طراحی سیستم های کنترل حرارتی قابل اعتماد یک الزام اساسی برای موفقیت ماموریت های فضایی طولانی مدت است که ممکن است سال ها یا حتی دهه ها طول بکشد.این سیستم ها مسئول حفظ فضاپیما و ابزار خود در محدوده های دمای سخت هستند، اغلب در چرخه های شدید گرم و سرد فضای عمیق، سطوح سیاره ای یا کم عمق زمین، رد شدن ماموریت های حرارتی با ارائه گزینه های پشتیبان گیری در مورد خرابی، مسدود کردن عناصر زیست محیطی، و یا جلوگیری از رویدادهای مهندسی محیط زیست، می تواند به بررسی و یا جلوگیری از رویدادهای کنترل حیاتی تبدیل شود.

نقش حیاتی Redundancy در کنترل حرارتی

ماموریت های طولانی مدت - مانند مریخ، سیارات خارجی یا کمربندهای سیارک - چالش های منحصر به فرد را نشان می دهند زیرا نگهداری یا تعمیرات اغلب غیر ممکن است.یک شکست تک نقطه در یک سیستم کنترل حرارتی می تواند منجر به از دست دادن فاجعه بار یک فضاپیما یا مأموریت شود: سیستم های حرارتی قرمز به طور خودکار بر این امر غلبه می کنند که آیا یک جزء اولیه شکست می یابد، اطمینان از دمای پایدار برای بار شارژ حساس، یکپارچگی و پشتیبانی از عملکرد ساختاری، و همچنین اجازه می دهد تا زمانی که یک سیستم پشتیبان گیری ساختاری را کاهش دهد.

به عنوان مثال، ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) بر یک سیستم کنترل حرارتی پیچیده با حلقه های متعدد اضافی، پمپ ها و رادیاتورها تکیه می کند.هر حلقه دارای پمپ هایی است که می تواند به طور مشابه، کاوشگرهای عمیق فضایی مانند فضاپیمای وویجر، که اکنون بیش از ۴۵ سال به سفر خود، بسته به ژنراتورهای حرارتی الکتریکی رادیوزوتوپی (RTG) و کنترل حرارتی با مدارهای طولانی مدت اطمینان، سیستم های مستقیم است.

استراتژی های طراحی برای سیستم های حرارتی Redundant

مهندسان چندین استراتژی ثابت را برای ترکیب قرمزی در معماری های کنترل حرارتی به کار می برند.هر رویکرد دارای معاملات پیچیده، توده، قدرت و هزینه است.

سیستم های موازی و Redundancy فعال

چندین واحد کنترل حرارتی به طور همزمان با مکانیسم های تعویض که واحدهای پشتیبان را فعال می کنند، به عنوان مثال، حلقه های مایع می توانند پمپ های دوگانه داشته باشند، هر کدام قادر به حفظ جریان هستند.کنترل کنندگان الکترونیکی می توانند به یک حلقه خنک کننده ثانویه تبدیل شوند اگر سنسور دمای حلقه اصلی نتواند.سیستم های نظارت خودکار از الگوریتم های تشخیص خطا برای شناسایی ناهنجاری ها و شروع بدون مداخله انسانی استفاده می کنند.

معماری های مجتمع و توزیع شده

شکستن سیستم حرارتی به ماژول های مستقل اجازه می دهد تا واحدهای فردی جدا، دور زدن یا جایگزین شوند.به عنوان مثال، یک ماژول زیستگاه ممکن است اتوبوس حرارتی اختصاصی خود را با یک ماژول پشتیبان که می تواند به طور جداگانه به ماژول های دیگر متصل شود، طراحی مدولار همچنین تست و ادغام در زمین را ساده می کند. سیستم کنترل حرارتی فضاپیمای Orion استفاده از رادیاتور است که می تواند به طور جداگانه یا به طور جداگانه مستقر شود.

