פתרונות הנדסה לשליטה על החלל הרחב בסביבה

התפקיד הקריטי של הנדסה תרמית בחלל

מערכת תת-מערכת בקרת תרמית (TCS) היא עמוד השדרה הנדסי בסיסי של כל חללית, אדמה או rover. הפונקציה העיקרית שלה היא לשמור על כל רכיבי לוח, מאלמנטים מבניים ועד מערכות אלקטרוניקה רגישות ומניעה, בתוך גבולות הטמפרטורה הספציפיים שלהם מאפשר גבולות.סביבה תרמית קיצונית של החלל, מאופיין על ידי ריק, קרינה סולארית אינטנסיבית, וקור של חלל עמוק, מציג אתגר הנדסי ייחודי כדי למנוע כראוי של פעילות גופנית מהירה יותר, כגון טמפרטורות ריקות, לא יעילה, כגון לחץ אוויריות, הוא רק טמפרטורות ריקות מתקדמות, כגון לחץ אוויריות, כלומר, כוח מכניות, יעיל של כוח מכניות, כלומר, יעיל של כוח מכניקה מהירה, הוא רק טמפרטורות מהירות מגנטיות, כלומר, הוא יעיל יותר, הוא יעיל של כוח מכניקה מהירה, כלומר, כלומר, יעיל של כוח מכניקה מהירה, כלומר, יעיל של כוח מכניקה מהירה, כלומר, הוא יעיל של כוח מכניקה מהירה של כוח מכניות גבוהה של כוח מכנית גבוהה של כוח מכניקה מהירה, הוא יעיל, הוא יעיל של כוח פעיל, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הוא יעיל של אנרגיה גמישה, כתוצאה מכך, קריסת שטח, הוא יעיל של אנרגיה גמישה, הוא יעיל, הוא יעיל, קרירק פתוח

בניית הסביבה המסוכנת

הבנה מדויקת של הסביבה התרמית החיצונית היא תנאי מוקדם לכל עיצוב חלליות תרמיות.מקורות החום העיקריים ושקרים משתנים באופן דרמטי בהתאם לטרכיטורי המשימה והתוואי.

השמש איראדיות ואלבדו

השמש היא מקור החום החיצוני הדומיננטי עבור רוב המשימות בתוך מערכת השמש הפנימית.הקבוע הסולארי ב-1 A אסטרונומית יחידה (AU) הוא בערך 1,361 W/m2. ערך זה יורד עם הכיכר של המרחק מהשמש (חוק אלומיניום-בהשוואה) בנוסף לעומס סולארי ישיר על פני השטח הסולאריים, חללית במסלול כדור הארץ נמוך (LE) או חוויות מסלול פלנטריות אל-חלו, אשר הוא מעל פני כדור הארץ בהירה, במיוחד, כמו כדור הארץ, כלומר, חום, הוא מעל פני כדור הארץ, הוא מעל פני כדור הארץ, חום, קרוב ל-חום, הוא מעל פני כדור הארץ, הוא מעל פני כדור הארץ בהיר, כלומר, כ-חום, כ-חום, כ-חום, כלומר, כ-חום, כ- 0.3.

הפלנטריות Infrared Emission

הגופים הפלנטריים פולטים קרינה אינפרא אדום תרמי (IR) כתפקוד של טמפרטורת פני השטח שלהם.כדור הארץ, למשל, פולטים כ-240 W/m2 של IR flux.עבור משימות קרוב לגופים חמים כמו ונוס (טמפרטורה של פני השטח) או מרקורי, IR פלנטרי הופך לטעון דומיננטי ומאתגר של נאס"א.

החלל העמוק Sink

הכיור החום האולטימטיבי לכל החללית הוא הרקע המיקרוגל הקוסמי של כ-2.7 Kelvin (-270°C) העיצוב של הרדיור עבור כל חללית נשלט על ידי גורם הנוף שלו לשקוע עמוק זה.כל נקודת מבט חלקית של כוכב לכת חם או המבצרים של השמש מפחית באופן משמעותי את יעילות הרדיואקטיבית.עבור משימות כמו טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST), שמירה על נוף ברור ויציב של החלל העמוק הוא הנהג הראשי שלו.

פיזיקה של העברת חום ב Vacuum

הנדסה שליטה תרמית בחלל נשלטת על ידי שני מצבי העברת חום: קרינה והתנהלות.קונבנס נעדרת בוואקום של החלל, למעט בלולאות נוזל פנימי או אטמוספירות פלנטריות.

