הקדמה: הגידול צריך ליזום אינטגרציית אורמלית מתקדמת בלוויינים קטנים

תעשיית הלווין הקטנה חווה צמיחה חומרית בעשור האחרון, עם קוטביות, ננוש ומיקרו-שטים מבצעים כעת משימות שנשמרו פעם לחלליות גדולות, מיליארד דולר, פלטפורמות קומפקטיות אלה מציעות עלויות כניסה נמוכות יותר, מחזורי פיתוח מהירים יותר, ועם זאת, הגודל והכוח שלהם מציג אתגרים ניהול תרמיים חמורים.

בידוד הירומטר הוא מאפשר קריטי למשימות לוויין קטנות.הוא מגן על אלקטרוניקה רגישה, סוללות, ומטענים מן תנודות הטמפרטורה הקיצוניות של אורביט כדור הארץ נמוך (LEO) ומעבר לכך בצד השמש, משטחים יכולים להגיע מעל +120 מעלות צלזיוס, בעוד בלייקל הם יכולים לטבול מתחת ל- 120 מעלות צלזיוס. ללא יעילות בulation, משימות חיים, קיצור ביצועים, פחת, כישלונות ומפתחות סוללות קטנות, ולכן הם יכולים להיות עדיפויות חלליות, ולכן הם יכולים להיות עדיפויות קטנות, ולכן הם יכולים להיות עדיפויות, ולכן מנגנוני אבטחה, ולכן הם יכולים לסוכנויות חלל.

תפקיד הבידוד הירומלי ב- Small Satellite Thermal control

בידוד הרחם הוא שני פונקציות עיקריות בלווין קטן: הוא ממזער את החלפת החום עם הסביבה החיצונית ומסייע לשמור על רכיבים פנימיים בטווחי הטמפרטורה התפעוליים שלהם.העברה היט במסלול מתרחשת באמצעות שלושה מנגנונים: התנהגות באמצעות ממשקים מבניים, קרינה ל / ממשטחים חיצוניים, וזיהום (שנוי בוואקום).

עבור לווינים קטנים, ההשלכות של בידוד תרמי עני הם חריפה. Batteries לאבד את היכולת בטמפרטורות נמוכות ויכול לסבול מפלט תרמי אם מעוות יתר. Optics וחיישנים חווים שינויים במטוסי מוקד ורעש מוגבר. גלגלי תגובה וחלקים מכניים אחרים להרחיב או חוזה, המשפיעים על דיוק מצביעה.אפילו השלמות המבנית של דבקים ומפרקים מוכרים יכולים להיות נפגע על ידי מחזורים חוזרים.

אתגרים ייחודיים בפיתוח בידוד קל משקל עבור לוויינים קטנים

תכנון בידוד ללוויינים קטנים שונה באופן יסודי מצמצום פתרונות לוויין גדולים.המגבלות הבאות מניעות מחקר ופיתוח:

  • (FLT:0) ממצה ומגבלות נפח: 1FLT:1 A טיפוסי 3U CubeSat יש מסה כוללת של כ 4 ק"ג ונפח פנימי של -3,000 ס"מ3, כל גרם של בידוד חייב למשוך חובה כפולה או להיות יעיל במיוחד.
  • תקציב חזק > עוצמה: לוויינים קטנים> לעתים קרובות יש שטח פאנל סולארי מוגבל, כך צמצום הצורך לחימום פעיל הוא חיוני. בידוד עם מוליכות תרמית נמוכה מאוד (k <0.01 W / mK) יכול להפחית באופן דרסטי את מחזורי החובה החום יותר.
  • (FLT:0) ייצור תאימות: איור 1 (Insulation Materials) חייב להשתלב עם תהליכי ייצור סטנדרטיים כמו בחירת-ומקום, מכרה, וציפוי בהתאמה.הם חייבים גם לשרוד את הרטט שיגור ללא פסולת שופעת שיכולה לסווג אופטיקה.
  • עמידות לסביבה חזקה של מרחב: Outgassing בוואקום, שחיקה חמצן אטומית ב- LEO, נזק קרינה אולטרה סגול, ומיקרומטראואיד משפיע על כל ביצועי ההפחתה לאורך זמן.חומרים חייבים לעמוד בסטנדרטים של נאס"א (אובדן מסה טוטלי <1%, שנאספו חומרים מזהמים תנודתיים 0.1%).
  • (המגבלות של FLT:0) אילוצים: משימות לוויין קטנות פועלות על תקציבים הדוקים.יש לבצע ביצועים גבוהים בעלות נמוכה ותואמים עם הפחתת משקל מהיר.

חומרים חדשניים וטכניקות נהיגה התקדמות

גל של החידושים במדעי החומר הוא להתמודד עם אתגרים אלה.חוקרים עברו מעבר למצעים מסורתיים (MLI) לחקור את האירוגליים, קצף מתקדם, חומרים ננו-אנתרופולוגיים, ושלב שינוי מורכב. כל גישה מציעה פערים מסחריים נפרדים בין ביצועים תרמיים, עמידות מכנית, וקלות של שילוב.

Aerogels: אולטרה אור אלוף בידוד

Aerogels הם בין החומרים המבטיחים ביותר עבור בידוד תרמי לווייני קטן.חומרים סינתטיים אלה נובעים מג'ל שבו מרכיב הנוזל הוחלף בגז, וכתוצאה מכך מוצקים עם צפיפות נמוכה מאוד (כ 1 מ"ג / ס"מ) והתנגדות תרמית יוצאת דופן. Silica aerogels, למשל, יכול להשיג התנהגויות תרמיות כמו 0.015 W / mK בוואקום, 000 exper החוצה על ידי מחסומים מסורתיים של 10.

עבור יישומי חלל, aerogels מציעים יתרונות נוספים: הם באופן טבעי קל משקל, יכול להיות מיוצר כמו שמיכה גמישה או לוחות קשיחים, והם יציב תחת ריק. מאמצי פיתוח אחרונים התמקדו בחיזוק של גללים עם מטבול פולימרים פולימרים כדי לשפר כוח מכני להפחית אבק, בעיה נפוצה עם אדגלימות טהורים.

שילוב של aerogels ללוויינים קטנים עדיין מתפתח.שיטות אופייניות כוללות העריצים דקים בין שכבות אלומיניום (יצירת חבילות בידוד מותאם אישית), הטמעת חלקיקים אווירול בתוך מבנים דבש, או יישום ציפויים מבוססי אווירגליל על פני השטח הפנימי. חברות כמו Aerogels ו- Cabot Corporation מייצרים חללים משוכות כבר בשימוש על נאס"א, עבור רכיבי מחשבת מותאמים אישית.

Multi-Layer Insulation (MLI) הסתגלות עבור לוויינים קטנים

מסורתי MLI מורכב משינוי שכבות של סולי מתכת רפלקטיביים (בדרך כלל אלומיניום או זהב) וחללים מוליכים נמוך (למשל, פוליסטר נקה) בעוד יעיל עבור חלליות גדולות, תקן MLI הוא גדול יותר ויותר ממה שלוויינים קטנים יכולים להכיל. מהנדסים קומפקטיים קומפקטיים עם סולמות, פחות שכבות (10–30-40, ומשתלבים קרקע משולבת למנוע פריקה חיצונית או ממולה.

מגמה מתפתחת היא השימוש בלוחות בידוד של ואקום (VIPs) במבנים לוויין קטנים. VIP מורכב חומר ליבה ⁇ (לעתים קרובות מאופנט סיליקה) מפונה וחתומה במעטפה דקת, גזית.הם להשיג מוליכות תרמית נמוכה מאוד (סביב 0.004 W/mK) אך הם נוקשים ויש להשתלב לתוך החללית כסבת מחקר עדכני באוניברסיטת טוקיו הוכיחה להפחתה של 50 מעלות צלזיוס, לעומת מקבילה.

חומרים לשינוי שלב (PCMs) עבור Thermal Buffering

בידוד לבד לא יכול תמיד למנוע ספייק טמפרטורה במהלך פעילות בעוצמה גבוהה או מעברי ליקוי.שלב שינויים חומרים (PCMs) סופג או לשחרר חום מאוחר במהלך ההיתוך / solidification, מתנהג כמו capacitors תרמיים. פרדוקסלי שעווה, מלח hydrates, ו ⁇ מתכת הם נפוצים PCMs. עבור לוויינים קטנים, מחשבים ניתן לטבול ב קצף או aeros כדי ליצור זרימה תרמית כדי לייצר זרימה מתוחכמות.

