Table of Contents
מבוא
המרדף הבלתי פוסק של חקר החלל העמוק יותר ולוויינים מתוחכמים יותר של כדור הארץ מציב דרישות יוצאות דופן במערכות ניהול חלליות תרמיות. Spacecraft פועל בסביבה המאופיינת על ידי ריק קשיח, קרינה סולארית אינטנסיבית, תנודות טמפרטורה קיצונית בין פרצופים מוארים ומיקרו-כבידיים.
מה הם Microchannels?
מחליפי חום מיקרו ערוצים הם מכשירים שבהם החום מועבר בין נוזלים (לעתים קרובות נוזל חד-פעמי או תערובת דו-phase) זורם דרך מערך של ערוצים קטנים.התכונה המגדירה היא הקוטר ההידראולי של הערוצים, שהוא בדרך כלל פחות מ 1 מ"מ - לעתים קרובות בטווח של 0.1 מ"מ ל-0.5 מ"מ.סקאינט זה יוצר יחס גבוה מאוד של פני השטח, המאפשר מעבר חום יוצא דופן בהשוואה להחלפה גיאומטרית רגילה.
עיצוב וגיאומטריה
מחליף חום טיפוסי מיקרו ערוצים מורכב מערוצי מקבילה מרובים מסודרים צלחת שטוחה או ליבת מלבנית.הערוצים עשויים להיות מלבניים, מלכודקליים, או מעגליים בפרשת צלב, בהתאם לשיטות הייצור ולדרישות הביצוע. עיצובים רבים משתמשים בערימה של שכבות שבהן נוזל אחד זורם דרך מיקרו-ערוצים במשטח אחד, ואת הזרמים האחרים באמצעות מיקרו-ערוצים סמוכים, עם קיר דק, כלומר, בדרך כלל, ניתן להזיז תאים קטנים יותר מאשר תאים אחידים, אך ורק בגודל של תאים אחידים, אך ורקמות, עדיין גבוהה יותר מאשר תאים גמישים, אך ורקמות, אך ורק יותר מאשר תאים גמישים, אך ורק בגודלם של תאים אחידים, אך ורקמות, אך ורק יותר, הם יכולים להיות תואמים, אך ורק יותר מאשר תאים גמישים, אך ורק תאים גמישים, אך ורקמות, אך ורקמות של תאים גמישים, עם תאים גמישים, אך ורקמות, אך ורקמות, עם מרווחים, עם מרווחים, עם מרווחים, עם מרווחים, עם מיקרוסקופיים, עם מרווחים, אך ורקמות גבוהה יותר, אך ורקמות גבוהה יותר, עם מיקרוסקופיים, עם תאים גמישים, אך ורקמות גבוהה יותר, אך ורקמות גבוהה יותר, אך
חומרים וייצור
יישומים Spacecraft דורשים חומרים קלים, קורוזיה עמיד, ומסוגלים עם ואקום בעל היותו, רכיבה תרמית וקרינה. חומרים נפוצים עבור MCHEs בחלל כוללים סגסוגת אלומיניום, טיטניום, נירוסטה פלדה ונחושה. אלומיניום הוא המועדף על צפיפות נמוכה שלה ו מוליכות תרמית טובה, בעוד טיטניום מציעה עמידות קורוזיה יוצאת דופן וכוח בטמפרטורות גבוהות.
- (FLT:0)Diffusion אגורה: FLT:1Builded etched or מכונה לוחיות הם לחץ יחד בטמפרטורה גבוהה ולחץ כדי ליצור ליבה מוצקה, דליפה ללא דליפה. שיטה זו מניבה יושרה מבנית גבוהה והוא מתאים יישומים בלחץ גבוה.
- (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ או מאצ'ינג פוטו-כימי: FLT ( 1:1) יוצר ערוצים עם יחסים גבוהים ופרטי פרטים טובים, המתאימים לייצור המוני של צלחות דקות.
- (FLT:0) ייצור מתורבת (3D הדפסה): טכניקת מתעוררים 1 (D) המאפשרת מורכבות גיאוגרפיה פנימית, מאפיות חלקיקים אינטגרליים, וצורות ערוץ מותאם אישית שאינן ניתנות לייצור באמצעים קונבנציונליים.
- (ב) ,0) שחרור חשמל מטמון (EDM): איור 1 (FLT) בשימוש עבור חיתוך מדויק של ערוצים בחומרים קשים, אם כי בדרך כלל איטי יותר ויקר יותר.
בחירת שיטת הייצור תלויה בגודל החומר, ערוץ, כמות הייצור, ומגבלות העלות.תעשיית האווירוייר דורש לעתים קרובות כישורים קפדניים ובדיקה עבור כל עיצוב כדי להבטיח אמינות תחת ההשקה ורכיבה תרמית.
יתרונות עבור Spacecraft
חילופי חום מיקרו ערוצים מציעים מספר יתרונות משכנעים על טכנולוגיות החלפת חום קונבנציונליות (למשל, מחבת, פגז ו-YouTube, או finned-tube) עבור משימות חלל.הטבות אלה ישירות להתמודד עם המסה המטושטשת, נפח, דרישות ביצועים של חלל מודרני.
