пространстве при удалении от Солнца на 150 млн. км (район земной орбиты) элементы конструкции автоматического КА, обращенные к Солнцу, могут нагреваться до +150 °C, а находящиеся в тени — охладиться до -120 °C. Существующая аппаратура такой диапазон тепловых условии не выдерживает. Так, например, полупроводниковые элсктрорадиоэлементы при нагреве выше температур +80–90 °C выхолят из строя. А при низких температурах замерзает электролит в химической буферной батарее и прекращается подача электрической энергии.
Для нормальной работы приборов и систем создают более узкий диапазон температур от 0 до 30 °C. Поддержание такого интервала температур и возлагается на систему терморегулирования, в которой используются как пассивные, так и активные средства поддержания заданного теплового режима.
К пассивным средствам можно отнести окраску наружных поверхностей автоматических КА: подбираются различного цвета краски с определенными оптическими коэффициентами. Поглощение и рассеяние тепла поверхностью характеризуются коэффициентом поглощения и степенью черноты поверхности. И при избытке тепла на автоматическом КА необходимо, чтобы поверхность эффективно излучала тепло и мало его поглощала. А для этого нужно снизить коэффициент поглощения и увеличить степень черноты поверхности.
К пассивным средствам терморегулирования относится и изготовление специальных «шуб» — экрановакуумной тепловой изоляции (ЭВТИ). Такая изоляция состоит из 15–30 слоев металлизированной полимерной пленки, переложенных тончайшими слоями стекловаты, причем верхний и нижний слои для прочности выполнены из стеклоткани. ЭВТИ для упрощения технологии изготовления создается из нескольких частей, подобно тому как сшивается из разных частей одежда для человека: рукав, спинка и т. д. Различие только в том, что тепловой «комбинезон» для автоматического КА «сшивается» не заранее, а соединяется из частей непосредственно на самом КА.
Тепловая зашита с помощью ЭВТИ заключается в том, что каждый слой металлизированной пленки отражает большую часть теплового потока, а пропускает малую его часть. В итоге поток тепла от Солнца доходит до конструкций в очень ослабленном виде. С теневой же стороны КА «шуба» препятствует уходу тепла в окружающее пространство путем лучеиспускания.
Как правило, одних пассивных средств системы терморегулирования недостаточно, особенно для длительно существующих ИСЗ или межпланетных станций. Ведь условия работы последних меняются: тепловой поток с приближением к Солнцу увеличивается, а при удалении — уменьшается. Поэтому приходится использовать активные средства терморегулирования в сочетании с пассивными.
Активные средства системы терморегулирования включают в себя два радиатора (холодного и горячего контура), вентиляторы, систему трубопроводов, заслонки с приводами, логические блоки и систему температурных датчиков, размещающихся и различных местах автоматического КА. В зависимости от применяемого рабочего тела сама система может быть воздушной (на станциях «Венера», начиная с "Вснеры-4") или жидкостной (на ИСЗ типа "Молния"). Причем в холодном контуре применяется жидкость, способная оставаться жидкой при низких температурах, в горячем — жидкость с очень высокой температурой кипения.
Холодный контур содержит радиатор-холодильник, имеющий большую поверхность, обращенную к теневой части автоматического КА. Горячий контур имеет соответственно рядиатор-нагреватель, обращенный в солнечную сторону. Причем наружная поверхность радиатора-холодильника окрашивается специальной краской с большим значением степени черноты, чтобы интенсивнее рассеивать тепло, тогда как для радиатора-нагревателя краска подбирается с максимальным значением коэффициента поглощения.
Трубопроводы после выхода из радиаторов подсоединяются к радиатору-смесителю, через который протекают жидкости обоих контуров. Подачей холодной или горячей жидкости на радиатор-смеситель регулируется его температура. Через этот радиатор продувается вентилятором воздух, поддерживающий заданную температуру внутри автоматического КА. Блок автоматики, получая сигналы от температурных датчиков, регулирует массу горячей или холодной жидкости, направляемой к радиатору-смесителю (путем поворота заслонок в трубопроводах).
В воздушных системах терморегулирования также имеются два контура. В холодном — воздух по системе трубопроводов попадает к радиатору-холодильнику, в горячем — протекает через радиатор-нагреватель, расположенный с солнечной стороны.
Трубопроводы после радиаторов сходятся вместе, и поток воздуха регулируется заслонкой, способной перскрывать либо горячий, либо холодный поток или смешивать их в любой пропорции. Заслонка с приводом управляется блоком автоматики, к которому сходятся данные от температурных датчиков.
Так, например, при понижении температуры внутри отсека температурные датчики выдают сигнал на блок автоматики, который формирует команду на перекладку заслонки. Последняя частично перекрывает поток воздуха от холодильника и увеличивает доступ воздуха от радиатора, нагренаемого Солнцем. В итоге из смесителя идет более теплый воздух. При повышении же температуры заслонка поворачивается в другую сторону. Весь воздушный поток через трубопроводы и смеситель продувается вентилятором, непрерывно функционирующим во время полета автоматического КА.
В специфических условиях система терморегулирования несколько видоизменяется. Так, на «Луноходе-1» и «Луноходе-2» лунным днем, длящимся двс земные недели, наблюдался избыток тепла за счет солнечного подогрева и выделения тепла от работающей аппаратуры. Крышка приборного контейнера была открыта, с внутренней стороны на ней наносились элементы солнечном батареи. Верхняя часть корпуса была окрашена краской с малым коэффициентом поглощения и большой степенью черноты поверхности. Тепло, выделявшееся во время сеансов, путем лучеиспускания рассеивалось в пространстве.
Лунной ночью задача была прямо противоположной: в темноте движение «Луноходов» не проводилось — КА фактически на 14 сут был законсервирован. При этом осуществлялись только кратковременные сеансы для получения телеметрической информации о значениях температуры в различных местах «Лунохода», давлении в отсеке, работе вентиляторов и т. д. Выделение тепла в этом случае было ничтожно. Крышка «Лунохода» закрьвалась, верхняя часть ее имела поверхность с большим коэффициентом поглощения и малой степенью черноты. Корпус «Лунохода» со всех сторон был закрыт экранно-вакуумной изоляцией, имелась она и на крышке. Но, несмотря на применение пассивных средств, их было недостаточно — аппарат остывал. Для поддержания теплового режима в заданных пределах необходим подвод тепловой энергии. В условиях лунной ночи поверхность Луны остывает примерно до -150 °C. Для поддержания в нормальных температурных условиях работу КА в систему терморегулирования был введен блок обогрева, имеющий в своем составе радиоизотопный источник тепла. Помещенный в блок обогрева еще на Земле, при предстартовой подготовке к запуску автоматического КА, радиоактивный элемент приводил в рабочее состояние данную систему. С этого момента от начала радиоактивного распада шел постоянный поток тепловой энергии, разогревающий блок обогрева до 500 °C.
