אוריינטציה חללית והשפעתה הישירה על מערכות הבקרה הירומליות

כאשר אנו חושבים על הנדסה חלליות, הנעה ומערכות כוח לעתים קרובות לשלוט בדיון.אבל אחד האתגרים המתמשכים ביותר מהנדסים הפנים הוא השליטה של הטמפרטורה על פני כלי רכב שעשוי להיות בו זמנית באור השמש הישיר בצד אחד תוך הקפאת בצל עמוק על השני.הנטייה של חללית ביחס לשמש, כדור הארץ, ומרחב עמוק קובע את הסביבה התרמית שלו ומכתיב את העיצוב של מערכת הבקרה התרמית שלה.

Spacecraft פועל בוואקום שבו הקונפדרציה נעדרת.המנגנונים היחידים להעברת חום הם קרינה והתנהלות.זה משנה הכל על האופן שבו מהנדסים ניגשים לניהול טמפרטורה. לוויין בשפל כדור הארץ חווה רכיבה תרמית כאשר הוא נע מאור השמש אל צל של כדור הארץ, עם תנודות טמפרטורה של כמה מאות מעלות צלזיוס אפשרי.הכיוון של החללית בכל רגע נתון קובע אם אנרגיה סולארית נספגת, משתקפת או מותרת לקרינה על פני טווחים לקרינה רגישה.

האיזון הירומאלי אינו מצב סטטי שהמהנדסים משיגים פעם אחת ושוכחים לגביו.זהו איזון דינמי שיש לשמור על עצמו לאורך מחזור חיי המשימה.מערכת בקרת הגישה של החללית פועלת בשחיקה עם מערכת הבקרה התרמית שלה כדי להבטיח כי על טמפרטורות הלוח נשאר בתוך גבולות מקובלים.כל התאמה באוריינטציה יש השלכות תרמיות שיש לצפות ולנהל.

המאזניים גבוהים מאוד.TheFLT:0 [NASA Small Satellite Thermal Control GuideFirve 1LT] מתעד מספר רב של זוועות משימה שבו אוריינטציה שגויה או ניהול תרמי הוביל לביצועים מוזנחים או אובדן מוחלט של חלליות.החדשות הטובות הן כי עם הנדסה זהירה, נטייה ניתן להשתמש ככלי פעיל עבור רגולציה תרמילאית ולא רק בעיה להיות מנוהל.

הקמת Thermal Equilibrium ב Vacuum של חלל

האיזון הירומל מתייחס למצב שבו החום הכולל שנרכש על ידי החללית שווה את החום הכולל שאבד. כאשר איזון זה מושג, טמפרטורות פנימיות ייצוב. אבל השגת איזון זה דורש הבנה מעמיקה של מקורות החום הסביבתי החללית יתקללו ואת העומסים החום הפנימי שנוצר על ידי תת-מערכת שלה.

מקורות היט העיקריים המשפיעים על Spacecraft

ישנם שלושה מקורות חיצוניים עיקריים של חום כי חללית חייבת להתמודד עם, וההשפעה היחסית שלהם תלויה במידה רבה בעמדה הנטומנטאלית של החללית ובמיקום המקיפה:

  • (הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Planetary albedo: FIRLT:1) אור השמש הרהורים מכדור הארץ או גופים שמיים אחרים יכולים להוסיף עומס תרמי משמעותי, במיוחד עבור חלליות במסלולים נמוכים.
  • פליטת אינפרא אדום אינפרא אדום: FLT:1 כדור הארץ עצמו קורנת חום באורכי גל אינפרא אדום.זהו מקור משני אך לא ניתן לזניח עבור חללית כדור הארץ, במיוחד כאשר החללית מוכוונת כך ששטחים גדולים עומדים בפני כדור הארץ.

בנוסף למקורות חיצוניים אלה, כל חללית הפעלה מייצרת חום פנימי מאלקטרוניקה, סוללות, מערכות הנעה וכלי מדעי. לוויין תקשורת טיפוסי עשוי לייצר כמה קילווואט של חום פנימי. כי חום חייב להיות נדחו לחלל או מחולק מחדש לאזורים קרים של החללית.

