Kontrola termiczna statku kosmicznego

Osłona przeciwsłoneczna MESSENGERA, orbitera planety Merkury

W projektowaniu statków kosmicznych funkcja systemu kontroli termicznej ( TCS ) ma na celu utrzymanie wszystkich systemów składowych statku kosmicznego w dopuszczalnych zakresach temperatur podczas wszystkich faz misji. Musi radzić sobie ze środowiskiem zewnętrznym, które może zmieniać się w szerokim zakresie, ponieważ statek kosmiczny jest narażony na ekstremalne zimno występujące w cieniach głębokiego kosmosu lub na intensywne ciepło występujące w niefiltrowanym bezpośrednim świetle słonecznym w kosmosie. TCS musi również redukować wewnętrzne ciepło generowane przez działanie statku kosmicznego, który obsługuje. TCS może pasywnie emitować ciepło poprzez proste i naturalne promieniowanie podczerwone samego statku kosmicznego lub aktywnie przez zamontowaną na zewnątrz cewkę promieniowania podczerwonego.

Kontrola termiczna jest niezbędna do zagwarantowania optymalnej wydajności i powodzenia misji, ponieważ jeśli element zostanie wystawiony na działanie zbyt wysokich lub zbyt niskich temperatur, może ulec uszkodzeniu lub może to poważnie wpłynąć na jego działanie. Kontrola termiczna jest również konieczna, aby określone komponenty (takie jak czujniki optyczne, zegary atomowe itp.) mieściły się w określonych wymaganiach dotyczących stabilności temperaturowej, aby zapewnić ich możliwie najwydajniejsze działanie.

Systemy aktywne lub pasywne

Podsystem kontroli termicznej może składać się zarówno z elementów pasywnych, jak i aktywnych i działa na dwa sposoby:

  • Chroni sprzęt przed przegrzaniem, albo przez izolację termiczną przed zewnętrznymi strumieniami ciepła (takimi jak Słońce lub planetarny strumień podczerwieni i albedo), albo przez odpowiednie odprowadzanie ciepła ze źródeł wewnętrznych (takich jak ciepło emitowane przez wewnętrzny sprzęt elektroniczny).
  • Chroni sprzęt przed zbyt niskimi temperaturami poprzez izolację termiczną od zewnętrznych zlewozmywaków, zwiększoną absorpcję ciepła ze źródeł zewnętrznych lub wydzielanie ciepła ze źródeł wewnętrznych.

pasywnego systemu kontroli termicznej ( PTCS ) obejmują:

  • Izolacja wielowarstwowa (MLI), która chroni statek kosmiczny przed nadmiernym ogrzewaniem słonecznym lub planetarnym, a także przed nadmiernym wychłodzeniem w przypadku wystawienia na głęboką przestrzeń kosmiczną.
  • Powłoki zmieniające właściwości termooptyczne powierzchni zewnętrznych.
  • Wypełniacze termiczne poprawiające sprzężenie termiczne na wybranych interfejsach (na przykład na ścieżce termicznej między jednostką elektroniczną a jej chłodnicą).
  • Podkładki termiczne w celu zmniejszenia sprzężenia termicznego na wybranych interfejsach.
  • Podwajacze termiczne do rozprowadzania na powierzchni grzejnika ciepła rozpraszanego przez urządzenia.
  • Lustra (zwierciadła powierzchni wtórnej, SSM lub optyczne reflektory słoneczne, OSR) poprawiające zdolność odprowadzania ciepła przez zewnętrzne promienniki i jednocześnie zmniejszające pochłanianie zewnętrznych strumieni słonecznych.
  • Jednostki grzejników radioizotopowych (RHU), używane przez niektóre misje planetarne i badawcze do produkcji ciepła do celów TCS.

aktywnego systemu kontroli termicznej ( ATCS ) obejmują:

  • Sterowane termostatycznie rezystancyjne grzejniki elektryczne utrzymujące temperaturę sprzętu powyżej jego dolnej granicy podczas zimnych faz misji.
  • Pętle płynu do przenoszenia ciepła emitowanego przez urządzenia do grzejników. Oni mogą być:
  • Żaluzje (które zmieniają zdolność odprowadzania ciepła do przestrzeni w funkcji temperatury).
  • Lodówki termoelektryczne .

