מרקורי, הכוכב הקרוב ביותר לשמש, מציג אחד הסביבות התרמיות הבלתי נסלחות ביותר במערכת השמש.עם טמפרטורות פני השטח להגיע 430 מעלות צלזיוס (800 ° F) בצד השמש וצנרת ל -180°C (-290 °F) בצד האפל, כל חללית שהולכת לשם לשרוד טמפרטורות של מעל 600 מעלות צלזיוס במסלול יחיד, מרקורי חסר אווירה בינונית כדי לחקור את סודותיה הייחודיים של מערכות קירור אלה, כמו גם בעיות קירור ייחודיות, אשר מחייבות, אשר מחייבות מאוד, אשר ממושכות אותם, כמו גם את הסוללות ייחודיות, אשר מונעות, כמו שיטות קירור, כמו גם את הגמישות מאוד, כלומר, כמו שיטות קירור, כמו אלה, כמו אלה, כמו אלה, כמו אלה, כי יש צורך להתגבר על פני כדור הארץ, כי יש צורך להתגבר על פני כדור הארץ, כמו גם החידושים של טכניקות קירור יעיל של מערכות מדידה יעילה מאוד, כי יש צורך להתגבר על פני כדור הארץ, כמו גם החידושים של טכניקות קירור יעיל מאוד, כי יש צורך לשרוד החידושים של מערכות מדידה יעילה מאוד, כי יש צורך לשרוד החידושים של יותר יעיל של טכניקות קירור יעיל של טכניקות קירור של טכניקות קירור של יותר של יותר של יותר של טכניקות קירור יעיל של יותר של טכניקות קירור, כי יש צורך לשרוד את הסוללות איטי מאוד,

בסביבה הקרובה של מרקורי: A Closer Look

מרקורי מקיף את השמש במרחק ממוצע של 57.9 מיליון קילומטרים, בערך שליש ממרחק כדור הארץ. כי מסלולו הוא אקסצנטרי מאוד (החל מ 46 מיליון ק"מ בהנצחה ל-70 מיליון קילומטרים בפליון), הפיגור הסולארי משתנה על ידי גורם של כמעט 2.3. At Perihlion, הדיסק של השמש נראה יותר משלוש פעמים גדול מכדור הארץ, ו- 10 פעמים על ידי קרינת השמש / יותר מ- 10 פעמים על ידי קרינת השמש.

בעקבות קלט סולארי קיצוני זה, פני השטח של מרקורי אין אווירה מגן. a דקת exosphere של אטומים שהופשטו מן פני השטח קיים, אבל זה מספק בידוד תרמי רשלני או זיהום. כתוצאה מכך, היום צד סופג כמעט את כל האנרגיה הסולארית הנכנסת ומקרין אותו באופן לא יעיל.חוסר האווירה גם אומר שאין אפקט חממה כדי לשמור על חום בן לילה; הצד האפל סופג כמעט לטמפרטורות גורמות ישירות לקרוס.

גורם קריטי נוסף הוא הסיבוב האיטי של כדור הארץ מרקורי משלים סיבוב אחד כל 58.6 ימי כדור הארץ, אבל בגלל המהירות המקיפה שלו, יום סולארי אחד (מזריחת השמש) נמשך כ-176 ימי כדור הארץ.זה אומר שכל נקודה על פני השטח נחשפים לשמש אינטנסיבית במשך כמעט שלושה חודשים לפני שחווה תקופה ארוכה של חלל אפלה במסלול או על פני השטח חייב להתמודד עם עומסי חום גבוהים וארוכים במשך הלילה הארוך.

אתגרים מימון ב-Spacecraft Thermal Regulation

טמפרטורה מהירה

עבור חללית מקפת, המעבר מהצד השמשי אל צל של כדור הארץ יכול להתרחש בתוך דקות ספורות. בעוד החללית חוצה את ה-מונח, הטמפרטורה החיצונית שלה יכולה להתנדנד במאות מעלות. אלקטרוניקה רגישה, אופטיקה ומערכות הנעה אינם נועדו לשרוד זעזועים תרמיים פתאומיים כאלה ללא ניהול ייעודי.מערכת הבקרה התרמית חייבת להגיב במהירות מספיק כדי למנוע רכיבים מטווחי הטמפרטורה המוסמכות שלהם.

