ההתפשטות המהירה של קבוצות לווייניות קטנות – המכונה לעתים קרובות לווייני חרוט - הפכה את כדור הארץ תצפית, תקשורת ומחקר מדעי.רשתות אלה של עשרות אלפי חלליות זעירות, בדרך כלל קוטביות או קטנטנים מתחת 10 ק"ג, לפעול במסלול כדור הארץ נמוך (LEO) קרוב זה לזה. בעוד הגודל הקטן והמודולריות שלהם מאפשרים פריסה יעילה ורמתית, הם מציגים אתגרים תרמיים של מערכת ההפעלה שלהם, שלא ניתן להתגבר על פני השטח הקומפקטית כוח קומפקטית, אשר אינם יכולים להבטיח, באופן משמעותי, בניגוד לעצימה, או לעצימה, באופן משמעותי, כלומר, באופן בלעדי, על פני השטח הקומפקטי, בעוד שבסיסם, על פני השטח הקומפקטי, בעוד שברשותם, על מנת להבטיח, על בסיס יעיל, על בסיס יעיל, בעוד שברשותם, על בסיס יעיל, בעוד שגורמים רדיואקטיביים, על בסיס יעיל, על בסיס יעיל, על מנת להבטיח, על בסיס קבוע, על פני השטח הקומפקטי, בעוד שגורמים רדיואקטיביים, על בסיס אחד.

ניהול תרמי בוואקום של החלל מסתמך כמעט אך ורק על העברת חום והתנהלות באמצעות מבנים פנימיים.קונבנס – מנגנון הקירור הדומיננטי על כדור הארץ – נעדר. במהלך תקופת מסלול טיפוסית, לוויין חבור עשוי לחוות תנודות מ-170 מעלות צלזיוס בליייל ל- +120 מעלות צלזיוס באור שמש ישיר.ללא בקרה תרמית נאותה, רכיבים רגישים כגון סוללות, וחיישנים יכולים לחוות תנודות גדולות יותר, כמו גם להשפעות של חלליות מורכבות, כמו גם לא יכולות להדהים, כמו למערכות יחסים, כמו למערכות יחסים מורכבות יותר, כמו למערכות יחסים של לוויינים.

אתגרים ב-Thermal Dissipation for Swarm Satellites

האופי הקומפקטי של לווייני חרוט יוצר קבוצה של אתגרים תרמיים מקושרים שמתכננים חייבים לטפל בשלבים המוקדמים ביותר של הפיתוח.הרשימה הבאה מתארת את הקשיים העיקריים.

שטח שטח שטח שטח מוגבל וכרך

A טיפוסי 3U CubeSat יש שטח פני השטח של בערך 0.15 מ"ר ונפח פנימי של רק 3 ליטרים. Power dissipation מאלקטרוניקה על הסיפון יכול להגיע 20-30 וואט במהלך פעולות שיא. Rejecting חום זה רק דרך לוחות חיצוניים קטנים דורש משטחים גבוהים וחלוקה זהירה של עומסי חום.

מטען כבד ב-Miniaturized Electronics

רכיבים זעירים כגון מערך השערים שניתן להעלות על פני השטח (FPGAs), משדרי רדיו וגלגלי תגובה מייצרים גלי חום מרוכזים שיכולים לעלות על 10 W/2 במקרים מסוימים.ללא התפשטות יעילה, נקודות חמות אלה יכולות לעלות במהירות על מגבלות הטמפרטורה המסורתיות.

קרינה - קרינת חום

בוואקום של החלל, המנגנון היחיד לדחיית חום הפסולת לסביבה הוא קרינה תרמית.חוק סטפאן-בולצמן מכתיב כי סולמות גלי חום רדיואקטיביות ככוח הרביעי של טמפרטורה מוחלטת.כדי לדחות כמות מסוימת של חום, לוויין חייב להעלות את הטמפרטורה הרדיואקטיבית שלו, אשר מציב קונפליקט עם מגבלות טמפרטורה אלקטרוניות.

