טכנולוגיות קירור Cryogenic עבור חיישן לווין

חיישני לווין הם העיניים והאוזניים של האנושות במסלול, המאפשרים פונקציות קריטיות מחיזוי מזג האוויר ומעקבי האקלים לאסטרונומיה החלל העמוקה ולביטחון הלאומי.עבור רבים מהמכשירים הללו – במיוחד אלה הפועלים באדום, רנטגן ואורך גל תת-מילימטר – ביצועים קשורים ישירות לטמפרטורה.

הצורך הקריטי של קירור Cryogenic בחיישנים המבוססים על חלל

בלב כל חיישן ביצועים גבוהים הוא המאבק נגד רעש.בגלים אינפרא אדום ואופטיים, חום בתוך החיישן עצמו מייצר זרם כהה - אלקטרונים מטוהרים שממחישים אותות אמיתיים. Cooling מפחית את הזרם האפל הזה באופן אקספוננציאלי: עבור גלאי באמצע-הפחדה, מורידים את הטמפרטורה מ 80 K עד 40 K יכול להפחית את החשיכה על ידי פקודות של גודל דומה, X עבור מיקרו-קרניים וגרם (x) הם לעתים קרובות צורך בטמפרטורות קוסמיות (x) כדי 100 קילו-מדומים (גמות) כדי 100K) כדי להשיג טמפרטורות קסוגניות (K) כדי להשיג טמפרטורות טמפרטורות טמפרטורות טמפרטורות טמפרטורות טמפרטורות מיקרוסקופיות (K) צורך טמפרטורות מיקרוסקופיות (K) כדי טמפרטורות מיקרוסקופיות (K) צורך טמפרטורות טמפרטורות טמפרטורות ⁇ ⁇ ⁇ טמפרטורות ⁇ ⁇ ⁇ טמפרטורות ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חשיבות הקירור הבכי מתפרסמת מעבר לרגישות.זה גם משפר את מדי הגלאיות, מקטין את גליונות pixel-to-pixel, ומאפשר אינטגרציה ארוכה יותר ללא היסוס. טלסקופי חלל כמו ה-FLT:0 (JWST)FLT:1 להשתמש בשילוב של גלקסיות קירור פסיביות (פאנלים ממושכות) ובעבועות פעילות כדי לשמור על מכשירים יציבים, טמפרטורות קצרות-סגולות כאלה.

האתגר בחלל הוא שמעבדות מסורתיות זוכות – גלאיות של דברים בנוזל הליום או חנקן – הן בלתי מעשיות למשימות ארוכות-טווח. Cryogens רותחים, מגבילים את חיי המשימה חודשים.כאשר לווינים התפתחו לקראת קבוצות, קובשיות, ומצפה-עשר שנים, הצורך במכניקה אמינה, נמוכה, ונטולי רטט הפך להיות קת.

פיתוח היסטורי: מ-Open-Loop Cryogens to Closed-Cycle Systems

הימים הראשונים של קריאות חלל התבססו על ההרחבה:0;0 (בלטינית: ⁇ ) ⁇ ⁇ (המכונה: Astronomical Satellite) שהושק ב-1983, השתמשו ב- helium dewar סופר-השפעה ששמר על הטלסקופ ב-2K למשך כ-10 חודשים, בעוד מהפכני באותה תקופה, גישה זו הוטלה מגבלות חמורות: הדה על שבריר גדולה של הלוויינים, ומאוחר יותר, לאחר מכן הוא סיים את המשימה הדומה ל-5.5 קסמויה (Ferlizer) לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, הוא סיים את המשימה ההתחממותומטרת, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, הוא התחממותו של ההתחממותומטרת ההתחממותו של ההתחממותו של ההתחממותו על רקע התחממותו של ההתחממותו על רקע התחממותו של ההתחממותו על ידי ההתחממותו של ההתחממות קוסמית (Ferligicerlizer, לאחר כ-5.5 שנים).

המעבר לכיוון ‪FLT:0‬ , מכווצים מכניים של מחזור זעקות גילוח (FLT) 1:1 החל בשנות ה-90, מונע על ידי הצורך בחיים ארוכים יותר וממסה נמוכה יותר. הדור הראשון של הבכיינים המקודמים בחלל, שפותחו על ידי חברות כמו לוקהיד ו-NGAS (Northrop Grumman), הוכיח כי קירור פעיל יכול להיות מתמשך במשך שנים רבות.