טמפרטורה גבוהה ואווירה Flux

השטף הסולארי העז במסלול מרקורי מציג איום ישיר על המבנה של החללית ועל עומסי השכר הפנימיים.משטחים לא מוגנים יכולים להגיע לטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס, אשר יכול לגרום לחומרים להפחתת, המפרקים הנמכרים להמיס, ו lubricants כדי להתאדות.אפילו הפסד קצר של שליטה בגישה שחושפת כלי רגיש לשטף השמש המלא עלול לגרום לנזק קבוע, ולכן יש צורך לטעון את השבר החמור ביותר.

נתיבי התחדשות חום מוגבלים

בוואקום של החלל, הדרך היחידה לשפוך חום עודף היא דרך קרינה תרמית.עם זאת, במרחק של מרקורי, רקע חלל הסביבה עדיין קר מאוד (כ 3 K) אבל הרדיוטורים של החללית, אם הצביעו לעבר השמש, יספגו יותר אנרגיה מאשר הם דוחים.זה יוצר קונפליקט בסיסי: על קורנטורים להיות מוכווני מהשמש ובתוך החלל העמוק, אך הם חייבים גם לשמור על טמפרטורה נמוכה מספיק כדי לסבך את תפקודם של חום-טבעי.

אופניים חמים

Spacecraft במרקורי מסלול ניסיון רכיבה תרמי חוזרת - לפעמים מאות או אלפי מחזורים לאורך חיי המשימה.כל מחזור מתרחב וחומרים חוזים, המוביל עייפות מכנית, מיקרו-קרינג, דלמנט של ציפויים תרמיים, ושחרר של ממריצים.זה בעייתי במיוחד עבור שמיכות מרובות שכבות בשבכי בידוד, רצועות תרמיות, ומפרקים מוכרים על לוחות אלקטרוניים.

אסטרטגיות בקרת ארסיות

Multi-Layer Insulation (MLI)

שמיכה MLI היא מרכיב עיקרי של עיצוב תרמי של חלליות.הם מורכבים ממספר שכבות של סרטים דקים, רפלקטיביים מופרדים על ידי Spacers, כל סגורה בכיסוי חיצוני. על משימות מרקורי, MLI חייב להיות מטופלים במיוחד כדי לעמוד בטמפרטורות גבוהות ללא גזים או דה-מורד. לדוגמה, השכבה החיצונית עשויה להיות מורכבת מפולימניד אלומיניום מכוסים עם קרמיקה לבנה כדי לשקף קרוב לקרני השמש הדומים וצפופים, בעוד שהם יכולים להיות מרעימים על פני השמש.

המונחים: Thermal-Conductivity Heat Spreaders

גם עם בידוד, כתמים חמים מקומיים יכולים לפתח שבו מרכיבים אלקטרוניים לייצר חום. פאסיבי חום מפוזרים גרפיט pyrolytic, נחושת-diamond מורכב, או חומרים פחמן פחמן פחמן משמשים כדי למנוע חום מחלקים רגישים להפיץ אותו על שטח גדול יותר.חומרים אלה יכולים להיות מוליכות תרמיות מעל 1500 W / mK, יריב. על meSSENGER, גרף גרף חום כדי להפיץ יחידות חום אחרים היו בשימוש גרף חום.

Thermal Coatings and Optical Solar Reflectors (OSRs)

בחירת קואט היא קריטית.גישה נפוצה היא להשתמש מראות דו-צדדיים (נקראים גם OSRs) המורכב שכבת דק של כסף או אלומיניום שהופקדה על quartz או זכוכית substrate. ציפויים אלה יש אבסורד סולארי נמוך (α s) ופלט אינפרא אדום גבוה (R) ולכן הם משקפים את רוב השמש תוך כדי קרינה יעילה יחסי השמש.

מגן חום וגן השמש

כדי להגן על מכשירים רגישים מפני קרינה סולארית ישירה, מגן השמש ייעודי מועסקים.הדבורים פלנטרית Orbiter (MPO) משתמש גדול, קבוע שמש עשוי כרייך של שכבות פחמן עתירי פחמן דו-חמצני מורכבים.מגן זה יכול לעמוד בטמפרטורות מתמשך מעל 600 מעלות צלזיוס ולהגן על החללית וכלי רבים של שפעת השמש המלא.

Thermal Fits ו-Radators

רצועות מפוארות שנעשו מחוש נחושת או אלומיניום מגרדות המחברות יחידות ייצור חום לקרינים חללית. רדיטורים הם בדרך כלל לוחות דבש אלומיניום צבועים עם צבע לבן או מכוסה עם OSRs. על מעבורות מרקורי, קורנטורים ממוקמים בצד האנטי-שמשי של החללית ולעתים קרובות כוללים סוגרי רדיו או גוון כי להתאים את אזור החום מבוסס על טמפרטורה.