ویژگی های بازی-Level Redundancy

اجزای کلیدی مانند پمپ ها، دریچه ها، بخاری ها، سنسورها و کنترل کننده ها اغلب در یک زیرسیستم واحد تکرار می شوند. بخاری های قرمزرنگ اطمینان حاصل می کنند که خطوط یا باتری های ترمز شده یخ نمی زنند. سنسورهای دمای ردموندی یک اتصال متقابل را فراهم می کنند؛ اگر یک سنسور حرکت کند، دوقلوی آن می تواند برای کنترل خرابی استفاده شود. - اجزای امن طراحی شده اند تا به طور پیش فرض یک مخزن باز نکنند - به طوری که به گردش می رود که به طور پیش فرض ادامه می دهد که یک شیر باز است.

سیستم های Passive و Redundancy Inherent

روش های کنترل حرارتی Passive – مانند عایق چند لایه (MLI)، مواد تغییر فاز (PCM)، لوله های حرارتی و تسمه های حرارتی – به طور ذاتی ارائه قرمزی است زیرا آنها هیچ قطعات متحرکی ندارند، اگر یک لوله گرمایی نتواند، دیگران به طور موازی می توانند بار حرارت را تخلیه کنند و هنگامی که دما کاهش می یابد، آزاد می شوند، بدون در نظر گرفتن سیستم های کنترل طولانی مدت، یک بار بسیار مطمئن هستند.

چالش های در اجرای سیستم های Redundant

در حالی که Redundancy قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد، چالش های مهندسی قابل توجهی را معرفی می کند.

افزایش حجم و حجم

هر جزء اضافی توده را اضافه می کند، که دشمن ماموریت های فضایی به دلیل هزینه های پرتاب است. مهندسان باید به دقت هزینه های هر عنصر اضافی را تجزیه و تحلیل کنند.برای زمینداران سیاره ای، به ویژه مطالعات تجاری محدود می شود ارزیابی ریسک بی ثبات کننده برای توجیه اینکه در آن میزان قرمزی بیشترین بهبود قابل اطمینان را در هر کیلوگرم به دست می آورد.

پیچیدگی و توسعه

اجزای بیشتر به معنای رابط های بیشتر، سیم کشی بیشتر و حالت های شکست بالقوه تر است.ت.د.ت.د.ت.د.ف.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک برای مثال، باید آزمایش های گسترده ای را برای اطمینان از اینکه پشتیبان گیری های پشتیبان گیری های اولیه هنگام کار به طور تصادفی انجام نمی گرفتند و کار نمی کردند و تعمیر و تعمیر و تعمیر و تعمیر و تعمیر و تعمیر و تعمیر و کار کنند، باید خسته کننده ها هنوز هم کار کنند، آزمایش کنند، آزمایش شوند، آزمایش کنند، آزمایش کنند، آزمایش کنند.چ و شبیه سازی و آزمایش کنند.چ و آزمایش کنند.چ باید انجام دهند.چ و آزمایش کنند.چ و آزمایش کنند.چ و آزمایش کنند.چ باید انجام دهند.چ و آزمایش های حرارتی سیستم کنترل حرارتی سیستم کنترل حرارتی سیستم کنترل حرارتی و آزمایش های حرارتی و آزمایش های گسترده ای انجام دهند.چ انجام دهند.چ انجام دهند.چ.

صلیب-Strapping و Isolation

سیستم های ردموند باید جدا شوند تا از شکست در یکی از آنها جلوگیری کنند تا به انزوای برق، انزوای مایع و انزوای حرارتی تبدیل شوند، همه حیاتی هستند. Cross-strapping (منابع تقسیم شده بین زیر سیستم های مختلف) می تواند توده را کاهش دهد اما پیچیدگی در کنترل سیستم کنترل حرارتی ISS از حلقه های مسدود شده استفاده می کند که می توانند از زمین دوباره پیکربندی شوند.

بررسی های موردی: کنترل حرارتی Redundant در عمل

دانلود بازی Mars Rovers: کنجکاوی و آزار

مریخ نوردها نمونه ای از طراحی حرارتی اضافی هستند.آنها از ترکیبی از واحدهای بخاری رادیوزوتوپ (RHUs)، بخاری های الکتریکی و لوله های حرارتی استفاده می کنند. RHUs بدون در دسترس بودن قدرت، حرارت ثابت را فراهم می کند، در حالی که بخاری های الکتریکی توسط ترموستات ها کنترل می شوند. این مریخ نوردها دارای چندین سنسور دما در هر منطقه بحرانی هستند و نرم افزار پرواز می تواند مناطق بخاری را تغییر دهد اگر سنسور قرمز نتواند این عمر اصلی را زنده نگه دارد.

