Теплотехнические требования к приборным и специальным отсекам чрезвычайно разнообразны. Это объясняется различием нестандартной аппаратуры, ее назначением, особенностью функционирования, расположением в отсеках и т. п.
Можно отметить лишь некоторые значения характерных параметров:
а) разнообразная аппаратура, блоки питания:
Температура окружающей среды
Т = 283... 333 К,
б) оптические приборы (фото):
Температура и скорость движения окружающей среды
Т = 308±15К, U» 1,0 м/с,
Изменение температуры по времени
ΔT/Δτ=2,8·10-3…4,2·10-3 К/с.
Градиент температуры по стеклу
ΔT / Δr =20 К/м.
2.1. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЧЕЛОВЕКА
Тепловое взаимодействие является одной из наиболее важных сторон взаимосвязи человека с окружающей средой. Увеличение продолжительности пилотируемых космических полетов особенно остро поставило задачу исследования взаимодействия человека со средой и прогнозирования состояния космонавта на основе получаемой от него информации. Целью такого исследования является выявление реакций человека на различные воздействия среды обитания, с тем чтобы иметь возможность компенсировать возникновение нежелательных эффектов в организме соответствующими изменениями среды, т. е. необходимо исследовать возможность целенаправленного изменения среды обитания не только для достижения наиболее благоприятных условий существования человека в полете, но и после его завершения.
В настоящее время при расчетах систем обеспечения теплового режима человек обычно заменяется источником тепла и влаги. При этом принимается, что в среднем для расчета стационарного режима тепловой поток от экипажа может быть определен по формуле Qэк= n(130... 150) Вт, где n — число членов экипажа. Приходится учитывать и возможные отклонения от среднего значения, которые для одного человека составляют 70— 260 Вт, а максимальные тепловыделения могут достигать 750 Вт и более. Значительно сложнее априорно задать для расчета «скрытое» тепловыделение, т. е. тепловой поток, отводимый от человека вследствие испарения влаги. Процентное соотношение между «явным» (тепло, отводимое за счет конвекции, излучения и теплопроводности) и «скрытым» теплом зависит от нагрузки на организм, температуры и влажности окружающей среды и изменяется в широких пределах.
При нормальных условиях принимается, что «явное» тепло составляет 75% общей теплопродукции, а «скрытое»—25% [37].
Такой подход приводит часто к существенным ошибкам при проектировании СОТР. Человек является весьма сложным элементом, тепловые характеристики которого в значительной степени зависят от статических и динамических свойств воздействующей на него среды. Известно, что различные сочетания параметров среды могут вызывать одни и те же теплоощущения и, наоборот, одни и те же сочетания параметров, в зависимости от скорости их изменения, длительности воздействия, предшествующего теплового состояния человека и.других факторов могут восприниматься человеком по-разному. Так, например, установлено, что при воздействии пониженных температур в зависимости от степени охлаждения температура кожи может как понижаться, так и повышаться. После нахождения человека в течение нескольких часов в условиях высокой температуры интенсивность потоотделения снижается, а кожная и ректальная температуры могут возрастать. Кроме того, длительное пребывание человека в среде с постоянными условиями ведет к расстройству системы терморегуляции, вследствие чего человек плохо переносит резкие изменения параметров среды, падает сопротивляемость организма, снижается работоспособность. Поэтому поддержание температуры, влажности, подвижности воздуха и других параметров окружающей среды на постоянном уровне для длительных полетов следует считать нецелесообразным. Необходимо исследование пределов допустимого изменения указанных параметров, которое невозможно без учета основных принципов функционирования организма человека.
Наиболее перспективным методом изучения процессов взаимодействия организма человека с окружающей средой в течение полета, продолжительность которого может измеряться годами, представляется математическое моделирование всей системы человек — система обеспечения жизнедеятельности. Наличие математической модели позволит прогнозировать состояние космонавта в зависимости от параметров окружающей среды. Обязательным условием построения такой модели является возможность математического описания процессов тепло- и массообмена в организме человека, что приводит к необходимости изучения механизмов терморегуляции.