מחזורי טמפרטורה קיצוניים

לוויין ב- LEO עשוי לחוות 15-16 מחזורי חימום וקירור ליום, מעבר מהצטננות עמוקה לשפעת השמש אינטנסיבית תוך דקות.רכיבה תרמית זו גורמת ללחץ מכני על מפרקי מכר, דבקים, וממשקים מבניים. transients מהירים יכולים להשפיע גם על הדיוק של חיישני הגישה כגון עוקבים כוכבים ורגיסקופים.

Inter-Satellite Thermal Interference

לווייני סוודר הפועלים בתצורות קרובות יכולים להחליף חום על ידי קרינה. לוויין בצל של השכן עשוי לקבל פחות חימום סולארי, בעוד לוויין שהרדיורטור שלו עומד בפני חללית צפופה חמה עשוי לחוות ביצועים מופחתים.אפקט זה הופך בולט יותר ככל עלייה בדחיסות לוויין ויש מודל במהלך עיצוב סטיישן.

אינטגרציה וממשק TERCINS

האדריכלות המודולרית של CubeSats מסתמכת על ממשקים סטנדרטיים, כגון PC / 104 לוחות מחסנים. ממשקים אלה לעתים קרובות יש מוליכות תרמית ירודה עקב מחברים דקים ופערים אוויריים. Heat חייב לנסוע דרך מפרקים מכניים מרובים כדי להגיע אל ה-Assassis ו-Rareators, כל אחד מוסיף התנגדות תרמית. Thermal Pastes, ממריצים, ורצועות חום מותאם אישית משמשים אך הם מורכבים ועלויות.

גישות חדשניות לדיסיפוציה

מהנדסים וחוקרים הגיבו לאתגרים אלה עם מגוון רחב של טכניקות חדשניות המנצלות התקדמות בתחום מדעי החומרים, הייצור וההנדסת המערכת.הסעיפים הבאים מפורטים את הגישות המבטיחות ביותר כיום להיות פרוסים או פותחים עבור לווייני חרוש.

חומרים לשינוי שלב (PCMs) לאחסון אנרגיה עוברי

שינויים שלב חומרים סופגים חום במהלך שלב מעבר - באופן חד-משמעי מחוזק לנוזל - ללא עלייה משמעותית בטמפרטורה. כאשר הלוויין נכנס ליקוי קר, PCM מוצק ושחררים מאוחסנים חום, לחות תנודות טמפרטורה. Common PCMs עבור יישומי חלל כוללים שעווה פרפין (נקודת חימום סביב 40-70 מעלות צלזיוס), חומצות שומן, ומלחים לחות היתרונות העיקריים עבור חוטפים, הם מגבלות כוח, לחץ פסיבי, יעילות הדופק שלהם אפס.

מחקר עדכני התמקד בשיפור מוליכות תרמית של PCMs - אשר הוא נמוך באופן טבעי - על ידי פיזור אותם עם קצף מתכת, סיבי פחמן, או גרפן מזחלות. לדוגמה, מחקר במימון נאס"א הראה כי קצף paraffin / graphite מורכב יכול להפחית טמפרטורות כתמים חמים על ידי 15-20 מעלות צלזיוס במבחן קוביות.

מגבלות של PCMs כוללות את הצורך בהכילה, דליפות פוטנציאלית לאחר מחזורים רבים, ועונשי משקל עבור ההמונים גדולים אחסון תרמי.עם זאת, עבור לווייני חבור עם אירועים לטווח קצר כוח גבוה (למשל, נתונים פיצוצים קישורים), PCMs מציעים פתרון אלגנטי הדורש לא חלקים נעים או בקרה אלקטרוניקה.

