טלסקופי החלל שינו את ההבנה שלנו של היקום, לכידת תמונות המחשוף את לידתם של כוכבים, המבנה של גלקסיות רחוקות, וההתעלול של המפץ הגדול.השגת התצפיות המרשימות הללו דורשות יותר מאשר מראות גדולים יותר ואופטיקה מדויקת; היא דורשת סביבה שבה הכלים עצמם אינם פולטים חום בלתי ניתן לגילוי.

מה זה Cryogenic Thermal Control?

בקרה תרמית בוכה מתייחסת למשמעת ההנדסית של שמירה על ציוד בטמפרטורות Cryogenic - המוגדרת באופן רטיפלי מתחת 120 Kelvin (-15 ° C או -244 ° F), אם כי יישומי טלסקופ החלל פועלים לעתים קרובות קר יותר.המטרה הבסיסית היא להפחית את האנרגיה התרמית של מכשיר כך פליטות אינפרא אדום משלו לא למצוץ את האותות הקוסמיות הרות חלשות שנמדדו.

הפיזיקה הבסיסית של שליטה Cryogenic מושרשת בקרינת גוף שחור.כל אובייקט פולט קרינה אלקטרומגנטית על פי הטמפרטורה; גלאי חם פולטים אינפרא אדום, יצירת אות רקע שיכול לטשטש את המקורות האסטרונומיים העדינים ביותר.על ידי גלאי קירור לרמות Cryogenic, קרינה פולטת טיפות אקספוננציאליות, שיפור דרמטי יחס אות-לא-רעש.זה הוא קריטי במיוחד עבור אסטרונומיה תת-מילימטרית, שבו המטרות קרות, כמו גלקסיות רחוקות, כוכביות, כמו גלקסיות פרוטפורות, גלקסיות רחוקות.

טווחי טמפרטורה בטלסקופים בחלל

מכשירים שונים דורשים רמות קירור שונות.לדוגמה, גלאי קרוב-אדום פועלים בדרך כלל סביב 30-40 Kelvin (-24 ° C עד -23 מעלות צלזיוס), בעוד גלאי אמצע-הרוב-הקרוב-המוכרים צריכים להיות קרירים מתחת 10 Kelvin (-26 ° C) כמה ממטרים מיוחדים לתצפיות תת-מילימטר פועלות רק 0.1% קלווין (275 ° C), המתקרבים ל- אפס.

עקרונות פיזיים מרכזיים

שלושה עקרונות תרמודינמיקה שולטים בשליטה תרמית בכווצנית בחלל: העברת חום באמצעות התנהגות, הדבקה וקרינה.בריק החלל, העברת חום אחידה נעדרת, אך חילופי קרינה הופכת דומיננטית.זה אומר כי משטחים חייבים להיות מתוכננים בקפידה כדי פולטים חום ביעילות לחלל קר תוך כדי לשקף את השמש והקרינה הפלנטרית.בנוסף, נתיבים מוליכים דרך תמיכה מבנית וחיפוש חובה להיות ממזעריים באמצעות חומרים גיאוגרפיים נמוכים ומטמים.

למה טמפרטורות Cryogenic Matter for Space טלסקופים

בניגוד למכשולים מבוססי קרקע, אשר מושפעים מקליטת אטמוספרי ופליטה תרמית, טלסקופי חלל פועלים בסביבה prise- אבל הם חייבים להביא את הקירור שלהם עצמם.הוואקום של החלל מספק כיור תרמי טבעי, אך ללא ניהול פעיל, מכשירים היו שווים לטמפרטורות המייצרות רקע אינפרא אדום משמעותי.

  • (ב) קרינת אינפרא אדום מאובייקטים מגניבים 1:1 , כגון אזורים לייצור כוכבים אבק, ננסים חום וכוכבי לכת.
  • (ב) ויקרא י"א: "ה', ו''' (ב') ו'ה' (ב')' (ב')' (ב')' (ב')' (ב')')' (ב')') ו'[[המאה ה', ו[[המאה ה-20]].
  • (ב) גלקסיות מאוישות, גלקסיות גבוהה, גלקסיות ממושכות 1:1), אשר אור אופטי שלו מאולץ אל תוך האינפרא אדום על ידי התרחבות היקום.

יתר על כן, יציבות Cryogenic מבטיח כי גלאי כהה זרם - הזרם הספירודי של אלקטרונים אפילו בהיעדר אור - נשאר נמוך.זה מתורגם ישירות לזמני אינטגרציה ארוכים יותר ויכולות הדמיה עמוקות יותר.עבור ספקטרום, יציבות תרמית מונעת גם שינויים ב calibration גל, אשר חיוני למדידה של שינויים אדומים מדויקים ורכבים כימיים.