תפקיד העברת חום רדיטיבית

מאחר שהקונסטלציה אינה זמינה, החללית חייבת לקרינה חום לתוך הכיור הקר של חלל עמוק, שיש לו טמפרטורה יעילה של כ- 2.7 Kelvin. Radiators ממוקמים על משטחי חלל ומתכננים להיות בעל הרשאות גבוהות בספקטרום אינפרא אדום.עם זאת, אותם משטחים חייבים להיות מוכווני מהשמש וכדור הארץ כדי להימנע מספוג חום חיצוני.

חללית עם פאנל קורנטור קבוע חייבת לשמור על אוריינטציה מסוימת כדי לשמור על פאנל זה הצביע על חלל עמוק.אם החללית מסתובבת מסיבות תפעוליות אחרות, הרדיור עשוי להתמודד עם השמש, סופג חום במקום לדחות אותו.זה יכול לגרום מהר יותר מהתחממות יתר על המידה.FLT:0 ג'ונס הופקינס Applied Physics מעבדהFLT:1 מספק משאבים נרחבים על איך מהנדסים תרמיים אלה במהלך שלב העיצוב כדי להבטיח את האוריינטציה של דרישות גישה לתוך מגבלות גישה.

כיצד לקבוע את התנהגותם של החרדים

הנטייה של חללית אינה רק להצביע על אנטנה על פני כדור הארץ או מכשירים במטרות מדע.לכל גישה יש השלכות תרמיות שיש להעריך.צוות ההנדסה חייב לשקול תרחישים חמים וקרים הגרועים ביותר ולעצב את מערכת הבקרה התרמית כדי להתמודד עם מגוון מלא של גישות החללית ייקח במהלך משימתה.

גישות השמש והלחץ הירומלי

כאשר חללית מציינת את מערך השמש שלה ישירות בשמש עבור הדור המקסימלי של כוח, היא ממקסימה בכוונה את החשיפה שלה לקרינת השמש.מערך סולארי נועדו לטפל בזה, אבל גוף החללית יכול גם לקבל יותר אנרגיה סולארית בהתאם לתצורה. ב אוריינטציה נקודת השמש, פני השטח של החללית השמש כלפי מעלה סופגים סולמות סולמות מקסימליות, וטמפרטורות על פני השטח האלה יכולים לעלות על 120 ו-C.

מהנדסים מנהלים את זה באמצעות שילוב של טכניקות:

  • ציפויים גבוהים ומראות דו-צדדיים שניים המפחיתים את הקליטה הסולארית תוך שמירה על איטרנטיבות אינפרא אדום
  • שמיכות מרובות שכבות (MLI) המגנים רכיבים רגישים מהתחממות השמש ישירה
  • סיבוב Deliberate או "barbecue roll" תרגילים שמחלקים חום אפילו על פני השטח החללית
  • גלקסיות אורות או קורנטורים עם הרשאות משתנה שנפתחות או קרובות בהתבסס על טמפרטורה

משימות ג'מיני ואפולו השתמשו בתמרונים מתגלגלים במהלך החוף הטרנסטורור כדי למנוע מכל צד אחד להתחמם יתר על המידה.חלל מודרני יכול להשיג תוצאות דומות עם בקרת גישה מדויקת יותר, באמצעות גלגלי תגובה ודחפורים כדי לשמור על ספין מבוקר שמשנה עומסים תרמיים.

עמדות כדור הארץ וקווי התקשורת - ה-thermal Tradeoff

לווייני תקשורת ופלטפורמות תצפית כדור הארץ מבלים את רוב הזמן שלהם הצביע על כדור הארץ. אוריינטציה זו מציבה את הצד הפונה של החללית בסביבה תרמית שונה מאוד.הצד הפונה לכדור הארץ מקבל קרינה אינפרא אדום פלנטרית משמעותית ומשתקף את אלבדו.