רדיטורים וצנרת חום

כדי להגדיל את אזור רדיור יעיל ללא הרחבת המעטפה הלוויין, קורנטורים מבוזרים כי מתפתח לאחר ההשקה פותחו. מבנים אלה יכולים להיות מקודדים במהלך ההשקה ולאחר מכן לפרוס על מסלול, מתן שטח משטח נוסף עבור דחיית חום רדיואקטיבית.מניזם כולל כימות בצורת-זיכרון, בומדומים מונעים באביב, ופאנלים ממונעים.דוגמה היא הרדיואקטיביים מטכנולוגיות מתקדמות, אשר משתמשת סגסוגת קירור לכדי להרחיב את יכולת צינורות חום ל- 3 מ-מוח.

צינורות חום עצמם הם טכנולוגיה בוגרת, אבל גרסאות מיניות מותאמות ללוויינים קטנים ראו לאחרונה חידושים. Constant Conductance תנורי חום (CCHPs) באמצעות אמוניה, propylene, או מים כמו נוזל עבודה יכול להעביר עשרות וואט על פני מרחקים של 20-30 ס"מ עם ירידה של רק כמה מעלות חום (LHPs) ו- capillary משאבות אוויריות (R) אפילו כדי לספק להם נוזל חשמליות חשמליות לטווח ארוך יותר.

« מעילים חמים ומשטחים

התכונות הרדיואקטיביות של משטחים לווייניים - רפיחים סולריים (α) וכתובות אינפרא אדום (ε) - קובעות כמה יעיל החום נדחה.משקפים סולאריים מסורתיים (OSRs) או קלטות Teflon משולם מציעים יחסי α /α אבל הם שבריריים ויקרים עבור לוויינים קטנים. Newer כוללים צבעים לבנים עם גמישות גבוהה (<) ו- 0.22xts) ו-upit נמוך (כגון גילוח נמוך) כגון ⁇ -xtupit (xtative) או RED) או REDLOS-V2xtupit (RVupit) או RED) או RED) או RED) או RED VPS (xtupit נמוך (RS (DPS (DPS) או RED) או RED) או RPS (R) על ידי ⁇ נמוך (xtupited) או RED) על ידי ⁇ נמוך (Rite נמוך (RS) או RPS (DPS (Rite) על ידי ⁇ נמוך (RS) או RPTS) על ידי ⁇ נמוך (xaping) או RED) אבל הם גמישהורד

ציפוי אלקטרו-חרוטמי ומשתנה-הכישור מאפשר ללוויינים לכוונון באופן פעיל את התכונות הרדיואקטיביות שלו.לדוגמה, מיקרו-לובר ארי שפותח ב-MIT משתמש בפעולת אלקטרוסטטית כדי לפתוח או לסגור להבים מיקרוסקופיים מיקרוסקופיים, שינוי הנישאות היעילות של פני השטח מ 0.15 ל-0.5 טכנולוגיה זו, עדיין בשלב המעבדה, מבטיח שליטה על חום ללא הפרעות נעות, יכול להתאים באופן דומה לרקמות של כוכבי הלכת של כוכבי הלכת של לוויינים.

Active Thermal Control with Micro-Louvers and Thermoelectric Coolers

כאשר שיטות פסיביות אינן מספיקות, בקרה תרמית פעילה יכולה לספק רגולציה טמפרטורה מדויקת עבור רכיבים קריטיים.מיקרו-וורסים - צמיגים אלקטרוסטטיים פועלים באופן אטומי - יכול לשנות את האזור הרדיאלי היעיל של פאנל.הם הוכחו לראשונה על הניסוי של נאס"א מ- 9 ולהציע חלופה בעלת כוח נמוך למתגים מכניים.עבור לווייני חרוט, מיקרו-דור יכול לשמש כדי לחשוף באופן סלקטיבי או לבודד על טמפרטורות מטלמטמות.

קרירים אנדרומואלקטריים (TECs), המבוססים על אפקט Peltier, יכולים להזרים חום מרכיב קר לשקע חם, אבל המקדם הנמוך שלהם של ביצועים (COP) וצריכת חשמל (בדרך כלל מספר וואט) להגביל את היישום שלהם על שבבים מאומצים כוח, עם זאת, עבור חיישנים הדורשים טמפרטורות יציבות מאוד (למשל, מצלמות אופטיות או גלאי אינפרא אדום), משמשים לעתים קרובות חומרים קצרים יותר, כמו ננואידים.

