מציאות הטמפרטורות קיצוניות בחלל עמוק

חלל עמוק אינו אחיד, קר ריק.זה סביבה של להעניש ניגודים תרמיים. חללית במעבר בין כוכבי לכת עלולה לעמוד בפני הזוהר הישיר, הלא מפוספס של השמש בצד אחד, בעוד צד הצל שלו מצביע על רקע אפס כמעט מוחלט של היקום.זה יוצר טמפרטורות שונות שיכולה לעלות על 500 מעלות צלזיוס על פני אותו כלי רכב זהיר, אלה גורמים להרחיב את החומרים הפיזיים, ולהפחית את קצבי השברים, או מכווץ, הוא מייצר טמפרטורות שונות.

הפיזיקה של החום ב Vacuum

חום מעביר שונה בחלל.ללא אוויר, קונוטציה אינה ממלאת תפקיד.המנגנונים היחידים הם התנהגות (באמצעות חומרים מוצקים) וקרינה (גלי אינפרא אדום אלקטרוניים אלקטרוניים) כלומר מרכיב חם לא יכול להתקרר על ידי התפוצצות אוויר; זה חייב לקרינה חום משם, או לבצע אותו לרדיונר שעושה את העבודה באופן דומה, השמש היא המקור החיצוני הדומיננטי.

טמפרטורה טיפוסית קיצונית מול Spacecraft

קריאה בטמפרטורות תלויה במרחק מהשמש, אוריינטציה, והאם החללית נמצאת באור השמש או ליקוי.

  • ליד כדור הארץ, לוויין בשמש מלאה יכול להגיע 100-120 מעלות צלזיוס על פני השמש שלה, בעוד הצד המפוצל יורד ל- 100 מעלות צלזיוס.
  • בצל של כוכב לכת או במהלך לילה הירח, הטמפרטורה צונחת מתחת -180 מעלות צלזיוס.
  • במרחק פלוטו, עוצמת השמש היא רק 1/1000 של כדור הארץ, ולכן חללית חייבת להסתמך במידה רבה על חום פסולת פנימי ומחממים כדי להישאר מעל -230 מעלות צלזיוס (ווקר פועל במשטר זה).
  • בדיקה סולארית כמו פארקר השמש Probe של נאס"א עומדת בפני הקיצוניות המנוגדת: עליה לשרוד טמפרטורות מעל 1,400 מעלות צלזיוס בגישה הקרובה ביותר, באמצעות מגן חום מיוחד פחמן-קומפוזי, המקרינה אנרגיה תרמית הרחק.

טווח התנאים שעיצוב יחיד חייב להתמודד הוא מזעזע.

מערכות בקרת חלוף: תכנון לאיזון

מערכות פאסיביות הן עמוד השדרה של תקנה תרמית.הם אינם דורשים חלקים נעים, כוח או משוב פעיל.אמינותם היא תוצאה ישירה של פשטות.

Multi-Layer Insulation (MLI)

שמיכה MLI הן המערכת הפסיבית הגלויה ביותר על חלליות רבות.הם מורכבים ממספר שכבות דקות של קפטון רפלקטיבי או Mylar, מופרדות על ידי מרש מוליכים נמוכה.השכבות משקפות קרינה אינפרא אדום, מונעות חום מבריחה בסביבות קרות וחוסמת רווח סולארי באלה חמים.MLI יכול להשיג התנגדות תרמית ללמעלה ממטר של בידוד קונבנציונלי.

טיפול ב-Thermal Coatings and Surface Treatments

התכונות האופטיות של פני השטח – האימפולסיביות וההנעה – קובעות כמה אנרגיה סולארית היא לוקחת פנימה וכמה ביעילות היא מקרינת חום.מהנדסים בוחרים ציפויים כדי להשיג איזון ספציפי:

  • (ב) ל[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1948]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (בקיצור:0) משטח מתכת משודר 1 (זהב, כסף, אלומיניום) משקפים את השמש חזק אך יש גם הרשבתיות נמוכה - שימושית עבור משחות שמש אך עני לאלקטרוניקה קירור.

בחירת קואט היא סחרחורת בין ביצועים תרמיים לבין השפלה מקרינת UV, חמצן אטומי במסלול כדור הארץ נמוך, ואפקטים מיקרומטראוטקס.

