פיתוח של רדיטורים במשקל אולטרה אור עבור לוויינים קטנים

התפוצה המהירה של לווינים קטנים - מחשבים, ננוש, ומיקרו-סטליטים - הפכה גישה לחלל, המאפשרת למשימות נעות מהתבוננות כדור הארץ ותקשורת למדע עמוק בחלל.פלטפורמות קומפקטיות אלה מציעות יתרונות משמעותיים בעלות, מהירות פיתוח, והשקת גמישות, עם זאת, גודלם מופחת ותקציבי כוח מוגבלים יוצרים אתגרים ניהול תרמיים ללא דחייה יעילה, על אלקטרוניקה, וחיישנים מהירים יותר יכול לחקור את הטמפרטורות מהירות גבוהה יותר, כדי למנוע את הביצועים החיוניים שלהם, או להפעיל את הביצועים קריטיים.

האתגר הגדול בלוויינים קטנים

לווינים קטנים פועלים בסביבה התרמית הקשה של החלל, שם הם נחשפים באופן חלופי לקרינת השמש ישירה, משתקף את כדור הארץ albedo, ואת הרקע הקר של חלל עמוק. Internally, רכיבים כגון מגברי חשמל, מעבדים וגלגלי תגובה מייצרים חום פסולת משמעותי.לשמור על טמפרטורת פני השטח של הלוויין בתוך חלון תפעולי צר - 20 מעלות צלזיוס עד 50 מעלות צלזיוס מסורתיות עבור אלקטרוניקה - כלומר, 000 ק"ממים מסיביים כבדים, 000 ליטרים בגודל של כדור דבש, 000 ק"מ, 000 ליטר חום חזק, 000 ליטרים בגודל של שטח בינוני, 000 צהוב, 000 ליטרים בגודל של שטח בינוני, 000 צהוב, 000 ליטר חום מסיבי של כדוריות בגודל של כדוריות בגודל של כדוריות בגודל של כדור דבש, 000 × 0.

נקודות של ניהול תרמי לא מספיק כוללות חיי סוללה מופחתים, שיעורי כישלונ מוגבר של אופטיקה רגישה, ולחץ תרמי שיכול לגרום עיוות מכני.במקרים קיצוניים, חימום יתר יכול להוביל לאובדן קטסטרופלי של המשימה. כמו לווינים קטנים לקחת על תפקידים שאפתניים יותר - כגון מכ"ם סינתטי ובדיקות בין כוכבי לכת - הצורך יעיל, קל משקל הופך לשליטה אפילו יותר דחוסה.

עיצוב החלל רדיטור

בוואקום של החלל, העברת החום מתרחשת בעיקר באמצעות קרינה.חוק סטפאן-בולצמן קובע כי הכוח קורנ ממשטח הוא פרופורציה, שטח פני השטח, והכוח הרביעי של הטמפרטורה המוחלטת שלו. An אידיאלי קורנר יש תנוכיות גבוהה (α) בספקטרום אינפרא אדום כדי לשפוך חום ביעילות, ואטמיות נמוכה (α) בספקטרום השמש למזער אור השמש.

עבור לווינים קטנים, אתגר העיצוב הוא להשיג מספיק אזור קורנינג תוך שמירה על גישה המונית נמוך.אחת היא לשלב את הרדיור ישירות לתוך מבנה החללית, באמצעות כל ה-Aassis כמו משטח קורנינג. השני הוא לפרוס משטחים נוספים לאחר ההשקה. שתי האסטרטגיות דורשות חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה להפיץ חום אפילו על פני הרדינר ודחיסות נמוכה כדי למזער משקל.

חידושים מרכזיים ב- Ultra-Lightweight Radiators

מדענים ומהנדסי חומרים פיתחו מספר טכנולוגיות פורצות דרך כדי לענות על דרישות ניהול תרמי לוויין קטן.

המונחים: high-thermal-Conductivity Composites

פחמן-פייבר-reinforced פולימרים (CFRPs) מציעים כוח יוצא דופן ונוקשות תוך כדי שוקלת חלק קטן של אלומיניום. ההתקדמות האחרונה יצרה את ה-CRP עם מוליכות תרמיות של מטוסים מעל 500 W / mK - הניתן לניחושה - על ידי שילוב של סיבים מבוססי פחמן או פחמן (CNT) חיזוקים אלה יכולים להיות מעוצבים לתוך נפח כפול של כדור אחד, כמו לוחות כפולים.

