Table of Contents
האתגר הקריטי של תקנה תרמית בחלל
חלל פועל באחת מהסביבות הלא סלחניות ביותר הידועות לאנושות.בסיבוב כדור הארץ נמוך, לוויין יכול לחוות טמפרטורות החל מ-140 מעלות צלזיוס בצל כדור הארץ ל- +120 מעלות צלזיוס באור השמש הישיר.התנו התרמית של קרוב ל-300 מעלות צלזיוס יכולה להתרחש תוך דקות כמו החללית חוצה את ה-Nortbitator בין יום ולילה.עבורות מעבר למסלול כדור הארץ - לירח, מאדים או החיצוני - הקפאות הקיצוניות, אפילו אלקטרוניקה, ללא מגבלות חמורות יותר, ללא מגבלות, יהיו מתוחכמות, או אלקטרוניקה, או אלקטרוניקה, ללא מגבלות חמורות יותר, או אלקטרוניקה, או אלקטרוניקה, ומערכת חיים מתוחכמות יותר, ללא מגבלות חמורות יותר, ללא מגבלות חמורות יותר, ללא מגבלות, או אלקטרוניקה, לא אלקטרוניקה, או אלקטרוניקה, או אלקטרוניקה, או , או , או אלקטרוניקה, ללא מגבלות חמורות יותר, לא אלקטרוניקה, לא , לא תהפך לכדי אלקטרוניקה, ללא מגבלות חמורות יותר, ללא מגבלות חמורות יותר, או אלקטרוניקה, לא אלקטרוניקה, לא אלקטרוניקה, לא תהפך לשיטות בלתי ניתנות, לא אלקטרוניקה, לא תקרוסלה, בטווח הארוך יותר, לא תקרוסלה, לא תהפך לפסוחכות, לא אלקטרוניקה מתוחכמות
מערכות בקרה תרמיות מסורתיות מסתמכות על שיטות פעילות כגון תנורים, קורנטורים ומשאבות מכניות שמפיצות מגניבות.גישות אלה, תוך יעילות, צורכות כוח יקר, להוסיף משקל, ומציגות חלקים נעים שיכולים להיכשל. חלופה אטרקטיבית יותר היא השימוש בניהול פסיבי דרך FLT:0phase שינוי חומרים (PCs)FLT:1 . חומרים אלה ממינוף הפיזיקה של חום מאוחר לספוג או כמויות גדולות של אנרגיה יעילה כמעט, תוך שמירה על טמפרטורה יעילה, תוך שמירה על משקל קבוע, תוך שמירה על משקל קבוע.
הבנת חומרים לשינוי שלב: הפיזיקה שמאחורי הטכנולוגיה
חומר שינוי שלב הוא כל חומר סופג או משחרר כמות משמעותית של חום מאוחר כאשר הוא עובר בין מצבים מוצקים ונוזלים (או לפעמים בין שלבים אחרים כגון מעברים מוצקים-סוליים) שלא כמו חום הגיוני, אשר מעלה את הטמפרטורה של חומר, חום מאוחר נספג או שוחרר בטמפרטורה קבועה במהלך המעבר.
יעילותו של PCM נמדדת על ידי מערכת ההפעלה שלה:0 (חום לא עקבי של היתוך 1LT) (במובן מסוים ב J/g או kJ / kg) של חלליות PCMs של כיתה משותפת יש חום מאוחר החל מ-150 עד 300 kJ / ק"ג - גבוה באופן דרמטי מאשר יכולת החום של מתכות, מים, או חומרים אחסון הגיוני אחר, זה מאפשר צפיפות גבוהה יחסית של חומר חמצן נמוך של תאים ניידים.
פיתוח היסטורי ובקשות מוקדמות בחלל
השימוש במחשבים בחלל אינו מושג חדש.0.NASA החל לחקור את חומרי שינוי שלב לשליטה תרמית בשנות ה-60 של המאה ה-1, במהלך תוכנית אפולו, כאשר מהנדסים צריכים להגן על מכשירים עדינים מן הסביבה התרמית הקיצונית של מסלול הירח.יישומים מוקדמים השתמשו במשכי חממה פשוטים כדי לשפר את העברת החום.
