מבוא

בקרת חלל נותרה אחת הדיסציפלינות המאתגרות ביותר בהנדסת אוויר.הפעלה בוואקום של החלל, החללית חייבת לשאת תנודות טמפרטורה קיצוניות - מהחום המתפתל של אור השמש הישיר מעל 120 מעלות צלזיוס ועד לקור העמוק של אזורים שנופלים מתחת ל-200 מעלות צלזיוס. במקביל, על אלקטרוניקה, מערכות הנעה, וכלי מדעי מייצרים חום משמעותיים שיש לדחות כדי למנוע כשלון מסורתי, כמו גם פתרונות גמישים, אך הם מפעילים יותר ויותר, אך ורקמות לכדי הגבלת חום, אך ורקמות, אך ורק לכדי יכולת קירור גבוהה יותר ויותר, אך ורק לכדי הגבלת זמן, בתנאי קירור:

ארכיון תגיות: Microfluidic Cooling Channels

מה הם ערוצים מיקרו-השפעהיים?

ערוצים מיקרו-השפעהיים הם בדיוק מקובעים עם ממדים אופייניים על סדר של עשרות עד מאות מיקרומטרים - בערך קוטר של שיער אנושי. הם מוטבעים בתוך אלמנטים מבניים כגון לוחות דבש, צלחות קרות או אפילו את ה-Safassis של תיבות אלקטרוניות. Coolant זורם דרך הערוצים האלה, סופג חום באמצעות הדבקה כפויה.

אספקת חום מכניזם

העברה חמה בערוצי מיקרו-השפעה פסיבית יכולה להתרחש באמצעות עיצובים חד-פעמיים (קירור שלב נוזלי) או שתי-phase רותחים (התקררות ממושכות) פשוטים יותר וצפויים יותר; הם מסתמכים על יכולת חום גבוהה ספציפית גבוהה במיוחד (למשל, מים, אמוניה, או נוזלים דיאלקטריים) ועלייה בטמפרטורה לאורך ערוץ 2- 2, 000 ליטרים של נוזל חום גבוה יותר, לעתים קרובות, עם שטף חום גבוה יותר - עם ⁇ חום - עם ⁇ .

שילוב עם Spacecraft Structures

הכוח האמיתי של קירור מיקרו-השפעהי טמונה ביכולתו להפוך לחלק בלתי נפרד מהחללית עצמה. ערוצים יכולים להיות מעוכבים ישירות לתוך אלומיניום או גליונות פנים מורכבים של לוחות כריכים, להפוך את המבנה כולו למגרש חום.זה מבטל את הצורך בלוחות קרים נפרדים או צינורות חום, צמצום הן שיטות מגע מתקדמות ומהירות, כגון דיפוזיה או דביקות, מאפשר חיבורים מעגליים קצרים, אפילו לשילוב מיקרוסקופי חשמל אלקטרוניקה.

יתרונות במערכות בקרת הירומאל

השוואת צינורות חום

צינורות חום משמשים נרחב בחלליות עבור תחבורה חום פסיבית, אבל יש להם מגבלות בסיסיות. הם מסתמכים על פעולה capillary להחזיר condensate, מה שהופך אותם רגישים אוריינטציה - בעיה משמעותית במהלך ההשקה והתמרונים שלהם אורך התחבורה התרמית האפקטיבי שלהם הוא בדרך כלל מוגבל לכמה מטרים, והם לא יכולים להתמודד עם פלוקסים חום גבוה בחלקים קטנים ללא פיתוח ערוצי אלקטרוליטיים יבשים, על ידי משאבה דלת או לחץ נמוך יותר על פני השטח יכול גם לספק גם על פני השטח.

המונחים: Pumped Fluid Loops

לולאות נוזליות מומשות (PFLs) להשתמש ברשת של צינורות, שסתום, משאבות, ורדיוators.הם כבדים, מסיביים, ו נוטה להדליף במפרקים מכניים. המשאבה והאקומולטור מוסיפים סיכונים חד-פעמיים חד-פעמיים במיקרו-נקודות, גם בערוצי מיקרו-אפקטיביים להפחית באופן דרסטי את נפח הנוזלים ומחלחלים על ידי שילוב המעברים לתוך המבנה.

עקבו אחרי Passive Radiators

קורנטורים קבועים יעילים בדחיית חום לחלל עמוק, אך דורשים אזורי משטח גדולים ולעתים קרובות צריך להיות פרוס ומוכוון מהשמש. הגודל שלהם ומשקל להטיל מגבלות חמורות על עיצוב חלליות. קירור מיקרופלודי יכול להתרכז חום לתוך רדיון קטן ויעיל יותר - או אפילו לחסל קורנטורים ייעודיים על ידי דחיית חום על פני כל החללית.