Терморегуляцией называется совокупность физиологических процессов в организме, направленных на сохранение постоянства температуры тела. Для поддержания теплового баланса у гомойотермных, или теплокровных, животных, в том числе у человека, в процессе эволюции выработалась активная система терморегуляции. Важнейшая функция системы терморегуляции—-выработка управляющего сигнала, который приводит в действие соответствующую терморегуляторную реакцию. Выработка управляющего сигнала является результатом обработки разнообразной информации, поступающей от различных частей тела. Алгоритм этой обработки пока неизвестен. Требуемая терморегуляция должна быть весьма жесткой, так как при понижении температуры тела на несколько градусов ниже нормальных 37 °С резко падает активность ферментов, а повышение температуры выше 41 °С приводит к необратимым повреждениям нервных клеток. Терморегуляция находится под непосредственным контролем центральной нервной системы. Центры терморегуляции (центр теплообразования и центр теплоотдачи) расположены в головном мозге, главным образом в гипоталамусе. Вопросы, связанные с работой этих центров, изучены еще довольно мало.
Под верхним кожным покровом по всей поверхности тела расположены кожные терморецепторы двух типов: холодовые, реагирующие на понижение температуры, и тепловые, реагирующие на ее повышение. Они воспринимают как постоянные температурные воздействия, так и изменение температуры во времени.
Тепло выделяется в организме в результате метаболических процессов. Передача тепла от внутренних органов к поверхности тела происходит путем теплопроводности и сосудистой конвекции. Усиление метаболических реакций при охлаждении и снижение теплообразования при согревании называется химической терморегуляцией, сопутствующие изменения процессов теплоотдачи — физической терморегуляцией.
В окружающую среду тепло от человека может отводиться конвекцией, излучением, теплопроводностью, испарением пота и выдыхаемым воздухом. Доля тепла, приходящаяся на каждый из указанных путей теплоотвода, меняется в зависимости от физической нагрузки и условий окружающей среды. При нормальных условиях основная доля приходится на отдачу тепла путем конвекции. При воздействии на организм низких температур для поддержания теплового баланса понижается температура кожи, а интенсивность процессов обмена в организме повышается. Если же организм подвергается воздействию температуры, равной температуре его тела или более высокой, то поверхностная температура кожи повышается, одновременно уменьшается градиент температуры от поверхности в глубь тела. При воздействии повышенных температур большое значение приобретает потение, так как при температуре окружающей среды
выше температуры кожи организм получает тепло путем конвекции, теплопроводности й излучения, а теплоотдача целиком зависит от испарения. Невесомость также влияет на теплоотдачу, так как в условиях невесомости отсутствует свободная конвекция.
Большое влияние на работу системы терморегуляции оказывает уровень нервно-эмоциональной нагрузки. Это означает, что реакции организма не определяются однозначно условиями среды и величиной физической нагрузки, а зависят и от индивидуальных особенностей каждого человека.
Рассматривая процессы тепло- и массообмена человека с окружающей средой, с учетом одежды для стационарных условий можно записать два уравнения теплового баланса:
(2.1)
Здесь М — общая теплопродукция человека; qpecп — потери тепла при дыхании; qисп — потери тепла при испарении пота; qод — тепловой поток через одежду; qа — потери тепла с поверхности одежды. Все величины отнесены к площади поверхности обнаженного тела.
Запишем выражения для каждого члена этих уравнений. Используемые эмпирические коэффициенты получены на основании экспериментальных данных [52]. С учетом производимой физической работы тепло, выделяемое в организме:
,
(2.2)
где Мcум — общие энергозатраты человека; h — механический коэффициент полезного действия.
Потери тепла при дыхании определяются двумя составляющими: потерями тепла на нагрев выдыхаемого воздуха (qн.в .) и потерями тепла на испарение влаги с поверхности носоглотки и бронхов (qл)
(2.3)
Подставляя выражения для qн.в и qл, получим
(2.4)
где Р а — парциальное давление паров воды в окружающем воздухе; T a — температура окружающего воздуха.
Потери тепла вследствие испарения составляют
(2.5)
Потери тепла с поверхности одежды складываются из потерь излучением и конвекцией:
(2.6)
Подставляя выражения для q и и q к, находим
(2.7)
Здесь fод — отношение площади поверхности одетого тела к площади поверхности обнаженного тела; fэф — отношение эффективной площади излучения одетого тела к площади поверхности одетого тела; Т од — температура внешней поверхности одежды; Т л — средняя температура ограждения; α с — коэффициент теплоотдачи.