(הפסק דין:0)RadiationFLT:1 (החוק סטפאן-בולצמן: Q= ⁇ A(TirFLT:2hotofFLT 3:4 - TirFLT:4 דחיית דחיית דחיית:54), שבו פני השטח פולטים אינפרא אדום ε הוא קבוע סטפאן-בולמן (567 × 10-K2) הוא ציפוי חום גדול על פני השטח (K2) הוא חום הוא חום הוא חום גדול, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, חום, חום, חום, כלומר, חום, ⁇ ) הוא חום, כלומר, ⁇ , חום, חום, ⁇ , ⁇ , הוא עלייה משמעותית, הוא חום, ⁇ , ⁇ , הוא חום, הוא עלייה משמעותית, ⁇ ) הוא חום, ⁇ (a) הוא חום, ⁇ ) הוא חום, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (a) הוא חום בין היתר, הוא חום בין היתר, ⁇ ⁇ ⁇ ) הוא עלייה משמעותית, 000) הוא חום בין היתר, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(FLT:0)ConductionveFLT:1) מתרחש באמצעות ממשקים מבניים, חזיונות הרים, רתמות, ורב-שכבות בידוד (MLI) זה בעקבות חוק של Fourier: QRP=kA(dT/dx) ניהול של אובדן התנהגות פרציטית הוא קריטי, במיוחד במערכות Cryogenic שבו דליפת חום קטנה יכולה להציף שימוש בכזום נמוך כמו סגסוגת צהובה (Fol) חומרים מתכתיים, כמו חומרים סגסוגת מתכתיים, כגון חומרים סגסוגת חמימים, במיוחד, כגון חומרים מתכתיים, כגון חומרים סגסוגת פלסטיק, כגון מגנטית-Fol, חום, כמו סגסוגת מתכת, כגון סגסוגת מתכת, כמו סגסוגת מתכתית, במיוחד, 000, 000, 000 חם, 000 חם, 000, 000, 000, 000) הוא קריטי, במיוחד, 000 חם, 000 חם, 000 חום, 000, 000, 000, 000, 000 חום יכול להפחתת חומרים סגסוגת פלסטיק עמידים, 000, 000, 000, 000, 000 מגנטית, 000 מגנטית, 000 חום יכול להק אלומיניום, 000, 000, במיוחד בלח, 000, 000, 000 חום יכול להפחתת חומרים סגסוגת מתכת, 000 חום יכול להפחתת חומרים סגסוגת

מערכת בקרת העובר (PTCS)

שליטה תרמית פסיבית מסתמכת על תכונות חומריות ועיצוב גיאומטרי לניהול זרימת חום ללא צורך חשמל או חלקי תנועה. גישה זו מציעה אמינות גבוהה והוא הבסיס של רוב עיצובי החללית תרמיים.

Thermal Control Coatings (TCCs)

התכונות האופטיות של משטחים החיצוניים של החללית מותאמים בדיוק. Second-surface מראות (SSMs), המורכב כסף או מפלט Teflon או מכווצים אחליקה, לספק יחס נמוך מאוד α / α / ε, שמירה על חלליות קרירות.צבעים לבנים, כגון Z-93 (zinc oxide בטמפרטורות אשלגן), מציעים גם α / צבע אטומי גבוה יותר (Licze) או טמפרטורה נמוכה יותר.

Multi-Layer Insulation (MLI) Blankets

MLI הוא הפתרון הסטנדרטי לצמצום העברת חום בין משטחי חלל וסביבה הסביבה המרשימה. A טיפוסי MLI שמיכה מורכבת מ-10 עד 40 שכבות של מאריך כפול או קפיטטון, מופרדים על ידי רשת מוליכים נמוכה (Dacron או Nomex) השכבה החיצונית היא לעתים קרובות חולפת קפטון עם Indium Tin Oxide (ITO) כדי למנוע ריצוף נמוך יותר מ-mcreshqueing הוא גם מ-mex.

עיצוב רדיטור ו Sizing

הרדיור הוא האמצעי העיקרי של החללית לדחות חום פסולת לחלל. פרמטרים עיצוב מפתח כוללים יעילות פיננסית, מנוף ראייה לחלל עמוק, ציפוי פני השטח. קרינת הגוף הם נפוצים, אבל תשלומים לעתים קרובות דורשים רדיונים ייעודיים עבור משטח נוסף. Variable פולטים ציפויים פולטים (למשל, מכשירים אלקטרו-חמיים) הם טכנולוגיה פסיבית, כי לעתים קרובות דורש דינמיקה שיכולה לפלט יכולת קרינה גרועה, ללא מקפיאה של זיהום חום.

חימום Switches ו- Thermal Interface Materials (TIM)

(המתגים) מספקים התנהגות תרמית משתנה, ביעילות הפעלת זרימת חום על או מחוץ ל-FLT:0Mechanical תנור חום מתגי חום מיקרוסקופיים FLT:1 להשתמש פער תרמי סגור פיזית (התנהגות גבוהה) או נפתח (התרגילים הנמוכים) באמצעות ממריצים מכניים או ממריצים סיליקון (FLT:2 הפערים העפרמליים של חום) הם לעתים קרובות מצמצם בין גלאי חום: 7.