נאס"א (FLT:0) תוכנית טכנולוגיית חלל קטנה של נאס"א ממנתה מספר מחקרים ב בידוד ממוחשבתM.I. One Concept משתמשת קצף פחמן מחוספס של שעווה המשלב תמיכה מבנית, בידוד, אחסון תרמי במרכיב יחיד.חומר רב פונקציונלי כזה אטרקטיבי במיוחד עבור לווינים קטנים שבהם כל מיליגרם ומילימטר נחשב להתפתחות של PC עם עומסים גבוהים יותר (מתקני מחקר) הוא שיפור רחב יותר (מתקני ניתוח) הוא אטרקטיבי במיוחד עבור לוויינים קטנים יותר (ממדורגים פעילים).

חומרים ננו-Structured

חומרים מבנים ננו דוחקים את הגבולות של ביצועים על ידי העברת חום בקנה מידה מולקולרי.פחמן aerogels, למשל, משלב את צפיפות נמוכה של aerogels המסורתית עם תכונות תרמיות וחשמליות משופרות. הם יכולים להיות מיוצרים כמו אלקטרודות גמישות או לוחות מבניים. Graphene-based aerogels הם אפילו קלים יותר (0.16 מ"מ / 3) וניתן להתאים או לספוג קרינה אינפרא אדום, בהתאם ליישום.

גבול נוסף הוא השימוש בחומרים מטא-חומריים עם תכונות רדיולוגיות מונדסיות.על ידי דפוס משטחים עם מבנים באורך גלים, החוקרים יכולים ליצור "עורים מדרגה" פולטים חום רק בלהקות אינפרא אדום ספציפיות, צמצום אובדן חום פרציטי.הציפויים המט-חומריים האלה יכולים להיות מיושם על לוחות חיצוניים תוך שמירה על אימפולסים סולאריים נמוכים.

בדיקה ותיקון של בידוד עבור לוויינים קטנים

לפני כל זבובים חומריים אינסטלציה, זה חייב לעבור בדיקות קפדניות כדי להוכיח שהוא יכול לעמוד בתנאי חלל.הקמפיין האופייני להכשרה כולל:

  • (FLT:0) ואקום הירומל (TVAC) אופניים: אנדרל 1 (החומר נתון במחזורים מרובים בין קיצוניות חם וקור (בדרך כלל −120 מעלות צלזיוס ל- +120 ° C) בוואקום של 10–5 Torr או נמוך יותר.thermal מוליכות ושלמות מכנית נמדדים לפני ואחרי.
  • (FLT:0Outgassing Testing:FLT:1eured for ASTM E595 או סטנדרטים דומים, בדיקות אלה מודדות אובדן המוני וחומרים בר-קיימא שיכולים לאחד אופטיקה או פאנלים סולאריים.
  • (ב) ⁇ :0) וזעזוע: דגימות בידוד 1 (FLT:1) רכובות על שולחנות רועדים כדי לדמות עומסי שיגור.מבחנים מכסים פרץ, רטט אקראי, ואירועים מזעזעים.
  • חשיפה לחמצן:0 (Atomic חמצן חשיפה: FLT:1 עבור משימות LEO, חמצן אטומי (AO) במהירות שוחק פולימרים אורגניים.חומרי בידוד נחשפים לנציגי AO של משך המשימה (למשל, 1021 אטומים / ס"מ2 לשנה אחת ב LEO). ציפויים מוגנים כמו סיליקון או חמצני נדרשים לעתים קרובות.
  • (FLT:0) התנגדות לפירוק: 1FLT 1 מנה כוללת של ionizing (TID) ומבחן Proton / אלקטרונירון פלוקס להבטיח בידוד לא מידרדר או להיות מוליכים תחת קרינת חלל.זה חשוב במיוחד עבור MLI עם שכבות מתכת חשופים.

ה-FLT:0 NASA תקני מערכת התקנים טכניים תקנים מערכת 1FLT מספק הנחיות מפורטות לכל סוג מבחן. מפתחי לוויין קטנים לעתים קרובות שותפים עם מעבדות מחקר או להשתמש במתקנים משותפים כמו תא הוואקום התרמי של מעבדת ג'ט.

