התפקיד הקרוסילי של נכסים על פני השטח בחללcraft Thermal control

כל חללית, מקוביסט קטן ועד ללוח הדגל של חקירה בין כוכבית, פועלת בתוך המעטפה תרמית צרה.מערכת הבקרה התרמית (TCS) אחראית לשמירה על טמפרטורות הלוח בתוך המעטפה הזאת, הבטחת תפקוד אלקטרוניקה, סוללות לשמור על יכולת, ויושרה מבנית נשמרת.בלב של בקרה פסיבית היא בעלת פני השטח החיצוניים של החללית ε.

עם זאת, הסביבה החלל רחוקה מאיט.במשך חודשים ושנים של חשיפה, פני השטח של החללית עוברים השפלה איטית אך חסרת רחמים המכונה הזדקנות פני השטח.תהליך ההזדקנות הזה משנה את התכונות האופטיות מאוד שהונדסו בקפידה בשיגור.הבנה כיצד ההזדקנות של פני השטח מתקדמת, מה מניע אותה, וכיצד היא משפיעה על תוחלת החיים של TCS, תכנון מערכות חזקות, תכנון פעיל של נטיות זה לחקור את ההשלכות של מחזוריות עמוק של משימות ממושכות.

הפיזיקה של Spacecraft Thermal control

כדי להעריך את האיום שמציב ההזדקנות על פני השטח, יש להבין תחילה את משוואה האיזון התרמית הבסיסית השולטת בכל אובייקט מקיף. חללית בחלל מקבלת חום בעיקר משלושה מקורות: קרינה סולארית ישירה, משתקפת קרינה סולארית (אלבדו) מכוכב לכת סמוך, וקרינה אינפרא אדום פלנטרית פלנטרית.זה דוחה חום על ידי קרינה אינפרא אדום לתוך חלל עמוק.

משטחים גבוהים של כיס, כגון אלה המצופה בצבע שחור, לעזור קורנל עודף חום ביעילות. משטחים של השמש נמוכה, כמו צבע לבן או צ'פלין מכסף, מצמצם את רווח החום מהשמש. משטחים תרמיים מתקדמים רבים משתמשים בכיסויים מתקדמים אחרים של משמרות חום (למשל, רפיחים אופטיים או OSRs) שיש להם רווח נמוך מאוד (αFreave:0) אפילו טמפרטורות חום גבוהות יותר (מעליות).

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • (ב) ⁇ :0) ,סורת אבסורפטיות (α): פיזור 1: 1 של אנרגיה סולארית מקרית נספגת.
  • (בלטינית:0) Emittance (ε): ibph:1) יעילות של דחיית חום רדיואקטיבית.רוב צבעי השליטה התרמית יש ε > 0.8.
  • (FLT:0α/Ratio:FLT:1) טמפרטורה של איזון דקלינס.יחס נמוך פירושו פעולה קרירה יותר; יחס גבוה הוא חם יותר.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מעצבי Spacecraft מודל תכונות אלה וכוללים שוליות עבור ההשפלה.מודלים של ההשפלה הטיפוסיים מניחים עלייה הדרגתית ב-α של 0.005 ל- 0.015 בשנה במסלול הגיאוגרפי (GEO), אך שיעורי בפועל יכולים להיות גבוהים יותר בהתאם למסלול, חומרים ופעילות השמש.

מכניזם של Surface Aging

ההזדקנות על פני השטח אינה תהליך יחיד אלא אוסף של מנגנוני השפלה שפועלים באופן סינרגי.החומרה תלויה בסביבת החלל ספציפית למסלול: גובה, נטייה, שלב מחזור השמש, ומקורות מקומיים של זיהום.