מערכת ההפעלה Active Thermal Control Subsystems (ATCS)

מערכות פעילות משתמשות ברכיבים מכניים או חשמליים כדי להסדיר את הטמפרטורה באופן פעיל, לספק שליטה הדוקה יותר ויכולת תחבורה חום גבוהה יותר מאשר שיטות פסיביות לבד.

חשמל עמידים

(המכשיר הפעיל הפשוט ביותר) הם משמשים עבור FLT:0survival חימום 1FuaLT (המניעה הקפאת או נזק אלקטרוניקה במהלך מצב בטוח) ו-FLT:2 שיתוף פעולה חימום FLT 3LT 3LT (בעיקר סטים מדויקים עבור מכשירים אופטיים או מדעיים).

מכשירי Emittance ו-Ereitance

הגוון הרמיולי הם מעצורים מכניים הפתוחים כדי להגדיל את דחיית החום או קרוב לחום הסגנית.הם שימשו באופן נרחב בתחנת סקייבב" ולוויינים תצפית מוקדמת של כדור הארץ, בעוד שהם אמינים, הם מוסיפים מסה ומורכבות. מודרני FLT:0variable פולטים (VEDs)FLT:1 הם חלופות מוצקות שמשנות דרך מתח אלקטרו-מנטלי (MS-meulating) ו-meatoric).

צינורות חום: CCHP, VCHP, ו-LHP

(המשחת חום יעילה מאוד) מכשירים תחבורה חום פסיבית שמנצלים את החום המאוחר של ריקיזציה של נוזל עבודה.AFLT:0Constant Conductance HeatPipe (CCHP) ו- 1 הוא צינור אטום עם מבנה wick (Volating) המופעל על ידי מחסנית גז גבוהה יותר מ-HPVFairlis (מספקת חום גבוהה יותר מ-HP) אשר עוברת ל-VRVRVR.

Fluid Loops (MPFLs)

עבור עומסי חום גדולים מאוד או רשתות תרמיות מורכבות, לולאות מוכובות מכניות משמשים.תחנת החלל הבינלאומית (ISS) משתמשת ב- חד-פעמי MPFL של מערכת דחיית החום מסיבית שלה.המערכות האלה מציעות את יכולת ההובלה החום הגבוהה ביותר, אך בעלות כוח, חלקים נעים, מורכבות ניהול נוזלים.

Coolers (TECs)

ידוע גם בשם Peltier קרירים, TECs הם משאבות חום מוצק המדינה.הם קומפקטיים ואמין מאוד, מה שהופך אותם אידיאלי עבור מטוסי מיקוד גלאי, דיודות לייזר, אופטיקה העיקרית שלהם הוא יעילות נמוכה (בדרך כלל COPs של פחות מ 1.0) וקיבולת משאבה מוגבלת (ממים כמה מאות וואט).

Cryogenic Thermal Management

ניהול עומס תרמי בטמפרטורות Cryogenic (below-120 K) הוא המומחיות הנדסית מובהקת.זה חיוני עבור אינפרא אדום תת-קרקעית תת-מילימטר אסטרונומיה, מחשוב קוונטי, ומדע פלנטרי.אתגרים מרכזיים כוללים את ההשפלה החמורה של מוליכות חומרית בטמפרטורות נמוכות ואת הקושי של דחיית חום לדיאטורים טמפרטורות חום נמוכות יותר, כמו אלה המשמשים עבור מבנים תרמיים, כולל מתחמיים קלים יותר, כולל מתחמי חום, כגון , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 מצעים פעילים יותר .

מודל תרמית, ניתוח ומיזוג

הנדסה תרמית מסתמכת רבות על מודלים חיזויים ובדיקות קרקע קפדניות כדי לאמת את העיצוב.

שיטות סימבוליות

ניתוח תרמי של החללית המודרנית מבוצע באמצעות פרמטר חד-פעמי ושיטות הבדל סופיות.כלי כגון:0 Thermal DesktopFLT:1 (מבוסס על SINDA/FLUINT), FLT:2ESATAN-TMSFLT 3, ו-FLT:4ANP LT:5 מאפשר למהנדסים ליצור מודלים תרמיים.

Thermal Vacuum (TVAC) בדיקה

(הבדיקות של טלוויזיותAC חושפות את החללית המשולבת במלואה לסביבה החלל של ואקום ורקעים קרים/חם קיצוניים. מנורות סימולציה סולריים או מערך אינפרא אדום משכפלים את פלוקס השמש. a Cryogenly Cooled shroud (בדרך כלל מלא חנקן נוזלי, LN2) מספק את חלל עמוק שוקעת החלל הנכון (FLT:0thermal TestureFLT:1) ואחריו בדיקה יעילה של מחזור אופניים (R2D) הוא בדרך כלל כולל בדיקות אופניים).

