התפקיד הקריטי של ניהול הירומל בחללcraft

Spacecraft פועל באחת מהסביבות התרמיות התובעניות ביותר שניתן להעלות על הדעת.מחוץ לאטמוספירה המגנה של כדור הארץ, לוויין או חקר חלל עמוק יכול לחוות טמפרטורות החל ממאות מעלות צלזיוס באור השמש הישיר עד אפס מוחלט בצל.באותו זמן, על אלקטרוניקה, מערכות הנעה, ציוד הנעה וכוח לייצר חום אינטנסיבי שיש להסיר כדי למנוע כשלון.

נוזלי העברת חום נוזלי הם חומרים מתכתיים מונדסים שנותרו במצב נוזלי על פני טווח טמפרטורה רחב ולהציג הוראות התנהגות תרמיות של גודל גבוה יותר מאשר קירור קונבנציונלי. מאמר זה חוקר את המדע מאחורי נוזלים אלה, היתרונות שלהם, היישומים הנוכחיים והעתידיים במערכות חלל, ואת האתגרים שיש להתגבר עליהם כדי להפוך אותם לחלק סטנדרטי של חומרה חלל.

מה הם נוזל מתכת חום נוזלי להעברת פלואידים?

נוזל העברת חום מתכת נוזלי הוא סגסוגת מתכתית או מתכת טהורה כי הוא מלוטש בטמפרטורה התפעולית של המערכת.בניגוד מתכות מוצקות, אשר להעביר חום בעיקר דרך רטטים ליטיצ'ה (פוניהם), מתכות נוזליות גם ליהנות התנועה החופשית של אלקטרונים, וכתוצאה מכך התנהגויות תרמיות שיכולים לעלות על 20-30 W / mK - יחד עם כ-0.6 / mK מים כדי לאפשר להם לשאת חום ממרכיבים קריטיים.

מתכות נוזליות הנפוצות ביותר עבור חללית כוללות:

  • (FLT:0Gallium-basedסגסוגתs: FIRLT:1 ,Galium יש נקודת התכה של 29.76 ° C, אבל כאשר סגסוגת עם נתרן, tin, או אבץ, נקודת ההמיסה שלה ניתן להוריד לטמפרטורה מתחת לחדר (למשל, GaInSn eutectics ב ⁇ s 10.5 ° C).
  • (FLT:0) מברק (Hg): FLT:1 מרקורי שימש היסטורית צינורות חום חלליים מוקדמים מתגי הטיה.יש לו נקודת התכה של −38.83 °C ו מוליכות תרמית מעולה (כ 8.5 W / mK). עם זאת, הרעילות הגבוהה, צפיפות, והסיכונים סביבתיים מונעים במידה רבה לחפש חלופות בטוחות יותר.
  • (FLT:0 ,Sodium (Na) ו ⁇ ssodium-potassium ⁇ s (NaK): אנדרט 1 מתכות אלקלי אלה יש נקודות נמסות נמוכות מאוד (NaK eutectic נמס ב- 12.6 ° C) ו מוליכות תרמית יוצאת דופן (כ 25 W/mK עבור NaK) הם משמשים כורים גרעיניים הוצעו עבור מערכות אוויריות גבוהות.
  • (FLT:0)Bismuth ו- מוביל-ביו-גלקטיקה: 1FreaLT:1 אלה נחשבים יישומים עתירי עתירה גבוהה מאוד, כגון כורי הנעה תרמית גרעינית, שבו הם יכולים להעביר חום בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס.

הבחירה של מתכת נוזלית לשימוש תלויה בטווח הטמפרטורה הספציפי, תאימות כימית עם חומרי המכילה, סובלנות קרינה ומגבלות בטיחות של המשימה.

