הפיזיקה של הטמפרטורה קיצונית בחלל

לוויינים הפועלים במסלול כדור הארץ נמוך (LEO), מסלול גיאוגרפי (GEO), או על מסלול בין כוכבי לכת אל מול אחת הסביבות התרמיות התובעניות ביותר בהנדסה.הוואקום של החלל מבטל העברת חום מאומצת, משאיר קרינה כמו המנגנון היחיד להחלפת חום. כאשר לוויין הוא באור שמש ישיר, פני השטח המוצפים שלו יכולים כל כך לטמפרטורות מעל 150 מעלות צלזיוס), בעוד שתחת פני כדור הארץ מהירים (או מעגלי כדור הארץ).

רכיבה תרמית זו מטילה לחץ מחזורי על חומרים, מפרקים ואלקטרוניקה.ללא אווירה לתנודות טמפרטורה של buffer, קצב השינוי יכול לעלות על 10 מעלות צלזיוס לדקה, מצב שמערכות ארציות לעולם לא נתקלות.האתגר מורכב על ידי הצורך לשמור על מכשירים רגישים, סוללות, ומערכות הנעה בתוך חלונות טמפרטורה צר - לעתים רק כמה מעלות - תוך דחיית פסולת חום מאלקטרוניקה ו סופגת גישה סולארית ומשתנה עם שטף.

מדוע מטרות ניהול הרחם משימה הצלחה

מערכת בקרה תרמית של לוויין (TCS) אינה תת-מערכת משנית; היא מבוססת על כל פונקציה אחרת. Batteries לאבד יכולת ו לסבול השפלה מואצת כאשר מופעל מחוץ לטווח האופטימלי שלהם (בדרך כלל 10 מעלות צלזיוס ל -30 מעלות צלזיוס) אלקטרוניקה כוח, משדרים, מעבדים לייצר חום משמעותי כי יש לדחות או להיכשל.

ההשלכות של כשל תרמי חמורות. a תקועה, תנור כושל, או בידוד רב-שכבות מחוסנים (MLI) שמיכה יכולה לקרוס לתוך אובדן המשימה.אובדן 1999 של אורביטר מאדים, וכישלון 2009 של מערכת הלוויינים של NOAA-19 הם תזכורות דקות כי עיצוב תרמי אינו ניתן להשגה קוביה ממחירים של עשרות אלפי דולרים של כלי הדגל הקיצוניים לכל סוגיה של כדור הארץ.

בקרת הרמימוס: קו ההגנה הראשון

טכניקות בקרה תרמיות פסיביות לא דורשות כוח ואין להן חלקים נעים, מה שהופך אותם לשיטות האמינות והנפוחות ביותר.מערכות אלה מסתמכות על התכונות התרמיות של חומרים ועל פני השטח כדי להסדיר את הטמפרטורה.

Multi-Layer Insulation (MLI)

שמיכה מאלי הן יצירות של הגנה תרמית חללית.מתאים לשכבות של סרטי פולימרים דקים (בדרך כלל קפטון או Mylar) עם ציפויים מתכתיים רפלקטיביים רפלקטיביים (אלמינום או כסף), MLI מפחיתה העברת חום קורנטיבית על ידי גורם של 100 או יותר.יש טיפוסי יש 10 עד 30 שכבות, כל אחת בנפרד על ידי מברשות נמוכה או רשת.

ביקורת: Thermal Control Coatings

קצה פני השטח של לוויין קובע כמה אנרגיה סולארית היא סופגת וכמה ביעילות היא פולטת קרינה אינפרא אדום. מהנדסים בוחרים ציפויים המבוססים על ההימנעות הסולארית שלהם (α) ופלט אינפרא אדום ( ⁇ לבן), צבעים זהב, טיפטון מכסף, ואלומיניום מחוספס יש אזורים ספציפיים α / ε, שמירה על פני השטח מגניבים ו קולטנים יש רמות גבוהות של α / α / פרמטרים שימושיים עבור פרמטרים אופטיקה.

