האתגר של שליטה תרמית בקוקיס

לוויינים זעירים סטנדרטיים שנבנו סביב 10 ס"מ × 10 ס"מ יחידת 10 ס"מ (1U), פתחו שטח לאוניברסיטאות, סטארט-אפ ומוסדות מחקר. הגודל הקטן שלהם ועלות נמוכה מאפשרים הפחתה מהירה ומשימות מגוונות, מהתבוננות כדור הארץ להפגנות טכנולוגיות (אך לא ניתן לספוג את אותן אילוצים שהופכים את קוביות לנגישות גם ליצור אתגרים ניהוליים חמורים.

הפיזיקה הבסיסית של ההזרקה של חום ב Vacuum

העברת חום בחלל מסתמכת לחלוטין על קרינה והתנהלות; הקונסטלציה אינה קיימת.עבור קוביית השטן, מהנדסי בקרה תרמיים חייבים לאזן שלושה מקורות:

  • (ב) חום בין-לאומי:0) מ-CPUs, משדרים, סוללות וחיישנים לטעינה.
  • (FLT:0) חום חיצוני: אור השמש הישיר (שמש צלולה) (סולאר פלוקס) -1361 W/m2 בשעה 1 AU), אלבדו של כדור הארץ (שמש מחוסמת) וקרינת אינפרא אדום של כדור הארץ.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ חלל: 1FLT 1 ביעילות 2.7 K, מתן הכיור החום האולטימטיבי לדחייה קורנטיבית.

קבוע זמן תרמי של לוויין קטן הוא קצר - לעתים קרובות דקות ולא שעות - כלומר חימום לא אחיד יכול ליצור ⁇ טמפרטורה מהירה.תקני דחיית חום חייב להעביר אנרגיה תרמית ממרכיבים חמים כדי לקרינה על פני השטח ביעילות ולאחר מכן פולטים את האנרגיה הזאת כמו פוטונים אינפרא אדום.האתגר המרכזי הוא כי שטח קטן של קוביית השטן מגביל את אזור הרדיואקטיבי זמין, ופרופור מורכבות, המונים, סיכון.

סוגי התקן ה-Rejection

רדיטורים

רוב הקוביות מסתמכות על רדיורים בעלי חשיבות גבוהה: לוחות של חומר בעל אופי גבוה יחסית (בדרך כלל אלומיניום 6061 או 7075) המצופה משטח גבוה של הרשאות כגון anodize שחור, צבע Z93 לבן, או ציפוי פחמן-nanotube מבוסס בלוקs.com ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תגית: Thermal Fits

כדי להעביר חום מאלקטרוניקה לפאנלים, מהנדסים משתמשים רצועות תרמיות עשויים של סייר גרפיט גמיש, חזייה נחושת, או אלומיניום ribbons. רצועות אלה יש מוליכות תרמית גבוהה (עד 500 W / mK עבור גרפיט pyrolytic) ויכולים לגשר פערים בין רכיבים ולוחמות קרות.הם פסיביים, אמינים וקלים - קריטיים עבור תקציבי מסה של קוטב.

צינורות חום וצנרת חום

כאשר נתיבים מוליכים אינם יכולים לספק מספיק העברת חום, שני מכשירים להיות הכרחיים. צינור חום סטנדרטי הוא צינור אטום המכיל נוזל עבודה (ammonia, acetone, או מים) כי תחריטים בקצה החם ו condens בקצה הקר, באמצעות פעולת capillary במבנה צמחי כדי להחזיר את הנוזל.

צינורות חום (LHPs) משתמשים במשחה נפרדת ו condenser המחוברת על ידי צינורות מאופקים חלק, עם wick רק ב evaporator.הם יכולים להתמודד עם עומסי חום גדולים יותר (50-200 W) ומרחקים ארוכים יותר (0.5-2 מ') תוך היותו כוונון ל-LHPs עבור CubeSat פותחו על ידי חברות כגון FLT: מתקדם ו-STback, כמו RUSLSback, כמו טעינה עלות תיקון, וכו '.

שינוי חומרים (PCMs)

חומרים לשינוי שלב סופגים חום בטמפרטורה כמעט קבועה במהלך התכה ושחרורו במהלך הגשמה. Common PCMs for CubeSats כוללים שעווה פרפין (המליאה ב 40-60 מעלות צלזיוס) וhydrates מלח (המלמל ב 20-40 מעלות צלזיוס) A PCM כיור חום יכול לטבול עומסי אחסון תרמיים - לדוגמה, במהלך ניתוח גבוה כוח תשלום 10-20 ללא צורך במגם גבוה יותר (F) אך ורק לאחר מכן, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, אחסון גמיש של 10 עד 30 גרם אחסון נמוך יותר של ציוד אחסון גמיש, לעומת זאת, לעומת זאת, 000 CpH) יכול לנהל עומסי תיבות של אחסון גמיש של אחסון נמוך יותר, לעומת 10.