למה מתכת נוזלית גבוהה יותר עבור Spacecraft

התנהגות לא מקבילה

מוליכות תרמית של מתכות נוזליות היא בדרך כלל 10 עד חמישים פעמים גדול יותר מאשר של קירור קונבנציונלי.לדוגמה, מוליכות תרמית של גליום היא בערך 29.3 W / mK ב 50 מעלות צלזיוס, בעוד המים מנוהלים רק 0.6 W / mK. זה אומר כי לולאה מתכת נוזלי יכול להסיר את אותה כמות של חום עם הרבה יותר קטן חום או בקצב נמוך יותר, וכתוצאה מכך משקל ו חסכון יקר ביותר של משאבים.

טווח טמפרטורה תפעולי קיצוני

פונדקאות חלל דורש נוזלים שנותרו נוזלי מן הקר של החלל העמוק אל החום המתפתל של ליבת כור גרעיני.מים קפואים ב 0 ° C ורתיחה ב 100 מעלות צלזיוס - להקה מאוד צרה. Ammonia, תוך שימוש ב צינורות חום רבים, יש לחץ גבוה כי מסבך את הנפיחות ויכול להקפיא ב -77 מעלות צלזיוס.

לחץ נמוך

לרוב מתכות נוזליות יש לחץ נמוך מאוד בטמפרטורות התפעוליות שלהם.זה קריטי בוואקום של החלל, שבו כל נוזל עם לחץ גבוה אדפור היה רותח, קוויטט, או פשוט מתנדנד לתוך הריק. לחץ נמוך מצמצם גם את הסיכון של גזי החוצה, אשר יכול לסווג אופטיקה רגישה או מכשירים מדעיים.

מוליכות חשמלית גבוהה ומניעה מגנטית פוטנציאלית

מתכות נוזליות הן מוליכים חשמלית.זה מאפשר להם להיות מופצים ללא משאבות מכניות כי יש להם חלקים נעים, נושאים או חותםים - תומכים כי הם נוטים ללבוש וכישלון במיקרו-גרביטציה. במקום, FLT:0magnetohydroדינמית (MHD) משאבה 1 יכול לדחוף את המתכת על ידי יישום שדה מגנטי זרם חשמלי, ייצור כוח אמין זה דחף נוזל חזק מאוד, לורנית.

יישומים במערכות Spacecraft

מערכות בקרה ארסיות (TCS)

השימוש הנפוץ ביותר של מתכות נוזלי בחלליות הוא במערכות בקרה תרמיות פעיל.בהגדרה טיפוסית, לולאה של מתכת נוזלית מופצה באמצעות צלחות קרות המחוברות לאלקטרוניקה המיוצר חום (מעבדים, מגברי חשמל, סוללות) ולאחר מכן דרך פאנל קורנר שדוחס את החום לחלל. בגלל הפחתת חום גבוהה, המתכת יכולה לקבל שטף גדול ללא יצירת כתמים חמים, אשר רגישים להגן על רכיבים.

לדוגמה, החללית של נאס"א (FLT:0)JunoveFeloph:1 (בקיצור: ⁇ ) משתמשת בלולאה של אמוניה נוזלית לניהול תרמי, אך משימות הדור הבא הן הערכה של ⁇ מבוסס גליום עבור מאגרי חשמל גבוהים יותר.הסוכנות החלל האירופית (ESA) FLT 3:2 חוקרת לולאות של עיבוד חשמלי, אשר מייצרת כמויות גדולות של קומפקטיות של 5 ליטרים (R) לפסולת חום (R) קומפקטיות) מקודמת חום (REC) קומפקטיות) קומפקטיות (G) קומפקטיות (ESA) קומפקטיות של קומפקטיות) קומפקטיות של קומפקטיות של קומפקטיות של 5.

צינורות חום וצנרת חום

(חללית רבה מסתמכת על צינורות חום פסיביים לשליטה תרמית.מ צינורות חום מסורתיים משתמשים במים, אמוניה או propylene כמו נוזל העבודה נוזל נוזלי ניתן להשתמש צינורות חום עתירי (סויום, אשלגן, ליתיום) עבור יישומים כגון קירור גרעיני או ריכוז כוח סולארי בחלל.