צינורות חום ורדיטורים

צינורות חום הם מכשירים פסיביים כי להעביר אנרגיה תרמית ממרכיבים חמים לרדינים קרים.הם מכילים נוזל עבודה (ammonia, propylene, או מים) כי מתאדה בקצה החם ו condenes בקצה הקר, מונע על ידי פעולה capillary דרך מבנה צמחי. צינורות חום יכולים להעביר מאות וואט על פני מרחקים של כמה מטרים עם ירידה מינימלית.

שינוי חומרים (PCMs)

PCMs סופג חום כפי שהם מתמסים ושחררו אותו כפי שהם מבססים, פועלים כמו buffers תרמיים. Paraffin שעווהes, מלחים מיובשים, ו ⁇ מסוימים יש חום מאוחר מאוד של היתוך ויכולים לייצב תנודות של רכיבים רגישים במהלך מעברי ליקויים או פעילות בעוצמה גבוהה. PCMs משמשים בחפיסות סוללות, מגברי חשמל, וכי ניסיון iRicol, הם יכולים להשתלב לתוך יחידות חום או מכוערות חום.

ביקורת מקצועית: Precision When It Matters

מערכות בקרה תרמיות פעילות (ATCS) משתמשות ברכיבים מונעים כדי לשמור על טמפרטורות בתוך סובלנות הדוקה.הם מוסיפים מסה, מורכבות וצריכת חשמל אך הם הכרחיים עבור רכיבים שאינם יכולים לסבול רגולציה פסיבית בלבד.

חשמלאי

תנורי חום קטנים, בעלי שליטה – באופן קטי קפטון-מבודדים מחוממים או תנורי מחסנית – קשורים לרכיבים הדורשים טמפרטורות הישרדות מינימליות. קווים ממריצים, וגלגלי תגובה משתמשים בשרירים כדי למנוע הקפאת או להבטיח הפעלה נאותה באיליק.Thermostats, ממסים חזקים-state-states, או ערכות תוכנה על תנורי חימום ושמירה על קבוצות של קבוצות חום על קבוצות של קבוצות חום ושמירה על קבוצות חום על קבוצות חום ושמירה על קבוצות חום.

Coolers (TECs)

TECs הם משאבות חום מוצק המדינה להשתמש אפקט Peltier כדי להסיר חום מן הצד הקר ולדח אותו בצד חם. הם משמשים לגלולים אינפרא אדום, דיודות לייזר, וכלים מדעיים לטמפרטורות מתחת ambient. TECs הם קומפקטיים, ללא רטט, ואין להם חלקים נעים, אבל יעילותם נמוכה (COP לעתים קרובות מתחת ל- 0.5), והם דורשים כוח חשמלי משמעותי הם בדרך כלל בשימוש עם מתפורר חום או מעצורים.

המונחים: Fluid Loops

עבור חללית בעלת כוח גבוה (מעל 1 קילוואט של חום פסולת), לולאות נוזל מוחזר לספק את הניהול התרמית היעיל ביותר. משאבה מפצה קור רוח (מים, אמוניה, או נוזל dielectric כמו FC-72) באמצעות צלחות קרות מחוברות לרכיבי חום שיוצרים חום.הקר נושא את החום לרדיוורים חיצוניים, שם הוא מוקרן לחלל.

Cryocoolers

משימות מדעיות רבות דורשות טמפרטורות גלאי מתחת ל 80 K (-19 ° C) Cryocoolers הם מקררים מכניים המספקים קירור לרמות אלה. Stirling, הדופק-tube, Joule-Thomson Cryocoolers יכול להשיג טמפרטורות נמוכות כמו 4 K (-269 מעלות צלזיוס) תוך דחיית חום בטמפרטורה אינפרא אדום גבוהה יותר.