מערכות בקרה ארסיות Active Thermal control

צינורות חום וצנרת חום

צינורות חום פסיביים משתמשים בפעולה capillary כדי להעביר חום מקטע evaporator חם לחלק קונסר מגניב יותר.הם אמינים מאוד כי אין להם חלקים נעים.עבור משימות מרקורי, צינורות חום חייבים לטפל טמפרטורות evaporator גבוהות ו ⁇ תרמי גדול. Loop צינורות חום (LHPs) לספק אפילו יכולת תחבורה חום גבוהה יותר ויכול לפעול נגד כוח הכבידה נגד שני.

סימול: Single-Phase Fluid Loops

במקרים מסוימים, לולאות נוזלים פעילים עם משאבה מכנית משמשים.מערכות אלה מסובכות קריר (לעתים קרובות פחמימן פלואוריןated או מתכת נוזלית כמו גליום) באמצעות מחליף חום המוקף על מקור החום ולאחר מכן לרדיורדיאטור.לאות נוזל מוחזר מציעים בקרת טמפרטורה מעולה ויכול לטפל בשפעת חום גדולה, אבל הם דורשים משאבות, שסתום, ואלקטרוניקה שמוסיפים מסה משמעותית (ה) כדי ליצור לולאות חום (ה מכנית חום) שימושיתות (ה) חומרת חום (ה) חומר מכנית חום (ה) שימושיתות (ה) חומר מכנית) וגרם) שימושיתות (ה) כדי ליצור מכובשת חום גדול יותר).

היטרס השולטים באופן קיצוני

במהלך הליקוי או כאשר החללית נמצאת בחלל עמוק, טמפרטורות יכולות ליפול מתחת לגבולות התפעול. תנורי חום קטנים מתנגדים ממוקמים ליד רכיבים קריטיים, כגון ערכות סוללות וטרפי כוכבים, והם עוברים על ידי thermostats או פקודות תוכנה.תקציב הכוח של תנורי חום מתוכנן בקפידה להבטיח הישרדות במהלך החלקים האפלים ביותר של המשימה.

שינוי חומרים (PCMs)

PCMs סופג חום על ידי התכה בטמפרטורה קבועה ושחרור חום כאשר הם להקפיא. הם יכולים להחליק את ספייק הטמפרטורה מבלי להוסיף כוח חשמלי.עבור משימות מרקורי, PCMs עתירי גבוה כגון ליתיום פלואוריד (נקודת 845 מעלות צלזיוס) או מלחים אקוטיים נחשבים לאחסון חום במהלך טעינה סולרית.

שיעורים מהעבר ומשימת ההווה

10 (1973–1975)

החללית הראשונה שביקרה במרקורי, מארינר 10, טסה על ידי כדור הארץ שלוש פעמים.זה השתמש בשילוב של מאלי, שמיכה תרמית מטומטמת, ושמיכות תרמיות רפלקות רפלקטיביות כדי להתמודד עם החום.העיצוב התרמי שלו היה פשוט יחסית כי הוא מעולם לא נכנס למסלול; הוא רק בילה כמה שעות ליד מרקורי לפשיטת רגל.

מנסגיר (2004–2015)

MeSSENGER הייתה החללית הראשונה למסלול מרקורי.מערכת הבקרה התרמית שלה הציגה שמש גדולה (מפוס קרמיקה), משטח חיצוני רפלקטיבי, צינורות חום, ו לולאה מכנית של Freon עבור המקריין הראשי שלה.במיוחד, החללית הייתה אמורה לשמש ארכיטקטורת "חם-סוף": היא כינה את השמש שלה כלפי השמש בכל הזמנים, כולל את שאר כלי החלל שלה, כולל 20 מעלות צלזיוס, אשר פעלו על פני השטח, למרות הטמפרטורות האחוריות שלה, כולל, 000, 000, נשמרו האחוריות, 000 (C) היה מופעל על פני השטח של ארבע מעלות צלזיוס, כולל זה היה מופעל על פני השטח של ארבע שנים, כולל זה היה מופעל על פני השטח של ארבע מעלות צלזיוס, למרות הטמפרטורות האחוריות על פני השטח.

BepiColombo (2018-הווה, מסלול)

BepiColombo, משימה משותפת ESA /jaXA, מורכב משני נתבים: מרקורי פלנטרי Orbiter (MPO) ואת מרקורי מגנטית Orbiter (MMO) המערכת התרמית שלה הוא המתקדם ביותר עד כה.השלב מתחיל השמש הפורסה, רב שכבתי בידוד, צינורות, נוזל מואצת עבור מערכת ההנעה, ומבנה גבוה מתוכנן כדי להפעיל את השמש המודולרית שלה, מתוכנן לשימושים מגנטיים באורך 20.

חידושים בחומרים ומקפלים

‪High-Temperature Composites‬

פחמן-פחמן (C / C) מורכב, עשוי סיבי פחמן משובצים במטריקס פחמן, יכול לעמוד בטמפרטורות מעל 1,000 מעלות צלזיוס עם התרחבות תרמית נמוכה. הם משמשים עבור השמש bepiColombo ו עבור "שורר כפול" של האנטנה גבוהה של MPO. חומר מבטיח נוסף הוא סיליקון carbide (SiC), המציע התנהגות תרמית גבוהה ויציבות.

הסתגלות ומשתנה -Emittance Coating

המחקר נמשך לחומרים שיכולים לשנות את הנפלט שלהם בתגובה לטמפרטורה.לדוגמה, ונדרום דו חמצני (VO2) עובר מעבר מתכת-ממריץ ב-68 מעלות צלזיוס, מעבר ממצב של זיהום נמוך למצב של זיהום גבוה, החל ציפוי כזה לרדיוטור יאפשר לו לשפוך יותר חום כאשר חום חם וחום כאשר קר, ללא מעברים ניסיוניים אלה עדיין נבדקו על ציפויים קטנים.

אלקטרוניקה חוזרת

אלקטרוניקה מבוססת סיליקון מסורתית לא יכולה לפעול מעל 125 מעלות צלזיוס עבור משימות מרקורי, מהנדסים משתמשים בטכניקות סיליקון על---inulator (SOI) או מוליכים למחצה רחב פסגהפ (carbide , gium nitride) שיכול לתפקד ב 300 מעלות צלזיוס או גבוה יותר.זה מקטין את הנטל על שליטה תרמית כי כמה אלקטרוניקה יכול לסבול את הסביבה המקומית ללא קירור אגרסיבי.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

Superconductors for מגנטית

אם הוכח כי מוליכים סופר-מדומים בעלי טמפרטורה גבוהה יכולים לשמש כדי ליצור שדות מגנטיים חזקים שמבדילים חלקיקי רוח השמש, צמצום חימום מסערות השמש.מערכות אלה ידרוש קירור לטמפרטורות Cryogenic, שהוא מורכב ליד מרקורי, אבל יכול להיות משולב עם הארכיטקטורה התרמית של החללית.

פאנלים משולבים / סטריקט

במקום לצרף קורנטורים ו בידוד כפריטים נפרדים, חלליות עתידיות עשויות להשתמש "פאנלים מבניים thermal" המשלבים עומס, התנהגות חום, ומשטחי קרינה במבנה כרייך יחיד.זה יקטין את המסה ולשפר ביצועים תרמיים. 3D מודפס ⁇ עם מבנים פנימיים לשילוב חום-פיפות הם דוגמא אחת.

ניהול אורביט מבוסס Thermal Management

כמה מושגים המשימה מציעים באמצעות מסלול סינכרוני שמש אשר שומר את החללית ב twilight קבוע, המאפשר לו לראות את השמש רק בזווית זעזוע.זה להפחית את חימום שיא אבל גבולות כיסוי של הצד האפל. עבור ארצם עתידיים או אלרנטים, גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) עשויים לשמש כדי לשמור על עומס השכר במהלך הלילה הארוך, מאוזנת על ידי קירור פעיל במהלך היום.

מסקנה

הרגולציה העוצמתית של החללית בסביבה החום הקיצוני של מרקורי היא אתגר הנדסי רב-פנים המונע חדשנות משמעותית בחומרים, ציפויים, רכיבי תחבורה חום ועיצוב ברמה של מערכת-על-ידי שילוב של בידוד פסיבי, ציפויים רפלקטיביים, צינורות חום, ולוויות קירור פעיל, מהנדסים פיתחו סוללות אשר יכולים לשרוד תנודות טמפרטורה של יותר מ-600 מעלות צלזיוס.