כיוונים עתידיים ופרקטינג-Edge Research

בידוד של לווינים קטנים הוא רחוק מבעיה נפתרה.כאשר משימות לדחוף לחלל עמוק, מסלולים גיאוסטציונריים ואפילו פעולות פני השטח הירח, הדרישות יגדלו.

Multifunctional ו- Structural-thermal Composites

המטרה הסופית היא ליצור חומרים שמשמשים הן מבנה אינסטלציה והן עומס.סיבים פחמן / פקסי מורכבים עם ליבת אווירגל הם דוגמא אחת: הם מספקים נוקשות, כוח והגנה תרמית ביצירה אחת. חוקרים באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס (UCLA) הראו לאחרונה פאנל עם ליבת 3D-מקודמת מלאה עם אחלליקה, השגת מקבילה ל- 90% עם סגסוגת דבש נוקשה.

גישה נוספת היא ייצור של חומרי בידוד ישירות על רכיבי לוויין.עם טכניקות כמו כתיבה ישירה של מבשרי אווירול, מהנדסים יכולים להדפיס שכבות בידוד תואמים על לוחות מעגלים וחבילות סוללות, ביטול פערים וצמצום עבודת ההרכבה.

Insulation with Active Thermal control

חומרים בידוד הסתגלותיים או מתואמים יכולים לשנות את התכונות התרמיות שלהם בתגובה לצרכים של לווין.לדוגמה, ציפויים אלקטרו-כרומוזומיים או תרמוכרומטיים יכולים לשנות את הנישאות האינפרנצימיות שלהם, המאפשר לוויין לשפוך חום כאשר הטמפרטורות הפנימיות עולות ולשמור אותו כאשר הם נופלים. "עורים חכמים" כאלה מחליפים בידוד מסורתי ושטח קורנטור עם משטח טונה יחיד.

נאס"א:0 , חקר טכנולוגיה של נאס"א מחקר גרנטsFIRLT:1 , תמכו בפיתוח של משטחים מבוססי MEMS ואלקטרו-מחדש אשר שולטים באופן פעיל בדחיית חום בעוד עדיין בשלב המעבדה, טכנולוגיות אלה יכולות להיכנס למשימות לוויין קטנות בתוך 5-10 השנים הבאות.

עיצוב AI-Driven ואופטימיזציה

למידת מכונות היא מאיצה את התגלית של יצירות בידוד חדשות וגיאומטריה.על ידי הכשרת מודלים AI על מסדי נתונים של תכונות חומריות וסימולציות תרמיות, החוקרים יכולים לחזות את הביצועים של מיליוני מבני מועמד לפני כל בדיקות מעבדה. אופטימיזציה של Bayesian שימש לתכנון לוחות aerogel כיתהd-density הממזער ⁇ טמפרטורה על פני אוטובוס לווייני כזה יהיה חשוב יותר ויותר כמו משימות קטנות ודמיון לתוך מסלולים ייחודיים.

מסקנה: עידוד הדור הבא של משימות חלל

משקל אור, ביצועים גבוהים של בידוד תרמי הוא לא רק פרט טכני - זה מאפשר אסטרטגי עבור כל מערכת אקולוגית לווינית קטנה. כמו קבוצות עבור תקשורת, תצפית כדור הארץ, ומחקר מדעי להכפיל, האמינות וחסכוניות של כל לוויין hing על העיצוב התרמית שלה. החומרים המתוארים במאמר זה - aerogels, מתקדם MLI, PCMs, nanostructureds, קצף, ומטאפים חומרים שניתן יהיה על ידי צוות של אפשרויות חומרים ספציפיים.

שיתוף פעולה מתמשך בין מדעני החומר, מהנדסי תרמי ויצרניות הלווין ימשיכו לדחוף את גבולות הביצוע.בדיקה בתנאי חלל ריאליים, כולל חשיפה ממושכת בתחנת החלל הבינלאומית או משימות לוויין קטנות ייעודיות, יאמתו את הבשילונים החדשים האלה לשימוש מבצעי.עם כל חידוש בניהול תרמי, לווינים קטנים מקבלים את היכולת לשאת יותר תשלומים מסוגלים, לפעול בסביבה קשה יותר, ולספק ערך גדול יותר לחלל.