Почему многие РИТЭГи имеют оребренные радиаторы, если это считается плохим для радиационного теплообмена?

С типичными активными радиаторами на космических кораблях тепло передается от источников к радиаторам посредством принудительной конвекции - в виде нагретого хладагента. В этот момент остается единственная забота - удалить (излучить) его из радиаторов (и как можно меньше обратно в космический корабль или в другие радиаторы). Они большие и максимально обращены в темное пространство и как можно меньше друг к другу, к космическому кораблю и Солнцу.

В пассивных излучателях РИТЭГ тепло отводится от активной зоны через корпус излучателей. Они не могут быть очень большими, и особенно не могут простираться далеко по длине от ядра как из-за нехватки места, так и потому, что далеко от ядра не будет отводиться много тепла.

Боковая конфигурация делает так, чтобы наименьшее количество такого радиатора было направлено в сердцевину. Довольно много обращено в другие радиаторы, но пока тепло идет в дальние края, а не в «корни», это не так уж важно. При использовании меньшего количества радиаторов (например, 2-3) на каждый радиатор будет излучаться больше тепла, но меньше тепла на весь комплект охлаждения. Таким образом, компромисс между эффективностью отдельных излучателей достигается за счет увеличения их количества, и в то же время это число остается низким — 6–8, — потому что чем больше мы столкнемся с уменьшением отдачи, поскольку они больше обращены друг к другу, а меньше — друг к другу. космос.

Многореберные радиаторы хуже на единицу массы .

Но для РИТЭГа абсолютно необходимо обеспечить очень большой температурный градиент между (очень маленькой) активной зоной и внешними слоями. Добавление большего количества плавников по-прежнему улучшает излучение в сумме, вы просто получаете меньше излучения на плавник.

Поскольку требования к охлаждению РИТЭГ высоки и абсолютны, у конструкторов нет другого выбора, кроме как смириться с потерей массы из-за большего количества ребер.

Ребра не так уж плохи для радиационного теплообмена. Они просто сталкиваются с неизбежной точкой убывающей отдачи. Эта убывающая отдача накладывает ограничение на то, сколько ребер практически должно быть включено. Оптимум больше нуля, но меньше плотной упаковки ребер.

Проведите границу вокруг любого изотермического объекта, излучающего тепловую энергию в пространство. Количество излучения, проходящего через границу, всегда меньше или равно тому, что излучала бы граница, если бы это было черное тело, имеющее температуру источника внутри. В частности, если в качестве границы провести плотно прилегающую выпуклую оболочку излучателя, то лучистая теплопередача ограничивается излучением черного ящика, которое могло бы выйти из области оболочки. Мы можем подойти к этому пределу выпуклой оболочки в принципе одним из двух способов:

1) Используйте почти черный материал. В принципе, если материал абсолютно черный, лучистая теплопередача через выпуклую оболочку достигнет своего предельного значения.

2) Сделайте много вогнутостей и увеличьте площадь поверхности. Если бы мы могли увеличить площадь поверхности излучающего тела под выпуклой оболочкой до бесконечности, мы могли бы получить излучение черного тела через оболочку.

Выпуклая оболочка зависит от геометрии, поэтому есть дополнительный способ увеличить предел:

3) В доступном пространстве настройка вашей геометрии, позволяющая получить выпуклый корпус с большей площадью поверхности, обеспечивает большую теплопередачу. Как мы увидим, это играет важную роль в конструкции ребристых радиаторов. Даже если у вас есть совершенно черный материал и излучение больше не зависит от детальной структуры излучателя, изменение выпуклой оболочки на увеличенную площадь поверхности открывает путь для большей теплопередачи.

Излучатели с черным телом, предназначенные для калибровки пирометров, доводят вторую концепцию почти до крайности. Излучатель представляет собой изотермическую полость с небольшим отверстием, из которого выходит излучение. Площадь излучающей поверхности настолько больше площади отверстия (служащего границей), что даже с обычными промышленными материалами отверстие приближается к реализации теплопередачи обратного тела. Затем пирометр размещают так, чтобы (в пределах некоторого допуска) он принимал только это излучение почти черного тела из отверстия, обеспечивая стандарт для калибровки.

В случае ребристых РИТЭГов у нас теперь есть доступные материалы, близкие к черным поверхностям (№1 выше), поэтому увеличение площади поверхности излучающих поверхностей (№2) малоэффективно. Но мы получаем эффект от области самой выпуклой оболочки (#3). Предположим, ваш РИТЭГ имеет радиус 0,25 м и высоту 2 м, и вы разместили вокруг него четыре ребра длиной 0,5 м. Выпуклая оболочка представляет собой квадратную призму, площадь поверхности которой составляет 10,74 квадратных метра. Теперь попробуйте шесть плавников: ваш выпуклый корпус превратился в шестиугольную призму, а площадь его поверхности увеличилась до 11,92 квадратных метра. Вы добавили на 10% больше теплопередачи только за счет выпуклой области корпуса. Вы нетерпеливо добавляете больше плавников, только чтобы обнаружить, что вы не получаете такой же отдачи от затраченных средств (или от дополнительных килограммов массы): выпуклый корпус никогда не становится больше цилиндра, площадь которого равна 12.

Мы получили столько дополнительной площади для теплопередачи всего с двумя дополнительными ребрами от четырех до шести, сколько мы можем когда-либо надеяться получить с бесконечно большим количеством, чем шесть. Учитывая это резкое падение обратной связи, в реальной жизни мы должны ожидать, что оптимальная конструкция для теплопередачи по сравнению с весом, простота изготовления и тестирования и т. д. будет включать несколько, но не много ребер.