בחירת אחריות תרמית

החומרים שנבחרו למבנה לוויין, אלקטרוניקה וחומרה תרמית חייבים לשאת סיורים טמפרטורה קיצוניים ללא דהינג. coefficient של התרחבות תרמית (CTE) הוא דאגה עיקרית. חומרים דיסימיים מחוברים יחד - כגון אלומיניום דבש עם כריות פנים פחמן-פייבר - יכול ליצור מתח ודמדומים אם ה- CTE שלהם הם לא מתאימים מהנדסים, קרמיקה, סגסוגת נמוכה, כי הם מציעים יציבות תרמית.

פחמן-פיבר-reinforced פולימרים (CFRP) משמשים נרחב עבור לוחות מבניים ובוממות בגלל ה-CTE שלהם ליד אפס, קשיחות גבוהה, ומסה נמוכה.סגסוגת אלומיניום נפוצים עבור כיור חום ורדיטורים בשל התנהגות תרמית גבוהה שלהם וקלות של ייצור קרמיקה (למשל, בדיקות סולאריות), retoryfractory כמו מתכות תרמיות (מפרקות) ו-אורדמות (מתקני קירור) הם לעתים קרובות, כמו קירור מורכבים (דפסים) עם קרמיקה) ו-אורדמתים (Dtraceretraceretraceretraceretrarretragird) ו-tomtricsived) יחד עם קרמיקה (למשל, לעומת קרמיקה (למשל, לעומת קרמיקה) עם קרמיקה (מתקני ייצור מורכבים (למשל, לעומת זאת, לעומת זאת, קרמיקה) ו-Ricretrarativesiveicretrarativesived) באופן מסורתי, שימוש באופן מסורתי, שימוש באופן מסורתי, כמו מגנטית תאים מורכבים (למשל, כמו גם שימוש ב-Ricrydtracetracetraceretraceretracetracemcretrartrartrartrartra

תהליך העיצוב המילולי: החל ממודל לבדיקות

העיצוב הירומל מתחיל בשלב המושגי וממשיך באמצעות עיצוב מפורט, ייצור ואינטגרציה. מהנדסים בונים מודלים מתמטיים תרמיים באמצעות תוכנה ניתוח חד-פעמי או חד-פעמי (למשל, SINDA/FLUINT, Thermal Desktop, ESATAN) מודלים אלה מדמיינים מציאות יציבה והתנהגות תרמית לאורך כל השלבים: שיגור, פעולות נומינליות, ליקויים, תרחישים של התאמות.

המודל מהווה את כל מקורות החום: פלוקס סולארי, אינפרא אדום כדור הארץ וקרינת אלבדו, דיסיפוציה אלקטרוניקה פנימית, חום שנוצר על ידי הנעה או הפעלה. הפיכה רדטיבית בין פני השטח מולכדים באמצעות גורמים ראייתיים ונכסים על פני השטח.המודל צופה טמפרטורות רכיב ומזההה מקרים שבהם הגבולות הם מעלים.

ברגע שהעיצוב בנוי, ריק תרמי (TVAC) בדיקות מאשר את המודל.החללית ממוקמת בחדר ריק מצויד בשרוטגנים כי סימולציה של הקר של חלל וסימולטורים סולאריים או מנורות אינפרא אדום שמש לשכפל חימום השמש.Thermocouples, המתתירים, גלאי ההתנגדות (RTs) שיא של מאות מקומות.

תגית: Hubble Space טלסקופ המערכת הירומית

טלסקופ החלל האבל (HST) הוא דוגמא לספר לימוד של ניהול תרמי ארוך טווח הושק בשנת 1990 ופועל במשך יותר משלושה עשורים, HST חוויות כ-15 מחזורי שמש/קלופה ליום, כל אחת מהן נמשכת בערך 95 דקות.מערכת הבקרה התרמית שלו משלבת אלמנטים פסיביים ופעילים כדי לשמור על מכשירים מדעיים יציבים בסביבות 20 מעלות צלזיוס ± 2C, בעוד שהפרצופים החיצוניים מתנדנדות מ-80 עד ° C.

