Проектиование Системы Жизнеобеспечения на Запасах

, где  - удельный расход рабочих тел СЭП, кг/Дж.

Масса СЭП второго  типа, использующих солнечную энергию  от времени работы практически не зависит. Характеристикой таких  систем может служить их удельная масса на выработку единицы электрической  мощности , кг/кВт.

Преобразование  солнечной энергии в электрическую  может быть осуществлено различными способами:

• Преобразование тепловой энергии солнечного излучения в механическую с помощью турбокомпрессорного цикла (паровой или газовой турбины) и затем в электрическую с помощью электромеханического генератора;
• Термоэлектрическим способом, основанным на эффекте возникновения электрической разности потенциалов между горячим и холодным спаями двух различных металлов;
• Прямым фотоэлектрическим преобразованием, непосредственно использующим световую энергию солнечного излучения, то есть солнечными батареями;
• Третий тип СЭП – ядерно-энергетические установки – основан на использовании тепловой энергии, образующейся при управляемом ядерном распаде радиоактивных элементов, например урана. Массу ядерного реактора в пределах 1-2 лет работы можно считать практически не зависящей от времени.

 

Для условий бортовой эксплуатации в конструкционном  отношении наиболее просты и надежны  солнечные батареи. Работа солнечных батарей основана на фотоэлектрическом эффекте, то есть на способности некоторых полупроводников вырабатывать электрический потенциал при освещении вентильного, то есть запорного, слоя полупроводника. Конструкция фотоэлектрического элемента представляет собой двухслойную пластину из кремния, верхний слой которой прозрачен, а граница радела (запорный слой) способна пропускать электроны только в направлении нижнего слоя. Поэтому при воздействии светового потока возбужденные электроны верхнего слоя, получившие энергию квантового света, преодолевая потенциальный барьер запорного слоя, переходят в нижний, создавая в нем избыточный отрицательный потенциал, который может быть использован как электродвижущая сила. Величина разности потенциалов на элемента составляет от 0,3 до 0,5 В в зависимости от освещенности и плотности тока. В конструкции плоских солнечный батарей отдельные элементы соединяются в несколько последовательных цепей до достижения необходимого напряжения и общей мощности.

КПД кремниевых батарей составляет около 5-7%, то есть при солнечной постоянной 1400 Вт/м² батарей обеспечивает мощность 70-100 ВТ. Это соответствует удельным затратам массы около =100…140 кг/кВт. С учетом того, что при орбитальном полете КА часть времени находится в тени Земли и в состав СЭП должны входить буферные аккумуляторные батареи, запасающие энергию, величина может возрастать до 150-200 кг/кВт. 

Будем считать, что  в нашем случае =150 кг/кВт. Тогда: 

Масса СЭП: 

; 

Тепловыделения  научной аппаратуры:

= 2 кВт;

Прочие  энергозатраты системы:

= 0,11 кВт;

Для регенерации  воды из суточного выделения урины  человека:

= 0,07 кВт;

Будем считать, что для потребностей экипажа + Энергозатрат системы + Научного оборудования хватит мощности

= 2,18 кВт. 

= 1 кВт соответствует =150 кг/кВт (А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.П. Иванов Энергетические системы космических аппаратов»;)

То есть масса энергетической установки:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Система обеспечения теплового  режима (СОТР): 

Применение на борту КА мощных тепловых энергетических установок, использующих различные виды источников тепла, а также дальнейшее увеличение внутренних тепловыделений (тепловыделения научной аппаратуры Q=2 кВт) приводит к существенному увеличению массы систем обеспечения теплового режима и площади теплообменников. В этих условиях одним из возможных путей, приводящих к относительному уменьшению площадей РТО, является повышение их средней температуры. Указанное повышение температуры может быть эффективно осуществлено в замкнутых подсистемах терморегулирования с изменением агрегатного состояния хладагента, включающих тепловые насосы.

1 – радиатор-излучатель или конденсатор;

2 – компрессор;

3 – испарительный  теплообменник;

4 – внутренний  контур;

5 – дроссель. 

Работа  парокомпрессионной холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом: 

, где  - тепловой поток, отводимый холодильной установкой;

- мощность, затрачиваемая на работу холодильной установки;

Примем 

, тогда .

Поставим  второй насос -

.

Рассчитаем  площадь РТО, используя закон  Стефана-Больцмана:

, где

- степень черноты,  ;

;

- температура на входе в  РТО;

- температура на выходе в  космос;

; 

Площадь РТО 

. 
 
 

Компоновочная схема РТО: 

 
 
 
 
 
 
 

Расчет  массы РТО: 

 

h = 0,5 мм.

Общую массу РТО можем найти, как сумму масс алюминиевых пластин, массы клея, массы сот, массы труб и массы воды. 

Масса одной пластины: 

, - плотность алюминия;

;

Таким образом, масса одной пластины:

. 

Масса двух пластин:

. 

Масса клея: 

Известно, что для 1 м² масса клея составляет 280 г.

Для площади  РТО равной 0,67 м² масса клея

.

Так как  клей используется на обеих пластинах, то:

. 

Масса труб: 

Труба имеет  сложную геометрическую форму. Разобьем ее на несколько частей: 6 труб длиной 62 см; 2 трубы длиной 92,5 см; 7 полудуговых труб.

Поперечное  сечение по толщине всей трубы (толщина  стенки 1 мм). Тогда имеем следующее:

.

Объем трубы:

.

Масса трубы 

, где ;

. 

Масса воды: 

Площадь поперечного сечения:

; 

;

. 

Масса сот: 

Геометрия сот будет суммироваться из частей:

7штук  шириной 10 см;

2 шириной 5 см;

Длина 95 см.

.

, где  - плотность соты;

 

Таким образом, получаем массу  РТО: 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы: 

1. Малоземов В.В., Рожнов В.Ф., «Основы проектирования СЖО КА»;
2. А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.П. Иванов Энергетические системы космических аппаратов»;
3. Воронин Г.И., Поливода А.И. «Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей».
4. Серебряков В. Н. «Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипаж космических летательных аппаратов».