CC BY
30
Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов»
УДК 629.7.047.8
В. П. Конышев Научный руководитель - А. В. Бобков Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, Комсомольск-на-Амуре
ЦИКЛОГРАММА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КОСМОНАВТА
В рамках исследования динамики теплового баланса космонавта проанализирована циклограмма теплового состояния организма для 3-х вариантов режима перехода физиологического состояния из фазы ожидание работы к фазе выполнение работы.
Анализ динамики теплового баланса космонавта проводят с целью определения потребной мощности систем терморегулирования (СТР) скафандра. В настоящем исследовании проведён сравнительный анализ влияния характера переходного режима между типовыми состояниями организма космонавта на количество выделяемого им тепла. Анализ проведён с
помощью циклограммы процесса, состоявшего из 3-х фаз: начальной фазы, под условным названием «Ожидание», промежуточной «Подготовка к работе» и конечной «Выполнение работы». Между тремя основными фазами процесса были установлены межфазовые переходы, см. рис. 1.
1 вариант Единица времени 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Фаза «Работа»
Межфазовый переход /
Фаза «Подготовка к работе»
Межфазовый переход /
Фаза «Ожидание работы»
|||||Г|||||| 11111111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 вариант Фаза «Работа»
Межфазовый переход
Фаза «Подготовка к работе»
Межфазовый переход
Фаза «Ожидание работы» ___
3 вариант 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 М М М М М 1 М М М М М 1 м м м м м м м м м
Фаза «Работа»
Межфазовый переход /
Фаза «Подготовка к работе»
Межфазовый переход Фаза «Ожидание работы»
МММ ш-ш- тш- -ш-ш -ш-ш шш МММ
Циклограмма 3-х вариантов теплового состояния космонавта: 1 вариант - ступенчатый переходной режим; 2 вариант - линейный переходной режим; 3 вариант - нелинейный переходной режим
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки
Количество выделяемого тепла, учитываемого циклограммой, находилось с помощью уравнения теплового баланса [1]:
бэт = во + Отр + О + -, (1)
п
где О0 - теплопродукция в состоянии покоя (Вт); втр -затраты на терморегуляцию организма (Вт); О - статическая работа (Вт); N - внешняя механическая работа; П - термический коэффициент полезного действия.
При расчёте значений вэт для каждой фазы циклограммы задавались:
1) одинаковое значение теплопродукции, вычисляемое по формуле в0 = 105 • (Оч/70)23, где Оч - масса космонавта;
2) различные значения следующих параметров. Затраты на терморегуляцию организма Отр, а также механические показатели: работы N и момента М, влияющие на величину
О = 0,52Л + 3,5-М и п = 0,25(1-ехр(-Х'Л),
где х = 0,023 + 0,075 ехр(-0,03-Л) [2].
Были смоделированы 3 варианта перехода от начальной фазы «Ожидание» к завершающей фазе «Выполнение работы»: 1-й вариант - «Ступенчатый переходной режим», 2-й вариант - «Линейный переходной режим», 3-й вариант - «Нелинейный переходной режим». Длительность перехода для всех вариантов была задана одинаковой, а характер промежуточной фазы «Подготовки к работе» моделировался переменным: от явно выраженного в 1-м варианте, до неопределённого в вариантах 2 и 3. Объём тепловыделения оценивался как величина, прямо пропорциональная
площади криволинейной трапеции с верхним основанием в виде линии циклограммы.
Анализ представленных циклограмм указывает на снижение теплопродукции при нелинейном переходном режиме (вариант 3) по сравнению со ступенчатым и линейным режимами перехода (варианты 1 и 2). Характер нелинейности переходного режима был обоснован теоретически и нуждается в экспериментальном подтверждении. В реальных условиях он может быть иным.
Так как в рамках всего процесса продолжительность переходных режимов составляет большой удельный вес, то становится актуальной проблема экспериментальных исследований закономерностей тепловыделения космонавта на этапе переходных режимов при выполнении типовых видов работ, как внутри космической станции, так и в открытом космосе. В последнем случае это позволит усовершенствовать программу управления ранцевой системой термореглирования скафандра, повысить ресурс её работы, а также комфортность пребывания в нём космонавта.
Библиографические ссылки
1. Космические аппараты / под общ. ред. К. П. Феоктистова. М. : Воениздат, 1983. 319 с.
2. Пичулин В. С., Олизаров В. В. Системы терморегулирования индивидуального защитного снаряжения экипажей ЛА : учеб. пособие. М. : МАИ, 1995. 60 с.
© Конышев В. П., 2014
УДК 621.325.5
Е. В. Кулаков, М. Ю. Хайцен Научный руководитель - М. Г. Мелкозеров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГРУНТОВЫХ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
Предложена схема обеспечения холодным воздухом на основе геотермальной энергии грунта. Также рассматривается предварительная методика расчета данных СКВ и дальнейшая сравнительная экономическая оценка.
Современные системы кондиционирования воздуха (СКВ) работают на специальных холодильных агентах, которые совершают работу для переноса теплоты от кондиционируемого объема в окружающую среду. В данной статье предлагается использовать схему СКВ на основе низкопотенциальной энергии грунта (см. рисунок). Расположенная близко от поверхности земли геотермия проходит до 400 метров в глубину и использует имеющеюся в почве и грунтовых водах диапазон температур от 5 до 250 °С. Техническое использование этого равномерного в течении года уровня температур в почве - интересная возможность использования регенеративной энергии. Минимальная технически пригодная глубина закла-
дывания земляных теплообменников - 1,5 м. На глубине от 10 м. влияние солнечной радиации и сезонных колебаний температуры полностью отсутствуют. Здесь равномерная температура почвы поддерживается за счет горячего ядра Земли [1].
В предложенной схеме рабочим телом может быть: вода, соляной раствор или этиленгликоль, что дает достаточное преимущество перед СКВ, работающими на холодильных агентах. Теплоноситель на входе в воздухоохладитель 1 имеет температуру от 5 до 8 °С. Проходя через воздухоохладитель, теплоноситель нагревается до температуры 9-12 °С. Далее теплоноситель по теплой линии 2 поступает в геотермальный (земляной) теплообменник 3, где охлаждает-