תנורי חימום עמידים נשארים שיטה פשוטה ואמינה להעלאת טמפרטורות הרכיב במהלך מצבי הליקוי או ההישרדות.המפתח הוא למזער מסה חום וכוח.רוב אוטובוסים של קובייתש כוללים כמה תנורים מבוקרים באופן תרמוסטטי להישרדות מערכת סוללות ומניעה.שילוב של תנורי חום עם מתגים תרמיים - כגון מכשירים עם שעווה-מתוכמים שנפתחים נתיב רק כאשר חם - יכול להפחית את הכוח לעמוד.

ניהול אסטרקטי: חום, מפיץ ומ'LILI

חום נעים באופן יעיל מאלקטרוניקה פנימית ל- chassis או רדיורטור הוא קריטי. רצועות ה-rmal עשויים מחבילות גמישות של סיבים מוליכים גבוהה - כגון pyrolytic גרפיט גיליון (PGS) או נחושת - יכול לגשר פערים עם התנגדות תרמית נמוכה. PGS יש מוליכות תרמית של 700-1500 W / mK) ב-planeing, יהלום, וניתן להטמיע כעת כמה סוללות כדי להטמיעוכותרות.

מפיץ חום יכול גם להשתלב ישירות לתוך לוחות מעגלים מודפסים (PCBs) באמצעות מנעולים מלאים נחושת ו ליבות מתכת. אלה "פוסט-בי-בי-בי-בי-בי-בי-בי-בי-בי-בי- PCB"מ" מאפשרים רכיבים חמים לבצע חום מאוחר יותר כדי לצבור נקודות.

אסטרטגיות מערכתיות ומבצעיות לקונסטלציה

ניהול תרמי מרחיב מעבר לבחירות חומרה.מבצעי המשימה יכולים להשפיע על התנהגות תרמית באמצעות אוריינטציה מסלול, תזמון וניהול חשמל מתואמת.לדוגמה, על ידי הצבעה על פני הרדיור הגדול ביותר של הלוויין בחלל עמוק תוך שמירה על לוחות סולאריים קצה לשמש, דחיית חום ניתן למקסם וקליטת השמש מצמצם.מפעילי סובור יכולים לתכנן נתונים למטה במהלך הליקוי כדי להפחית עומס תרמי ולאפשר ללוויינים להירגע על פני כמה מערכות יחסים "מדומים" כדי למנוע גישה של חשמל ".

מודלים תרמיים מתקדמים באמצעות ניתוח אלמנטים סופי (FEA) במהלך שלב העיצוב הוא עכשיו סטנדרטי עבור משימות קוביות.מודלים תאומים דיגיטליים הדומים כי סימולציה תגובה תרמית מסלולית לעזור לחזות התפלגות טמפרטורה ולאמת אלגוריתמים שליטה.עבור נחילים, מודל זה חייב לקחת בחשבון עבור גורמים תצפית קרינה בין-סליט ומחזורי בקרה עצביים מדחף.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

הדרישות של קבוצות כוכבים הדור הבא - כולל קישורים לייזר בין-כוכבי, תקשורת גבוהה-פסווי, ועיבוד על-אוביט - ידחפו דרישות תרמיות אפילו יותר.כמה דרכים חיתוך-פרזה מבטיחות לשפר את יכולות הניתוק התרמיות תוך שמירה על תקציבי ההמונים והכוח החיוניים ללווינים חבורים.

חומרים גמישים וחכמים

צורה של ⁇ זיכרון (SMAs) יכול לפעול כמו מתגים תרמיים, שינוי התנהגות תרמית שלהם כאשר הם עוברים מעבר שלב מרטינסיטי. מכשיר שנעשה מ- ניקל-טיtanium SMA יכול לעבור ממוליכים נמוך למצב מוליכות גבוהה בטמפרטורה טרום-סט, המאפשר חום לזרום לרדיוטור רק כאשר צריך.