הרשאה גרעינית (NTP)

מתכות נוזליות חיוניות למושגים הנעה מתקדמים.ברקטה תרמית גרעינית, כור גרעיני מחמם את המימן לטמפרטורות קיצוניות (2,500-3,000 K) לייצר דחף.הגרעין הכור עצמו חייב להיות קריר במהלך ניתוח מצב יציב ולאחר סגירת מתכות נוזליות כגון ליתיום DPA או עופרת-bismuthuteicicicicicicicicoltolt) יכול להסיר חום, למנוע היתוך נוסף, כמה שיטות מתכת נוזליות כדי למנוע קירור (R) כדי למנוע קירור מגנטיים) כדי למנוע קירור גבוה יותר מ-DF2DF2DR.

מערכות הנעה חשמלית

דחף חשמלי בעוצמה גבוהה (Hll Effect דחףers, מגנטיקפילמינמי דחף) דורש עשרות עד מאות קילווואט של חשמל.יחידות עיבוד חשמל ואת הדחף עצמו לייצר חום פסולת שיש להסיר. לולאות קירור מתכת נוזלי נועדו עבור מערכות אלה כי הם יכולים להיות מקטין וניתן לטפל בשטף חום גבוה מאלקטרוניקה.

סוללות וחיסכון באנרגיה

סוללות חלליות לייצר חום משמעותי במהלך מחזורי המטען והשחרור, במיוחד חבילות ליתיום עתירי קרח נוזלית וניהול מתכת נוזלי יכול לשמור על טמפרטורות סוללות בטווח אופטימלי צר, להאריך את חיי מחזור ולמנוע בריחה תרמי. כמה מושגים אפילו להציע שימוש מתכת נוזלי כמו נוזל העברת חום וגם חומר אלקטרודה עבור סוללות חדשות, אם כי זה נשאר ניסיוני.

אתגרים והנדסה הידרדרו

קורוזיה וחומרים תאימות

מתכות נוזליות יכולות להיות קורוזיות מאוד, במיוחד בטמפרטורות גבוהות.גליום, למשל, התקפות בקלות ביותר מתכות וסגסוגת -אלומיום, נחושת, פליז ואפילו נירוסטה פלדה יכול להיות ניזוק קשות.מהנדסים חייבים להשתמש בחומרים המכילים כי הם עמידים מבחינה כימית, כגון טיטניום, molybdenum, או קרמיקה כמו אלומיניום וסיליקון פתרון משותף לשימוש מתכתי (Fretanron-Ric) עם מורכבות מתכתיתקרדמת מתכת (Ricernconnbnbnbdenum) עם MH) עם מורכבות: 1 MH-Ricron-Ricron-R.

חשמל ו-Stry Currents

מכיוון מתכות נוזליות הן מוליכים חשמלית, הם יכולים ליצור נתיבים חשמליים שמפריעים לאלקטרוניקה רגישה.לאה קירור המורכבת מסגסוגת גליון יכול לפעול כעיגול קצר אם לא מבודד כראוי מהנדסים צריכים להשתמש הפסקות דיאלקטריות, מרתיעים ציפויים, או תוכניות קרקעיות חשמליות למניעת קורוזיה גליונית והתערבות אותות. בתוך חלל עם מערכות מתח גבוה (למשל, V), הופך לבעיה קריטית.

מניעת הקפאת והתחל

למרות מתכות נוזליות יש טווחי נוזל רחב, הם עושים מוצקה אם החללית נכנסת לליקוי או אם הכור נסגר.סולידריות יכולה לגרום להתרחבות (כמה מתכות להתרחבות על הקפאת), ייתכן שמערכות מתפרצות עם תנורים, חיבורים קשים קפואים, או היכולת להמיס את המתכת במהלך כוח-up.

סובלנות ובטיחות

מרקורי ידוע בשל הנירוי שלו, ו נתרן ו NaK מגיבים באלימות עם מים ואוויר.סגסוגת גליום נחשבים בדרך כלל לא רעילים, אבל הם עדיין יכולים לגרום לגירוי בעור והם מסוכנים אם הם מוצצים. על הקרקע, טיפול דורש תיבות גרוב ואווירות אינרציה. בחלל, דליפת מתכת עלולה להזיק או ליצור מברשות מתכת על גבי משככי חומרים כי הם הכרחיים עם פרוטוקולים מודרניים, אך הם הכרחיים עם הנדסה מודרנית.