Systemy kontroli termicznej

Parker Solar Probe w testach termicznych
  • Interakcja ze środowiskiem
    • Obejmuje interakcję zewnętrznych powierzchni statku kosmicznego z otoczeniem. Albo powierzchnie muszą być chronione przed środowiskiem, albo musi być poprawiona interakcja. Dwa główne cele interakcji środowiska to zmniejszenie lub zwiększenie pochłanianych strumieni środowiskowych oraz zmniejszenie lub zwiększenie strat ciepła do środowiska.
  • Gromadzenie ciepła
    • Obejmuje usuwanie ciepła rozpraszanego z urządzeń, w których jest wytwarzane, w celu uniknięcia niepożądanego wzrostu temperatury statku kosmicznego.
  • Transport ciepła
    • Przenosi ciepło z miejsca jego powstania do urządzenia promieniującego.
  • Odprowadzanie ciepła
    • Ciepło gromadzone i transportowane musi zostać odprowadzone w odpowiedniej temperaturze do radiatora, którym zwykle jest otaczające środowisko kosmiczne. Temperatura odrzucania zależy od ilości ciepła, kontrolowanej temperatury i temperatury otoczenia, do którego urządzenie wypromieniowuje ciepło.
  • Dostarczanie i magazynowanie ciepła.
    • Ma na celu utrzymanie pożądanego poziomu temperatury, w którym należy zapewnić ciepło i przewidzieć odpowiednią zdolność magazynowania ciepła.

Środowisko

W przypadku statku kosmicznego głównymi interakcjami środowiskowymi są energia pochodząca ze Słońca i ciepło wypromieniowane w przestrzeń kosmiczną. Inne parametry również wpływają na projekt systemu kontroli termicznej, takie jak wysokość statku kosmicznego, orbita, stabilizacja położenia i kształt statku kosmicznego. Różne rodzaje orbit, takie jak niska orbita okołoziemska i orbita geostacjonarna, również wpływają na projekt systemu kontroli termicznej.

  • Niska orbita okołoziemska (LEO)
    • Orbita ta jest często używana przez statki kosmiczne, które monitorują lub mierzą właściwości Ziemi i otaczającego ją środowiska, a także przez laboratoria kosmiczne bez załogi i z załogą, takie jak EURECA i Międzynarodowa Stacja Kosmiczna . Bliskość orbity do Ziemi ma ogromny wpływ na potrzeby systemu kontroli termicznej, przy czym bardzo ważną rolę odgrywa ziemska emisja podczerwieni i albedo, a także stosunkowo krótki okres orbitalny, krótszy niż 2 godziny, i długi czas trwania zaćmienia. Małe instrumenty lub dodatki do statków kosmicznych, takie jak panele słoneczne, które mają niską bezwładność cieplną, mogą poważnie wpływać na to ciągle zmieniające się środowisko i mogą wymagać bardzo specyficznych rozwiązań termicznych.
  • Orbita geostacjonarna (GEO)
    • Na tej 24-godzinnej orbicie wpływ Ziemi jest prawie znikomy, z wyjątkiem cienia podczas zaćmień, które mogą trwać od zera w czasie przesilenia do maksymalnie 1,2 godziny w równonocy. Długie zaćmienia wpływają na konstrukcję zarówno systemów izolacji, jak i ogrzewania statku kosmicznego. Sezonowe wahania kierunku i intensywności energii słonecznej mają ogromny wpływ na projekt, komplikując transport ciepła przez konieczność odprowadzania większości rozpraszanego ciepła do grzejnika w cieniu oraz systemy odprowadzania ciepła przez zwiększony grzejnik potrzebny obszar. Prawie wszystkie satelity telekomunikacyjne i wiele satelitów meteorologicznych znajduje się na tego typu orbicie.
  • Wysoce ekscentryczne orbity (HEO)
    • Orbity te mogą mieć szeroki zakres wysokości apogeum i perygeum, w zależności od konkretnej misji. Zasadniczo są one używane w obserwatoriach astronomicznych, a wymagania projektowe TCS zależą od okresu orbitalnego statku kosmicznego, liczby i czasu trwania zaćmień, względnego położenia Ziemi, Słońca i statku kosmicznego, rodzaju instrumentów na pokładzie i ich indywidualnych wymagań temperaturowych.
  • Eksploracja głębokiego kosmosu i planet
    • Trajektoria międzyplanetarna naraża statek kosmiczny na szeroki zakres środowisk termicznych, ostrzejszych niż te, które występują na orbitach Ziemi. Misja międzyplanetarna obejmuje wiele różnych scenariuszy podrzędnych w zależności od konkretnego ciała niebieskiego. Ogólnie rzecz biorąc, wspólne cechy to długi czas trwania misji i konieczność radzenia sobie w ekstremalnych warunkach termicznych, takich jak rejsy blisko lub daleko od Słońca (od 1 do 4–5 AU), niskie orbity bardzo zimnych lub bardzo gorące ciała niebieskie, zejścia przez nieprzyjazne atmosfery i przetrwanie w ekstremalnych (zakurzonych, lodowych) środowiskach na powierzchni odwiedzanych ciał. Wyzwaniem dla TCS jest zapewnienie wystarczającej zdolności odprowadzania ciepła podczas gorących faz operacyjnych, a jednocześnie przetrwanie zimnych nieaktywnych faz. Głównym problemem jest często zapewnienie mocy wymaganej w tej fazie przetrwania.