אולטרה סגול (UV) קרינה

פוטונים UV, במיוחד בטווח ה-UVC (100–280 nm), יש מספיק אנרגיה כדי לשבור אג"ח כימי בפולימרים וציפויים.לאורך זמן, חשיפה UV גורמת לחשיכה (הרווחה ב-α) בצבעי בקרה תרמיים לבנים רבים.חומר החייב בציפוי כגון AZ500 Z93 או MAP (שימוש בתחנת החלל הבינלאומית) עובר photo-oxidation, ויצר צבע הנראה לספוג חומרים אור-OL) ב-OLS (בדומה ל-OLVal) ב-OLValware) ב-OLValware למשך אלפי חומרים קסומים.

חמצן אטומי (AO) Erosion

במסלול כדור הארץ נמוך (LEO), חמצן אטומי הוא האיום העיקרי של האטמוספרה של כדור הארץ בגובהי טלסקופ מכילים אטומי חמצן נייטרליים וניתוק אשר מתנגשים עם משטחי חלל במהירויות יחסית עד 7-8 ק"מ / s. אלה השפעות אנרגטיות erode חומרים אורגניים כמו קפטון, סרטי פולימידיים (שימוש ברבים בגליון), ועוד הרבה צבע יכול למזער את הציפוי השטח האופטיים (או-או-או-או-או- ⁇ ) באופן מהיר יותר, כלומר, כלומר, כלומר, ייתכן שרידים, כלומר, כלומר, חסומים מהירים יותר, חסומים, חסומים של משטחים, כלומר, כלומר, כלומר, חסומים אופטיים, הם עלולים, הם יכולים להפחית את הציפויים (או-או-או-על פני השטח) של חומר מכניקהיליים, כלומר, כלומר, חסומים מהירים יותר, חומרים אורגניים, כלומר, חומרים אורגניים, כמו קפטים, כמו קפטון, חומרים אורגניים, כמו קפטון, כמו קפטון, כמו קפטים, כמו קפטים, כמו קפטמיים, כמו קפטפטים, חומרים אורגניים, חומרים אורגניים (

מיקרומטרורואיד ואורביטאל דביריס (MMOD) השפעות

השפעות גבוהות של מיקרומטראוסטרואידים חלקיקים זעירים ליצור מכתשים, מתפתל, ומדידה על ציפויים תרמיים, בעוד השפעה קטנה אחת עשויה להיות רשלנית, אפקטים מצטברים לאורך שנים יכול להגדיל את החוספס משטח ולשנות α ו ⁇ MM יכול גם puncture multi-layer insulations, יצירת "כתמים חמים" על קרינה או גורם למתחים מקומיים.

אופניים חמים

בכל פעם חללית עוברת מאור השמש לתוך צל (והפך), משטחה חווה תנודות טמפרטורה שיכולה לעלות על 200 מעלות צלזיוס עבור כמה מסלולים. מחזורים תרמיים אלה מציגים מתח מכני עקב התרחבות שונה וההתכווצות של שכבות. מעל אלפי מחזורים, הלחץ הזה יכול לגרום מיקרו-C עבור כמה מסלולים, דלמנטום, ואובדן של חומר בסיס ל-UV ו-AOccelerating ביצועים מקומיים של משקף גם את הפחתת השבר או מזכוכית השנייה של מצופה.

זיהום

Outgassing מחומרי חלל (למשל, דבקים, תרכובות, חומרי גלם, lubricants) הפיק סרטים דקים על משטחים קרים.סרטים אלה יכולים לפחמן מתחת לקרינת UV, ויצרו פולימרים חום או כהה אשר מגבירים את ההימנעות השמש. Contamination הוא בעייתי במיוחד עבור משטחים אופטיים ורדיומדומים.

מערכת בקרת ה-Thermal Control System Longevity

ההשפעה המצטברת של הזדקנות פני השטח היא סחף איטי בתכונות אופטיות מנקודת העיצוב.חשב לוויין תקשורת גיאוסטציונרי עם רדיודיאטורים לבנים-מקודמים שנועדו לשמור על שכר ב 25 מעלות צלזיוס לאחר 10 שנים, עלייה טיפוסית של α של 0.1 עלולה לגרום לטמפרטורה של עלייה של 5-10 מעלות צלזיוס, ה-TCS חייב לפצות, בדרך כלל על ידי הגדלת כוח לחשמל על נתיבים קרים או להסתגל לעמדות חום גבוהות יותר, אם הן יכולות חום גבוהות יותר.