עריכת דין ומילוי

מתכות נוזליות לעתים קרובות לא רטובות משטחים של צינורות, המוביל מגע תרמי או חסימת זרימה ירודה.מתח פני השטח של הריבון, למשל, הוא בערך 720 mN /m - גבוה יותר מים - אשר יכול לגרום לו להיות מעוות גז עד עצם מלכודות. טרום טיפול משטחים עם סוכן רטוב, באמצעות רטט קולי במהלך מילוי, או הפעלת מגרד מכני יכול לשפר את החמצן הזה, כי הם לא יכול לעזור נוזל כוח הכבידה בנפרד.

מחקר מתמשך וכיוונים עתידיים

פיתוח Alloy

חוקרים יוצרים סגסוגת דלת-מזמינה חדשה אשר מאזן ביצועים תרמיים, התנגדות קורוזיה ובטיחות.לדוגמה, סגסוגת גליום-טין-זנק יכולה להיות נקודת התכה מתחת 10 מעלות צלזיוס תוך להיות פחות אגרסיבית כלפי אלומיניום מאשר גליום טהור. אדריטיס כגון bismuth או antimony נחקרים כדי להפחית בעיות רטובות.המטרה היא לפתח "נפרד" עבור צינורות קיים יכול לשמש תחליף.

מערכות ניהול ארסיות

הצעד ההגיוני הבא הוא לשלב קירור מתכת נוזלי עם אלמנטים מבניים. מושג הנקרא (FLT:0thermal-structural העור StructureFLT:1) משתמש במבנה של לוח הדבש של החללית כחילופי חום, עם מתכת נוזלי זורם דרך ערוצים משובצים.זה מבטל לוחות רדיו נפרדים, חוסכת מסה ונפח. ESA ESA טסו מפגין בקנה מידה קטן על טיסה פרבולית, וגרסה חללית עשויה להיבדק בקרוב על תחנת החלל הבינלאומית.

2 גרם מתכת מתכת מתכת קירור

בדיוק כפי שקרנים קונבנציונליים יכולים לנצל חום מאוחר באמצעות רתיחה, מתכות נוזליות יכולים גם לעבור שינוי שלב. צינורות חום דו-פפז שני נתרן כבר בשימוש בכורים גרעיניים, אבל באמצעות לולאה גליום דו-phase יכול לספק יכולות חום גבוהות מאוד (יותר מ 1 קילוואט / ס"מ2) עבור דיודות לייזר או מערכות מכ"ם.

בדיקות חיים ארוכות

לפני מתכות נוזליות יכול לטוס על משימות קריטיות, הם חייבים להפגין אמינות לאורך שנים או עשורים.מרכז המחקר גלן של נאס"א, ESTEC של ESA, ואוניברסיטאות שונות לרוץ בדיקות חיים ארוכות על לולאות גליום, מדידת שיעורי קורוזיה, השפלה, ושפל ביצועים תרמיים.

מסקנה

נוזלי העברת חום נוזלי מייצגים שינוי פרדיגמטי בניהול תרמי חלליות.ההתנהגות התרמית יוצאת דופן שלהם, טווח טמפרטורה תפעול רחב, לחץ נמוך אדפור, והתאמה עם משאבת MHD הופכת אותם לתאים ייחודיים לדרישות הקיצוניות של החלל. בעוד אתגרים כגון קורוזיה, התערבות חשמלית, טיפול מורכבות נשאר, מחקר פעיל הופך את המכשולים האלה לבעיות הנדסיות כל כך.

(המשימות הופכות שאפתניות יותר – החלות לירח, הקמת נוכחות קבועה על מאדים, ובסופו של דבר שולחות חללית מאוישת לכוכבי הלכת החיצוניים – הצורך במערכות תרמיות יעילות, קומפקטיות ואמינה רק יגדלו.