האתגר עולה כאשר מרכיבי הכוח והמוח של החללית ביותר של החללית ו-mdash; כגון משדרים ומעבדים & mdash; ממוקמים בצד הפונה אל פני האדמה ליד האנטנה.מרכיבים אלה מייצרים חום פנימי משמעותי, והם חייבים להיות קרירים למרות החימום החיצוני הנוסף מכדור הארץ מהנדסים מגיבים:

  • עיצוב צינורות חום להסיע חום מן הצד הפונה לכדור הארץ אל לוחות רדיו מתפתלים בחלל
  • מטבוליזם מתגים תרמיים כי רק לנהל חום כאשר הטמפרטורה עולה על סף
  • באמצעות צינורות חום לולאה ו לולאות capillary-pumped עבור תחבורה יעילה יותר חום מעל מרחקים ארוכים יותר

מגבלות הכיוון למשימות נקודתיות של כדור הארץ הן לעתים קרובות המחמירות ביותר משום שהחללית חייבת לשמור על דיוק מדויק מצביע על שכרה, תוך ניהול מצבה התרמי. לוויין שמבצע תצפית כדור הארץ, למשל, אינו יכול פשוט להסתובב מהשמש כדי להתקרר במהלך מעבר הדמיה קריטית.מערכת הבקרה התרמית חייבת לטפל בעומס החום באותו יחס הנדרש למשימה.

Inertial Pointing and Deep Space Thermal Challenges

Spacecraft על משימות בין כוכבי לכת או פלטפורמות תצפית אסטרונומיות לעתים קרובות לשמור על גישה לא רצויה, מחזיק קבוע יחסית לכוכב ולא לכוכב לכת.זה יוצר תנאים תרמיים ייחודיים כי צד אחד של החללית יכול לעמוד מול השמש ברציפות במשך חודשים או שנים, בעוד הצד השני השני השני השני נשאר בצל קבוע.הבדל הטמפרטורה בין שני הצדדים יכול לעלות על 200 ורדג; C.

למשימות כמו ה-FLT:0) טלסקופ החלל ג'יימס ווב טלסקופ החלל 1(ג'יימס ווב טלסקופ החלל) 1 (James Webb Space טלסקופ החלל טלסקופי:1), אך הצד הדומה של הטלסקופ הסשיאל מגיע בערך 85&Deg; C. חמשת השכבות שמשות, בשילוב עם שליטה מדויקת כדי לשמור על השמש תמיד על אותה צד, מאפשר תצפיות חד-מין או סטיות אחרות; C.

אסטרטגיות בקרה מעשיות ,Rirmal Control Driven by Orientation

מהנדסי בקרת התרמומלית פיתחו מערך אסטרטגיות חזק, אשר מסתמכ על אוריינטציה כמשתנה שליטה.אלה נופלים לשתי קטגוריות רחבות: פסיבי ופעיל. בפועל, רוב החללית משתמשת בשילוב של שתי הגישות.

טכניקות בקרת חניכיים

שיטות פאסיביות דורשות לא חלקים נעים או חשמל חשמלי.הם אמינים מאוד ותמיד קו ההגנה הראשון.שיקולי האוריינטציה מאוישים לתוך העיצוב מההתחלה.

  • (FLT:0) ציפוי פני השטח הארומאליים: FLT:1 התכונות האופטיות של משטחי חלל ו- mdash; אימפולס אינפרא אדום ונחישות ו-mdash; הם מותאמים לכל פנים בהתבסס על הכיוון הצפוי שלה ביחס לשמש. A משטח שיעמוד בפני השמש לתקופות מוחלפות ניתן נחיתות נמוכה, גבוהה-גבוהה, כי יש צורך עמוק מול משטח זה חייב לדחות את פני השטח.
  • (FLT:0) Multi-layer insulation (MLIOVA): FLT 1 מאלי שמיכה מורכבת משכבות רבות של חומר רפלקטיבי שנפרדו על ידי חללי מוליכים נמוכים.הם מפחיתים את העברת החום הרדיואקטיבית עד שני הזמנות של גודל. mLI מונח על פני משטחים שיש לשער מהתחממות חיצונית או כי יש לשמור על חום פנימי.
  • (FLT:0)Radiator sizing ומיקום: ראטורים 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) חומרי שינוי של שלבאז: 1FLT) חלק מהחלל משתמש בחומרים סופגים חום כפי שהם מתמסים ומשחררים אותו כפי שהם מבססים.אלה שימושיים לניהול עומסים תרמיים טרנספורמטיביים במהלך שינויים אוריינטציה, אם כי הם מוסיפים מסה ומורכבות.