טכניקות קירור Cryogenic

שיטות קירור פסיביות לנצל את הקור הטבעי של החלל ללא שימוש במקררים מכניים.הם אמינים, לצרוך ללא חשמל, ולעתים קרובות הם קו ההגנה הראשון בעיצוב תרמי.הטכניקות הפסיביות הנפוצות ביותר כוללות שושיאלד, קורנטורים, ו בידוד רב-שכבות (MLI).

סושיאלדס וצלחות השמש

Sunshields הם מבנים גדולים, פורסים כי לחסום אור שמש ישיר מלהגיע אל טלסקופ אופטיקה וכליים. טלסקופ החלל ג'יימס Webb של טלסקופ החלל 5 שכבות שמשshield הוא הדוגמה המפורסמת ביותר; הוא משקף ומקרינה חום משם, שמירה על הצד הקר מתחת ל 50 Kelvin בעוד הצד החם מול השמש עולה על 370 Kelshids בדרך כלל עשוי קל משקל, מחץ נמוך וכחול.

רדיטורים

רדיאטורים הם לוחות עם תנופה אינפרא אדום גבוה כי מרתיע חום לתוך הקר של החלל.הם לעתים קרובות מצופים בצבע לבן או ציפוי בקרה תרמי מיוחד.ב טלסקופ חלל, קורנטורים ממוקמים בצד הקר של המצפה, הרחק מהשמש וכדור הארץ, כדי למקסם את דחיית החום. פאסיבי יכול להשיג קירור בסביבות 30-50 קלווין בהתאם לגודל החום והקרינה.

Multi-Layer Insulation (MLI)

שמיכה MLI מורכבת משכבות של חומר דק, רפלקטיבי (לעתים קרובות קטון או Mylar) מופרדים על ידי חללים מוליכים נמוך.שמיכות אלה להפחית את העברת החום הרדיואקטיבית בין מרכיבים חמים וקרים.על ידי עוטפים כלים בכפכיים ב MLI, דליפות תרמי משאר החללית מצמצם.מאלי משמש גם על פני השטח החיצוניים של קריאות כדי לבודד את פני השטח הקר של טמפרטורות פנימיות מטמפרטורות ממות.

מייבש חום ו-Thermals

בעוד לא פסיבית לחלוטין, רצועות תרמיות עשויים אלומיניום או סולדת נחושת משמשים כדי לבצע חום ממרכיבים רגישים לרדינים.הם קלים וגמישים, המאפשרים העברת חום יעילה למרחקים קצרים ללא הפיכה נוקשה אשר תבצע חום דרך נתיבים מבניים.

מערכות קירור Cryogenic Cooling

עבור מכשירים הדורשים טמפרטורות מתחת למה קירור פסיבי יכול לספק - באופן חד-משמעי מתחת 15-20 Kelvin - כיכלים זעקות פעילים הם הכרחיים. מקררים מכניים אלה פועלים ברציפות כדי לחלץ חום ולשמור על טמפרטורות אולטרה-נמוכות. סוגים מסוימים פותחו עבור יישומי חלל, כל אחד עם עצירות סחר בעוצמת קירור, יעילות, המונים ודטט.

Cryocoolers

קרירים סטרלינג משתמשים בגז (בדרך כלל הליום) במעגל סגור עם מלוטש ופירסטון.הם קומפקטיים, יעילים, ויכולים להגיע לטמפרטורות עד 10 קלווין.עם זאת, הם מייצרים תנודות מכניות, אשר חייב להיות מכווצים בזהירות או לפצות כדי להימנע מאיכות התמונה המידרדרת.

דופק Cryocoolers

קרירים של צינורות הם גרסה של קירורים סטרלינג כי לחסל חלקים נעים באזור הקר, צמצום הרטט ושיפור האמינות.הם עובדים על ידי שימוש בשרירים לחץ כדי ליצור ⁇ טמפרטורה. Pulse צינורות הם יותר ויותר לטובת משימות ארוכות השקיה והם משמשים על ידי טלסקופ החלל של ג'יימס Webb:0MIRI כלי LTFirvetirover 1 ל-6.51.

Joule-Thomson (JT) Coolers

JT קרירים מסתמכים על התרחבות הגז באמצעות שסתום תלוש, אשר גורם לירידה בטמפרטורה.הם משמשים לעתים קרובות כשלב שני להגיע לטמפרטורות ליד 4 Kelvin או נמוך יותר. JT קרירים ניתן לשלב עם סוגים אחרים של Cryocer כדי לספק קירור רב-שלב.

Adiabatic Demagnetization Refrigerators (ADRs)

עבור הטמפרטורות הקיצוניות ביותר (below 1 Kelvin), ADRs מועסקים.הם משתמשים באפקט המגנטי – שינוי אנטרופי מגנטי במלח טפילי – לקרר. ADRs הם ללא רטט מוחלט ויכולים להגיע לרמות תת-קלווין, מה שהופך אותם אידיאליים עבור גלאי בונומטריים בטלסקופים מרוחקים ו X-rays.

תגית: James Webb Space טלסקופ

טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST)אנדרופט 1:1 הוא הדוגמה המובילה של שליטה תרמית מבועתת מבועתת.העיצוב משלב קירור פסיבי נרחב עם מטאטא פעיל ייעודי כדי להשיג את הטמפרטורות הדרושות עבור ארבעת המכשירים המדעיים שלה.המצפה כולו מוגן מהשמש, כדור הארץ, ומירח על ידי חמש שכבות שמש המאפשרות לטלסקופ ולמכשיר מגניב ל-40 ליטר קלווין.

אדריכלות מגניבה

השמשה של JWST מקטין את העומס התרמי בצד הקר על ידי גורם של מעל מיליון.המראה הראשי ומראה משנית קרירים באופן פסיבי באמצעות קרינה לחלל.הרכיב הטלסקופ האופטי כולו פועל קרוב ל-40-50 קלווין ללא כל קירור פעיל. גישה פסיבית זו נדרשת טיפול תרמי ובחירת חומרים למניעת דליפות חום באמצעות המבנה התמיכה והנפיחות.

Cooling for MIRI

האינסטרומנט אמצע-אדום דורש קירור מתחת ל-7 Kelvin עבור הגלאיים והאופטיקה שלו לתפקד כראוי בטווח גל 5-28 מיקרון. a ייעודי צינור הדופק מבעוט, שנבנה על ידי Northrop Grumman ומעבדת ה- Jet Propulsion, מספק את קירור הכרחי.זה Cryocer יש שני שלבים: pre-cooler כי מגיע 15 ו- Kelropa ישר בתוך 300 וואט מערכת חשמל.

יציבות ומרקג'ין

המערכת התרמית של JWST נועדה לשמור על יציבות הטמפרטורה בתוך כמה מיליקלווין על זמני תצפית.כל סחף יגרום עיוות תמונה או שינויים ספקטרליים. כדי להשיג זאת, המצפה משתמש תנורים על המבנים לטמפרטורות עדינות ושילוב של חיישנים וניהול תרמי מבוקר מחשב.

טלסקופי חלל אחרים עם מערכות Cryogenic

JWST הוא הטלסקופים המתקדם ביותר, אך רבים אחרים של חללים הסתמך על שליטה תרמית בוכה כדי להשיג את מטרותיהם המדעיות.

טלסקופ החלל Spitzer Space טלסקופ

טלסקופ החלל שפיצר, חלק מתוכנית המיילדות הגדולה של נאס"א, השתמש ב- Cryostat פסיבי מלא ב- helium נוזלי כדי לקרר את הגלאיים שלה.המשימה המקורית נמשכה 5.5 שנים עד שהאספקה הליום הייתה מותשת.ספיצר נכנס לשלב "משימה מלחמה" באמצעות רק כלי הגל הקצר ביותר שיכול לפעול ב- 30 קלווין, קרירה באופן פסיבי, הן של הצלחתו של ספייזר הפגינו והן לבעית של כוח מבזבז.

בסביבה הקרובה של Herschel Space Observatory

הרשל, משימה ESA עם השתתפות נאס"א, היה הטלסקופ האינפרא אדום הגדול ביותר שהושק אי פעם.הוא נשא מראה של 3.5 מטר ושלוש מכשירים הדורש קירור לטמפרטורות שונות.הטלסקופ היה קריר באופן פסיבי לכ-80 קלווין, בעוד המכשירים המשמשים משככי כאבים helium Cryostats וקררים מכניים כדי להגיע לטמפרטורות נמוכות כמו 0.3 Kelvin עבור המבולמטרים שלה עד שהוא הפעילה בשנת 2013.

לוויינים Planck

Planck, גם משימת ESA, ממפה את רקע המיקרוגל הקוסמי עם דיוק חסר תקדים.גלאיים שלה היו מגניבים ל-0.1 Kelvin באמצעות שרשרת מורכבת של ארבעה שלבים מבוהלים: קירור פסיבי, מחצן מימן ב-20 Kelvin, ג'ול-Thomson קריר ב-4 Kelvin, ו- ADR ב 0.1 Kelvin זה היה מפתח ליכולת של פלאנק לטמפרטורה ברמה מיקרו-מיקרו-מיקרו-מיקרו-קל.

אתגרים ופתרונות הנדסה

יישום מערכות Cryogenic בחלל מציג אתגרים עצומים הדוחקים את הגבולות של הנדסה תרמית ומכנית.