כיום, מזמורים מכניים התבגרו עד לנקודה שבה הם הבסיס של כמעט כל המשימות החדשות הדורשות קירור פעיל.המעבר ממערכות פתוחות-לופ ל-Open-loop מייצג את אחד השינויים המשמעותיים ביותר בטכנולוגיה בחלל - מכשירים החלים שפועלים ברציפות במשך 10, 15, או אפילו 20 שנים.

סוגים של Cryocoolers בשימוש בחיישנים לוויין מודרניים

מגוון של מחזורי תרמודינמיקה מותאמים לחלל, כל אחד עם נקודות חוזק נפרדות עבור מגוון טמפרטורה שונה, כוחות קירור ופרופילי שליחות.

Stirling Cycle Coolers

(הקררים סטרלינג פועלים על ידי דחיסה והתרחבות של גז עבודה (בעיקר Helium) במחזור רגנרטיבי.הם מציעים יעילות גבוהה בטמפרטורות עד 30 K ומשמשים נרחב עבור קירור מאגרי מטוסים אינפרא אדום ואופטיקה. מודרני Stirling Cryocoolers לשלב את רמות ההגנה של HyperFLT:0active BalancersFLT:1 ו-FLT:2d-posred-posred-posred-Firdicer משוחרר דוגמאות ל-Ficericericer Cryericericericerthicer Cryerthicerthicerthicer Cryertexer: אפילו למצלמות (מחדשהמצלמות) כולל מספר LT 7Ver VLCigicertiver VLCDVer VLCDicertiver VLCDicertivericertivers.

Pulse-Fron מקררים

זעקות Pulse-tube הן גרסה של מחזור סטרלינג המסלק חלקים נעים בראש הקר.זה מפחית באופן דרמטי את הרטט ומשפר את האמינות כי רק הדחיסה נעה רכיבים.הם הפכו לטכנולוגיה של בחירה עבור מכשירים הרגישים ביותר לרטטט, כולל JWST של MIRI ו- The European Space Agency's FLT:0PlanckalLTFreacio 1 (שזה היה בדרך כלל מקרר ל-Rackt) ו-Racker של פולומטר של טמפרטורות).

ג'ול-סון קולירס

ג'ול-Thomson (JT) קריר יותר להשתמש בהתרחבות גז אמיתי באמצעות שסתום או קידוד Plug כדי לייצר קירור.הם יכולים לייצר טמפרטורות נמוכות מאוד (ב-4 K ולמטה) אבל דורשים גז בלחץ גבוה ולעתים קרובות אדריכלות רב-שלבית. JT קרירים משמשים לגלאי העל קירור ולמען קריאות תגמולים ב- Zero-boiloff.

Brayton Cycle Coolers

Brayton Cryocoolers להשתמש טורבינות הרחבה רציפה של זרימה, המציעה כוח קירור גבוה בטמפרטורות סביב 20-80 K עם מסה נמוכה מאוד.הם מתאימים היטב למכשירים בקנה מידה גדול כמו FLT:0Gemini Planet ImagerOVAFLT:1 (נפטרים על טלסקופים קרקעיים) ונחקרו עבור observaries עתידיים הדורשים קירור רב-וואט ב -1876, הוא אתגר מגנטי עם פני כדור הארץ.

Adiabatic Demagnetization Refrigerators (ADRs) ו- Sorption Coolers

(ב) לטמפרטורות הקרות ביותר (נמוכות 1 K לשפל של 50 מ"ק), ADRs הם תקן בחלל.הם משתמשים במלחים טמאטיים וברכיבי שדה מגנטיים עצומים כדי לגלולים מגניבים למשטר המילווין. ADRs אינם מייצרים רטט, הם מכשירים חד-פעמיים שיש למחזר אותם באופן זמני, אך הם אמינים מאוד.

מיניטור עבור קובצי ה-CubSats ו- SmallSats

הצמיחה של פלטפורמות לוויין קטנות הובילה מאמצים עזים לכווץ את הצעקות ללא ביצוע מקרי הקרבה.קבולטי סטרלינג בקנה מידה גדול קיימים כיום עם כוחות קירור של 0.5-2 W ב 80 K בחבילות במשקל פחות מ-1.5 ק"ג, צריכת רק 10-15 W של כוח קלט.יחידות מקטנות אלה מאפשרות הדמיה היפר-ספקטרוםית והתבוננות כדור הארץ מ-6 USats - יכולת שהייתה בעבר מוגבלת ל- 500 ק"ג.