سیستم کنترل حرارتی ایستگاه فضایی بین المللی (TCS)

ISS از دو حلقه خنک کننده مستقل استفاده می کند: حلقه داخلی (آب) برای خدمه و تجهیزات و یک حلقه بیرونی (ammonia) برای رد گرما از طریق رادیاتورها، هر حلقه دارای پمپ های اضافی، عایق ها و کنترل کنندگان است. سیستم شامل حلقه های اضافی آمونیاک است که می تواند از طریق دریچه ها دوباره پیکربندی شود.

دانلود بازی Deep Space Probes: New Horizons و Voyager

افق های جدید که توسط پلوتو پرواز می کنند، از یک سیستم کنترل حرارتی عمدتا منفعل با بخاری های الکتریکی اضافی و ترموستات استفاده می کنند. اسپکسر فضاپیما ( پانل های قابل بازیافت که رد حرارت را کنترل می کنند) محرک های اضافی دارند. Voyager 1 و 2، در حال حاضر در فضای بین ستاره ای، به RTG برای قدرت و گرما متکی هستند. هر فضاپیما دارای مدارهای بخاری برای اجزای حیاتی مانند تجهیزات و ابزارهای علمی شدید است.

ماموریت های Lunar: برنامه آرتمیس

ماموریت های بعدی آرتمیس نیاز به کنترل حرارتی بر سطح ماه دارد، جایی که دما از -180 درجه سانتیگراد در شب به +120 درجه سانتیگراد در طول روز نوسان می کند. زمینداران و زیستگاه های ماه از حلقه های مایع اضافی با مواد تغییر فاز، پمپ های حرارتی و رادیاتورهای متغیر استفاده می کنند. این فلسفه بر روی عبور از زمین و زیستگاه تاکید می کند تا اطمینان حاصل شود که اگر یک سیستم عامل آسیب پذیر نباشد.

روند آینده در کنترل حرارتی Redundant

فن آوری های نوظهور وعده می دهند تا در هنگام کاهش جرم و پیچیدگی، کاهش یابند.[۱۰] تولید اضافی اجازه می دهد تا ساخت کانال های مایع پیچیده و مبدل های حرارتی که می توانند مسیرهای اضافی را به یک جزء واحد متصل کنند، Smart مواد مانند آلیاژهای شکل-memory می توانند به عنوان باز کردن ترموستات و مسدود کردن الکترونی بدون خطا، عمل کنند.

برای زیستگاه های بین سیاره ای، کنترل حرارتی واکنشی که می تواند خود را تعمیر کند - به عنوان مثال، با استفاده از پلیمرهای خود شفا بخش در خطوط مایع - نیز در حال توسعه هستند. shared Redundancy [ در سراسر فضاپیماهای چندگانه (به عنوان مثال، یک کاروان کوچک) می تواند یک سیستم انعطاف پذیری بزرگ را در سطح بالا فراهم کند.

ارجاعات خارجی برای خواندن بیشتر

نتیجه گیری

سیستم های کنترل حرارتی ردموند نه تنها لوکس بلکه یک ضرورت برای ماموریت های فضایی طولانی مدت است که تعمیر از طریق سیستم های موازی، طراحی مدولار، تکرار قطعات و راه حل های منفعل، مهندسان فراهم می کند اطمینان لازم برای مقاومت در برابر افراطی های غیر قابل پیش بینی فضا است.چالش توده، پیچیدگی و تأیید به طور مداوم توسط طراحی نوآورانه و آزمایش به عنوان ماموریت های گسترش مریخ، توسعه اصول اکتشاف و اکتشاف انسان، و اصول مهندسی حرارتی، و کشف سنگ بنای غیر قابل پیش بینی از سنگ بنای مهندسی انسان، و کشف انسان، حل های مهندسی و کشف مجدد.