К дню космонавтики: Оставаясь в прохладе на МКС

12-04-1961

В странном новом мире, где горячий воздух не поднимается вверх и тепло не проводится, системы термоконтроля Международной космической станции поддерживают хрупкое равновесие между леденящим холодом пространства и пылающим жаром Солнца.

Вселенная является местом широчайших крайностей: свет, темнота … влага, сухость … воздух, вакуум … голод, изобилие. Человеческая жизнь имеет тенденцию развиваться в равновесии. Мы чувствуем себя наиболее комфортно в местах, которые не слишком жаркие и не слишком холодные, не слишком светлые и не слишком темные — другими словами, в местах, в которых «в самый раз».

Большая часть нашей планеты соответствует этому описанию. Пока вы держитесь подальше от Южного полюса и не попадаете в жерло вулкана, Земля является довольно удобным миром. Но теперь, когда люди продвигаются в пространстве — не как гости, а как поселенцы — найти правильный баланс является более сложной задачей.

Рассмотрим, например, Международную космическую станцию (МКС).
Без теплового контроля, температура обращённой к Солнцу стороны орбитальной космической станции будет расти до 250 градусов F (+121 ºC), в то время как термометр на тёмной стороне покажет минус 250 градусов по Фаренгейту (-157 ºС). Может быть, имеется удобное место где-то в середине станции, но его поиски не будут слишком весёлыми!

К счастью для экипажа и всего оборудования станции, МКС спроектирована и построена с мыслью о тепловом балансе, — она оснащена системой терморегулирования, которая обеспечивает астронавтам в их орбитальном доме прохладу и комфорт.

Первая конструкторская разработка для теплового контроля — изоляция — чтобы сохранить тепло внутри для обогрева и выпустить его наружу для охлаждения.
Здесь, на Земле, окружающее тепло распространяется в воздухе в основном за счёт теплопроводности (столкновениями между отдельными молекулами воздуха) и конвекции (циркуляции или объёмных движений воздуха).

«Именно поэтому вы можете изолировать ваш дом в основном с помощью воздуха, находящегося внутри вашей изоляции», сказал Эндрю Хонг, инженер и специалист по тепловому контролю в Johnson Space Center НАСА. «Воздух является плохим проводником тепла, и слои теплоизоляции дома, которые удерживают воздух, ещё и минимизируют конвекцию».
«В космосе нет воздуха для обеспечения теплопроводности или конвекции», добавил он. Космическое пространство – это среда, в которой доминирует излучение. Объекты нагреваются, поглощая солнечный свет, и они остывают, испуская инфракрасное излучение, вид излучения, который невидим для человеческого глаза.

В результате, изоляция для Международной космической станции не похожа на пушистые маты из розовых волокон, которые вы часто видите в земных домах. Вместо этого станция изолируется высоко-отражающим одеялом, называемым многослойной изоляцией (или MLI) из майлара и лавсана.

Mylar
Вверху, слева: Общая изоляция домов на Земле. Вверху справа: Многослойная изоляция — или MLI — для Международной космической станции. Отражающий серебристый материал — алюминированный Mylar. Материал медного цвета — Kapton, прочный слой, который защищает хрупкие листы Mylar, которые, как правило, только 3/10000 дюйма толщиной. Фото предоставлено Эндрю Хонгом (Andrew Hong), JSC.

«Майлар покрыт алюминием так, чтобы солнечное тепловое излучение не могло пройти через него», объясняет Хонг. Здесь, на Земле, мы используем одеяла, содержащие алюминированный майлар, чтобы обернуть людей, которые подверглись переохлаждению или были травмированы. Такие одеяла особенно популярны среди охотников и туристов!»

«Слои дакрона разделяют майларовые листы, что предотвращает передачу тепла между слоями», продолжил он. «Поэтому доминирующим способом теплопередачи через одеяло будет излучение».
За исключением окон, большая часть МКС покрыта многослойной изоляцией, останавливающей излучение.

«Окна являются огромными источниками потерь тепла», сказал Хонг», но астронавты нуждаются в них для эргономики, а также для своих исследований. Эта проблема ещё требует своей разработки».
Многослойная изоляция делает двойную работу: отражает солнечную радиацию, и защищает станцию от проникновения космического холода через её металлическую кожу.
Она делает свою работу настолько хорошо, что МКС предоставляет ещё одну тепловую задачу для инженеров — работу с внутренними температурами, которые всегда находятся на подъёме внутри этой супер-изолированной орбитальной лаборатории, полной многих видов тепло-производящих приборов.

kevlar_shell

Многослойные тепловые покрытия являются лишь одним из многих материалов космической эры, которые защищают МКС от суровых факторов пространства.

Представьте себе, что «ваш дом был очень, очень хорошо изолирован, и вы закрыли его и выключили кондиционеры», сказал Джин Унгар, специалист по анализу тепловых жидкостей в Johnson Space Center. «Почти каждый ватт мощности, прошедший через электрические провода, выделится в конечном итоге в виде тепла».

Это именно то, что происходит на космической станции. Энергия от солнечных батарей поступает в МКС для запуска авионики, электроники … многих систем станции. Все они выделяют тепло, и что-то нужно делать, чтобы избавиться от избытка.

Основной ответ заключается в установке теплообменников. Конструкторы создали систему Active Thermal Control System, или ATCS для краткости, удаляющую тепло из космического корабля.
Сбросное тепло отводится двумя способами, через холодные пластины и теплообменники, оба из которых охлаждаются циркулирующей водой. Воздушные и водяные теплообменники охлаждают и осушают внутреннюю атмосферу космического аппарата. Тепловыделяющие приборы прикреплены к встроенным холодным пластинам. Холодная вода – циркулирующая под действием крыльчатки, вращающейся со скоростью 17000 оборотов в минуту – проходит через эти теплообменные устройства для охлаждения оборудования.

«Избыточное тепло удаляется этой очень эффективной жидкостной теплообменной системой», говорит Унгар. «После этого мы посылаем энергию на радиаторы, чтобы рассеять тепло в космос».

радиаторы станции

Эта фотография Международной космической станции, сделанная экипажем STS-98, демонстрирует вытянутые алюминиевые радиаторы станции.

Но вода, циркулирующая по трубам за пределами космической станции, может быстро замерзнуть. Чтобы сделать эту жидкостную систему работоспособной, сбросное тепло проходит в другой теплообменник, содержащий аммиак вместо воды. Аммиак замерзает при температуре -107 градусов по Фаренгейту (-77 ºC) при стандартном атмосферном давлении. Нагретый аммиак циркулирует через огромные радиаторы, расположенные на внешней стороне космической станции, выпуская тепло в виде инфракрасного излучения и охлаждаясь по мере протекания.
Вытянутые радиаторы станции изготовлены из сотовых алюминиевых панелей. Имеется 14 панелей, каждая размером 6 на 10 футов (1,8 на 3 метра), с общей площадью теплообмена в 1680 квадратных футов (156 квадратных метров) заполненных аммиаком труб. Сравните этот величественный радиатор с теплообменником в 3 квадратных фута в типичном бытовом кондиционере, и вы сможете по достоинству оценить масштаб и задачи «рутинных» работ в пространстве.

И, наконец, инженеры теплового контроля должны направлять воздушные потоки внутри космической станции. Движение воздуха является основным фактором в достижении баланса между теплом и холодом.

ATCS работает в тандеме с контролем окружения и системами жизнеобеспечения (ECLSS), которые контролируют качество воздуха и потоки в МКС. В состоянии орбитального свободного падения — эквивалентного нулевому G — горячий и холодный воздух не поднимаются и падают, как они делают это на Земле. Правильная циркуляция воздуха позволяет предотвратить образование нежелательных холодных пятен, которые могут приводить к конденсации, поражению электрическим током, серьёзной коррозии и даже к биологическим проблемам, таким как рост микробов. Коррозионные грибы были надоедливой проблемой на Российской космической станции Мир, и специалисты по планированию экспедиции на МКС хотят избежать повторного заражения.

Олег Новицкий за выполнением научных экспериментов

Плывущие в пространстве с короткими рукавами и с босыми ногами? Там должно быть удобно!

Плывущие в пространстве с короткими рукавами и с босыми ногами? Там должно быть удобно!

Это действительно странный новый мир на МКС. Горячий воздух, который не поднимается … тепло, которое не проводится … радиаторы слишком холодные для жидкой воды … этого достаточно, чтобы добавить тепловым инженерам седых волос! Но благодаря эффективной интегрированной системе терморегулирования станции, экипажу не нужно беспокоиться — остаться в прохладе на МКС — это не проблема!

Примечание редактора: Кто-то из читателей спросит: «Если температура на теневой стороне космической станции может упасть до -250 F, и если точка замерзания аммиака только -107 F, почему не замерзает аммиак в радиаторах станции»? Причина в том, что теплонесущий аммиак не может терять тепло достаточно быстро, чтобы достичь своей точки замерзания до того, как жидкость попадёт обратно в тёплые пределы космической станции. Если (в качестве мысленного эксперимента) мы выключим насосы и сориентируем станцию так, чтобы радиаторы был в тени, скажем, солнечных панелей, аммиак, скорее всего, замерзнёт по истечении некоторого периода времени.

Источник: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast21mar_1/