Wymagania dotyczące temperatury

Wymagania dotyczące temperatury przyrządów i wyposażenia na pokładzie są głównymi czynnikami przy projektowaniu systemu kontroli termicznej. Celem TCS jest utrzymywanie pracy wszystkich przyrządów w dopuszczalnym zakresie temperatur. Wszystkie instrumenty elektroniczne na pokładzie statku kosmicznego, takie jak kamery, urządzenia do gromadzenia danych, baterie itp., mają stały zakres temperatur roboczych. Utrzymywanie tych instrumentów w optymalnym zakresie temperatur roboczych ma kluczowe znaczenie dla każdej misji. Niektóre przykłady zakresów temperatur obejmują

  • Baterie, które mają bardzo wąski zakres działania, zwykle od -5 do 20 ° C.
  • Elementy napędu, które ze względów bezpieczeństwa mają typowy zakres temperatur od 5 do 40 °C, jednak szerszy zakres jest dopuszczalny.
  • Kamery, które mają zakres od -30 do 40 ° C.
  • Panele słoneczne, które mają szeroki zakres roboczy od -150 do 100 ° C.
  • Spektrometry na podczerwień, które mają zakres od -40 do 60 ° C.

Obecne technologie

Powłoka

Powłoki są najprostszą i najtańszą techniką TCS. Powłoka może być farbą lub bardziej wyrafinowaną substancją chemiczną nakładaną na powierzchnie statku kosmicznego w celu obniżenia lub zwiększenia wymiany ciepła. Charakterystyka rodzaju powłok zależy od ich chłonności, emisyjności, przezroczystości i współczynnika odbicia. Główną wadą powłoki jest to, że szybko ulega degradacji ze względu na środowisko pracy.

Izolacja wielowarstwowa (MLI)

Izolacja wielowarstwowa (MLI) jest najczęstszym pasywnym elementem kontroli termicznej stosowanym w statkach kosmicznych. MLI zapobiega zarówno utracie ciepła do otoczenia, jak i nadmiernemu nagrzewaniu się z otoczenia. Komponenty statków kosmicznych, takie jak zbiorniki paliwa, przewody paliwowe, akumulatory i silniki rakietowe na paliwo stałe, są również pokryte kocami MLI, aby utrzymać idealną temperaturę roboczą. MLI składa się z zewnętrznej warstwy wierzchniej, warstwy wewnętrznej i wewnętrznej warstwy wierzchniej. Zewnętrzna warstwa wierzchnia musi być nieprzezroczysta dla światła słonecznego, generować niewielką ilość cząstek stałych i być w stanie przetrwać w środowisku i temperaturze, na które statek kosmiczny będzie narażony. Niektóre powszechnie stosowane materiały na warstwę zewnętrzną to tkanina z włókna szklanego impregnowana Teflon PTFE , PVF wzmocniony Nomexem połączony klejem poliestrowym oraz teflon FEP . Ogólnym wymaganiem dla warstwy wewnętrznej jest to, że musi mieć niską emisyjność. Najczęściej stosowanym materiałem na tę warstwę jest Mylar aluminiowane z jednej lub obu stron. Warstwy wewnętrzne są zwykle cienkie w porównaniu z warstwą zewnętrzną, aby zmniejszyć wagę i są perforowane, aby pomóc w odprowadzaniu powietrza uwięzionego podczas startu. Wewnętrzna osłona jest skierowana w stronę sprzętu statku kosmicznego i służy do ochrony cienkich warstw wewnętrznych. Wewnętrzne osłony często nie są aluminiowane, aby zapobiec zwarciom elektrycznym. Niektóre materiały użyte do wewnętrznych osłon to Dacron i Nomex. Mylar nie jest używany ze względu na obawy dotyczące łatwopalności. Koce MLI są ważnym elementem systemu kontroli termicznej.