רדיטורים

קורנטורים דק-סרט משתמשים בשכבות אולטרה-אין של מתכות כגון אלומיניום, נחושת או כסף שהופקד על תת-שכבות פולימר גמישות כמו פולימד או PEEK. סרטים אלה יכולים להיות דקים כמו 10-25 מיקרומטר, השגת שיניים דו-חמצני מתחת 50 g/m2.הסרט בדרך כלל מדביק שכבת כיסבות גבוהה (למשל, סיליקון או ציפוי שחור) אפילו מצמצם את הרקמות חום נמוכות יותר.

המונחים:

מושגים רדיורנים עומק ללוות ממנגנוני מערך סולאריים, באמצעות לוחות מתפתלים המתגלים ברגע שהלוויין נמצא במסלול. עיצוב בולט אחד הוא הרדיון "Fuff-fold" הכולל מספר רב של לוחות רזים וגמישים המשתרעים מהגוף של החללית כמו הסכם.פר אחד הוא "אוריגמי" אך ורק מתקפל אחד מפלט על ידי אנרגיה מאוחסנת או מנוע קטן עשוי לשאת נפח של 2 ס"מ"ם אמין לפני שהוא מכיל רק ליטרים.

חומרים לשינוי שלב (PCMs) ו- HeatPipes

בעוד לא קורנטורים עצמם, PCMs ו צינורות חום משפרים את היעילות של קורנטורים קלים. PCMs - כגון שעווה פרפין או מלתות מלח - חום בתוך היתוך, החלקה של ספיגות טמפרטורה. צינורות חום ו צינורות לולאה חום צינור צינור מאלקטרוניקה פנימית כדי לנקות לוחות עם ירידה מינימלית טמפרטורה מאפשר למעצבים תרמיים כדי לרכז מקורות חום, רק 10 ליטר חום קטן של מינרלים נמוך יותר, 000 ליטר חום, 000 ליטר חום, עם קרינת חום קטן יותר עם קרינת חום.

ייצור תוספתי עבור רדיטור מותאם אישית Geometries

הדפסה תלת מימדית מאפשרת ייצור של מבנים קורנטור עם צורות מורכבות הממקסמות את שטח פני השטח בעוד minimizing המוני. Lattice מבנים, finated , וחילופי חום microchannels ניתן להדפיס מסגסוגת אלומיניום, titanium, או אפילו פולימרים מוליכים גבוה. מוליכים גבוהה. מוליכים לייזר התכה (SLM) מאפשר קרינת מתחת 10% תוך שמירה על שלמות מבנית אלה.

מדע בדיוני פורץ דרך

מעבר לרכיבים, חומרים חדשים דוחפים את הגבולות של ניהול תרמי במשקל אולטרה-אור.

Graphene ו- Carbon Nanotubes

Graphene יש מוליכות תרמית תיאורטית העולה על 5000 W / mK ו צפיפות של רק 2.2 גרם / CM3. מעשי גרפין סרטים (למשל, נייר תחמוצת גרפן מופחת) להשיג התנהגויות של 1000-2000 W / mK וניתן לייצר כמו לוחות קטנים 10-100 מיקרומטר עבה.

יהלום ויהלומים כמו פחמן

היהלום יש את מוליכות תרמית הגבוהה ביותר של כל חומר גדול (2200 W/mK) אבל יקר וקשה לציור לתוך גלידות גדולות. ציפוי פחמן דמוי יהלום (DLC), שהופקדו על ידי מחיקה של נפיחות כימית, יכול לספק שכבה דקה, קשה, קשה מאוד, מאוד התנהגות תרמית (עד 1000 W / mK) על תת-ידי אלומיניום קל משקל או CRRPRRP משופרים אלה יש גם ציפויים משופרים.

High-Emissivity Ceramic Coatings

ההתקדמות בציפוי קרמיקה יצרה פני השטח עם ערכי הרשיון גבוה כמו 0.98 באדום תוך שמירה על אבסרטוטיביות השמש מתחת 0.1. אלה ציפויים "חכמים" יכול אפילו להיות מכוון לשנות את השאילות עם טמפרטורה, המאפשר רגולציה פסיבית לאחור. לדוגמה, ציפויים מבוססי דו חמצני לעבור בין נמוך וגבוהות בסביבות 68 מעלות צלזיוס, מתנהג כמו תרמיל תנאים דומים (למשל) כי הם הכרחיים (אונים) עבור לוויינים קטנים (אונדיום) הם בעיקר).