אינטליגנציה מלאכותית וחיזוי השליטה

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לנתח טלמטארי מאלפי לווינים כדי לחזות התנהגות תרמית וייעל הגדרות בקרה בזמן אמת.לדוגמה, רשת עצבית מאומנת על נתוני טמפרטורה היסטוריים יכולה לחזות את ההשפעה התרמית של רצף מתוכנן של כוח, המאפשר ללוויינים למזג את פעילות הרדיונית או לוח הזמנים שלה במהלך שלב מסלול קבוע קריר יותר.ת של קבוצות כוכבים שלמות מאפשרות בדיקות וגילוי של סוכנות החלל האירופית OATS הפגינו גישות מורכבות בתחום ה- AI.

ייצור תוספתי עבור פתרונות משולבים

ייצור אדקטיבית (3D הדפסה) מאפשר יצירת של תרכובות מורכבות עבור צינורות חום, קורנטורים, ומפיצים חום מבניים כי יהיה בלתי אפשרי מכונה באופן קונבנציונלי.ד טיטניום ואלומיניום מרכיבים יכול לשלב ערוצים פנימיים עבור תחבורה חום דו-phase, מבנים ל- lattice עבור חילופי חום קלים, ותואמים נתיבים תרמיים לעקוב אחר המעטפה של נאס"א.

התחדשות חום מעבר ל- LEO: ננופלואידים ו-Lminescence שלילי

במבט קדימה, שיטות דחיית חום מתקדמות יכולות לאפשר הפעלה נפוחה בסביבות קיצוניות יותר, כגון מסלול הירח או חלל עמוק. צינורות חום מבוססי ננוקליד - שימוש בהשעיות של חלקיקים כדי לשפר את ההתנהגות התרמית - נחקרים עבור קירור כדור הארץ וייתכן למצוא יישומים חלל אם בעיות יציבות מיקרוגרביט נפתרות עוד מושג אקזוטי הוא קירור שלילי, שבו משטח סמיכות פולטים בתצלומים גבוהים יותר מאשר גלי חום אחד עדיין יכול לספק ביעילות.

מסקנה

לווייני סוודר מייצגים שינוי פרדיגמטי באדריכלות החלל, אך הצלחתם מתפתלת לפתרון האתגר הבסיסי של פירוק תרמי בסביבה קומפקטית, מלוטשת המונים, וסביבת בעלות גבוהה.הגישות החדשניות המתוארות – החל ממחשבים פסיביים ומקרינים פורסים כדי להמשיך בציפוי ראייה ולשלוט ב-AI – אינן רק tweaks, אלא אבולוציה הכרחית של ניהול תרמילי, ככל שמגדלים מאות קבוצות חיים, או שיפור, כדי לשפר את יעילותם של חומרים ממערכות חיים גבוהות יותר, או יותר, או יותר, או יותר, כך, כך, יהיו בטווח הארוך יותר, באמצעות שימוש ב-50,000 כלי בקרה, או יותר, כך, כדי לשפר את פני כדור הארץ, או יותר, או יותר, כך, כך, כך, או יותר, על פני כדור הארץ, או יותר, על פני מערכות בקרה, למערכות בקרה ממערכות בקרה, יהיו יותר, יהיו יותר, על פני כדור הארץ, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, או יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר של מערכות בקרה על ידי שימוש בתעשיות מתקדמות יותר, אשר יהיו יותר, אשר יהיו יותר, אשר

עבור מהנדסים ומתכננים המשימה, המסר ברור: עיצוב תרמי חייב להיות גבוה מתוך דאגה משנית לנהג הראשי של אדריכלות חלליות. על ידי אימוץ גישות חדשניות אלה, הדור הבא של לווייני חבור לא רק לשרוד את המציאות התרמית הקשה של החלל אלא גם לשגשג בו.