Coolers (TECs)

עבור קירור פעיל, מקומי, כמה CubeSats להשתמש קרירים תרמואלקטריים (מכשירים Peltier) הם משאבות חום מוצקה המדינה כי, כאשר מופעל, שואב חום מצד קר לצד חם. הם קומפקטיים, אין חלקים נעים, יכול להשיג הבדלים טמפרטורה של 65-70 מעלות צלזיוס. עם זאת, הם צורכים חשמל משמעותי (לעתים קרובות 5-15 W) ולהפחית את היעילות הכוללת של המערכת.

רעיונות חדשניים ומפוזרים

המונחים:

כדי להתגבר על הגבלת השטח, כמה משימות קובשט פורקו לוחות רדיו כי לקפל לאחר ההשקה.אלה יכולים להכפיל או משולש את האזור המקרינה.TheFLT:0JPL RainCubeveFLT:1 (2018) השתמש אנטנה Ka-bandable שימש גם כגורם רדיו.com אחר הוא FLT:2Origami-FLT3alפיזור קרינה, באמצעות לוחות גמישים של פחמן-bander, כולל סגסוגת דקת.

משטחים של הרשאות (Thermal Chromics)

במקום ציפוי קבוע, כמה קבוצות מחקר מתפתחות משטחים שמשנים את המולד עם טמפרטורה. ציפויים חכמים אלה משתמשים בחומרים כמו נדריום דו חמצני (VO2) או פולימרים אלקטרו-כרומוזומיים. מתחת לטמפרטורת סף (למשל, 30 מעלות צלזיוס), הציפוי יש קצב נמוך, שמירה על חום; מעל הטמפרטורה הזאת, הופך להיות מאוד עקשן, עודף חום זה, גישה פסיבית, עוצמה עצמית, מדגימה על ידי הגבלת כוח:02 ליטרים, 000 ליטרים, 000 של שליטה על ידי טמפרטורת חום, 000 IF2 ליטרים).

מיקרופאבריקט ותוספתן Manufactured Radiators

(הופנה מהדף 3D Prints) מאפשר יצירת קורנטורים עם ערוצים פנימיים מורכבים עבור צינורות חום או לולאות נוזל, המשולב ישירות במבנה הקוביות של ה- CubeSat.FLT:0;0) ייצור אדרטיבי ייצור 1 באלומיניום או טיטניום מאפשר עיצובים עם מבנים צמיגים הממקסימים באופן פעיל את שטח פני השטח תוך צמצום מסה 3D-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-מחדש-מחדש-מחדש עם שטף ב-מחדשהחומרים ב-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדשהחומרים ב-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש

שתי צורות מכניות שרפו את Fluid Loops

מעבר לצנרת חום, משאבה מכנית שתי לולאות (כמו אלה המשמשים ב- ISS) ניתן למזער עבור CubeSats. משאבה קטנה מפצה משוחרר (למשל, R-134a) כי evarates ברכיבים חמים ו condenes בדיאטור.

שיקולים ומעשים

גודל, Mass, and Form Factor

כל מכשיר דחיית חום חייב להתאים בתוך נפח של ה-CubSat ותקציב המוני, אשר עבור 3U מוגבל - 4 ק"ג בסך הכל. מנגנון רדיו מבוזר מבוזר מבוזרת מבוזר מוסיף 50-100 גרם ותופס 0.25U של חלל פנימי. צינורות חום ו- LHPs להוסיף מסה עבור נוזל ומעטפה. מהנדסים חייבים לעתים קרובות לפרוס בין אזור קורנטור, יכולת שינוי שלב, ומורכבות.

אינטגרציה עם האוטובוס

רצועות הrmal חייב להיות מצופה בזהירות להימנע מעגלים קצרים והתערבות מכנית. צינורות חום חייב להיות מכוון כדי למנוע אפקטים כבידה במהלך בדיקות קרקע (צנרת חום צמחי פועל נגד הכבידה רק על פני מרחקים מוגבלים) עבור קורנטורים מבוזרים, חומרי ממשק תרמי (TIM) כמו חפיפות תרמיים או חומרי שינוי שלב משמשים כדי להפחית את ההתנגדות מגע על פני צירים - לעתים קרובות את הקישור החלש ביותר הוכח כי הם הראו כי הם יכולים להפחית את ה- 10 מעלות צלזיוס כדי להפחית את הפחתת טמפרטורת נחושת.

אמינות ועלויות

(קוביות נבנות לעתים קרובות עם רכיבי מחוץ לתחום (COTS) כדי לשמור על עלויות נמוכות.עם זאת, מכשירים דחיית חום כמו LHPs ו- PCMs דורשים עיצוב מיוחד והכשרה, אשר יכול לעלות 50k- $200k- $ ליחידה - חלק משמעותי של תקציב המשימה הכולל.כדי להפחית עלויות, משימות רבות להשתמש בפתרונות פסיביים (מדגם, רצועות תרמיות, מחשבים) ורק כדי לפעול כדי למנוע התקנים סטנדרטיים כגון: 0 קומפקטיים).

