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El reto del control térmico en CubeSats
El sistema de control de temperaturas, que se encuentra en el centro de la ciudad, es un sistema de control de temperaturas, que se puede utilizar para el uso de la energía, y que se puede utilizar en el sistema de radio, y que se puede utilizar en el sistema de radio de alta calidad.
Física fundamental de la rechaz del calor en un vacío
La transferencia de calor en el espacio depende enteramente de la radiación y la conducción; la convección está ausente. Para un CubeSat, los ingenieros de control térmico deben equilibrar tres fuentes:
- calor interior:] de CPU, transmisores, baterías y sensores de carga.
- calor externo:] luz solar directa (grifo solar solar solar ~1361 W/m2 a 1 U), albedo de la Tierra (luz sol reflejada), y radiación infrarroja de la Tierra.
- Fregadero espacio profundo: efectivamente 2.7 K, proporcionando el lavabo de calor definitivo para el rechazo radiativo.
La constante de tiempo térmico de un satélite pequeño es corta, a menudo minutos en lugar de horas, lo que significa que la calefacción desigual puede crear gradientes de temperatura rápida. Los dispositivos de rechazo térmico deben por lo tanto mover energía térmica de componentes calientes a superficies radiantes eficientemente y luego emitir esa energía como fotones infrarrojos.El reto clave es que la pequeña superficie de CubeSat limita la zona de radiador disponible, y las estructuras de despliegue agregan complejidad, masa y riesgo.
Tipos de dispositivo de inyección de calor primario
Radiadores de cuerpo-mounados
La mayoría de los εSats dependen de radiadores montados en el cuerpo: paneles de material de alta concentración térmica (tilíticamente de aluminio 6061 o 7075) recubiertos con una superficie de alta emisividad como anodización negra, pintura blanca Z93 o revestimientos basados en el carbono. Estos radiadores se colocan en caras que nunca están expuestos a la luz solar directa (normalmente los parámetros anti-sasolar)
Correas térmicas conductivas
Para mover el calor de la electrónica a paneles radiadores, los ingenieros utilizan correas térmicas hechas de láminas de grafito flexible, trenzas de cobre o cintas de aluminio. Estas correas tienen alta conductividad térmica (hasta 500 W/m·K para grafito pirolítico) y pueden puentear brechas entre componentes y placas frías. Son pasivos, fiables y ligeros—criticos para los presupuestos de masa CubeSat.
Pipas de calor y tubos de calor
Cuando los caminos conductivos no pueden proporcionar suficiente transferencia de calor, se necesitan dispositivos de dos fases. Un tubo de calor estándar es un tubo sellado que contiene un fluido de trabajo (acetona o agua) que se evapora al extremo caliente y se condensa en el extremo frío, utilizando la acción capilar en una estructura de mecha para devolver el líquido.
Las tuberías de calor de la cubierta (LHPs) utilizan un evaporador y condensador separado conectados con tubos de paredes suaves, con una mecha sólo en el evaporador. Pueden manejar cargas de calor más grandes (50–200 W) y distancias más largas (0,5–2 m) mientras que son insensibles para la orientación.
Materiales de cambio de fase (PCMs)
Los materiales de cambio de fase absorben el calor a una temperatura casi constante durante la fusión y liberación durante la solidificación.Los PCM comunes para CubeSats incluyen ceras de parafina ( fundición a 40–60°C) y hidratantes de sal ( fundición a 20–40°C). Un disipador de calor PCM puede amortiguar cargas térmicas transitorias, por ejemplo, durante una operación de carga útil de 10–20 minutos, sin necesidad de un radiador más grande.
Refrigeradores termoeléctricos (TECs)
Para refrigeración activa y localizada, algunos CubeSats usan refrigeradores termoeléctricos (dispositivos de nivel superior). Los TEC son bombas de calor de estado sólido que, cuando se alimentan, bombean calor de un lado frío a un lado caliente. Son compactos, no tienen partes móviles, y pueden lograr diferencias de temperatura de 65–70°C. Sin embargo, consumen una potencia eléctrica significativa (a menudo 5–15 W) y reducen la eficiencia del sistema general.
Conceptos innovadores y deplorables de rechaz de calor
Radiadores deplorables
Para superar la limitación de superficie, varias misiones CubeSat han desplegado paneles radiadores que se plegaban después del lanzamiento. Estos pueden duplicar o triplicar el área radiante. JPL RainCube (2018) utilizaron una antena de banda Ka desplegable que también sirvió como un radiador delgado. Otro concepto es el
Superficies de Emisividad Variables (Cromica Termal)
En lugar de un revestimiento fijo, algunos grupos de investigación están desarrollando superficies que cambian la emisividad con temperatura. Estos recubrimientos inteligentes usan materiales como dióxido de vanadio (VO2) o polímeros electrocromáticos. Bajo una temperatura umbral (por ejemplo, 30°C), el recubrimiento tiene baja emisividad, manteniendo el calor; por encima de esa temperatura, se vuelve altamente emisivo, volcando el exceso de calor.
Radiadores manufacturados microfabricados y aditivos
Los avances en la impresión 3D permiten la creación de radiadores con canales internos complejos para tuberías de calor o bucles de fluidos, directamente integrados en la estructura CubeSat. Fabricación adicional en aluminio o titanio permite diseños con estructuras de lattice que maximizan la superficie al minimizar la masa. Por ejemplo, una aleta de radiador 3D con un aleta de gyLT
Dos-Phase Líquidos de fluidos de carga mecánica
Más allá de las tuberías de calor, los bucles de dos fases (como los utilizados en el ISS) pueden ser miniaturizados para CubeSats. Una pequeña bomba circula un refrigerante (por ejemplo, R-134a) que se evapora a componentes calientes y se condensa en un radiador. Estos sistemas pueden manejar cargas de calor hasta 200 W y permitir la colocación remota del radiador.