תוצאות חיפוש ב Cryogenic Cooling Technologies

העשור האחרון סיפק מספר שיפורים טרנספורמטיביים ברחבי המערכת האקולוגית של הצעקה כולה.

בסביבה הקרובה של Closed-Cycle Cryocoolers with Extended Lifetime

[ה] קריאות המחודשות האחרונות הוכיחו > 100,000 שעות של פעילות רציפה בחלל ללא השפלה.זה מושג באמצעות FLT:0non- Contact Clearance SealsFLT:1,FLT:2flexuresubscioFLT 3, ובחירת חומרים זהירה כדי להימנע מלבוש וזיהום.

ניכוי וביטול פעיל

דחיסות מ Cryocooler יכול לטשטש תמונות ולגרום רעש באלקטרוניקה רגישה.עיצובים אחרונים משלבים את אלגוריתמים ביטול הרטט של אלגוריתמים אלגוריתמים של אלגוריתמים אלגוריתמים (FLT) 1 (FLT) אלגוריתמים של ביטול הרטט (FLT:1 ), אשר משתמשים ב-Accelerometer כדי להניע משוב נגד-opercing Actuator.

חומרים מתקדמים

(היעילות של קירורים של Stirling ו-p-tube תלויה מאוד ב- regenerator - הממטריקס שמאחסן ומשחרר חום בכל מחזור.חומרים חדשים כגון FLT:0HoCu2 (תרכובות ההולוגיום-קופר) veFLT:1, FLT:2GdAlO3 (gadolinium aminate) LTF:3 ו-FLT5 סגסוגת גבוהה יותר מ-D5 000 מ-R.

ה-Switchs וה- Variable Conductance

ניהול תרמי עוברי מוגדל עם FLT:0 מתגים תרמיים תרמיים קדמוניים (FLT:1) שיכול לחבר או לבודד שלב קר מקרינה.שימוש בסגסוגת בצורת-זיכרון או מזהמים אלקטרומיים, מתגים אלה מאפשרים שליטה גמישה, המאפשרים מכשירים להתחמם לפירוק או לחלוק קירור בין גלאיים כאלה מוערכים עבור מתגי מתכת:2D.

ראשי תיבות של High-Temperature Superconducting (HTS)

עבור גלאיים הדורשים הטיה חשמלית וקריאה בטמפרטורות מבוכות, מובילי זרם הם מקור עיקרי של עומס חום parasitic. אימוץ חוטי HTS (למשל, YBCO או BSCCO) עבור אלה מובילי להפחית את התנהגות החום על ידי מעל גורם של 10 בהשוואה מתכת רגילה (copper או פליז) מוביל.זה מאפשר שיפור קומפקטי, נמוך כוח נמוך קריאות והוא במיוחד עבור גלאי רב ערוצים.

שילוב עם 3D-Printed Components

ייצור תוספתי משמש כיום לייצור חלקי Cryocer מורכבים - מגני מוח, אצבעות קרות, וחילופי חום - עם גיאוגרפיות פנימיות שאינן אפשריות למכונה. 3D מודפסים מחדש עם מבנים לטאיצ'ה הוכיחו אחידות זרימה טובה יותר וירידה בלחץ נמוך יותר, שיפור יעילות המערכת הכוללת.זה גם מקצר מחזורי פיתוח ולהפחית את העלות עבור עיצובים מותאמים יותר.

השפעה על משימות לוויין: ביצועים, תוחלת חיים, וסיכויים חדשים

ההתקדמות הטכנולוגית הזו תורגמה ישירות להטבות גדולות ברמת המשימה.

משימות ארוכות יותר עם אחריות גבוהה יותר

ההשפעה הגלויה ביותר היא הרחבה של חיי המשימה מחודשים עד עשרות שנים, שם מיילדות קודמות כמו IRAS ו- Spitzer היו מוגבלים על ידי אספקת Cryogen, מכשירים מודרניים על FLT:0JWST, Euclid, ו ARRAKIHSFLT 1 משימות מסתמכות על קריקטורים סגורים המיועדות ל-10 שנים של יעילות זו אפשרה גם קבוצות של ביצועים של כדור הארץ: 5 שנים:

רגישות מוגברת למדע חדש

עם רקע תרמי נמוך יותר, גלאיים יכולים להסתכל עמוק יותר ועם רזולוציה ספקטרלית יותר.ה-FLT:0 (AtheNAFLT:1) X-ray observatory, מתוכנן עבור 2030, ישתמשו במערך של קריאות כדי לקרר את יחידת השדה X-ray שלה (X-IFU) ל 50 מ"ק, נותן החלטה אנרגיה של 2.5Ven - גלקסיות לינאריות רק כדי למזג אוויר חם יותר, כמו גם גלקסיות אוויריות של גלקסיות אוויריות אוויריות אוויריות אוויריות.

ניכוי תקציב המונים וכוח

(הקרנים של הדופק המודרניים להשיג כוח ספציפי (כוח לוואט של קירור) מתחת 20 W/W ב-60 K, בהשוואה לערכים מעל 40 W/W לפני עשור, בשילוב עם חומרים קלים יותר וחילופי חום קומפקטיים, רווחים אלה מאפשרים אוטובוסים קטנים יותר כדי לארח עומסי תשלום בלתי אפשריים בעבר.

מדיניות הגנה ומודיעין

לווייני אבטחה לאומיים נהנים במיוחד ממערכות שקטות, בעלות כוח נמוך, קרירות לאורך זמן. מערכות הגנה מוקדמת שמקרינים שיגורי טילים באדום זקוקים למערךי מחשב גדולים מגניבים מתחת ל-60K ברציפות.התקדמות בכובש מאפשרת לחיישנים אלה להיות מאופקים על חלליות קטנות יותר, שיפור ההיענות וההמראה של עלויות.

אתגרים ושיקולים הנדסיים

למרות ההתקדמות, כמה אתגרים נשארים בתכנון, כישורים ותפעול של צריחי חלל.

« « ומיקרופוניקה

אפילו עם ביטול פעיל, רטטים של ההרמוניה של תדירות הנהיגה יכול להיות יחד לתוך הרכב הגלאי.עבור מדרומיים רגישים מאוד או כלוגרפים, רעש מיקרופוני זה חייב להיות מופחת לרמות מיקרוסקופיות.Achieving זה דורש decoupling מכני זהיר, עלייה נוקשה דרך מנטרול רטט, ולעתים דוכימות של שלבים עם איזון עצמאי.

התנגדות ממשקית

יש להעביר את הטמפרטורות ביעילות בין השלב הקר של הצעקה לבין בלוק הגלאי בוואקום, הנתיב היחיד להעברת חום הוא התנהגות מוצק, כך שפרקים חייבים להיעשות עם חומרים מאוד מוליכים (כלי, סגסוגת אלומיניום) ועם התנגדות מינימלית.טכניקה כמו FLT:0indium סולרי גזפל 1LT:1, FLT2cryogenic) ועם גירוי תרמילאים של דם, אפילו יותר מ-DFLT5, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 000 000 000 000 000, 000, 000 000 000 000 000, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

השפעות קרינה

קרינה בחלל פוגעת אלקטרוניקה ומערכות בקרה Cryocooler. Single-event הרגיז יכול לגרום כשלי בקר הרגעיים, בעוד המינון הכולל של ionizing (TID) degrads חיישן קורא מעגלים משולבים ונהגים מנועים.בקרי Cryocer מתוכננים כעת עם רכיבים עתירי קרינה וחומרה מחוסמת כדי להבטיח הפעלה רציפה גם לאחר שנים בסביבה קשה כגון חגורת ואן אלן או חלל בין כוכבי הלכת.

זיהום ויציאה

כל פיזור של רכיבים מגניבים יכול לנבא על משטחים אופטיים קרים, ביצועים משפילים במיוחד עבור חיישנים מתחת 40 K, שבו אפילו שכבות דקות של קרח (מים, COIRFLT:02FLT:1, הידרוקרבנים) יכולים לספוג או לפזר את הסוללות הנכנסות שלה.

הצעות מסחר ב- Cooling Power לעומת טמפרטורה

לא עיצוב יחיד של Cryocooler מכסה את כל הצרכים.A יותר מותאם עבור 10 W ב 80 K (למשל, עבור מערך אינפרא אדום גדול) נראה שונה מאוד מ 1 תוכנן עבור 10 mW ב 2 K (עבור מצלמה בוולומטרית) מעצבים המשימה המשימה המשימה המשימה המשימה חייב בקפידה קירור, טמפרטורה, מסה, צריכת חשמל, וסובלנות.

כיוונים עתידיים

מחקר לתוך קירור Cryogenic הדור הבא ממשיך לחקור תופעות פיזיות חדשניות ותכניות אינטגרציה מתקדמות.