יתרונות עיקריים

  • (ב) ,0) עיצוב משקל אור: 1FLT מבטל צלחות קרות נפרדות, צינורות חום, וצנרת כבדה; מסה ערוץ היא בלתי סבירה יחסית למסה של פאנל.
  • יחס פני השטח הגבוה:0 (Enhanced Efficiency: ⁇ 1) גבוה פני השטח לנפח מספק מקדם העברת חום עד 50,000 W/m2K בזרימת שתי נקודות; בקרת טמפרטורה מדויקת בתוך ±1 ° C.
  • (FLT:0)איכותיות: רשתות זרימה 1:1 ניתן להתאים עבור CubeSats (10 ס"מ) למודולים גדולים (10+ מ"ר); צפיפות ערוצים יכולה להיות מגוונת כדי להתאים עומסי חום מקומיים.
  • (ב) ⁇ :0) אחריות: מספר 1 של מפרקים מכניים קטנים יותר וחלקים נעים; הסיכון דליפה מופחת באמצעות ייצור מונוליטי; משאבות ניתן לפסול.
  • (ב) ⁇ :0) עצמאות אורנטית: 1FLT:1 אין גבולות; פעולה זהה מיקרוגרביטציה, כוח הכבידה הירחי או האצה.

חומרים וחדשנות ייצור

חומרים נבחרים

הבחירה של חומר למבנה המיקרו-השפעה תלויה בהתנהלות תרמית, תאימות עם יישומים מגניבים, coefficient של התרחבות תרמית (CTE) התאמה עם אלקטרוניקה, וקלות של ייצור.סיליקון הוא תקן עבור אבטיפוס מחקר בגלל של תהליכי מיקרו-פטרון המבוססים שלה (צילום: CLC) ותפקוד תרמי גבוה יותר (pvmington) הוא גם שימוש ב- 60-Ls) ו- Cackreton (מפרקים) הוא שימוש נרחב יותר של מתחים (מפרקים) ו-160King) עם סיליקון (מפרקים) ו-CDC) עם סיליקון נמוך יותר (מפרקטיקאי-CDC) ו-CDC) הוא מסוגל יותר (מתאים יותר ל-CDC) ו-160 ליטרים (מתאים (מסוגל-160 ליטרים) ו-Clithide (מתאים יותר ל-R.

שיטות ייצור

אטיגרד וליתוגרפיה

עבור סיליקון וזכוכית substrates, ion reactive עמוק ionching (DRIE) יוצר ערוצים אנכיים ממוצבים עם יחסים היבטים גבוהים (עד 20:1) Photolithography מגדיר את דפוס הערוץ עם דיוק micrometer.ה wfer הנדנדנדנדנדנדנדאז מחובר ללוח כיסוי (קשר נודי לזכוכית, היתוך עבור סיליקון) כדי לאטום את הערוצים. גישה זו נפוצה עבור אזורים חד-כיים בודדים (אך מוגבל 100 מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ מוגבל)

ייצור תוספת (3D הדפסה)

ייצור תוסף מתכת - במיוחד אבקת לייזר היתוך (LPBF) של אלומיניום או titanium ⁇ s - מאפשר יצירת של FLT:0complex, שלוש ממדים רשתות ערוץ 1 LT:1 כי הם בלתי אפשרי לייצר על ידי מאצ'ינג קונבנציונלי. ערוצים עם חלקים נחושת גמישים, סניף כדי להתנצלות, ותוממים יכולים להיות בנוי ישירות לתוך לוחות מבניים לדוגמה, frac-like-regicials לצמצום של חלקי אלקטרו-Jet (Dicicials) לצמצום של פיזור (מפרקים) של תאים מרובים של פיזור אלקטרו-Dicials) ולהפחית גם כן, כולל של תאים מרובים של פיזור (מסוגים).

לייזר מייבינג ו-Beling

לייזר micromachining (femto השני או ננו השני הדופק) יכול לערוצים במכות, קרמיקה ופולימרים עם נזק תרמי ליד אפס אפס.זה שימושי במיוחד עבור prototyping קטן אצות או יצירת ערוצים במבנים לפני הרכיבה. Diffusion אגורות של גלי מתכת חרק לייצר לוחות מונוליטיים עם ערוצים פנימיים.

חומרים עצמיים ומתקדמים

אחד מגבולות המחקר המרגשים ביותר הוא פיתוח של סוכני ריפוי (FLT:0) עצמו-הההה של ערוצים מיקרו-השפעהיים FLT:1 ; מיקרו-capsules המכילים סוכני ריפוי (למשל, Cyanoacrylate או שני חלקים epoxy) מוטבעים בקירות ערוץ. כאשר סדק או דליפה מתרחשת, קפסולות rupture ו-Rivervening, חסימת הקונספט האוטונומי הוא גם מ-PTicialreative.

ניהול עשיר בסביבה קיצונית

השפעות וקרינה

בוואקום של החלל, העברת חום אחיד לסביבה נעדרת, כך שכל חום הפסולת חייב בסופו של דבר להיות נדחה על ידי קרינה.ערוצי מיקרופלודיטיס לא ישירות קורנת חום, אבל הם ביעילות תחבורה חום מאלקטרוניקה לקרינה על פני השטח.הערוצים עצמם חייבים להיות מעוצבים כדי למנוע מנעול Vapor (שני מערכות מיקוד) ולהבטיח כי כל גזים מקרר או חותם לא מקלקלים לא מדבקים רגישים.

שיקולים מיקרוגרפיים

קירור מיקרו-השפעהי דו-זמנית הופך מורכב יותר במיקרו-גרביטטי.הבועה המונעת על ידי ביווי אינה קיימת; בועות נוטות לפחם ולייצר גושים ארוכים שיכולים לחסום ערוצים.כדי להתגבר על זה, כמה טכניקות נמצאות תחת חקירה: התאמת פני השטח רטובים כדי לקדם עזיבת בועות, באמצעות כוחות צנטריפוגה ממכשירים מסובבים, או שימוש בחשמל למניפולציה של שדות (אפקט מיקרו-דלקתיבית) ליד בועות-אוויר (אפקטים).

טווח טמפרטורה ובחירת Coolant

בקרת טמפרטורה תרמית Spacecraft משתרעת על טווחי טמפרטורה רחב מאוד.עבור טמפרטורות בינוניות (0 מעלות צלזיוס ל -100 מעלות צלזיוס), קירור מבוסס מים הם יעילים אך דורשים הגנה קפואה - בדרך כלל על ידי הוספת גליקול או באמצעות תערובת מים-ammonia. Ammonia היא נוזל עבודה משותף עבור צינורות חום ומשאבות שומן (מצטבר -3C בשעה 1m), אבל רעילות שלה וגמישות עם חומרים קלים), אבל טיפול אירובי (Ked) יש צורך בזהירות.

מחקרים ויישומים נוכחיים

נאס"א: High Power Electronics Cooling

נאס"א של המשימה של טכנולוגיית החלל של נאס"א (STMD) מממנת כמה פרויקטים על קירור מיקרו-השפעה עבור אלקטרוניקה חשמל בלוויינים.דוגמה בולטת היא פיתוח של צלחת קרה מיקרו-השפעה משולבת לדור הבא 100V /200A כוח להמיר את המערכת משתמשת דחיית אלומיניום ממולאת 3D-printed עם 500 מיקרומטר ו- חד-פעמי (HFE-7 ° CS בלבד בדיקות חום).

בקרת מיקרופלודיקליקה של ESA עבור לוויינים קטנים

סוכנות החלל האירופית (ESA) יש תוכניות מחקר לחקור קירור מיקרו-השפעה עבור CubeSats ולוויינים קטנים.תחת "ניהול ראשי של המערכת הירומית עבור CubeSats" יוזמה, ESA העריך פאנל המכיל microchannels מקבילים המזינים על ידי משאבה קטנה אדזואלקטרית.המערכת הפגינה ירידה של 60% בטמפרטורה של 10 משדרי WR בהשוואה לשחיקה פסיבית.

Cooling for Mars Rovers

המעבדה להנעה של נאס"א (JPL) חקרה קירור מיקרו-השפעה עבור אלקטרוניקה קריטית וסוללות על מאדים אישורים.הסביבה על מאדים מציגה הן ⁇ s תרמיים גבוהים וטעינה אבק. JPL פיתחה תחליף חום מיקרו-קלימי שעולה ישירות על חבילות רולר (RJcun) אך השימוש בתערובת גליקול מים נשמר בתוך טווח אידיאלי 10-30 מעלות צלזיוס, למרות שלא שופץ למנה, עדיין לא שופץ לסיבוב הקר, למרות שעדיין לא שופץ לסיבוב היבשה.

אימוץ מסחרי של יצרני לווין

חברות פרטיות כמו FLT:0 ;SpaceXFLT 1 ו-FLT:2Lockheed MartinFLT 3 ידועות לשלב פתרונות תרמיים מתקדמים בלוויינים שלהם, אם כי פרטים ספציפיים הם לעתים קרובות קנייניים. עם זאת, דוחות ציבוריים מצביעים על כך ש-SpaceX's Starlinks השתמש בשילוב של לולאות קירור נוזליות וערוצים מוטבעים באנטנות בשלב שלהם.