עיצוב ואופטימיזציה של

מסה מינימלית אינה מסתיימת בחומרים; עיצוב מבני ממלא תפקיד קריטי באותה מידה.

אופטימיזציה טופולוגיה

כלים משלימים יכולים לייעל את ההפצה של החומר בתוך רדיור כדי להשיג ביצועים תרמיים מקסימליים עם מסה מינימלית.על ידי פתרון בעיה משולשת-מבנה תרמי, מהנדסים יכולים ליצור עיצובים אורגניים, דמויי צמיגים שלא יהיה אפשרי לייצר באופן קונבנציונלי אבל הם אמיתיים עם תוספת של ייצור.טופולוגיה-אופטימיים עבור Cubes הדגימו הפחתה המונית של 30–5 בהשוואה לחיקוי המסורתי של עיצובים, בעודם חום.

Origami-Inspired Deployable Structures

העקרונות של אוריגאמי - הכפלת גיליון שטוח לתוך נפח קומפקטי - הם מוחלים על קורנטורים מבוזרים. מבנים אלה משתמשים בירכיים גמישות ועצב-memory פולימרים כדי self-deoy לאחר ההשקה. An Origami קורנטור יכול לחדור לתוך נפח של כמה מ"ק ואז unfurl to a משטח של כמה מ"ר: FLT:2 חקירה) יש מעבד אמין על פני מעבדים 1 ליטר 1⁄2 ליטרים.

אינטגרציה עם אוטובוס לווין

במקום להוסיף רדיו נפרד, מעצבים משלבים יותר ויותר את תפקוד הבקרה התרמית למבנה הלוויין עצמו.לוחי ההאסאסאסאסאסים יכולים להיעשות מ-CRP או אלומיניום עם צינורות חום משובצים, המשרתים הן כחברים מבניים והן משטחים של דחיית חום.בכמה עיצובים קוביות, הקירות החיצוניים מכוסים 0.1% מכחול גבוה ומחוברים למקורות חום פנימיים באמצעות מוליכים תרמיים או פערים תרמיים "ממים"מים" של 2" (או" (או"לגבול חיצוני) למגבלות מסה" (מפרק 2, אך ורק למגבלות שטח כולל של מנגנונים משוריינות).

בדיקות ואימות

קרינה במשקל אולטרה אור חייב לשרוד את הrigors של ההשקה ואת הסביבה החלל.בדיקה כוללת:

• (FLT:0) ואקום הירומלי (TVAC) אופניים: אנדרטים 1 , רדיטורים נתונים למספר מחזורים חמים על לחצים מתחת ל 10–5 Torr כדי לאמת ביצועים קסומים ושלמות מבנית.
• (FLT:0) וזעזוע: פאנלים 1FLT חייבים לעמוד בתנודות האקראית והעומס האקוסי של שיגור טילים.
• חומרים (FLT:0) חשיפה אולטרה סגולה: חומר ראטפל:1 נבדקים עבור השפלה תחת קרינת UV וחלקיק, אשר יכול להחשיך ציפויים ולהקטין את הנישאות לאורך זמן.
• (FLT:0Micro-meteoroid ו-FLT (MMOD) השפעה: ⁇ FLT:1 ⁇ -film הם פגיעים במיוחד; כמה עיצובים משלבים שכבות הקרביות או חומרים הדבקים בעצמם.

תקני Qualification עבור רדיורים לווייניים קטנים נגזרים לעתים קרובות משיטות חלל גדולות יותר (למשל, AIAA S-111, ECSS-E-ST-31C) אך מותאמים לעלויות הנמוכות וללוח הזמנים הקצרים יותר האופייניים למשימות CubeSat.

מחקרים ומשימות

כמה משימות הוכיחו בהצלחה רדיורים אולטרה-אור:

• (FLT:0)מעבדות Dove Satellites: ⁇ 1) אלה 3U CubeSats להשתמש קרני CFRP בעל צבע לבן כדי לשמור על שליטה תרמית על המטען האופטי שלהם.הדיאטורים משולבים לתוך מסגרת החללית, ומאפשר לכל לוויין לשקול פחות מ 5 ק"ג.
• (FLT:0) NASAA's CubeSat Launch Initiative (CSLI) משימות כמו AeroCube-10:03FLT:1 הדגמה דקת סרטנית מורחבת המשתרעת מהצד של החללית, דוחה 5 W של חום עם פאנל במשקל רק 15 גרם.
• (FLT:0) ESA's OPS-SAT:03FLT:1 ; A 3U CubeSat אשר בדק את חומר ההחלפה שלב יחד עם מקרנת משקל, שמירה על שכרו בתוך 2C במהלך מחזורי כוח שיא.
• [01:0] פרויקט R2C2 (Radiator for CubeSats) פרויקט ההרחבה 1FLT:0 [ה-R2C2C2 (Radiator for CubeSats) במימון קרן FLT:2U.S. Air Force Research LaboratoryFLT:3 פיתחה קרינת מנוף המותקנת מאלומיניום עם צינורות חום בלתי אינטגראליים, השגת צמצום המוני של 40% בהשוואה לפאנל דבש קונבנציונלי.