טכניקות בקרה ארסיות

מערכות Active משתמשות בכוח ובחלקים נעים כדי להסדיר את הטמפרטורה בתגובה לתנאים משתנים.הם נותנים למפעילים גמישות כדי לשמור על שליטה על מגוון רחב יותר של אוריינטציות.

  • (FLT:0) Heaters ותרמוסטטים: FIRLT:1 Survivalers לשמור על רכיבים קריטיים מעל טמפרטורות מינימום במהלך גישות קרות או ליקויים.הם נשלטים באופן תרמוסטטי, והם יכולים להיות מופעלים על ידי מערכת בקרת הגישה המבוססת על אוריינטציה נוכחית וחיזוי סביבה תרמית.
  • (FLT:0) לולאות נוזלים:FLT:1 , המערכות האלה מפצירות לאסוף חום ממרכיבים חמים ולהעביר אותו לרדיוורים.קצב זרימת הדם יכול להיות מותאם על בסיס העומס התרמי, אשר משתנה עם אוריינטציה. תחנת החלל הבינלאומית משתמשת לולאות אמוניה חיצונית כדי לנהל את החום מן המודולים שלה ואת הרדיטורים שלה כל הזמן כדי למקסם את החום.
  • (FLT:0) רדינל רדיאטורים: ⁇ FLT:1 ⁇ אלקטרוכרומטי או MEMS מבוסס רדיורים יכולים לשנות את המוכנות אינפרא אדום שלהם על הפיקוד.במצב הרשאות גבוהה הם דוחים חום ביעילות.במצב של נחיתות נמוכה הם שומרים חום.זה מאפשר את אותו משטח לשרת תפקידים שונים בהתאם לנטייה.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אסטרטגיות רוטציה לניהול התרמומלי

אחד השימושים היעילים ביותר של בקרת גישה לניהול תרמי הוא סיבוב מכוון.על ידי סיבוב החללית, מהנדסים יכולים בממוצע לטעון תרמי על פני כל פני השטח.טכניקה זו משמשת בדרך כלל במהלך שלבים החוף של משימות שבו אין צורך להצביע מדויק.קצב הסיבוב נבחר להבטיח כי שום משטח לא סופג מספיק אנרגיה כדי לעלות על גבולות הטמפרטורה לפני שהוא מסתובב הרחק מהשמש.

"הגלגל הברברי" המשמש את משימות אפולו הוא דוגמה קלאסית.החלל מסתובב בערך מהפכה אחת לשעה בחוף טרנזיר, שמירה על כל הצדדים באותה טמפרטורה. חללית מודרנית להשתמש באסטרטגיות דומות, לעתים קרובות עם אלגוריתמים יותר מתוחכם שיכול להתאים את קצב הסיבוב בהתבסס על טמפרטורות נמדדות. גישה זו היא בעלת ערך במיוחד למשימות עם שלבי שייט ארוכים, כגון אלה נוסעים למאדים או לכוכבי הלכת החיצוניים.

שלב המשימה לאוריינטציה ולשליטה תרמית

היחסים בין אוריינטציה ושינויים בשליטה תרמיים לאורך כל משימה.מהנדסים חייבים לתכנן את מחזור החיים המלא, לא רק את השלב המבצעי הלא-מימין.

שיגור מוקדם אוביט

במהלך ההשקה, החללית נמצאת בתוך ההגינות ולא להיחשף לסביבה החלל.פעם פרוסה, עם זאת, היא חייבת מיד להקים מדינה תרמית בטוחה.שלב המוקדם של מסלול הוא לעתים קרובות המאתגר התרמית ביותר כי החללית עשויה להיות בעלת יכולת שליטה מוגבלת של גישה, אך עדיין לא הייתה יכולה לפרוס את כל הדיאטורים או מערכי השמש.משימות רבות כוללות גישה "מצב בטוח" כי היא תרמית שפירה, המאפשרת חללית לייצב טמפרטורות לפני שימשכות יותר טמפרטורות תובעניות.