Mass and Volume Constraints

כל קילוגרם שהושק לחלל עולה כסף משמעותי ודלק.מערכות Cryogenic חייבות להיות קומפקטיות וקלות.מערכות פאסיביות כמו שושיאלדס ורדיוators מועדות היכן שניתן, כי הן מוסיפים מסה ללא צריכת חשמל. עבור קרקרים פעילים, צמצום מסה תוך שמירה על כוח קירור דורש עיצובים מתקדמים באמצעות חומרים כמו beryllium, titanium, פחמן מורכב עבור אלמנטים מבניים.

כוח

זעקות Active Cryocoolers לצרוך חשמל, שהוא משאב יקר על חללית.Efficiency נמדדת כמו היחס של חום הוסר בסוף הקר לעוצמה קלט - לעתים קרובות בא לידי ביטוי כמקדם ביצועים (COP) להשגת COP של אפילו 0.001 עבור 6 קלווין קריר נחשב מצוין מהנדסים לפתח כל הזמן דחוסים יעילים יותר ו regens כדי להפחית את דרישות הכוח.

אחריות וחיים

טלסקופי חלל נועדו למשימות מרובות שנים ללא תחזוקה. Cryocoolers חייב לפעול במשך 5-10 שנים או יותר ללא כישלון.זה דורש בדיקות קפדניות, ריצוף, והשימוש בטכנולוגיות מוכחות.מעבורת צינורות, ללא חלקים נעים בשלב הקר, מועדים לאמינות גבוהה שלהם.

שליטה על

מנגנונים נעים ב Cryocoolers לייצר רטטים שיכולים לטשטש תמונות או לגרום לג'ייטר במערכות מצביעות בסדרות.כדי להפחית את זה, מהנדסים משתמשים דחוסים ליניאריים מאוזנים, למערכות בידוד הרטט ומערכות ביטול פעיל.עבור ADRs, שאין להם חלקים נעים, רטט הוא נמוך מטבעו. JWST Cryocooler, למשל, משתמש בעיצוב מפוצל עם דחוס על החללית החמה, רחוק מן הכלים הרגישים.

« « « גרף ו- Structural Distortion

⁇ טמפרטורה גדולה מעבר למבנה טלסקופ לגרום הרחבה תרמית התכווצות, המוביל להטעות של אופטיקה.מערכות Cryogenic צריך להיות מיועד למזער ⁇ s ולאפשר קירור מבוקר.חומרים עם טמפרטורות נמוכות, כגון Invar ו קרמיקה מסוימת, משמשים עבור הרפסים אופטיים קריטיים. אקטיביים יכולים לשמש גם לייצוב טמפרטורות.

עתיד השליטה הבדויה

בעוד אסטרונומים דוחפים לעבר עוד מיילדות שאפתניות יותר, הטכנולוגיה הבזוגנית חייבת להתפתח כדי לענות על דרישות חדשות.

טלסקופ החלל הבא

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Cryocooler Technologies

התפתחויות חדשות כוללות עתירות גבוהות של זעקות סטרלינג עם שלבים רפלקטיביים גמישים, צינורות הדופק ללא רטט עם חותמות ניקוי, ואת קריינים רב שלבים משלבים JT ו הדופק. החוקרים גם לחקור כיכלים באמצעות צינורות חום צינורות לולאה צינורות חום עבור תחבורה תרמית יעילה.

In-Situ Cooling with Cryogen Recycling

(המושג המתהווה הוא השימוש במערכות Cryogen סגורות המחזרות את הליום דרך מחזור קירור, חיסול הצורך בקריאות ממושכות.זה יכול לאפשר משימות Cryogenic ארוכות יותר ללא מגבלות חיים המוטלות על ידי רות-off.מערכות כאלה עדיין בשלב ההתפתחות המוקדם, אך הן נחשבות לנקודות מבט עתידיות כמו FLT:0 infraredology עבור טלסקופ קוסמולוגיה ואסטרונומיה (FSP).

צמצום עלויות ומורכבות

כדי להפוך טלסקופים חלליים מבוכים יותר, סוכנויות משקיעות במודולים מפוצצים סטנדרטיים ופרסומות מחוץ ל-the-She-lf רכיבים.TheFLT:0) ג'יימס ווב טלסקופ החלל נמוך Thermal Control TechnologyFLT:1 שפותח עבור MIRI כבר מותאם למשימות אחרות.

מסקנה

שליטה תרמית Cryogenic היא לא רק תת-מערכת תומכת עבור טלסקופי חלל; זה מאפשר לאנושות לראות את היקום בקיצוניות הקרים והקיצוניים הרחוקים ביותר שלה.מ השמש הפסיביים של JWST ועד תת-Kelvin ADRs על Planck, מערכות אלה להסיר את הערפל ההנדסי החמים ביותר אשר יהיה בדרך אחרת כלי שלנו.