מחקר וכיוונים עתידיים

במבט קדימה, מספר שדרה מחקר מבטיח אפילו יותר רדיולוגים אולטרה-אור יעילים:

• (FLT:0) אלקטרורוכמית וציפוי תרמוכרומטיים (Ralchromic ציפויsFLT) 1:1 שמכוונן באופן פעיל את המוכנות המבוססת על טמפרטורה, צמצום כוח החום במהלך שלבים קרים.
• (FLT:0) עיצובים ביומטיים של FLT:103) בהשראת מבני הקירור הקרירניים שנמצאו בכמה אולמות ונמלים, אשר יכולים להשיג התנהגות של גוף שחור ליד-ידי חומר מינימלי.
• (ב) [ה] [ה]] [ה]]] [ה]]]] [ה']'[ב[[המאה ה-20], ו[[המאה ה-20]], [[1924]], [[1924]]]],]] ו[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]
• ייצור מתורבת של חומרים מורכבים פחמן-מדומים מתמשך (FLT) 1:1 באמצעות הדפסה בחלל כדי ליצור קורנטורים המותאמים לצרכי המשימה ללא מגבלות שיגור.
• (FLT:0 Two-phase תרמי ניהול לולאות ניהול תרמיים FIRLT:1) באמצעות משאבות זעירות ומיקרו-ערוצים כדי לשפר את העברת החום ברדיונים קומפקטיים עבור מטענים בעלי עוצמה גבוהה (למשל, 100–500 W עבור לווינים קטנים עתידיים).

ככל שיכולות לוויין קטנות ממשיכות לגדול, הביקוש לרדיונים יעילים, אמינים ואולטרה-אוריים רק יגבר.ההתכנסות של חומרים חדשים, ייצור מתקדם ועיצוב מבני חדשני מאפשרת פתרונות בקרה תרמיים שפעם חשבו שאי אפשרו לפלטפורמות מתחת לגיל 10 ק"ג.

מסקנה

הפיתוח של רדיודיאטורים אולטרה אור הוא טכנולוגיה קריטית המאפשרת לדור הבא של לווינים קטנים.על ידי מינוף של מקרמות בעלות גבוהה, סרטים דקים, מבנים הניתנים לפרוס, וטכניקות ייצור חדשניות, מהנדסים יכולים עכשיו להשיג דחייה יעילה חום עם עונשים מסה רשלנות.התקדמות זו מאפשרת ללוויינים קטנים לקחת משימות תובעניות יותר, מרזולוציה גבוהה כדור הארץ ועד הדמיה עמוקה, ללא יעילות גבוהה, כמו גם חומרים חדשים, אשר ממשיכים אופטימיזציה של גבולות קומפקטיים, כמו גם כן, כמו גם חומרים חדשים, כמו גם פיתוח מערכת יחסים מתקדמים, כמו גם כן, כמו גם פיתוח, כמו גם חומרים חדשים של מערכות יחסים מתקדמים, כמו גם קומפקטיים, כמו גם קומפקטיים, כמו גם קומפקטיים, כדי לשפר את המהירות של מערכות יחסים מתקדמים, כדי לשפר את המהירות של מערכות יחסים מתקדמים, כדי לשפר את המהירות של מערכות יחסים מתקדמים, כמו גם כן, כך, כדי לשפר את מהירות גבוהה של מערכות יחסים מתקדמים, כמו גם עבור מערכות לוויין קטן יותר, כדי לקדם את המהירות, כדי לקדם את המהירות של מערכות יחסים מתקדמים, כדי לקדם את המהירות האפשרית של מערכות יחסים מתקדמים, כדי לקדם את מהירות גבוהה ויעילה, כדי לקדם את מהירות גבוהה של מערכות יחסים מתקדמים, כמו גם את מהירות גבוהה יותר דורשות, כדי לקדם את