Żaluzje

Żaluzje to aktywne elementy kontroli termicznej, które są używane w wielu różnych formach. Najczęściej są one umieszczane nad zewnętrznymi grzejnikami, żaluzje mogą być również używane do kontrolowania wymiany ciepła między wewnętrznymi powierzchniami statku kosmicznego lub umieszczane na otworach w ścianach statku kosmicznego. Żaluzje w stanie całkowicie otwartym mogą odrzucić sześć razy więcej ciepła niż w stanie całkowicie zamkniętym, bez zasilania wymaganego do ich obsługi. Najczęściej stosowanym żaluzją jest żaluzja bimetaliczna, uruchamiana sprężyną, z prostokątną żaluzją, znana również jako żaluzja wenecka. Zespoły grzejników żaluzjowych składają się z pięciu głównych elementów: płyty podstawy, łopatek, siłowników, elementów czujnikowych i elementów konstrukcyjnych.

Grzejniki

Grzejniki są używane w projektach kontroli termicznej w celu ochrony komponentów w zimnych warunkach środowiskowych lub w celu uzupełnienia ciepła, które nie jest rozpraszane. Grzejniki są używane z termostatami lub kontrolerami półprzewodnikowymi, aby zapewnić dokładną kontrolę temperatury określonego elementu. Innym powszechnym zastosowaniem grzejników jest podgrzewanie komponentów do ich minimalnych temperatur roboczych przed ich włączeniem.

  • Najpopularniejszym typem grzejnika stosowanym w statkach kosmicznych jest grzejnik łatkowy, który składa się z elementu oporowego umieszczonego pomiędzy dwoma arkuszami elastycznego materiału izolującego elektrycznie, takiego jak Kapton . Grzejnik krosowy może zawierać pojedynczy obwód lub wiele obwodów, w zależności od tego, czy wymagana jest w nim redundancja.
  • Inny rodzaj grzejnika, grzejnik kasetowy , jest często używany do podgrzewania bloków materiału lub elementów o wysokiej temperaturze, takich jak propelenty. Ten grzejnik składa się z uzwojonego rezystora zamkniętego w cylindrycznej metalowej obudowie. Zwykle w elemencie, który ma być ogrzewany, wierci się otwór, a wkład wkłada się do otworu. Grzejniki kasetowe mają zwykle średnicę ćwierć cala lub mniejszą i długość do kilku cali.
  • Innym rodzajem grzejników stosowanych w statkach kosmicznych są grzejniki radioizotopowe, znane również jako RHU. RHU są używane do podróżowania na planety zewnętrzne za Jowiszem z powodu bardzo niskiego promieniowania słonecznego, co znacznie zmniejsza moc generowaną przez panele słoneczne. Grzejniki te nie wymagają żadnej energii elektrycznej ze statku kosmicznego i zapewniają bezpośrednie ciepło tam, gdzie jest ono potrzebne. W centrum każdego RHU znajduje się materiał radioaktywny, który rozpada się, dostarczając ciepło. Najczęściej stosowanym materiałem jest dwutlenek plutonu . Pojedynczy RHU waży zaledwie 42 gramy i mieści się w cylindrycznej obudowie o średnicy 26 mm i długości 32 mm. Każda jednostka generuje również 1 W ciepła podczas hermetyzacji, jednak szybkość wytwarzania ciepła maleje z czasem. Cassini użyto 117 RHU .