Тепловой поток через одежду зависит от температуры кожи Т к и температуры внешней поверхности одежды. Разброс экспериментальных значений температуры кожи, обусловленный индивидуальными особенностями каждого человеческого организма, не позволяет получить единую зависимость температуры кожи от величины удельного теплового потока. Поэтому следует рассматривать зону, охватывающую все экспериментальные точки.
Указанная зона ограничена двумя прямыми:
Т к =309 — 0,021q— „горячий предел;
Т к =308,4 — 0,037q— „холодный" предел.
Среднее значение составляет
Т к = 308,7 - 0,028q.
(2.8)
Эта величина не дает никаких дополнительных сведений о комфорте, а представляет собой лишь среднее арифметическое значение температуры /кожи и с успехом используется при расчетах.
С учетом сказанного тепловой поток через одежду с использованием средней температуры кожи запишется как
,
(2.9)
где R oд — термическое сопротивление одежды.
Составленная на базе рассмотренных уравнений теплового баланса программа расчета комфортных зон среды обитания позволила провести анализ влияния различных факторов на тепловой режим человека [3]. Анализ результатов расчета позволил выяснить закономерности изменения параметров комфортной зоны в зависимости от уровня активности человека, изоляционных свойств одежды, скорости обдува и т. д. Большое значение имеет температура ограждений, являющаяся одним из важных параметров, определяющих тепловое состояние человека. Совместное воздействие температуры ограждений и скорости обдува (подвижности) воздуха существенно сказывается на положении комфортной зоны.
На рис. 2.1 показаны комфортные зоны, полученные в результате решения уравнений теплового баланса, для следующих условий: масса человека — 70 кг, рост 1,75 м, атмосферное давление 101325 Па, парциальное давление кислорода 11278 Па, T л =295 К, R од =0,054 м2К/Вт, подвижность воздуха 0,244 м/с.
| Рассматриваемый подход позволяет по заданным уровням нагрузки и изоляционным свойствам одежды определять соответствующие микроклиматические параметры, обеспечивающие комфортные условия экипажа. Указанные параметры являются выходными характеристиками СОТР, что позволяет при их изменении в определенных рамках выбирать соответствующие оптимальные варианты системы обеспечения теплового режима. Для более полного анализа взаимосвязи человека, окружающей среды и системы необходимо построение динамической математической модели. Однако отсутствие достаточного количества экспериментальных данных по тепловым режимам человека в условиях динамики изменения окружающих условий не позволяет получить приемлемые по точности математические модели. | 
Рис. 2.1 Комфортные зоны для М=100 Вт и М=75 Вт
|
2.2. ВНУТРЕННИЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА
На борту КА имеется большое количество самого разнообразного оборудования, - тепловой режим которого должен поддерживаться на определенном уровне. Оценку величины теплопоступлений от тепловыделяющего оборудования в стационарном режиме можно дать, располагая основными данными по мощности, КПД и времени работы агрегатов
(2.10)
где k — коэффициент одновременности работы элементов оборудования; N i — мощность i -гo агрегата; h i — КПД i -го агрегата.
Рис. 2.2. Зависимость энерговыделения в отсеке и изменения средних температур внутренних источников тепла от времени:
1, 2, 3—температуры внутренних источников тепла (Т1 Т2, Т3); 4—температура газа в отсеке (T K); 5—суммарные теплопоступления в отсек (
); 6—суммарная мощность внутренних источников тепла (
); 7, 8, 9—тепловыделения внутренних источников тепла (Q и3, Q и1, Q и2)
На практике чаще всего (1—h i)»1, так как вся энергия оборудования, установленного в отсеке, выделяется там же.
При оценке теплового режима гермокабин и отсеков под действием внутренних источников тепла, а также для последующего определения суммарного количества тепла, поступающего в газовую среду, в целях расчета подсистемы терморегулирования, строят график энерговыделения приборов и оборудования (рис. 2.2). Затем определяют динамику изменения температур источников Т 1, Т 2, T 3 и суммарное количество тепла, поступающее в гермообъем, .
Для i -гo нелокализованного источника тепла, расположенного в гермоотсеке, дифференциальное уравнение изменения среднеинтегральной температуры по времени имеет вид
(2.11)