פעילות נומינאלית

במהלך שלב התפעולי, החללית עוקבת אחר ציר הזמן המתוכנן של הגישה.השליטה התרמומית מטופלת בעיקר על ידי העיצוב הפסיבי, עם תנורי חום פעילים וקרירים להסתגל כנדרש.מערכת בקרת הגישה ומערכת הבקרה התרמית מחליפה נתונים באופן רציף.אם הטמפרטורה מתקרבת למגבלות, מערכת בקרת הגישה יכולה לתעדף את בטיחות התרמית על מטרות אחרות, תוך התאמה זמנית גם אם היא משבשת פעולות מטען.

סוף החיים והדיסposal

ככל שהחללית מזדמנת, תכונותיה התרמיות עשויות להשתנות.קאטינגס דה, פני השטח הופכים מזוהמים, וביצועי הרדיודיאטור עשויים לרדת.דיוק השליטה בקווי הרוחב עלול גם להיות מידרדר.הפועלים חייבים לקחת בחשבון את השינויים הללו, וייתכן שיהיה צורך לאמץ אסטרטגיות אוריינטציה שמרניות יותר לשמירה על שליטה תרמית.

מודל תרמית וסימציה לתכנון האוריינטציה

אין חללית בנויה ללא מודלים תרמיים נרחבים מהנדסי תוכנה להשתמש בכלים תוכנה כדי לדמות את ההתנהגות התרמית של החללית בכל הגישות הצפויות והתנאים הסביבתיים.

  • לקבוע את הגודל הדרוש ואת המיקום של קורנטורים ומחממים
  • אימות כי מערכת הבקרה התרמית יכולה להתמודד עם עמדות חמות וקורות הגרועות ביותר
  • Define the Operations Limits on Access for Every Mission שלב
  • לפתח אלגוריתמים להגנה מפני תקלות שמגיבים לאנומנציות תרמיות על ידי שליטה בגישה בטוחה

המודלים הארומאליים מאומתים באמצעות בדיקת ואקום תרמית, שבו החללית ממוקמת בתא המדמה את הסביבה הריקת והארמית של החלל.במהלך הבדיקות הללו, החללית מוכוונת בזוויות שונות ביחס למקורות חום סולאריים וכוכביים כדי לוודא שהמודלים מדויקים.

הסוכנות האירופית לניהול תרמי של משאבי הנדסה של כוח הבקרה של הסוכנות האירופית: 1. להציע הדרכה מפורטת על גישות מודלים ושילוב של מערכת בקרת חום וגישה ניהולית.משאבים אלה מדגישים כי שליטה תרמית ונחישות גישה אינם דיסציפלינות נפרדות, אך יש לפתח יחד מן השלבים המוקדמים ביותר של עיצוב המשימה.

מפתחי Takeaways עבור מהנדסי בקרת ה-thermal ו-Attitude Control

אוריינטציה חלל היא לא רק משתנה בחישובים תרמיים; היא מושגת עיקרית של התנהגות תרמית.כל משימה חייבת לטפל במערכת בקרת הגישה ומערכת בקרה תרמית כמו תת-מערכות מעודנות שיש לתכנן, לבחון ולהפעלה יחד. מהנדסים אשר מבינים את ההשלכות התרמיות של כל אוריינטציה אפשרית יכולים לעצב חללית חזקה יותר שפועלת באופן אמין יותר על פני מגוון רחב של תנאים.

העקרונות הבסיסיים הם פשוטים אבל היישום דורש ניתוח זהיר: אורדיאטורים גמישים לעבר חלל עמוק, להגן על פני השטח הרגישים מאור השמש הישיר, ולהשתמש בסבב כדי להפיץ עומסים תרמיים כאשר הצבעה מדויקת אינה נדרשת.כאשר עקרונות אלה מוחלים באופן שיטתי, החללית שומרת על האיזון התרמי שלה ומספקת את מטרותיה ללא תקלות הקשורות לטמפרטורה.