דוגמאות בעולם האמיתי ממחישות את החומרה:

  • (FLT:0Landsat 5:FLT:1) המפת המתמטית שלה חווה חריגות תרמיות לאחר שנים במסלול, קשורה חלקית להשפלה של משטחי הרדיו הפסיביים שלה.
  • לווייני FLT:0GPS: 1FLT:1 כמה לווייני בלוק II ראו ירידה תרמית איטיה מצפופת עקב ציפויים טובים יותר, אך עדיין נדרש התאמות ניהול תרמיות מעל 10+ שנים חיים.
  • טלסקופ החלל של אטל:0 (החלים) 1FLT:1 החליפו משימות של שמיכה תרמית מזורזת ותיקון בידוד פגומים כדי להפחית את ההתחממות של מכשירים.

למשימות חלל עמוקות, שבהן סולקס סוליחת השמש (למשל, יופיטר), ההזדקנות איטית אך עדיין קריטית משום שרדיונים חייבים לעבוד בטמפרטורות נמוכות מאוד.התחמשות משטחים יכולים לפעול גם כצורה של הזדקנות מואצת.

ההשלכות על תוחלת החיים של המשימה ברורות: אם ה-TCS לא יכולה לשמור על הסביבה התרמית הנדרשת בתוך סמכות הכוח והשליטה הזמינה שלה, החללית חייבת להיות לפרוש מוקדם או לקבל סיכון של כשל רכיב.חיזוי ביצועי תרמית מקצה-חיים הוא חלק מרכזי בתכנון המשימה, מודלים מדויקים ההזדקנות הם הכרחיים.

אסטרטגיות מייגציה וחומרים מתקדמים

מהנדסים פיתחו ערכת כלים של אסטרטגיות כדי למנוע הזדקנות משטח ולהרחיב את תוחלת החיים של TCS. אלה יכולים להיות מחולקים באופן רחב (1) שיפור חומרים וציפויים, (2) שולי עיצוב וטקטיקות תפעוליות, ו-(3) ניטור פעיל ותגמול.

כוונונים מתקדמים וחומרים

ציפוי בקרה תרמי מודרני נועד ליציבות ראשונית α / ε.

  • (FLT:0Ceramic-based Paints: AZFLT:1 , כגון AZ-93, Z-93P ו MAP-P2. אלה משתמשים תחמוצת אבץ או אחיקה בקובץ סיליקון, המציע יציבות טובה יותר UV מאשר צבע אורגני מוקדם יותר. Newer ניסוחים (למשל, צבע סליי" או "צבע אופטי לחלוטין") הראו ירידה נמוכה כמו α / 0.0 שנים.
  • (FLT:0 Second-surface Mirrors:FLT:1 OSRs באמצעות quartz או ceria-doped זכוכית הם יציבים מאוד.הם תקן הזהב עבור קרינת GEO.
  • (FLT:0) ציפויי פולטים ניתנים לפלט: ⁇ F1) חומרים אלקטרו-כרומטיים ותרמוכרומטיים יכולים להתאים את ⁇ ם בתגובה לטמפרטורה או למתח, ומאפשר פיצוי פעיל עבור ההזדקנות.הפיתוח של נאס"א של קורנטורים בעלי רגישות משתנה (למשל, Eittance Thermal Radiator או VE) מבטיח לחללית עתידית.
  • (FLT:0) פולימרים עמידים לחמצן: FIRLT:1) הוספת שכבות מגן של SiO2, אל2O3, או פולימרים פלואורניים (למשל, Teflon FEP) לשמיכה וסרטים מפחיתים את שיעורי שחיקה AO.

עיצוב Margins ו-Actal Tactics

ברמת המערכת, מהנדסים כוללים שוליות עבור ההידרדרות של החיים.לדוגמה, הם עשויים לציין אזור רדיור 10-20% גדול יותר ממה שנדרש בתחילת החיים, כך שגם עם α גבוה יותר, הקריין יכול לדחות מספיק חום.הם עשויים גם לעצב תנורים עם יכולת נוספת ולהקצות יותר תקציב חשמל עבור ניהול תרמי.

מעקב בטיסה ו- Calibration

הידיעה על ההשפלה האמיתית בזמן אמת מאפשרת למפעילי קרקע להתאים מודלים תרמיים ותכנון.חללית רבה ממשיכה את המחוונים, מערךי רדיומטר או קופונים עדים קטנים שנמדדים מעת לעת כדי לעקוב אחר α ושינויים .The FLT:0NASAFLT:1 פרסם הנחיות על שימוש בנתונים אלה כדי לעדכן מודלים תרמיים.

כיוונים עתידיים: לקראת התעלות עצמית וחוכמה

במבט קדימה, החוקרים בוחנים גישות חדשניות להזדקנות על פני השטח של ממשית.שני דרכים מבטיחות הן חומרי שימור עצמי ומערכות ניהול תרמי אינטליגנטיות.

(ב) ,0) ציפוי ההפלה של ה-FLT:1 (הכולל מיקרו-capsulesules של סוכני ריפוי שמפוזרים כאשר סדקים, שחרור חומר המחזר את הפער, בעוד עדיין ניסיוני עבור יישומים בחלל, ציפויים כאלה יכולים להרחיב באופן דרמטי את חיי משטחים תרמיים על ידי תיקון נזק מיקרומטראואידים ומיקרו-קאקים מאופניים תרמיים (F2: ESA מוקדם) ממומן מחקר עצמי מורכב עבור מבנים פולימרים.

(FLT:0) מערכות בקרה תרמיות של אופטונומיות (FLT:1) עם חיישנים משובצים ורכיבים פעילים יכולים להסתגל לשינוי תכונות פני השטח.חללית העתיד עשויה להשתמש בקרינים הניתנים לפרוס עם נטייה מתאימה (sail) קורנטורים, לולאות נוזלים עם שסתום עקפים, או קירורים מוצקים של מדינתיים שיכולים להגביר את החום באופן מקומי.

לבסוף, ייצור תוספים (3D הדפסה) פותח את הדלת לייצור קורנטורים עם מרקמים משטח אופטימיזציה או ציפויים מדורגים המשלבים את המולד הגבוהה, אבסרטוטים נמוכים, וחוסן ל-AO ו-UV.FLT:0NASAphFLT:1 חוקר ציפויי בקרה תרמיים 3D שניתן ליישם במהלך משימות ארוכות טווח.

מסקנה

הזדקנות משטח חלל היא תוצאה בלתי נמנעת של פעילות בסביבה החלל הקשה.ההשפלה של תכונות אופטיות - במיוחד אימפולסים סולאריים ופלט אינפרא אדום - מאתגר באופן ישיר את היכולת של מערכות בקרה תרמיות לשמור על טמפרטורות יציבות לאורך שנים או עשורים.הבנת המנגנונים הבסיסיים (UV, AO, MMOD, רכיבה על אופניים תרמיים, זיהום) מאפשר לנבא את הביצועים היציבים והעיצובים של מערכות מתקדמות יותר, בעוד שעדיין משפרות של מערכת קרמיקה, עדיין משפרת חומרים מתקדמים יותר, כמו קרמיקה, גם את יציבות מתקדמת יותר, קרמיקה, קרמיקה, מילימטרית, מילימטרית, מילימטרית, מילימטרית, MMOD, מילימטרית, מילימטרית, מילימטרית, מילימטרית, MMOD, מילימטרית, מילימטרית, מילימטרית, MMOD, מילימטרית, MMOD, מילימטרית, מילימטרית, מילימטרית, חסימתירה, חסימתירה, חסימתירה, חסימתירה, חסימתירה, חסימתירה יותר, חסימתירה, חסימתירה, חסימתירה יותר, חסימתירה יותר, מילימטרית, חסימתירה יותר, מילימטרית,