מחקרים על עיצובים חדשניים

Planet Labs Dove CubeSats

Planet Labs מפעילה מאות 3U CubeSats עבור הדמיה כדור הארץ.העיצוב התרמי שלהם משתמש בגישה פסיבית: רדיור בעל גוף על הפנים נגד solar, ציפויים גבוהים על כל משטחים פנימיים, ואת המיקום האסטרטגי של רכיבים המייצרים חום (battery, spectrometer) כדי למזער ⁇ s תרמיים.הם גם להשתמש חומר שלב (parain) מוטבע בתוך הסוללה יעילה לספוג חום, יש מגבלות מהירות.

נאס"א: 7 ו-HyE-9 ניסויים

הניסוי הבינלאומי של תחנת החלל (MISSE) כלל מיטות מבחן בגודל של קוביש לציפויים תרמיים, PCMs, צינורות חום.HyE-7 (2009) בדקו צינור חום זעירה שהעביר בהצלחה 25 W מעל 1 מ', מה שמוכיח כי קירור דו-phase יכול לעבוד בגורם קטן.H9 (2012) נבדק ציפוי איזוטריביות משתנה המבוסס על טכנולוגיית אלקטרו-קרומית, השגת טווח של 0.48 ניסויים קריטיים אלה.

נאס"א CubeRRT ו-RaarCube

ה-CubbeRRT (CubeSat Radio Frequency Interference Technology) ו- RadarCube משימות הן דרשות מטען גבוה כוח (-~20 W) שיצר חום פסולת משמעותי.עיצובים תרמיים שלהם השתמשו בשילוב של רדיורים בעלי גוף ופאנל רדיו מבוזר (%) עם פני פחמן-פריטימנטליות גבוהה ציפוי לבן.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

ננו-חומרים ומטריאליזם

ננו-בוטיקים (CNTs) וסרטי גרפן מציעים מוליכות תרמית גבוהה מאוד (עד 3,000 W/mK עבור CNTs בודדים) וגמישות גבוהה. חוקרים מפתחים ציפויים המבוססים CNT אשר משיגים − 0.98 תוך כדי להיות רק כמה מיקרומטרים עבה.אלה יכולים להיות מיושם על אזורים רדיו קטנים כדי להגביר את ה-Matters, אשר יש צורך ביעילות ספקטרום אור השמש (למשל, אך לא יכול להיות מיושם על ידי קרינה גבוהה יותר).

Thermals (מבנה מוליכים למחצה)

במקום רצועות נפרדות, עתידות של קיבוציות עשויות להשתמש מסגרת מבנית של הלוויין כנתיב תרמי.על ידי ייצור חלקי אסאסה מחומרים בעלי ביצועים גבוהים כמו מרוכבים פחמן-פי עם סיבים גרפיים משובצים או מה היברידיות מתכת-פוחיות, חום יכול להתבצע ישירות ממרכיבים לפאנלים רדיוטר.

Cooling Active Cooling עם Micro-Compressors

מחזור קירור מסוג Vapor-compression יכול לספק קירור פעיל עבור אלקטרוניקה בעוצמה גבוהה בקוקוביות. מיקרו-תחרות (2-5 ס"מ קוטר) המופעל על ידי מנוע חשמלי קטן יכול להפיץ קירור ללוח קר ולוח רדיו מרחוק. Prototypes נבדק במעבדה לחקר חיל האוויר (AFRL) להראות coefficient of Performance (COP) של 2-3, כלומר, עבור כל דחיסה משמעותית של מערכת הפעלה של חשמל מסוג W.

מערכות בקרה ארקטיביות (ITCS)

החזון האולטימטיבי הוא "אוטובוס תרמי" דומה לתחנת חשמל. ממשק סטנדרטי - אולי רכבת עם צינורות חום משובצים ומחבר לולאה נוזלית - יאפשר למגייסי תשלום להתחבר ולהשתפר קירור מובטח.הסוכנות החלל האירופית של הסוכנות החלל:0)CubeSat Thermal Control KitFLT:1 נועד ליצור לוחות קרינה מודולריים וחום מובטח.

מסקנה

דחיית חום בקוקוביות התפתחה מקרינה פשוטה בעלת גוף, מתוחכמת, פורסה מערכות דו-פזה וחומרים חכמים. הגודל הקטן של הלוויינים האלה דורש יצירתיות: מהנדסים חייבים למקסם כל מילימטר רבוע של משטח קורנינג, למזער את המסה, ולהבטיח אמינות ללא המותרות של לולאות קירור פעיל המשמשות בחלליות גדולות יותר.