מקרר מגנטי: Adiabatic Demagnetization ואפקט מגנטי

(ב) מעבר ל-ADRs, קירור מגנטי מוצק של מדינת-מדינה באמצעות אפקט FLT:0 (magnetocaloric EffectFLT:1) ו-GdFLT: 5Si) צובר עניין כמו La(Fe,Si) מבטל:2133 מעבורת חומרים מגנטיים בלתי-נרפים, ללא הגבלת זמן של קירור של 4 מגנטים ו-GdFLT5FLT:5FLT:5FLT2, 000 מגנטיים, ללא הגבלת זמן של מגנטים, ו-R.

Zero-Boil-Off Cryogen Storage

(ב) מיילדות הדורשות טמפרטורות נמוכות מאוד (נמוכות 1K) עם יכולת קירור גבוהה, תולעים מאוחסנות עדיין אטרקטיביות מאוד אם ניתן לשמור אותן מרתיחת:0Zero-boil-off (ZBO) למערכות ®FLT 1 , משלבות פעמון מכני בעל יעילות גבוהה עם אחסון ללא הרף, reconcondensatedsated סגסוגת של כמה עשורים של CVFRVol, הוא יכול להיות מרוקן באופן יעיל עבור LT2R.

חומרים מתקדמים ואדריכלות

(הופנה מהדף [[המאה ה-20]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]] [[[[1966]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[[[19[[1924

מערכות ניהול ארסיות

החללית העתידית תתייחס לקירור מבוהג כחלק מאדריכלות תרמית כוללת, לא תת-מערכת תת-מערכתית של סטנד-אפ (FLT:0loop תנורי חום גילוח 1) אשר תחברו חום משלבים קרים מרובים ועד למגרש יחיד, בין היתר להובלת חומרים מקרינה על-ידי אספקת חום ו-Fireperdowstodows (FLT) 3, אשר מתאמת חום באופן פסיבית, אשר מאפשר אינטגרציה של חומרים ממזגים ו-FLT5.

Cryocooler Health Monitoring and Self-Healing

עם משימות לאורך עשרות שנים, היכולת לזהות ולפצה על ההשפלה של ביצועים היא בלתי נסבלת.חיישנים ניטור דחיסה מנוע הנוכחי, ספקטרום רטט, היסטוריה תרמית, וטוהר הגז יכול להאכיל מודלים למידה מכונה החיזוי כישלונות בלתי אפשריים. חלק החוקרים חוקרים חוקרים חוקרים לחקור את ה-FLT:0 עצמו-healing shitsFLT:1 שיכול להתאים את החות באמצעות מיקרו-פעולה או מחדש של יכולות מסחררות אלה.

מסקנה

האבולוציה של קירור Cryogenic עבור חיי לוויינים הייתה אחד הסיפורים היפים של טכנולוגיית החלל.מממממ המלחמה הכבדה, קצרת ימים של שנות ה-80 לקררנים המכניים הקומפקטיים, היעילים, המנוכרת של העשור של היום, התחום אפשר כמה מהמשימות המשגשגות ביותר מבחינה מדעית מעוופפות אי פעם.כפי שהביקוש לרזולוציה גבוהה יותר, סיבולת יותר, ופלטפורמות קטנות יותר ממשיך לגדול, גל הבא של חידושים מגנטיים – קירור מחדש של מערכות מבוזרות, וגניבות של AI-אופטריקנות-פוחיות-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-הפוחיות-הפוחיות-הפוחיות-ה-הפוכות-פוכות-הרסוגניבות-הפוחיות-החדשהחדשהחדשהחדשהחדשהחדשהחדשהחדשהחדשהחדשהחדשהחדשהאט-החדשניות, ו-ה-ה-ה-ה-החדשהחדשה-החדשהחדשהחדשהצפופות-ה-החדשהחדשה-החדשה-ה-החדשניות, כמו דרישה לפתרון-ה

עבור מהנדסים ומתכננים המשימה, הבנת טכנולוגיות אלה חיונית לקבלת החלטות מושכלות על עיצוב שכר ואדריכלות חלליות.היכולת לחיישנים מגניבים ביעילות וביעילות תישארו מכנה מפתח להתבוננות עתידית על כדור הארץ, אסטרופיזיקה ומשימות הגנה, ופותחת דרכים חדשות לראות את כוכב הלכת שלנו ואת היקום שמעבר לו.

מקור:0 (ב) 1

• [15] [15] [15] [15] [15]
• (ב) ESA: Cryocoolers Keeping Space Instruments CoolirFLT 1
• (ב) «0SPIE News: Advances in Pulse-Flow Cryocoolers for SpaceFreaLT
• תוכנית החלל ה Cryogenics (אנ')