ביצועי העברה
היחס הגבוה של מיקרו-ערוצים מאפשר העברת חום כי הם בדרך כלל 5 עד 10 פעמים גבוה יותר מאשר אלה של חילופי חום קונבנציונליים עבור זרימת חד-פעמי, ואפילו גבוה יותר עבור זרימת שתי נקודות-phase. זה אומר כי עבור חובה תרמית נתונה, יחידה מיקרו-ערוצית יכול להיות הרבה יותר קטן וקל יותר.
Mass and Volume Savings
מסה Spacecraft קשורה ישירות עלות ההשקה - כל קילוגרם שנשמר יכול להפחית את עלויות המשימה באופן משמעותי. תחליפי חום מיקרו ערוצים יכולים להיות עד 80% קטן וקל יותר מאשר יחידות המקבילה עבור אותו עומס חום.זה חשוב במיוחד עבור לווינים קטנים (למשל, קוביות ומיקרוסולטים) שבו נפח הוא מחוספס מאוד על ידי שימוש MCHEs במערכות בקרה תרמיות, מהנדסים יכולים לשחרר חלל עבור אינטגרציה נוספות או קומפקטיות.
אחריות בסביבה החריפה
עיצובים מיקרו ערוצים לעתים קרובות כוללים בנייה כל-מטלית ללא מפרקים מצופים או מוכרים בליבת, צמצום הסיכון של דליפות.ממדי הערוץ הקטנים מובילים גם לסרטי נוזל דקים, אשר בקירור דו-פזה (התחילה) יכול לדכא אפקטים קריטיים של גלי חום ולספק ביצועים יציבים יותר.
יישומים מרכזיים במערכות חלליות
מחליפי חום מיקרו ערוצים מועסקים בטווח רחב של תת-מערכות חלליות, כל אחת עם דרישות תרמיות נפרדות.
אלקטרוניקה Cooling
אלקטרוניקה גבוהה כוח - כגון תדר רדיו מגבר, ממירים כוח, מעבדי נתונים, ודידות לייזר - 000 מרוכז עומס חום כי יש להסיר במהירות כדי למנוע השפלה ביצועים או כישלון. לוחיות קר מיקרו ערוצים או כיור חום מחוברים ישירות לרכיבי תחנת ייצור חום, עם לולאה נוזלית מואצת (מים איטיים, אמוניה, או נוזל חשמלי) נושאת חום כדי להשיג יכולת קירור נמוכה של מים חמים עבור תחנת דלק מ"מ.
מערכת ניהול הירושה Thermal Management
מערכות הנעה חשמלית, כגון מנועי הול-אפקט ויון, לייצר חום משמעותי בגוף הדחף, יחידות עיבוד חשמל, וקווים להזנת דחף. החלפת חום מיקרו ערוצים יכול להשתלב בלולאה בקרה תרמית כדי לנהל את הטמפרטורות האלה.במניעה כימית, את מוצרי הבעירה בטמפרטורה גבוהה כי מזיזים על קירות נוזל יכול להיות מנוהל על ידי קירור מחדש באמצעות מעיל מיקרו-ערוצים זה דחף בו-זמנית, ולהפחית את הגישה המקררת באופן קבוע.
תמיכה בחיים ובקרת אקלים
עבור חלליות מאוישות, שמירה על סביבת תא נוח ובטוחה דורש בקרת טמפרטורה ולחות מדויקת. תחליפי חום מיקרו ערוצים משמשים בלולאה קירור אוויר תא התא, שבו האוויר מועבר דרך קוטרייזר מיקרו ערוצים כדי להסיר לחות חום. הקומפקטיות שלהם היא בעלת ערך במיוחד במודולים שבהם כל אינץ 'מעוקב הוא יקר. חללית Orion, למשל, משתמשת החלפת חום קומפקטית במערכת בקרת הסביבה שלה ותמיכה (ECSLSS).
המונחים: Satellite Payload thermal Regulation
מכשירים מרוחקים, טלסקופים, ומטענים בתקשורת דורשים לעתים קרובות בקרת טמפרטורה הדוקה כדי להשיג את הרגישות הנדרשת ויציבות. רצועות תרמיות מיקרו ערוצים או חילופי חום יכולים לחבר מטעני תשלום לרדיונים ייעודיים תוך צמצום ה ⁇ התרמית תרמית.בלוויינים תקשורת גיאוסטציונריים, מגברי כוח גבוה נמצאים קרירים עם כיור חום מיקרו-ערוצי כדי להבטיח אמינות ארוכת טווח.
אתגרים ופתרונות הנדסה
למרות היתרונות שלהם, מחליפי חום מיקרו ערוצים מציגים אתגרים הנדסיים ייחודיים שיש לטפל בהם לצורך פעולה אמינה של טיסות חלל.