רדיטורים: The Workhors of Heat Rejection

רדיאטורים הם משטחים בגודל עם הרשאות גבוהות כי לזרוק חום לתוך החלל.הם ממוקמים לעתים קרובות בצד הצל של החללית כדי למנוע אור שמש ישיר.הדיאטורים היעילים ביותר עשויים אלומיניום או beryllium ומצופה עם צבע גבוה כיס (למשל, נספח שחור). האזור הדרוש תלוי העומס התרמי: לוויין גדול עשוי לדרוש 5 - 10 מטר מרובע של עיצובים של פני השטח ללא שימוש רסן.

שינוי חומרים (PCMs)

PCMs סופג חום על ידי התכה (מעבר מוצק לנוזל) בטמפרטורה מבוקרת, אחסון אנרגיה כמו חום מאוחר יותר. כאשר הטמפרטורה יורדת, הם מבססים ושחרור זה חום בחזרה.חומרים נפוצים כוללים שעווה פרפין, מלחים מיובשים, ו ⁇ eutectic. PCMs משמשים כדי להחליק טמפרטורה במהלך ליקויים או קצר עומס גבוה האירועים שלהם.

מערכות בקרה ארסיות Active Thermal Control Systems: Precision Management

כאשר שיטות פסיביות לא יכולות לשמור על סובלנות טמפרטורה הדוקה - במיוחד עבור מכשירים רגישים כמו גלאי Cryogenic - מערכות פעילות מספקות רגולציה מדויקת.

מייבשי חשמל ו-Thermostats

תנורי חימום עמידים, לעתים קרובות מוטבעים במעגלי הישרדות, לשמור על רכיבים קריטיים מעל טמפרטורות הישרדות מינימליות.הרוביטים או בקרים במצב מוצק יותר מתוחכם יותר (למשל, המrmistors עם מפץ או שליטה PID) לעבור תנורי חום על ומחוץ.על משימות עם כוח מוגבל, תנורי חום לעתים קרובות מרוצפים כדי לשמר אנרגיה.

צינורות חום וצנרת חום

צינור חום הוא צינור אטום המכיל נוזל עבודה (amonia, מים, או propylene) בקצה החם, את הפיגור נוזל, סופג חום; ה vapor נוסע עד הסוף הקר, condenses, ומשחרר חום, ואז החזרי הנוזל באמצעות פעולה capillary דרך wick. זה תחבורה חום ביעילות על פני החללית.

Coolers Active Coolers ו Cryocoolers

עבור מכשירים הזקוקים לטמפרטורות אולטרה-נמוכות (למשל, גלאי אינפרא אדום ב -268 מעלות צלזיוס), כיבים מכניים מועסקים.מכשירים אלה דחוסים ולהרחיב את גז הליום במחזור סגור כדי לחלץ חום, בדומה למקרר, אך הפעלה הפוך.המכשיר CRISM של מאדים השתמש צינור הדופק קריר יותר כדי להשיג 70 ק"מ של נאס"א, 000 קרבה לתוך טלסקופ רומי צריך להגיע לתוך רוחב כפול של גרייס קליבר.

לוורס וה-Thermal Switches

לורס הם לוחות מוארים שנפתחים או קרובים כמו עיוורים כדי לשלוט באובדן חום קורנטיבי. מעיינות דומטיל מפעילה אותם על בסיס טמפרטורה - אין צורך בכוח.מתגים הירומאליים להתחבר או לנתק נתיבים מוליכים גבוהים בין רכיבים ומקרי רדיונים.אלה פחות נפוצים מאשר תנורי חום או צינורות חום אבל יקר למשימות שחוו תנודות גדולות בעומסים פנימיים.

חומרים לסביבה קיצונית

שום מערכת תרמית לא יכולה לעבוד ללא חומרים העומדים בפני הסביבה.הבחירה חייבת לשקול מוליכות תרמית, יעילות של התרחבות תרמית (CTE), דיגיטציה, סובלנות קרינה, יחס כוח למשקל.

מתכת

  • (ב) ⁇ 0אלמיום ⁇ sFLT:1 (למשל, 6061-T6, 7075): בשימוש נרחב עבור רדיורים, לוחות מבניים, ושוקי חום.הם מציעים מוליכות טובה בעלות נמוכה, אבל CTE תואם עם אלקטרוניקה יש לנהל.
  • (ב) ⁇ טיטניום (ב"ג): נמוך יותר CTE וכוח גבוה, בשימוש במריצות ופריחות תרמיים שחייבים לעמוד בפני זרימת חום.
  • (ב) [ה]: [ה]: [ה] [ה]]: [ה] [ה] [ה]] [ה]]] [ה]], [ה],]] [ה], [ה], [ה], [ה], [ה]]], [ה], [ה]]] [ה'[ה'], [ה'], [ה'[ה']]]
  • (FLT:0)InvarveFLT:1: סגסוגת ניקל-iron עם כמעט אפס CTE, המשמש ממשקים מדויקים כי לא צריך לעבור עם טמפרטורה.

מיצגים ו- Ceramics

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ציפוי ציטראטיים (alumina, zirconia): החל כציפוי מחסום תרמי על נסחרות טילים וכלי רכב חוזרים.
  • (FLT:0) סרטי פולימימד 1 (Kapton): השתמשו במעגלים גמישים ומימיים לטמפרטורה הרחבה שלהם (-269 ° C ל- +400 ° C).

חומרים מתפתחים

  • (ב) [ה]:0] ארגליאלספל 1: אחהליקה אולטרה-נמוכה או אווירי פחמן מציעים בידוד מדהים עבור מסה יחידה.
  • (ב) ,0) ,Nanostructured משטחים ממבנה 1: הנדסת שיש להם שאיפות גבוהות מאוד או אימפולס נמוך מאוד דרך מרקם פני השטח ולא ציפוי, צמצום ההשפלה.
  • (ב) ⁇ :0) ,3ase-change ComplexsFLT:1: הטמעת PCM במריצה התנהגותית משפרת את התפשטות החום ואת השלמות המבנית.

מחקרים אמיתיים: כיצד משימות שורדות

בחינת חלליות מצליחות מגלה את היישום המעשי של עקרונות אלה.

James Webb Space טלסקופ ג'יימס ווב (JWST)

JWST חייב לפעול בטמפרטורות מבוכות מתחת ל-50 ק"ג כדי להתבונן באור אינפרא אדום.מערכת הקירור הפסיבי שלה היא יצירת מופת: חמש שכבות שמשהות את גודל בית המשפט טניס, עשוי קפטון המצופה מאלומיניום וסיליקון דופדן.זה משקף קרינה סולארית ומאפשר חום מהשמש לרדיוט לתוך החלל.השכבות של השמש מופרדות בדיוק כדי לאפשר חום לברוח ביניהם, בנוסף לטלסקופ ה- 6KIRCIR ממשיך ל-Cer למרות ה- 100.

וויאג'ר 1 ו-2

עכשיו מעבר ל heliosphere, החללית הזו מסתמכת על גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) עבור כוח. RTGs לייצר חום פסולת כי מחמם את האלקטרוניקה. עם זאת, כאשר הם נוסעים רחוק מהשמש, חימום סולארי הופך רשלני.

ניו-הוריאנס

במהלך הטיילת פלוטו, ניו הורינס היה צריך לפעול במרחקים שבהם עוצמת השמש היא רק 1/1000 של כדור הארץ.זה השתמש בעיצוב תרמי מורכב: מבנה חצי-בשורה שקרינה חום הרחק מחבילת הכלים הרגישה, מצב הישרדות מחוזק חום עבור שיוט ארוך, ותוצאה בזהירות מבודדת של האוטובוס הראשי.

השפעת הטמפרטורה על מערכות ואלקטרוניקה

לכל רכיב אלקטרוני יש טווח טמפרטורה תפעולי מדורג מחוץ לטווח זה, מצבי כישלונ מתרבים:

  • (ב) [ה]: [ה] [ה] [ה] [ה]: ההתנגדות מוגברת, הטרנזיסטורים השופעים, המפרקים המבורכים (המגיפה הפנימית), והפוטנציאל לנית אם מרכיב חם מגיע במגע עם משטח קר – אם כי עיקול דורש אווירה, כך לא דאגה בוואקום.
  • (FLT:0) טמפרטורות גבוהות של טמפרטורות גבוהות יותר: אלקטרו-מיגור מואץ, מופחתת למחצה ניידות, מרחק תרמי במכשירי חשמל, ויציאה החוצה שיכולה לסווג אופטיקה.
  • (FLT:0) Temperature רכיבה על אופניים FLT:1: התרחבות חוזרת ו התכווצות גורמת לעייפות באג"ח חוט, מפרקים מכרים, וגבישת מעגלים.זהו אחד מנגנוני הכישלון הנפוצים ביותר לאחר ההשקה.

מהנדסים מקטינים את הסיכונים הללו באמצעות רכיבי הדר (הפעלתם מתחת ללחץ המקסימלי), ציפוי קונפורמנטלי, מעגלים מחוסנים, ובדיקות אופניים תרמיות קפדניות זהירו במהלך הסמכה הקרקעית. הסמכה טיפוסית דורשת לשרוד אלפי מחזורים תרמיים בחדר ריק המסימול את התנאים הצפויים של המשימה.

בדיקה עבור Deep Space Thermal Performance

בדיקות קרקעיות הן הכרחיות. Spacecraft ממוקמים בתאי תרמיים (TVAC) שמשכפלים את הקצוות של ואקום וטמפרטורה הם עומדים בפני. סימולטורים סולאריים משתמשים מנורות חזקות כדי לחקות אי-דיאנס סולארי כוללים:

  • (ב) ,0) בדיקות איזון אורתרמיות (FLT:1): אימות כי טמפרטורות מייצבות בערכים חזופים תחת תרחישים חמים וקרים גרועים.
  • (ב) עיין ב-[[1924]]: [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]
  • (ב) כרך 1:0) ,WalshphFLT:1: החזקת החללית בטמפרטורה קבועה למשך 24 עד 72 שעות כדי לבדוק את הגזים, שינויים חומריים או סחף.

בדיקות אלה לעתים קרובות לרוץ במשך שבועות והם קריטיים לחשוף פגמים עיצוב לפני ההשקה.הם גם לאמת מודלים תרמיים המשמשים לחיזוי טמפרטורות טיסה.

כיוונים עתידיים בטכנולוגיית הבקרה הירומית

בעוד משימות לדחוף קדימה לתוך חלל עמוק (לגביע קויפר, מרחב בין כוכבי, או לתוך ההכתרה של השמש), פתרונות תרמיים חדשים יידרשו.

המונחים: Emissivity Surfaces

חומרים שיכולים לשנות את המוכנות האינפרא אדום שלהם על הביקוש - משטחים אלקטרוניים או מבוסס MEMS - יכול לאפשר לחלליות להתאים דחייה חום ללא מעברים נעים.זה היה חוסך המונים ולשפר את השליטה. Prototypes נבדקו בתחנת החלל הבינלאומית.

מערכות Rejection

עבור חללית בעלת עוצמה גבוהה (כמו כלי רכב הנעה חשמליים-חשמליים), קורנטורים קלים גדולים הם צוואר בקבוק.מושגים כוללים קורנטורים נוזליים (לזז גיליון דק של נוזל שמקרינה חום ישירות לחלל ואוספים אותו שוב) או מטלסקופים המפרסמים לאחר ההשקה.

מבנה אינטגרטיבי-מיכאני

במקום לגרד קורנטורים על מבנה, מעצבים בוחנים "אסאסאסים ותרמים" המשלבים עומס ותפקודי הסרת חום.לדוגמה, לוחות דבש מורכבים עם צינורות חום מוטבעים יכולים לשמש גם המבנה הראשי וגם האוטובוס התרמי.זה מקטין פונקציות מסה וסימולציות.

מסקנה

תכנון חלליות לתנודות טמפרטורה קיצוניות הוא משמעת המשלבת פיזיקה, מדע חומרים, ובדיקה קפדנית עם השלכות אמיתיות על הצלחה המשימה.מ שמיכות MLI על לוויין מתפתל כדור הארץ אל המבעוטים על טלסקופ החלל ג'יימס ווב, כל מרכיב ממלא תפקיד בשמירה על האיזון התרמית העדין, חקר העתיד ידרוש פתרונות אפילו יותר גאוניים, אבל היסודות – בידוד, פעיל, איסוף חומרים זהירים, כדי לשרוד את ההתפתחות החומרית של האנושות העמוקה, לפני שעדיין לא תוכל לשרוד את העיצובים העמוקים העמוקים העמוקים העמוקים ביותר.

(ב) ויקרא: "א' אֱלֹהֶיךָ" (בראשית כ"ד)

  • (ב) ,0) ,נאס"א, עיין ב- SmallSatscioFLT (הראשונה ל- ).
  • (ב) ,0) ESA: איך JWST נשאר קרדומים 1
  • (ב) ויקרא י"ד:
  • (ב) ◄ ⁇ ⁇