Inter star Probes için ısı kontrolü

Giriş: Void'de Probe Isınma Bir Isınma Olmanın Unseen Challenges

Her uzay aracı, varış yerinin ne kadar uzak olursa olsun, ısıyı yönetmek zorunda kalıyor. Ama bir yıldız probu için – Güneş'in heliosphere'i terk etmek ve yıldızlar arasındaki ışık yıllarını geçmek için hapsedilmiş bir gemi –termal kontrol, Dünya yörüngesindeki uydulardan veya gezegen yörüngelerden farklı olarak, bir yıldız radyo kanalının ilk birkaç yıl boyunca ısıtılması gerekir.

Bu makale, mühendislerin hayatta kalmaları için gelişen temel fizik, yenilikçi malzemeler ve sistem düzeyinde mimarileri araştırıyor - ve işlev - yakın mükemmel bir ısı batağı.

Termal Kontrol Neden Inter star Missions için Make-or-Break Subsystem

Inter star probe üzerindeki ısı kontrolü sadece sıcaklık hakkında değildir. Görevin temel amacının hayatta kalmasıyla ilgilidir: ışık yılı boyunca veri toplama ve geri dönmeli.Her elektronik bileşen - uçuştan yukarı doğru parçalara kadar, yukarı ısıtılır ve başarısız olur.Eğer çok az ısınırsa, hareketsiz parçalar, yağdırır.

İç güneş sistemindeki misyonların aksine, yıldız probları güneş bataklığı veya yörüngeyi sıcak bir gezegen olarak kullanamazlar.Bir sıcaklık açısından Güneş'in yakınından birkaçına yakın bir sıcaklıkla daha az bir buzdolabıdır: Birincisi, enerji sistemlerinden (genellikle, 40 °C ve + °C arasında) bir ısıyı korumak için, birkaç saniyeye yakın bir yerden yukarı doğruya doğru bir şekilde sallayabilen dış sıcaklıklara rağmen, Güneş'in yakınından birkaç saniyeye kadar ısınmasına izin verir.

Inter star Space'de Heat Fiziği

Yıldız ısı kontrolü neden bu kadar talep edilen ısı geçişinin üç türüne kısa bir bakış gerektirir: iletim, konveksiyon ve radyasyon. Uzayda, konveksiyon yok (kücretsiz ısı veya sıvı taşımaz) iletkenlik süresine sahip değildir.

İkinci bir anahtar ilke, sıcaktan soğuka doğru akışların ısıtılmasıdır. Derin bir alanda, çevreler o kadar soğuk ki, ısıyı yüksek verimlilikte dağıtacak ısıyır. Bu, soğutma için iyidir, ancak en soğuk parçalar olmadan (aktif ısıtma olmadan, yüksek ısıtılmış çizgiler) kontrol edilen bir şekilde ısıtacaktır.

Tarihsel Dersler: Voyager ve Yeni Ufuklar Derin Uzay Soğuk

En başarılı uzun zamandır derin uzay araştırmaları için -Voyager 1 (şimdi 160'dan fazla AU) ve Yeni Ufuklar (özellikle 57 AU ve ötesinde) - aşırı mesafelerde ısı kontrolü için değerli bir öncekiler, radyolojik enerji sistemleri sadece elektrik değil, aynı zamanda ısıtılması gereken iki katına çıkar.In Voyager, üç RTGs, onlarca yıl boyunca yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Yeni Ufuklar benzer bir yaklaşımla kullandılar, ancak önemli yeniliklerle birlikte. tek RTG (Genel Amaç Heat Source ünitesi) Güneş'ten yaklaşık 240 W elektrik gücü ve yaklaşık 2500 W ısıyı korumak için kapalıydı. Bu görevler, ısı boruları ve pervanant tank ısıtıcısı ile bir araya geldi, yaklaşık 10-20°C'de Pluto'da bir araya geldi - ancak bu güç kaynağı yeterince sağlam olsa da.

Ancak gerçek yıldız probları için, güç tedariki çürümesi, 100 yıllık bir yolculuk için tasarlanmış bir araştırma, bu nedenle ısı pompası veya değişken ısı bağlantıları gibi daha verimli bir termal yönetime sahip olmalıdır. 50 yıl sonra, RTG, ilk termal gücünün sadece% 60-70'i koruyabilir.

Inter star Probes için Anahtar Isı Kontrol Teknolojileri

Yıldızlı problar için modern kavramlar – Breakthrough Starshot ışığı yelken, füzyon odaklı bir gemi veya daha geleneksel bir nükleer güçlendirici bir zanaat - mevcut teknolojiler üzerinde inşa etmek ama onları yeni sınırlara itmek. Aşağıdaki tablo, derin uzay için kullanılan ana donanıma ve yıldız mesafeler için nasıl evrimleşmeleri gerektiğini özetliyor.