כיום, כמעט כל הלוויינים המודרניים – מפלטפורמות תקשורת גיאוסטציונריות ועד לקוויקס של כדור הארץ הנמוך – PCMs של תעסוקה בצורה מסוימת.כפי שמשימות צומחות יותר ויותר שאפתניות, התפקיד של PCMs ממשיך להתרחב, עם חוקרים מפתחים חומרים מתקדמים, חומרים מיקרו-מבודדים ומערכות היברידיות המשלבות מחשבים עם בקרה פעילה.
כיצד מחשבים אישיים Ms Integrate into Spacecraft Thermal control Systems
חומרי שינוי שלב אינם בשימוש בבידוד.הם משולבים בדרך כלל לתוך תת-מערכת בקרה תרמית לצד אלמנטים אחרים כגון רדיונים, צינורות חום, רצועות תרמיות, ו insulating שמיכה.PCM שוכן במבנה המכילה - לעתים קרובות קצף מתכת מוליכים גבוה, מאטריקס גרפיט גרפיט גרפיט, או encapsulated פולימר - המבטיח טוב להתר חום למקור או מסגסוגת זה הוא חלק ישיר (מ"ל) מסגסוגת חום.
במהלך עומס חום שיא - כגון כאשר לוויין עולה מן הליקוי לתוך אור השמש המלא - PCM סופג את האנרגיה התרמית עודף, שמירה על המרכיב בטווח התפעולי הבטוח שלה למשך הזמן של ה- transient. as the Warm העומס יורד (למשל, במהלך הליקוי או שלב כוח נמוך), PCM משחרר את האנרגיה המאוחסן שלה, מונע את הטמפרטורה מלהפיל במהירות רבה מדי.
דוגמאות למשימה
סוגים של חומרים לשינוי שלב בשימוש בחלל
בחירת מחשב עבור משימת חלל תלויה במספר גורמים: נקודת ההריסה הנדרשת, יכולת חום מאוחרת, מוליכות תרמית, צפיפות, יציבות לטווח ארוך תחת ריק וקרינה, והתאמה עם חומרי המכילה.קטגוריות הבאות הן הנפוצה ביותר.
Paraffin Waxes
שעווה פרפין הם המחשב הנפוץ ביותר בחלליות בגלל העלות הנמוכה שלהם, חום מאוחר גבוה (עד 260 kJ / ק"ג), אינטונציה כימית, וזמינות עם נקודות התכה מדויקות על טווח רחב (בדרך כלל 30 מעלות C עד 70 מעלות צלזיוס) הם לא רעילים ויציבים תחת ואקום.עם זאת, פרפרפין יש התנהגות תרמית נמוכה (כ - 0.2 W / m), אשר דורש שימוש גרפים המבוססים על גבי מתכת, כולל מטבוליזם של מספר גרפים, כולל אטומים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 על גבי שטח, 000, 000, 000, 000, 000, 000 על שטח אחסון, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,
מלחים
מלח hydrates, כגון סידן chloride hexahydrate (CaCl26H2O) ו נתרן sulfate decahydrate (Na2SO410H2O), מציעים חום מאוד גבוה מאוד מאוחר טווח - לעתים מעל 300 kJ / ק"ג - אשר יתרון כאשר חלל הוא מחוספס גבוה יותר מאשר פרפין (עד 1.0 / 0) ל-Folate נוזל ארוך (מ"מ) מ-fol-fol-fate) יכול להיות מוגבל לאחר זמן קצר לאחר מכן נוזל עד בינונית (מטווח ארוך) עם זאת, 000) עם זאת, 000 ארוך (מטווח ארוך (מטווח ארוך (מטווח ארוך) עם זאת הוא מוגבל) עם זאת, 000) עם זאת, 000) עם זאת, 000) עם זאת, 000 מוגבל על ידי ניקוי גבוה יותר מאשר עם זאת, 000 מוגבל על ידי ניקוי גבוה יותר מאשר עם זאת, 000 ארוך (מטווח ארוך (מטווח ארוך (מטווח ארוך (מטווח ארוך (מטווח ארוך (מטווח קצר לאחר מכן הוא מוגבל) עם לחץ על ידי נוזל (מטווח ארוך (מטווח) עם זאת, 000) עם זאת, 000) עם זאת, 000) עם זאת, 000 מוגבל על ידי
חומצות שומן ופצעים אורגניים
PCMs אורגני כגון חומצה קדמית, חומצה דקלית, תערובת אקוטית של חומצות שומן הם biodegradable, לא רעיל, ויש להם התנהגות מתיסה עקבית.ההתנהגות התרמית שלהם היא גם נמוכה, אבל הם יכולים להיות מלוטשים בפגזי פולימר או מוטבעים במכוני פולימרים. הם אטרקטיביים במיוחד עבור בטיחות צמחיית שבו חששות למנוע שימוש מוקדם של מלחים מסוימים או לייצר.
Metallic Alloys (Low-Melting-Point Metals)
אזור גדל של מחקר כרוך סגסוגת מתכת דלת-מזמינה כגון רייום, נתרן, או מתכת שדה.חומרים אלה יש הוראות התנהגות תרמיות של גודל גבוה יותר מאשר אורגנים או מלחים (gallium: 40 W / mK; מתכת שדה: 19 W / mK), המאפשר ספיגה מהירה חום שחרור שלהם הוא נמוך יותר מאשר פרמצבים, אבל תחבורה תרמית עבור מבנים קטנים.
יתרונות מרכזיים במערכות בקרה ארסמאליות
שימוש במחשבי PCMs בעיצובים תרמיים חלליות מספק מספר יתרונות משכנעים שמניעים את האימוץ המוגבר שלהם ברחבי התעשייה.
- (FLT:0) חיסכון כוח: פיתוי 1:1 , משאבות Active תנורים צורכת חשמל.מחשבים מאחסנים חום פסיבי, צמצום הביקוש לאנרגיה מסוללות ומערכים סולאריים, אשר הוא קריטי במיוחד במהלך תקופות ליקוי או על קטביקים קטנים עם תקציבי חשמל מוגבלים.
- (FLT:0) צמצום: 1FLT (מאגר מחשב) יכול לעתים קרובות להחליף רדיון גדול יותר או מערכת חימום סוללה כבדה יותר. צפיפות החום המאוחר גבוהה פירושה כי כמה קילוגרמים של PCM יכולים להתמודד עם עומסים תרמיים כי אחרת ידרוש עשרות ק"ג של אזור רדיור.
- (ב) [ה]החלות: [ה]המחשבים אינם נושאים חלקים ולא לולאות נוזלים שיכולים להדליף או להיכשל.הם חזקים באופן מוחלט מפני רטט, האצה והקרינה – גורמים שגורמים לדרג רכיבים פעילים לאורך זמן.
- (FLT:0) יציבות Temperature: FLT:1 המעבר בשלב מתרחש בטמפרטורה כמעט קבועה, מתן בקרת טמפרטורה הדוקה יותר מאשר מערכות פעילות טיפוסיות שמעגלות ומחוצה לה.יציבות זו חיונית למכשירים רגישים כמו גלאי אינפרא אדום ושעון אטומי.
- (FLT:0)איכותיות: 1FLT (PCMs) ניתן לשלב חבילות אלקטרוניות קטנות, מערך סוללות גדול, או אפילו מבנים שלמים של חלליות.חומר הבסיס ניתן להתאים בצורת וכמות כדי לעמוד בדרישות משימה ספציפיות.
אתגרים ושיקולים הנדסיים
למרות היתרונות שלהם, PCMs מציג כמה אתגרים הנדסיים שיש לטפל בהם במהלך עיצוב חלליות.
שיפור התנהגותיות
רוב מחשבים בעלי נטיות חום גבוהות יש מוליכות תרמית ירודה, אשר מגביל את השיעור שבו חום יכול להיות נספג או שוחרר. כדי להתגבר על זה, מעצבים להטביע את PCM במריצה של קצף אלומיניום, קצף נחושת, או גרף מורחב. מבנים אלה מספקים נתיב מוליכים גבוה מתמשך תוך עדיין מאפשר PCM להרחיב ולחוזה במהלך שינוי שלב.
תכונות ושינויים בנפח
במהלך ההמיסה, רוב המחשבים המתקדמים ב-5-15% בנפח.כלי ההכלה חייבים להתאים את ההתרחבות הזאת ללא דליפה או יצירת מתח מופרז.מעצבים בדרך כלל לעזוב את החלל (גיל) ולהשתמש בפעמונים, שלפוחית השתן, או חותמות גמישות.המכול חייב גם להיות אינפורמטיבי מבחינה כימית ביחס ל-PCM בטמפרטורה התפעולית - במיוחד חשוב עבור מלחים, אשר יכול להיות מכוסה על פני זמן.