Consideraciones y desafíos prácticos
Tamaño, masa y factor de forma
Cada dispositivo de rechazo al calor debe ajustarse al volumen y el presupuesto de masa del CubeSat, que para un 3U se limita a ~4 kg total. Un mecanismo de radiador desplegable añade 50–100 g y ocupa 0.25U del espacio interno. Tubos de calor y LHPs añaden masa para el fluido y el sobre. Los ingenieros a menudo deben cambiar entre el área del radiador, la capacidad de cambio de fase y la complejidad del sistema.
Integración con el Bus
Las correas térmicas deben ser cuidadosamente enrutadas para evitar cortos circuitos y interferencias mecánicas. Las tuberías de calor deben orientarse para evitar efectos gravitatorios durante las pruebas de tierra (mezcla las tuberías de calor trabajan contra la gravedad sólo a través de distancias limitadas).Para radiadores implementables, materiales de interfaz térmica (TIMs) como las almohadillas de separación térmica o materiales de cambio de fase se utilizan para reducir la resistencia de contacto a través de bisagras.
Confiabilidad y costo
CubeSats se construyen con componentes comerciales fuera de la plataforma (COTS) para mantener los costos bajos. Sin embargo, los dispositivos de rechazo al calor como LHPs y PCM requieren diseño y calificación especializados, que pueden costar $50k–$200k por unidad, una fracción significativa del presupuesto total de la misión. Para reducir costos, muchas misiones utilizan soluciones pasivas (radiadores, correas térmicas, PCM) y sólo recurre a los dispositivos activos cuando absolutamente necesarios.
Casos de estudios de diseños térmicos innovadores
Laboratorios de Planeta Dove CubeSats
El diseño térmico utiliza un enfoque pasivo: un radiador montado en el cuerpo en la cara antisolar, recubrimientos de alta emisividad en todas las superficies internas, y la colocación estratégica de componentes generadores de calor (batería, espectrometro) para minimizar los gradientes térmicos. También utilizan un material de cambio de fase (parafina) integrado en la batería alcanzada.
Experimentos MISSE-7 y MISSE-9
El Experimento de la Estación Espacial Internacional de Materiales (MISSE) incluyó camas de prueba de tamaño CubeSat para recubrimientos térmicos, PCMs y tubos de calor. MISSE-7 (2009) probó una tubería de calor de bucle miniatura que transfirió con éxito 25 W por 1 m, demostrando que el enfriamiento de dos fases podría funcionar en un pequeño factor de forma. MISSE-9 (2012) probó un recubrimiento de emisividad variable basado en tecnología electrocromo.
NASA CubeRRT y RadarCube
El CubeRRT (CubeSat Radiometer Radio Frequency Interference Technology) y las misiones RadarCube requerían cargas de alta potencia (~20 W) que generaban calor de desperdicios significativos. Sus diseños térmicos utilizaron una combinación de radiadores montados en el cuerpo y un panel de radiadores implementable (1U size) con hojas de carbono y un recubrimiento blanco de alta emisividad.
Future Directions and Emerging Technologies
Nanomateriales y Metamateriales
Los nanotubos de carbono (CNT) y las películas de grafieno ofrecen una conductividad térmica extremadamente alta (hasta 3000 W/m·K para CNTs individuales) y alta emisividad. Los investigadores están desarrollando recubrimientos basados en CNT que logran ε ⁇ 0.98 mientras que son sólo unos pocos micrometros de espesor. Estos pueden aplicarse a pequeñas áreas de radiador para impulsar el rechazo de onda.
Estratos térmicos estructurales (estructuras conductivas en la estructura de la estructura)
En lugar de tirantes separados, el futuro CubeSats puede utilizar el marco estructural propio del satélite como una vía térmica. Al fabricar piezas de chasis de materiales de alta conductividad como compuestos de fibras de grafito embebidos o de híbridos de metal-polímero, el calor puede ser llevado directamente de componentes a paneles radiadores. Esta integración ahorra masa y simplifica el montaje.
Refrigeración activa con microcompresores
Un ciclo de refrigeración de compresión de vapor miniaturizado podría proporcionar refrigeración activa para electrónica de alta potencia en CubeSats. Un micro-compresor (2–5 cm de diámetro) alimentado por un pequeño motor eléctrico podría circular refrigerante a una placa fría y un radiador remoto. Los prototipos probados en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) muestran un coeficiente de rendimiento (COP) de 2–3, que significa que cada 2 Wbe
Sistemas integrados de control térmico (ITCS)
La visión final es un “bus térmico” similar al autobús eléctrico. Una interfaz estándar —tal vez un carril con tubos de calor incrustados y un conector para un bucle de fluido— permitiría a los desarrolladores de carga de pago conectar y garantizar el enfriamiento.El proyecto de la Agencia Espacial Europea CubeSat Control Termal] tiene como objetivo crear paneles modulares de radiador y equipos de calor.
Conclusión
El rechazo térmico en CubeSats ha evolucionado desde simples radiadores montados en el cuerpo hasta sofisticados sistemas de dos fases y materiales inteligentes. El pequeño tamaño de estos satélites exige creatividad: los ingenieros deben maximizar cada milímetro cuadrado de superficie radiante, minimizar la masa y asegurar la fiabilidad sin el lujo de los circuitos de refrigeración activos utilizados en naves espaciales más grandes.