• [FONT:0) Çok-Layer yalıtımı (MLI): [Dön uzay aracı için standart, MLI, yüksek termal direnç korurken ışıklı Mylar veya Kapton tabakalarından oluşur.
• [FONT=0] Radioisotope Rez Birimleri (RHUs) ve RTGs: ), RHUs, geleneksel RTG'lerden daha yüksek verimlilikle hem elektrik hem de ısıtılabilir. Avrupa Uzay Ajansı AMTEC (Alkali Metal Isı-Elektrikli Enerji Sistemleri) teknolojisi için de düşük enerjili dönüşüm vaat ediyor.
• [FONT:0]Heat Pipes ve Değişkenlik Isı Boruları (VCHP): ) Isı boruları, çalışma sıvısının faz değişikliğini kullanarak ısıtmalıdır (örneğin, amonyak veya su) VCHPs, hidrojen veya ne kadar soğuk kablolar kullanarak ısı iletkenliği keşfedebilir bir gaz borularının rezervuarını içerir.
• [FONT:0]Variable Emittance Kaplamalar ve Elektrokhromik Yüzeyler: [Dönetici louvers (bu, ele alabilecek parçalara sahip), gelişmiş kaplamalar, hem sıcak iç güneş sistemi aşamalarına hem de yakın bir uzayın yakınından geçerken, uzay koruma ve ısı koruma retımı arasında geçiş yapmak için uzay aracının geçişine izin veren çok sayıda yüzeysel olarak ayarlayabileceklerdir.
• [FONT:0] ⁇ Control Louvers:[Dönetici:[Dönetici:0) Geleneksel bimetallik veya balmumu-actuated louvers güvenilir ama ağır. Yıldız görevleri için, hafif form-memory alaşımı (Nitinol kullananlar gibi) daha az hareketli parçalarla pasif, başarısız güvenli bir operasyon sağlayabilir. Bunlar, iç sıcaklık azalırken, elektronik kontrol ihtiyacı olmadan.
• [FONT:0]Heat Pumps and Refrigeration Cycles:[Dönüşük sensör sıcaklıkları gerektiren görevler için [örneğin, kozmik arka plan için daha basit ama daha az etkili 10 K. Gelişmiş adiabatic demagnetizasyon buzdolabı (ADR) bir radyatörden pompalayabilir.
• [FONT:0)Phase Change Materials (PCMs): PCMs sıcak dönemler boyunca ısıyır ve J / g’lerin aralarına kadar ısıtılırken, PCM'ler manevralar sırasında ısıtılabilir veya güç kaynağındaki değişiklikler sırasındaki malzemelerden kaçınırlar.

Sistem Mimarisi: The Thermal Bus Approach

Rather than treating each component individually,Modern inter star probe konseptleri, uzay aracı boyunca neredeyse üniformalı bir sıcaklık tutar, çünkü Interstar arka planını birbirine bağlayan ısı boruları ve soğuk plakalar ağıdır (güç kaynağı, aviyonları, vericiler) büyük ısıtıcıları ile ilgilidir.Bus, uzay aracı boyunca neredeyse üniformalı bir sıcaklık tutarken, radyatör alanı derin alana ısıyı reddetmeli.

Akıllı bir tasarım kısmen geri çekilmek için bir dağıtılabilir radyatör kullanır. Güneş yakın zamanda erken görev aşamalarında, radyatör tamamen aşırı ısıyı bırakmak için açılır. Probe konsepti olarak, 50 yıl içinde 1000 AU'ya ulaşmak için önerilen bir görev.

Vaka Çalışması: The Breakthrough Starshot Light Sail

Bu küçük problar için ısı kontrolü (kırık < 10 gram) radikal olarak farklı olsa da, güç, 20 yıl boyunca elektriksel bir radyo kanalından veya lazerten gelene kadar ısınmış durumda. Aktif ısı yönetimi olmadan, lazerin binlerce Kelvin'e kadar ısınmış olacak.

Soruşturma altındaki çözümler şunlardır:

• Hız sırasında sıcaklık artışını önlemek için çipte gömülü bir faz değiştirme materyali kullanın.
• Arka tarafını düşük izinli materyalle birlikte, seyir aşamasında ısı kaybı en aza indirmek için kapatın.
• Ağojenik sıcaklıklarda çalışan elektronik tasarımı (örneğin, krio-CMOS veya süperconducting mantığı kullanarak) böylece çipin 4 K'ün üzerinde ısıtılması gerekmez.

Starshot'ın yaklaşımı, ısı kontrolünin her görevin ölçek ve güç profiline adapte olması gerektiği bir yıldız hatırlatmadır.Büyük bir yıldızlararası radyo (topraklar) aynı ilkeleri Voyager olarak kullanacak, ancak yükseltilmiş malzemelerle, mikroskobik bir yelken radikal miniaturizasyon gerektirir.