Supercooling ו- Cycling Degradation
מלח hydrates וכמה PCMs אורגני הם נוטים סופרקולינג, שבו נוזל לא מתנקז לתוך מוצק בשלב המקפיא, המוביל לעיכוב שחרור חום. Nucleating סוכנים כגון שמן iodide או צינורות פחמן נוספו לקידום ייצוב אמין.מעל אלפי מחזורי מחשב תרמיים, כמה PCMs גם לעבור הפרדה בשלב או התמוטטות כימית, צמצום יכולת החום המאוחרת שלהם כבר 10 שנים.
השפעות מיקרוגרטיביות
במיקרו-גרביטציה, חוסר של buoyancy-דווידוי יכול להאט את העברת החום דרך PCM הנוזלי, התנועה הטבעית של חזית השלב הופכת ל- diffusion-dominated, אשר יכול להפחית את הציפוי התרמית האפקטיבי. מהנדסים לפצות על ידי שימוש ב- ⁇ מtrices כי מקדם זרימה מונעת capillary ו על ידי תכנון שכבות מחשב דקים הממזערים את אורך ההיתוך.
כיוונים עתידיים והתקדמות
מחקר על שינוי חומרים עבור יישומי חלל הוא מאיץ, מונע על ידי הדרישות של חקר חלל עמוק, תחנות חלל מסחריות ולוויינים קטנים בעלי כוח גבוה. כמה התפתחויות מבטיחות מתקרבות לפריסה.
PCMs
מיקרונופסציה כוללת טיפות מיקרוסקופיות של PCM (בדרך כלל קוטר 1–100 מיקרומטר) עם מעטפת פולימר דק.הפסולות ניתן מפוזרות לתוך צבעים, ציפויים, או תרכובות מבניות.כאשר מוחל על משטחים חלליים, הם מספקים רגולציה פסיבית ללא תוספת מסה משמעותית.
PCM Composites with High-Conductivity Fillers
ערבוב מחשבים עם גרפן ננופלטונים, צינורות פחמן, או בורון nitride ננוגליונות מניבים כי לשמור חום מאוחר יותר תוך שיפור מוליכות תרמית על ידי 10-100 פעמים.
חומר שינוי שלב סולידריות-Solid Phase Change Materials
שיעור חדש של PCMs עובר LT:0solid-solidFLT 1 שלב מעבר (למשל, ממבנה גבישי אחד למשנהו) ולא להמיס.חומרים אלה נמנעים מהכילה והתרחבות בעיות של מעברים נוזליים-סוליים, בעוד שהם עדיין סופגים חום מאוחר משמעותית.
אינטגרציה עם מערכות Active Systems for Smart Thermal control
עתיד של רגולציה תרמית החללית הוא במערכות היברידיות המשלבות אחסון PCM פסיבי עם בקרה פעילה כגון לולאות מומשות ורדיוורים בעלי ערך משתנה, חללית עשויה להשתמש ב- PCM כדי לספוג עומסי שיא במהלך פעילות בעוצמה גבוהה, ולאחר מכן לדחות את החום הזה באמצעות רדיור במהלך תקופות כוח נמוך.המחשב מאפשר למערכת הפעילה לפעול במחזור קבוע, שיפור היעילות הכוללת והארכת החיים של נאס"א.
מסקנה: התפקיד הבלתי ניתן לערעור של PCMs ב-Space Exploration
בעוד משימות חלל לדחוף קדימה לתוך מערכת השמש - למאדים, חגורת האסטרואיד ומעבר - הביקוש לשליטה אמינה, פסיבית וקלה תרמי הופכת להיות מכריע.שלב שינוי חומרים מציעים פתרון אלגנטי: הם לא דורשים כוח, לא חלקים נעים, ולא לולאות נוזלים מורכבים. פשוט סופגים ושחרור חום מאוחר בטמפרטורה קבועה, הם להגן על אסטרונאוטים, מכשירים, מבנים מן החלל הקיצוני.
מן היחידות המבוססות על שעווה הטסו על הלוויינים המוקדמים ביותר לגרף מתקדם של גרפן-PCM מורכב המיועד ל-Gate Gateway, חומרים אלה הוכיחו את הערך שלהם לאורך עשרות שנים של טיסות חלל.המשך המחקר לתוך capsulation, מעברים יציבים מוצקים, וארכיטקטורות בקרה היברידית רק ירחיבו את היכולות שלהם.