אימון ו-Clogging
קוטרי הערוץ הקטנים הופכים את MCHEs רגישים לחיתוך ממזהמים חלקיקים (למשל, שפיכות מתכת, ריתוך פסולת, או מוצרי קורוזיה) בנוזל העבודה.במערכת חלל סגורה-פרלופ, חלקיקים יכולים להיווצר על ידי משאבה או תגובות כימיות.
ייצור המורכבות
מארגן אחיד, מיקרו-ערוצים ללא פגם עם סובלנות הדוקה הוא מאתגר, במיוחד בחומרים אקזוטיים כמו טיטניום. אפילו וריאציות קטנות במימדים ערוצים יכולים לגרום לפיזור מחלות, צמצום הביצועים התרמיים או גרימת ייבוש מקומי במערכות דו-phase. Advances בייצור תוספת מסייעות לטפל בזה על ידי מתן יחסים משולבים, אשר מבטיח אפילו התפלגות זרימה.
מתחים חמים ומכניים
ליבות מיקרו ערוצים הם לעתים קרובות דקים ומוגדרים על מנת לעמוד ברטטים (עד 20 גרם או יותר) ועל אופניים תרמיים חוזרים מ Cryogenic לטמפרטורות גבוהות.ההתרחבות התרמית השונה בין הליבה לבין הכפילים הגבריים יכול לגרום ללחץ שמוביל לפצח או דליפת מהנדסים להשתמש בחיבורים גמישים (למשל, פעמונים או לולאות הרחבה) ובחירת חומרים זהירים לניהול לחצים אלה.
פיתוחים עתידיים ודרכים מחקר
האבולוציה של ניהול תרמי של החללית ממשיכה לדחוף טכנולוגיות החלפת חום microchannelr לכיוון יעילות גדולה יותר, אמינות, הסתגלות.
2 ערוצים מגניבים
שתי נקודות חום (התחילה) העברת חום במיקרו-ערוצים מציעה אפילו יותר שיעורי הסרת חום גבוה יותר מאשר זרימת חד-פעמי, עם היתרון הנוסף של שמירה על טמפרטורה כמעט קבועה לאורך הערוץ.עם זאת, הדינמיקה הנוזלית המורכבת במיקרו-כבידה - במיוחד בין תוצאות הכבידה, מתח פני השטח, ומומנטום אדפור - מייצרת שני עיצובים ליישומים בחלל נושא של מחקר פעיל של נאס"א ו-אס"א, ו-ת-השתמשוכ-ל, כמו ניסויים עתידיים, כגון: IFic-Fic-RRAFic, כגון: IFic-RRACrecerepe-RRAFic-R.
ייצור ועיצוב וחופש
(א) ייצור אדקטיבית (AM) הוא מהפכה בייצור של החלפת חום מיקרו-ערוצית (עם AM, מהנדסים יכולים ליצור ערוצים אורגניים, מעוקלים למעקב אחר נתיבי זרימת חום, לחסל פינות חדות שלוכדות את המכפלים, ולשלב את המניפולטים ישירות אל הליבה.זה מקטין את מספר רכיבי הניהול המשולבים או החרוטים, שיפור האמינות.
שילוב עם אדריכלות מתקדמות של
חלליות עתידיות, במיוחד אלה למשימות חלל עמוקות או חקר ארוך טווח, ידרוש ארכיטקטורות בקרה תרמיות יותר המשלבות חילופי חום מיקרו ערוצים עם צינורות חום, צינורות חום לולאה, וקררים תרמואלקטריים. לדוגמה, מערכת עשויה להשתמש בצנרת חום כדי לשרוד צינורות חום באופן פסיבי מעומס מיקרו-ערוצי, שבו נוזל שואב חום עובר את החום לדיאטור חום, כמו גם כדי להחליף אותם בטמפרטורות נמוכות.
מסקנה
מחליפי חום מיקרו ערוצים הפכו לרכיבים חיוניים בניהול תרמי של חלליות מודרני, המאפשרים הפחתה דרמטית בגודל ובמסה תוך מתן ביצועים תרמיים יוצאי דופן.מאלקטרוניקה בעוצמה גבוהה כדי לתמוך במערכות תמיכה בחיים ומניעה מתקדמת, מכשירים קומפקטיים אלה הוכיחו את הערך שלהם במשימות רבות. בעוד אתגרים כגון מגבלות קשות, מורכבות ייצור, ולחצים תרמיים נשארים, התקדמות מתמשכת בייצור, מחקר זרימת שתי נקודות, ושילוב כדי להרחיב את היכולות של קבוצות החלל הייחודיות של קבוצות החלל והמערכת החלל שלה.
לקריאה נוספת על בקרת חלליות תרמיות, ראה דף הבקרה של נאס"א ב-FLT:0NASA Goddard Thermal Control SubsystemearFLT:1 ו- European Space Agency ב-FLT:2ESA Thermal ControlFLT 3: A study of microchannelr ערוצים in two-phase Space Agency ניתן למצוא במחקר שפורסם בשנת 4ALT5: