Холодный или горячий космос!

Если тело не имеет внутренних источников тепла, то его температура будет определяться условиями той окружающей среды, в которой оно находится. Поэтому попытаемся прежде всего понять, каковы эти условия в космосе.

Из физики известно, что температура характеризуется скоростью теплового движения частиц тела, среды (или системы): чем больше эта скорость, тем выше температура. На Земле при комнатной температуре молекулы воздуха движутся со скоростью около 500 м/с, испытывая при этом до 5 млрд. столкновений в 1 с между собой. По мере уменьшения плотности воздуха его молекулы сталкиваются между собой все реже (как говорят специалисты, длина их свободного пробега возрастает), их скорость, а, следовательно, и температура становятся все выше.

В атмосфере Земли происходят более сложные процессы, и температура ее слоев, как это следует из таблицы, не прямо пропорциональна плотности воздуха (или концентрации его частиц).

 

Изменение параметров атмосферы с высотой

Высота, км	Давление, кгс/см2	Температура, °С	Концентрация частиц, см3	Состав воздуха
0	1	+15	2,5•1018	N2,О2,Ar
11	0,2	-56	4,5•1018	N2, О2 (О3), Ar
20	5•10-2	-56	2•1018	То же
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	То же
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+
Выше 22000	10-17	103-105	101-102	Н+, Не++

До высоты 11 км температура уменьшается и остается далее постоянной до высот 11–25 км. Это связано с тем, что на этих высотах еще сильное влияние на состояние частиц оказывает конвекционное и лучистое равновесие движущихся воздушных масс. Поглощение атмосферным озоном энергии солнечного излучения в ультрафиолетовой части спектра приводит к повышению температуры вплоть до высоты порядка 50 км. При больших высотах (до 80 км) в связи с уменьшением концентрации озона происходит некоторое снижение температуры частиц воздуха, а при еще больших высотах наблюдается возрастание температуры из-за диссоциации и ионизации кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца. На высоте 200 км, где плотность воздуха сравнительно мала, а скорости движения частиц велики, их температура составляет уже свыше 600°С, на высоте 800 км — более 3000° С.

Итак, из сказанного можно, казалось бы, сделать вывод о том, что космос "горячий", и конструктор, следовательно, должен принять меры к тому, чтобы предохранить космический аппарат от разрушающего действия высоких температур. Однако если взять пластинку и разместить ее в космическом пространстве так, чтобы на нее не поступали никакие тепловые потоки (например, поместить ее вдали от светил, планет и т.д.), то ее температура с течением времени окажется близкой к абсолютному нулю и составит всего 4 К. Этот эксперимент наглядно показывает, что космос "холодный".

Что же получается? Температура частиц воздуха в космосе весьма высокая, а температура тела, размещенного в этой "горячей" среде, оказывается низкой. Налицо парадокс, но парадокс кажущийся — это явление объясняется довольно просто. Из-за малой плотности "космического воздуха" его молекулы очень редко соударяются с помещенным в его среде телом и в результате, несмотря на свою высокую температуру, не могут передать ему такое количество энергии, какое необходимо для заметного повышения его температуры. Специалисты по этому поводу говорят, что в космосе мала передача тепла за счет естественной конвекции.

Низкая температура тела в космическом пространстве никоим образом не говорит еще о том, что перед конструктором стоит единственная тепловая задача — предохранить космический аппарат от переохлаждения. Как это ни может показаться странным на первый взгляд, но специалистам приходится одновременно решать и вторую проблему — защиту материальной части от перегрева. Причина этого, однако, не связана с высокой кинетической температурой молекул воздуха. Она обусловлена тем, что в космическом пространстве есть источники тепла, подогревающие размещенные в нем тела. Наиболее мощный из них — наше светило. За 1 ч оно посылает примерно 1200 ккал на площадку размером 1 м2, расположенную перпендикулярно к его лучам. Плотность солнечного теплового потока зависит от расстояния до Солнца. Для Меркурия, например, она составляет 8000 ккал/м²ч, для Марса — 525 ккал/м²ч, для Юпитера-45 ккал/м²ч, для Плутона-0,6 ккал/м²ч.

Солнечный тепловой поток, достигая Земли, частично отражается от ее поверхности и атмосферы: вода отражает 5% этого потока, снег — 77, песок — 24, строения — 9%. Величина отраженного потока сильно зависит от времени года. В июле, когда для атмосферы характерна сравнительно небольшая облачность, отражается 32% солнечного потока, в октябре, когда облака задерживают большее количество тепла, эта величина возрастает до 52%. Специалисты считают, что в среднем от поверхности Земли и облаков отражается порядка 40% солнечного теплового потока.

Остальная часть этого потока (примерно 60%) поглощается Землей и затем излучается ее поверхностью в окружающее пространство. Плотность потока собственного излучения Земли сравнительно невелика — в сумме с отраженным потоком она составляет в среднем (по поверхности Земли) 35% от солнечного теплового потока. С увеличением расстояния от поверхности Земли эти два потока быстро рассеиваются, хотя и на сравнительно больших высотах могут оказывать заметное влияние на тепловой режим летательных аппаратов.

При космических полетах на сравнительно небольшой высоте может быть заметным аэродинамический нагрев частей конструкции аппаратов. На рис. 1 приведена плотность теплового потока, поступающего на пластинку, движущуюся на разных расстояниях от поверхности Земли с первой космической скоростью. Нетрудно видеть, что уже на высоте 200 км плотность потока аэродинамического нагрева становится на порядок меньше плотности солнечного потока и далее быстро уменьшается с ростом высоты.

На корпусе космических аппаратов обычно располагаются различные устройства, приборы, механизмы и пр., работающие в условиях открытого космоса. Их тепловой режим может определяться также и некоторыми дополнительными источниками тепла. Так, например, на них может поступать солнечный тепловой поток, отраженный от солнечных батарей, от корпуса и других частей конструкции, на них поступают потоки, излучаемые высоконагретыми элементами, и т.д.

Вот, вкратце, те внешние источники тепла, действие которых приводит в общем случае к разогреву конструкции космического аппарата и внешних элементов.

Рис. 1. Зависимость плотности аэродинамического теплового потока, поступающего на пластинку, в зависимости от высоты над поверхностью Земли.

Тепловой режим космических аппаратов в существенной степени определяется и их внутренними источниками тепла. На борту этих аппаратов размещаются различные приборы, энергетические установки, средства контроля и информации и пр., выделяющие при своей работе тепловую энергию, которая весьма различается для каждого конкретного случая и зависит от класса и назначения аппарата. На американском космическом корабле "Джемини", например, тепловыделение только бортовой аппаратуры составляло порядка 500–600 ккал/ч. А ведь для пилотируемого корабля конструкторам необходимо еще позаботиться и об отводе тепла, выделяемого организмом космонавтов. Величина этого тепла колеблется в достаточно широком диапазоне, составляя примерно 230 ккал/ч в период бодрствования и 70 ккал/ч во время сна космонавта. С развитием космонавтики космические аппараты стали иметь все большее количество приборов на борту, увеличивается и число членов экипажа. Все это привело к увеличению количества тепла, выделяющегося в гермоотсеках, а значит, и к усложнению и без того сложной проблемы терморегулирования.

Проследим теперь, что происходит с внешним тепловым потоком, поступающим на пластинку, ориентированную перпендикулярно направлению солнечных лучей. При этом для простоты рассуждений предположим, что эта пластинка расположена на большом удалении от Земли и все потоки, кроме солнечного излучения, пренебрежимо малы. Солнечный поток при этом будет частично поглощаться пластинкой, а частично отразится от нее в космос. Величина потока, поглощенная пластинкой, определяется средним по всему спектру коэффициентом поглощения As.

Пластинка никоим образом не является аккумулятором тепла: она его не утилизирует, не использует — это тепло будет посредством излучения "сброшено" в космос. Способность пластинки излучать тепло определяется так называемой степенью черноты ее поверхности ε: при одном и том же внешнем потоке пластинка с более высоким значением ε "сбрасывает" поступившее на нее тепло при более низкой температуре. Величины As и ε зависят от особенностей материала и состояния его поверхности и имеют максимальные теоретические значения, равные 1.

Итак, тепло, поступившее на пластинку, в связи с отсутствием в космосе естественной конвекции воздуха (или, как говорят специалисты, из-за пренебрежимо малого коэффициента конвективной теплоотдачи) передается ею в окружающую среду путем излучения. Если одна сторона пластинки теплоизолирована, то температура этой пластинки будет полностью определяться отношением As/ε, характерным для поверхности другой ее стороны. При химической полировке поверхности металлической пластинки коэффициенты As и ε оказываются равными соответственно 0,2 и 0,1, и в этом случае температура пластинки, облучаемой солнечным тепловым потоком, равна примерно 200° С.

Такая температура вполне реальна для внешней стороны космического аппарата, обращенной к Солнцу. Это означает, что космическое пространство одновременно является и "холодным" (4 К без нагрева), и "горячим" (473 К при освещении Солнцем). Следовательно, конструктор космических кораблей вынужден решать две прямо противоположные задачи: предохранять космический аппарат и от переохлаждения, и от перегрева. Решить первую задачу можно, вообще говоря, довольно просто — утеплить корпус аппарата своего рода космической "шубой" и, кроме того, подогревать отдельные части его конструкции (хотя последнее приводит к излишним затратам располагаемых энергоресурсов). Вторая задача более коварна — охлаждение требует более серьезных усилий.

Улучшить условия отвода тепла в космос можно двумя способами. Во-первых, путем уменьшения отношения As/ε, что на практике достигается с помощью соответствующей обработки излучающей, или, как ее еще принято называть, радиационной поверхности. Широкое распространение получило, например, нанесение на эту поверхность специальных лакокрасочных покрытий, обеспечивающих рабочее значение As/ε=0,5 (в этом случае температура снизится и составит примерно 60°С). Во-вторых, можно отказаться от полной теплоизоляции одной из сторон рассмотренной ранее пластинки (т.е. уменьшить отношение площадей, воспринимающей и излучающей тепловой поток). Тогда тепло будет поступать на нее с одной стороны, а излучаться — с двух. В результате температура пластинки будет составлять для поверхностей, подвергнутых химической полировке, -120°С, а для поверхностей с лакокрасочными покрытиями, обладающими указанными характеристиками, -10° С.

В последнем случае известное преимущество по сравнению с прямоугольной пластинкой имеет цилиндр. Солнечный поток может поступать на так называемый солнечный мидель цилиндра, т.е. на площадь его сечения, перпендикулярного солнечным лучам. В то же время излучение тепла (без учета оснований цилиндра) будет происходить с боковой поверхности цилиндра. Как показывают расчеты, средняя по поверхности температура цилиндра при лакокрасочных покрытиях с Аs/ε=0.5 равна примерно -20°С.

Таким образом, с помощью сравнительно простых мер можно добиться того, чтобы средняя температура оболочки космического аппарата, нагреваемой солнечными лучами, была довольно низкой. Однако космический аппарат, как уже отмечалось, нагревается не только Солнцем, но и теплом, выделяемым его бортовой аппаратурой и членами экипажа. Отвести это избыточное тепло можно путем увеличения площади радиационной поверхности. За счет соответствующего выбора величины этой площади можно при заданной температуре отводить от космического аппарата весьма большие тепловые потоки.

Решая проблему терморегулирования космического аппарата, конструктор находится как бы в порочном круге. Действительно, за время полета аппарата плоскость его орбиты постоянно изменяет свое положение относительно направления на Солнце. Полет может проходить в течение длительного времени только по освещенной Солнцем орбите или по орбите, имеющей участок тени. При этом на солнечной орбите на аппарат будут не только поступать значительные внешние тепловые потоки, но и его приборы, интенсивно работая, могут выделять максимальное количество тепла. В тени же Земли, наоборот, внешние потоки, а также тепловыделение находящихся в дежурном режиме приборов могут быть минимальными.

Спасая от переохлаждения космический аппарат на теневой стороне, конструктор может "укутать его шубой", но тогда на солнечной стороне нельзя будет избавиться от лишнего тепла и аппарат перегреется: закипит электролит в аккумуляторах, выйдут из строя различного рода элементы бортовой аппаратуры и т.д. Какой же выход из этого противоречия? Он прост, хотя и кажется на первый взгляд парадоксальным. Его мы и рассмотрим в следующем разделе.

Далее…