כיוונים עתידיים ואתגרים

מערכות מותאמות עצמית והתאמה

משימות חלל עמוקות עתידיות, כגון מסע מאויש למאדים, ידרוש מערכות בקרה תרמיות שיכולות לשרוד במשך שנים ללא תחזוקה.ערוצי מיקרו-השפעה עצמית, כפי שהוזכר קודם לכן, הן תחת פיתוח פעיל.חוקרים באוניברסיטת אילינוי הוכיחו מיקרו-ערוצים פולימידיים החותם מיקרו-מפרס בתוך שניות לאחר גילוי של לחץ.

שילוב עם פיקוח על-Board ו-AI

מערכות מיקרו-השפעה חכמות יכילו חייזרי זרימה זעירים (FLT:0irmal Flowחיישנים FevolveFLT:1) וערכי טמפרטורה להאכיל נתונים לבקר בינה מלאכותית (AI) ה-AI יכול לחזות עומסים תרמיים ולהתאים את מהירות המשאבה או הפצה קירור לייעל ביצועים תוך צמצום צריכת החשמל של נאס"א.יכולת הסתגלות זו חיונית למשימות מחקר עם עומסים תרמיים, כגון פלנטריים שפועלים במרכז למידה פעיל של נאס"א.

אתגרים לOvercome

  • (FLT:0Clogging וזיהום: FIRLT:1) פרטיקטים פסולת מייצור או ללבוש יכולים לחסום ערוצים.מערכות חייבות לכלול מסננים מקוונים ולאפשר לשטף.
  • (FLT:0) Press Dropure:FLT 1 Long, ערוצי סלנדר גורמים לאובדן לחץ משמעותי, הדורש כוח משאבה גבוה יותר.אופטימיזציה של גיאומטריה ערוץ (למשל, הוספת צלעות או שימוש בערוצי צלילה) יכולה להפחית את זה.
  • (FLT:0 Two-Phase Flow Instability: ⁇ 1) במיקרו-גרביטציה יכול להוביל לזרימת תנודות ו-ייבוש-out. Passive שלב מפרידים, כגון מלמברנס, נדרשים להפריד נוזל ו vaporly.
  • (FLT:0)ניהול של סולם-Up:cioFLT:1) ,ההפיכת מאות לוחות עם ערוצים בעלי תכונות גבוהות מחייבת תהליכים הניתנים להשגה, זולים.
  • (FLT:0System אינטגרציה בדיקה: FLT:1) אימות קירור מיקרו-השפעה בוואקום ותנאים מיקרו-גרביטפריים יקר. Drop Towers, טיסות פרבוליות, וניסויים ISS משמשים אך מוגבלים.

חזון ארוך טווח: אדריכלות היברידית

שום טכנולוגיה אחת לא תפתור את כל האתגרים התרמיים של החללית.העתיד שוכן בארכיטקטורה היברידית המשלבת ערוצי מיקרו-השפעה עם צינורות חום, שינויים בשלב חומרים (PCMs), וצנרת חום לולאה. לדוגמה, רדיור מבוזר יכול להשתמש בנק PCM כדי לספוג עומסי חום שיא, בעוד מיקרו-השפעהיבית להפיץ את הקמפיין המדומז ל-PCM.

מסקנה

ערוצי קירור מיקרו-השפעה מייצגים שינוי פרדיגמטי בשליטה תרמית של החללית.על ידי הטמעת מסלולים נוזליים בקנה מידה זעיר ישירות לתוך אלמנטים מבניים, מהנדסים יכולים להשיג יעילות העברת חום חסרת תקדים, חיסכון מסיבי דרמטי, ופעולה חזקה מעבר לקיצוניות של החלל.התקדמות בייצור תוספים, חומרי הינע עצמית, ניטור חכם מגביר את הבשלות של טכנולוגיה זו, בעודם נשארים - במיוחד ב 2-PTS, ו-Dics-Dateics-Dateic-Dated-Dreatives-Dateic-Dateric-Dateric-Ric-Ric-Date, הופך את ה-Date-Dirdial של כלי רכב, הופך יותר, ו-cotraidic בקרת תהליכים מתקדמים יותר, ו-Dateiceric Control-cotraidating כוח, ו-cotraidating כוח-cotraidating כוח-indialericericericialericialericialericialericialericialericials-in-in-cotraidating כוח, ו-cotraidating כוח, ו-intraidating כוח, ו-in-in-in-in-

(הופנה מהדף נאס"א) ראו את הסקירה האחרונה של נאס"א על טכנולוגיות בקרה תרמיות מתקדמות: (FLT:1 NASA Game-Changing Development - Thermal Management FigFLT:2; ומאמר מחקר מקיף ב-Applied Thermal Engineering: FLT 3: Two-Phase Microchanneling CoolFLT:4 ).