Grzejniki

Panele i grzejniki (prostokątne białe panele) na ISS po STS-120

Nadmiar ciepła odpadowego wytwarzanego na statku kosmicznym jest odprowadzany w przestrzeń kosmiczną za pomocą grzejników. Grzejniki występują w kilku różnych formach, takich jak panele konstrukcyjne statku kosmicznego, płaskie grzejniki montowane z boku statku kosmicznego oraz panele rozmieszczone po tym, jak statek kosmiczny znajdzie się na orbicie. Niezależnie od konfiguracji, wszystkie grzejniki odprowadzają ciepło ze swoich powierzchni za pomocą promieniowania podczerwonego (IR). Moc promieniowania zależy od emitancji i temperatury powierzchni. Grzejnik musi odrzucać zarówno ciepło odpadowe statku kosmicznego, jak i wszelkie ładunki promieniowania cieplnego z otoczenia. W związku z tym większość grzejników otrzymuje wykończenie powierzchni z wysoką emisją promieniowania podczerwonego, aby zmaksymalizować odprowadzanie ciepła i niską absorpcję promieniowania słonecznego, aby ograniczyć ciepło słoneczne. Większość grzejników statków kosmicznych odrzuca od 100 do 350 W generowanego wewnętrznie ciepła odpadowego elektroniki na metr kwadratowy. Ciężar grzejników zwykle waha się od prawie zera, jeśli istniejący panel konstrukcyjny jest używany jako grzejnik, do około 12 kg/m 2 dla ciężkiego rozkładanego grzejnika i jego konstrukcji wsporczej.

Grzejniki Międzynarodowej Stacji Kosmicznej są wyraźnie widoczne jako tablice białych kwadratowych paneli przymocowanych do głównej kratownicy.

Rury cieplne

Rury cieplne wykorzystują zamknięty dwufazowy obieg przepływu cieczy z parownikiem i skraplaczem do transportu stosunkowo dużych ilości ciepła z jednego miejsca do drugiego bez zasilania elektrycznego. Rury cieplne klasy lotniczej, takie jak rury cieplne o stałym przewodnictwie (CCHP) lub rury cieplne z rowkiem osiowym, to aluminiowe wytłoczki z amoniakiem używanym jako płyn roboczy. Typowe zastosowania obejmują: Zarządzanie ciepłem ładunku Transport ciepła, Izotermalizacja, Wzmocnienie termiczne panelu grzejnika

Przyszłość systemów kontroli termicznej

  • Materiały kompozytowe
  • Odprowadzanie ciepła dzięki zaawansowanym pasywnym radiatorom
  • Urządzenia chłodzące w sprayu (np. chłodnica kropelkowa )
  • Lekka izolacja termiczna
  • Technologie o zmiennej emisji
  • Filmy diamentowe
  • Zaawansowane powłoki kontroli termicznej
    • mikroarkusze
    • Zaawansowany spray do cienkich warstw
    • Posrebrzane lustra kwarcowe
    • Zaawansowane metalizowane folie na bazie polimerów
  • Drukowane w 3D parowniki do rur grzewczych Loop
  • Kosmiczne miedziano-wodne rurki cieplne do chłodzenia na poziomie chipa

Wydarzenia

Ważnym wydarzeniem w dziedzinie kontroli termicznej przestrzeni kosmicznej jest organizowana corocznie przez AIAA Międzynarodowa Konferencja Systemów Środowiskowych . Kolejnym są Europejskie Warsztaty Analizy Termicznej Przestrzeni Kosmicznej

tarcza słoneczna

Pełnowymiarowy test osłony przeciwsłonecznej dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba

W projektowaniu statków kosmicznych osłona przeciwsłoneczna ogranicza lub zmniejsza ciepło powodowane przez światło słoneczne uderzające w statek kosmiczny. Przykładem zastosowania osłony termicznej jest Obserwatorium Kosmiczne na Podczerwień . Osłona przeciwsłoneczna ISO pomogła chronić kriostat przed światłem słonecznym, a także została pokryta panelami słonecznymi.

Nie należy mylić z koncepcją osłony przeciwsłonecznej na skalę globalną w geoinżynierii , często nazywanej kosmiczną osłoną przeciwsłoneczną lub „osłoną przeciwsłoneczną”, w której sam statek kosmiczny służy do blokowania światła słonecznego padającego na planetę.

Przykładem osłony przeciwsłonecznej w projekcie statku kosmicznego jest osłona przeciwsłoneczna na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba .

Zobacz też

Bibliografia

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spacecraft_thermal_control&oldid=1140713834 ”