הקליפה החיצונית של הטלסקופ מכוסה בשכיפות MLI כדי למזער אובדן חום רדיאני.דלת חדר ו baffles צבועים עם ציפויים נמוכים של מחסור בפיתויים למניעת אור השמש להיכנס למסלול אופטי. Heaters על המראה הראשי, מכשירים, וגלגלי תגובה להבטיח שהם נשארים מעל טמפרטורות הישרדות מינימליות במהלך ליקויי ליקויים.החלל גם משתמש קרינת רדיור - סגרה סגורה על ידי סגירת ציוד חם וסגורה רק לאחר שעדיין היה צורך 5 הילוכים חמים.

תגית: James Webb Space טלסקופ - Cryogenic Mastery

טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) פועל בטמפרטורות מתחת ל-50 K (-22 ° C) כדי לצפות באור אינפרא אדום מן היקום הקדום.Achieving ושמירה על טמפרטורות מבוכות כאלה בחלל הוא הישג הנדסי תרמי יוצא דופן. JWST משתמש אור של חמישה שכבות שטוף השמש מתחת לגודל בית משפט טניס כדי לחסום קרינה סולארית מלהגיע לטלסקופ.

הקירור הפסיבי של JWST מוגדל על ידי מברק עבור האינטרומנט Mid- infrared (MIRI), הדורש קירור 6.7 K (-26,6 ° C) ה Cryocooler משתמש עיצוב הדופק-tube עם הליום כמו נוזל העבודה.מקטעי המראה העיקריים של הטלסקופ עשויים Beryllium, שנבחר עבור הנוקשות הגבוהה שלו, צפיפות נמוכה, תרמית, וצעקה לפני עשרות שנים הוא רק מכווץ על כל מטבול חומר קריפטגוני הוא רק על כל טמפרטורות קרומות.

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

הדור הבא של החללית דורש אפילו יותר שליטה תרמית מתוחכמת.לוויינים קטנים וקוביות, עם תקציבי המסה והכוח המוגבלים שלהם, הם מניעים את הפיתוח של פתרונות תרמיים מיניים מגודלים.ייצור אדרטיבי מאפשר צינורות חום משובצים וחילופי חום למצמצילים שממקסמים את פני השטח בנפח קומפקטי.שלב שינוי חומרים עם מוליכות תרמית מוגברת (באמצעות קצף גרפיט או ממתכת) מפותחים לטיפול בעוצמות גבוהות יותר.

עור תרמי הסתגלות הוא מושג מתפתח: חומרים שמשנים את ההימנעות הסולארית שלהם או פולטים אינפרא אדום בתגובה לטמפרטורה. ציפויים חכמים פסיביים אלה יכולים להחליף מהירויות מכניות ומחממים, צמצום המוניות ומורכבות. חומרים אלקטרוכרומטיים ותרמוכרומטיים הוכחו במעבדות ו נבדקו עבור הסמכה לחלל.

למידת מכונה ו- AI מתחילים להשפיע על עיצוב תרמי.רשתות ניל יכול לייעל את הרדיטור sizing, מיקום חום, ואסטרטגיות תפעוליות ספציפיות מסלול מהיר יותר מאשר שיטות הרציונאליות מסורתיות. On-orbit, AI יכול להתאים סטמנטים חום המבוססים על טלמטרי בזמן אמת, להאריך את חיי הרכיב ולהפחית את צריכת החשמל.

עבור משימות חלליות וכוכביות עמוקות, מערכות תרמיות חייבות להתמודד עם סביבות קיצוניות הרבה יותר מאשר מסלול כדור הארץ. פרקר השמש Probe, אשר מתקרב בתוך 6.2 מיליון קילומטרים של השמש, משתמש מגן חום פחמן-קומו-בסיסי שעומד בטמפרטורות מעל 1,400 מעלות צלזיוס המשימה לירח, מאדים, כוכבי הלכת החיצוניים דורשים אדריכלות תרמית שיכולה לשרוד חום קר ועוצמתי, לעתים קרובות בתוך אותה מערכת חללית מפותחת - כמו גם מוליכים חום-מתים-כך - כמו גם מוליכים חום-מתים-מתאים-כך - כמו גם מוליכים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-כך - כמו גם מוליכים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-כך - כמו אלה.

שיטות טובות למהנדסי לוויין

עשרות שנים של הנדסה תרמית חלליות מניבות קבוצה של שיטות מוכחות הטובות ביותר אשר להפחית באופן משמעותי את הסיכון ולשפר את הביצועים:

  • (FLT:0)עיצוב שולי: 1FLT) החל שולי תרמי של לפחות 10 מעלות צלזיוס על טמפרטורות צפויות ו-20% על פירוק חום. מרג'ינס חשבון עבור חוסר ודאות, ייצור ותנאים סביבתיים בלתי צפויים.
  • (FLT:0) Redundancy: FLT:1 להשתמש תנורי חום אדומים, תרמוסטטים וחיישנים טמפרטורה על רכיבים קריטיים. a יחיד לא חום לא צריך אף פעם לסכן את המשימה.
  • (FLT:0) הצצה ברמת הרכיב והמערכת:IRLT:1) מודלים תרמיים אימותיים עם בדיקות TVAC של כל הרכבה.התנהגות רכיבה תרמית על חומרה טיסה כדי לאמת עבודה ויציבות חומרית.
  • (FLT:0) תאימות אווירית: FLT:1 להימנע מחומרים של גזים אשר יזרעו אופטיקה או משטחים קרים. השתמש בדבקים נמוכים, ציפויים תואמים, ופריחות תרמיים כי הם מתאימים לחלל.
  • (FLT:0) ניטור רציף: תוכנית 1FLT עבור טלמטים על אוביט מחיישנים טמפרטורה בכל המקומות הקריטיים. השתמש בנתונים כדי להידרדרות אופנתית ולתאים את נקודות החום הדרושים.
  • [ה]המחקר [ה]: [ה] [ה] [ה]] [ה]]] מקרא [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]]]] [ה]]], [הההההכשלים] ההם [השלל] הכשלים [ה] [ההה] [ה] [ה] [התעלו] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה[ה] [ה] [ה[הה] [ה[ה] [הה[ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה]]] [ה]] [ה] [הההה[ה[ה[ה]]]]]]]]]] [ה[ה[ה[ה[ה[ה]]]]] [ה[ה]]] [ה[ה]]]] [ה[ה[ה[ה[ה[ה]]]]]]]]]]] [ה[ה[ה]]] [ה[ה[

מסקנה

תכנון לווינים לתנודות טמפרטורה קיצוניות בחלל הוא משמעת המשלבת פיזיקה, חומרים מדע ומערכות הנדסה עם להתמקד ללא הרף באמינות.כל חללית - מקוביסט קטן ב LEO ועד למצפה הדגל בנקודת השמש-הארץ L2 נקודה - חייב לנהל את האתגר הבסיסי של הישרדות ותפעול בסביבה של נדנדה אכזרית.

לקריאה נוספת על עיצוב חלליות תרמי, לשקול את המשאבים הסמכותיים הללו: NASA Small Spacecraft פרק הבקרה הירומלי FLT:1 מספק סקר מפורט של טכנולוגיות נוכחיות; העמוד 2ESA על מערכות קירור עבור חלליות חלליות חלליות PLT 3 מציע נקודת מבט אירופית על זעקה מתקדמת וניהול תרמי; ו-FLT:4AS E5Frea:2 לבדיקת שיטות קריטיות.