Беседы о ракетных двигателях

Теплообмен излучением

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ, лучистый теплообмен — теплообмен между телами, осуществляющийся в результате процессов превращения внутренней энергии тела в энергию электромагнитного излучения, переноса последней в пространстве и её последующего поглощения другим телом. Лучеиспускательная способность тела (количество энергии, излучённой в единицу времени с единицы поверхности) пропорциональна четвёртой степени его термодинамической (абсолютной) температуры. Различают тела чёрные, серые и с селективным излучением. Чёрное тело имеет сплошной спектр излучения во всём интервале длин волн от λ = 0 до λ = ∞ и обладает наибольшей лучеиспускательной способностью по сравнению с любым реальным телом, имеющим одинаковую с ним температуру. Распределение интенсивности по спектру (спектральная интенсивность — количество энергии, излучаемой в единицу времени в интервале длин волн от λ до λ + dλ) зависит от λ и температуры тела; в соответствии с законом Планка с ростом температуры спектральная интенсивность возрастает и её максимальное значение смещается в область более коротких воли. Серые тела, как и чёрные, излучают во всём диапазоне волн, но при одинаковых температурах их спектральная интенсивность меньше; степень её снижения, называется монохроматической степенью черноты тела ε_λ является для серого тела постоянной. Лучеиспускательная способность серых тел характеризуется интегральной степенью черноты ε; она численно равна ε_λ. В соответствии с законом Кирхгофа для монохроматического излучения коэффициент поглощения падающего излучения α_λ равен монохроматической степени черноты ε_λ тела. Поэтому для серых тел интегральный коэффициент поглощения электромагнитной энергии α равен интегральной степени черноты ε и не зависит от распределения падающей энергии по длинам волн. У селективно излучающих тел ε_λ — функция λ. Поэтому для них α зависит от распределения энергии по спектру падающего излучения в общем случае α ≠ ε. Данное свойство селективно излучающих поверхностей и используется для регулирования температуры внутри КА, поскольку теплообмен излучением является основным видом теплообмена между КА и окружающим его пространством (вне атмосферы).

КА воспринимает электромагнитную энергию, излучаемую Солнцем, планетами, а также так называемую фоновую радиацию (излучения звёзд, галактик). В свою очередь, КА также излучают энергию в космическое пространство. Мощность солнечного излучения, поступающего на единицу поверхности, ориентированной перпендикулярно направлению на центр Солнца, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от неё до Солнца и на удалении 1,5∙10⁸ км составляет ~1400 Вт/м². Тепловая энергия, излучаемая планетой, складывается из отражённого солнечного излучения (определяется альбедо планеты) и собственного излучения, определяемого её температурой. Фоновая радиация с любого направления равна ~10^-3 Вт/м², и её можно не учитывать. Особенность теплообмена излучением в космическом пространстве заключается в том, что теплообмен происходит между телами, имеющими существенно разные температуры. Основной источник лучистой тепловой энергии — Солнце — имеет эффективную температуру излучения 5785 К, при которой 92% излучённой энергии приходится на диапазон длин волн от 0,3 до З мкм. Температуры поверхностей КА и планет, как правило, более чем в 15 раз меньше, и основная энергия их излучения приходится на диапазон, имеющий длину волны более 4 мкм. Таким образом, падающая на поверхность КА солнечная тепловая энергия и собственное излучение его поверхности приходятся на существенно разные диапазоны длин волн. Это позволяет применяя специальные оптические покрытия с селективными излучающими свойствами, иметь неодинаковые коэффициенты поглощения солнечной радиации α_S и собственную интегральную степень черноты ε, а т.к. температура тела в космическом пространстве определяется, с одной стороны, количеством излучаемой энергии, а с другой — поглощённой за это же время энергией (т.е. степенью черноты тела), то, подбирая (путём нанесения на поверхность КА соответствующих покрытий) определённые соотношения между коэффициентами α_S и ε, можно изменять температуру поверхности (например, радиационной поверхности) в весьма широких пределах. В то же время следует иметь в виду, что собственное излучение планет (Земля, Марс, Венера) приходится на тот же диапазон длин волн, в котором излучает поверхность КА. Поэтому интегральный коэффициент поглощения их энергии для поверхности КА приблизительно соответствует её степени черноты. Последнее не позволяет снизить температуру КА, подверженного воздействию теплового потока собственного излучения планеты, ниже той температуры, которую имел бы в тех же условиях КА, если бы его поверхность была чёрная. Отражённое от планеты солнечное излучение имеет спектр, близкий к солнечному, и поэтому поглощается так же, как солнечная радиация.
 
Источник: Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В. П. Глушко…