Malzemeler Yenilikçi: Uzun Süreli Stability Arama

Inter star probes, mevcut herhangi bir uzay görevinden 50 ila 100 yıl boyunca çalışmalıdır. Termal kontrol için kullanılan malzemeler kozmik ışınlardan bozulmaya, mikrometeoroidlerden ve elektrikli polimerlerin yavaş dışarı çıkmasını sağlar: Anahtar geliştirme alanları şunları içerir:

• [FONT:0) Yüksek hacimli MLI ile Zero-Outgassing Katmanları: [DFLT:1] Mevcut MLI, uzun süreli UV / oksijen altında yüksek çözünürlükte olan polibenzoxazole (PBO) veya poliether ether ketone (PEEK) daha yüksek radyasyon direnci sunar. Atom tabakaları ısıtılabilir (ALD) Polimer filmlerinde uzun süre oksijen plazma erozyonu engelleyebilir.
• [FONT=0] ⁇ ly Conductive Polimerler: Hafif nanokompozitler ile kompononlar ısıyı alüminyum olarak da yapabilirler, ancak daha düşük kütle ve daha fazla esneklik ile kullanılabilir.
• [FONT:0) Kendi kendine ait ısıtımı: Mikrometeoroid etkileri, yalıtım malzemelerinin ölçülmesidir. Araştırmacılar, etkisi ve mühür deliği olan sıvı dolu mikrokapılarla deneyerek, termal performansı korumakta ve yüzyılın boyu görevlerde paha biçilmez olabilir.
• [FONT:0) Yüksek performanslı Emitters:[Dönetici: 1 ) Bir yıldız probunun en soğuk kısımları için, radyatörler, düşük sıcaklıklarda bile kızılötesi radyasyonu verimli bir şekilde yaymalıdır.

Güç ve ısı: Symbiyotik İlişki

Herhangi bir uzay aracında, ısının bir güç nesli ürünüdür.Bir Inter star probe, bu sinerji kritiktir: güç sistemi uzay aracının hayatta kalmasını sağlamak için ısı sağlamalıdır, ancak aynı zamanda nükleer fision veya füzyon kullanarak radyo kanalları kullanmak zorunda değildir (Proje Daedalus veya Nükleer Elektrikli Propiyon aşamaları gibi), ısıtılması için ısıtılması için ısınır.

Radyoisotope gücünü kullanarak yapılan araştırmalar için, plutonium-238'in çürümesi, her iki güç ve ısı çıktının zamanla geri çekilmesi anlamına gelir. Mühendisler, RTG/ısıldımı hayata hazırlayacak şekilde başlatmaya karar vermelidir veya ısıtılmış tanklara güvenmek için veya görevdeki ayrı bir batarya / ısı sistemi daha erkenden tasarruf sağlar.

Hatalı Hoşgörü ve Red dışı

Inter star probes hizmet edilemez. Termal kontrol altsystems bu nedenle yüksek güvenilirlik ile tasarlanmalıdır, genellikle yazılımlar, sıcaklık sensörleri ve döngü ısı boruları gibi temel bileşenler çift veya üçlü dizeleri olabilir. Ancak reddantme bir miktar kütleyi kapatabilir. Bu ayrıntılı termal modelleme ve tahmin edilebilir bir yazılım önceden simülasyonu gerektiren bir şekilde tasarlanmıştır.

Bir umut verici yaklaşım, “termal yönlendirici” dahil etmektir - herhangi bir kaynaktan kontrol edilebilir ısı geçişlerini kullanarak herhangi bir kaynaktan ısıyı yönlendirebilecek bir valf tabanlı sistem (bu anahtarlar, genellikle gaz-gap teknolojisine dayanan), bazı bilimsel uydular üzerinde kullanılabilir ve derin bir alan için niteliklidir.

Sonuç: Soğuk Yol Yıldızlara

Yıldız probları için termal kontrol tasarlamak, her varsayımı yeniden düşünmek için mühendislere yönelik bir disiplindir. Dünya yörüngesi veya Mars misyonları için çalışan kurallar, yıldızlar arasındaki boşlukları kırarsa da, aynı zamanda sıcaklık, dördüncü ısı gücü, aynı zamanda NASA Inter star Probe ve Break gibi kavramsal çalışmalar mümkün olan en yüksek ısıtılabilir.

İlk yıldız probu muhtemelen radyoisotope sistemleri tarafından desteklenmeye devam edecek ve yıldızlararası keşif ağı ile donatılmış olacak , yıldızlara doğru hareket ederken, sıcak tutmanın mütevazı bilimi, bizi oraya götüren motorlar kadar hayati olacaktır. [DTVDDDDDDDDDDDDöneticileri], önümüzdeki yıl boyunca ısı geçişinin bir sonraki hızın nasıl çözmeyeceğini gösteriyor.