ביקורת על Mission-Specific Implementations

James Webb Space טלסקופ ג'יימס ווב (JWST)

JWST הוא הישג ציוני דרך בהנדסה תרמית מבועתת.החמישה שכבות שלה, שמש בגודל טניס קורט משקף אור השמש ומקרין חום לחלל עמוק, ומאפשר לטלסקופ ולמכשירים להתקרר באופן פסיבי מתחת ל-50 K. ה-Integrated Science Instrumentמודול (ISIM) הוא מבודד תרמי מן החללית החמה סדרה של זעקות הדופק מספק קירור פעיל עבור מערכת NIRS ואגאי כולו.

Mars Science Laboratory (MSL) Curiosity Rover

בניגוד לסביבה של ואקום, הריבון מאדים ניצב בפני מחזור קבוע עם אווירה CO2, רוח ואבק. סקרנות משתמשת ב-FLT:0mechanical Pumpid Loop (MPFL)FLT:1 טעון עם HFC-134a (החלפת R-12) כדי לדחות חום מ- Multi-Mission Radioisotopemelectric Generator (MMGR) ו-ALCD (סימול של אלקטרוניקה) חום מ-R.

אדריכלות: SmallSat Architectures

העלייה של CubeSats הובילה חדשנות בשליטה תרמית קומפקטית, נמוכה עלות נמוכה. רדיונים קטנים ממוקמים לעתים קרובות בצד ה- zenith-הפונה של החללית (PCBs) עצמם משמשים לעתים קרובות כמו קורנטורים, עם תרמי באמצעות עריכת חום ל- chassis. מיניא צינורות חום ומגישים מבוססי MEMS מפותחים כדי לעמוד בעוצמות גבוהות של לוויינים קטנים, הם גמישים עבור משחה חשמלית גבוהה.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

חומרים לשינוי בשלב (PCMs) לאחסון אנרגיה

PCMs סופג או לשחרר כמויות גדולות של חום מאוחר במהלך שינוי שלב מוצק-לחוץ, מתן חיץ תרמי. Paraffin שעווהes ו hydride מלח אורגני הם המחשב הנפוץ ביותר. הם משמשים לספוג פסגות חום פלוקסים מאלקטרוניקה או מערכות הנעה, חלקה את transients תרמיים ו minimizing גודל מחשב מתקדם משלב עיצובים גרף מתקדם או מטריה נמוכה כדי לשפר את האלומיניום.

ייצור תוספתי (3D הדפסה) של Thermal Hardware

ייצור אדקטי (AM) הוא מהפכה בחומרה תרמית. AM מאפשר יצירת קורנטורים תואמים שמתאימים באופן מושלם על מבנים חלליים לא סדירים, למקסם את שטח פני השטח. צינורות חום Embedded ניתן להדפיס ישירות לתוך aassis או פאנל קורנטור, חיסול התנגדות ממשק. Lattice מבנים ולוחות קר מיקרו-ערוציות עם גממות מורכבות יכול להיות מייצור ב titanium, אלומיניום, או Inconel, השגת לחץ מינימלי ולהפחית עם לחץ משותף עם ירידה מסיבית עם לחץ נמוך יותר.

בקרה אוטונומית והתאמה

עתיד השליטה התרמית בחלל הוא האוטונומיה.אינטליגנציה מלאכותית (AI) ואלגוריתמים של Machine Learning (ML) מפותחים עבור שליטה חיזוי מודל.מערכות אלה יכולות לצפות עומסים תרמיים המבוססים על תכנון המשימה (למשל, החל למטרה חדשה, ירי על לוח זמנים) והתאמה אקטיבית של הגדרות רדיו, מחזורי חום או עלייה לטמפרטורות מדויקות.

מסקנה

הנדסה שליטה תרמית היא שדה קריטי ורב תחומי אשר מבסס את ההצלחה של כל משימות החלל.מהניהול המדויק של זרימת חום באמצעות ציפויים פסיביים ומאלי לתחבורה של הקיבולת הגבוהה המסופקת על ידי LHPs ו לולאות שלב מוכואבות מכנית, הכלים הזמינים מהנדס הם גם חומרים חזקים ומגוונים.

(ב) למהנדסים יש להתייעץ עם תקני התעשייה כגון:0NASA מדינת טכנולוגיה של ארט קומפקטית קטנה: Thermal ControlcioFLT:1 ו-FLT:2ESA Thermal ControlFLT 3: 3.10 מקורות דומיין טכניים מפורטים של חומרה מסוימת, כגון FLT:4Loop מייבשי חום על ScienceLT:5, לספק תובנה עמוקה יותר של מערכות לימוד אלה, כגון: