Uzayda İleriler Mikrofluidic Soğutma Kanalları Kullanıyor

Giriş Giriş Giriş

Uzaylı termal kontrol, uzay mühendisliğindeki en zorlu disiplinlerden biri olarak kalır. Uzayın vakumlarında çalışır, uzay aracı aşırı sıcaklık hızlarına katılmalıdır - 120°C ısıtılmış ısınmış ısınmış ısınmış bölgelerin derin soğuklarına kadar ısıtılır -200 °C aynı zamanda, yüksek enerjili yük sistemleri için daha da yetersizdir, ancak bunlar doğrudan ısıtılabilir ısı transferleri ve yüksek çözünürlükte bulunan ısıtılabilir.

Mikrofluidic Soğutma Kanallarının Temelleri

Mikrofluidic Kanallar Nedir?

Mikrofluidic kanalları, bu kanallarda karakteristik boyutlardaki boşluklarla tam olarak doldurulmuştur - yaklaşık orta havuzdaki insan saçlarında küçük hidrolik çapı sonuçları, ancak yüksek yüzey-bura-to-volume oranı (örneğin, 10.000 m2/m3) büyük ölçüde ısı geçişi ile ısı geçişi.

Heat Transfer Mechanisms

Mikrofluidic kanallarındaki ısı transferi tek fazlı zorlanmış konveksiyon (liquid soğutma) veya iki fazlı kaynatma (önemli soğutma) ile daha basit ve daha öngörülebilir; yüksek ısı kapasitesine sahip olabilirler (en az sıcaklık gradyan, su, amonyak veya dielektrik sıvıları) ve kanal boyunca sıcaklık artışı sağlar. İki-fazlı soğutma buharlaşmanın geç ısıtılması, çok daha yüksek ısı fluxes sağlar - genellikle 100 W / cm2'yi aşıyorlar - en az sıcaklık gradyanları ile.

Spacecraft Structures ile entegrasyon

Mikrofluidic soğutmanın gerçek gücü, uzaysalın kendi başına integral bir parçası olma yeteneğinde yatıyor. Kanallar doğrudan alüminyum veya kompozit yüz katlarını sandviç paneller ile kapatabilir, tüm yapıyı bir ısı yayıcısı içine dönüştürür.Bu, ayrı soğuk plakalar veya ısı boruları için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırır, hem de kütle hem de hacimsel bir araya getirir. Gelişmiş bağlar, difüzyon kaynağı veya yapıştırıcısı gibi, kanal ağı önemli termal direnişi tanıtmadan bile alıkoyur.

Sözleşmesel Termal Kontrol Sistemleri Üzerindeki Avantajları

Heat Pipes ile Karşılaştırma

Heat boruları pasif ısı taşıma için çok yaygın olarak kullanılıyor, ancak temel kısıtlamalara sahiptir.Onlar kuru temizlemeden önce kapiller eylemlerine güveniyorlar, onları yönlendirmeye veya elektrokintik etkiler sırasında, daha uzun mesafelere ısıtabiliyorlar ve genellikle birkaç metreye kadar ısı geçişi yapabilirler. Ayrıca, yüzeyde daha fazla üniformalı ısı dağılımını da sağlayabilirler.

Pumped Akışkanlar ile Karşılaştırma

Konvansiyonel pompalanmış sıvı döngüler (PFLs) borular, valfler, pompalar ve radyatörler. Onlar ağır, kabarık ve mekanik ortaklarda sızıntıya eğilimlidir. pompa ve cumulator tek noktalı mikropiyonlar ekliyor ve sıvı bir şekilde akış geçişlerini yapıya entegre ederek sıvı miktarı ve boru hatları büyük ölçüde azaltır.

Pasif Rolexs ile kıyaslama

Sabit radyatörler, ısıyı derin alana reddetmede etkilidir, ancak büyük yüzey alanları gerektirir ve genellikle güneşten uzak durmalı ve ağırlıkları uzay aracı tasarımında ciddi kısıtlamalar getirebilir. Mikrofluidic soğutma daha küçük, daha etkili bir radyatöre konsantre olabilir - veya tüm uzay aracı derisinden ısıtılarak özel radyatörleri ortadan kaldırır.

Anahtar Avantaj Özeti

Malzemeler ve Üretim Yenilikçileri

Malzeme Seçimi

Mikrofluidic yapısı için malzeme seçimi, termal iletkenliğe, soğuk iletkenliğe sahip uyumlu (~150 W/m·K) ile uyumlu ve yüksek çözünürlükte alüminyum alaşımları için standarttır (6061, 60) ve yüksek ısı iletkenliği (~150 W/m·K) ile daha yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (örneğin, alüminyum alaşımlar için daha yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılır.

Üretim Teknikleri

Etching ve Lithography

Silikon ve cam substratlar için, derin reaktif iyon etching (DRIE) dikey duvarlı kanallarda yüksek yönlü oranlarda (20:1'e kadar) ısıtılır (piyonel 100 mm çapındaki boşluklar ile kanal kalıbı tanımlar).

Katkı İmalatı (3D Baskı)

Metal katkı üretimi - özellikle de lazer toz yatak füzyon (LPBF) alüminyum veya titanyum alaşımların - yapısal panellere doğrudan yapılışabilmesini sağlar. Örneğin, üç boyutlu kanal ağları ), geleneksel makine ile üretim yapmak için imkansız.Mantıklar, üst bölümlerle, üst bölümlerle birlikte, çok sayıda kablolama kanalıyla doğrudan inşa edilebilir.

Lazer işleme ve Bonding

Lazer mikromachining (geçmiş veya nanosaniyeli pullar) metallerde, seramiklerde ve polimerlerde, yakın-zero termal hasarlarla birlikte kanal substratları oluşturmak için özellikle yararlıdır. Bu, küçük topluları veya önceden monte edilen yapıların kanalları oluşturmak için yararlıdır. Diffüzyon bağlantı parçaları iç kanalları ile monolithic paneller üretebilir.

Kendi kendine özgü malzemeler ve Gelişmiş Kaplamalar

En heyecan verici araştırma sınırlarından biri, kanal duvarlarında gömülüdür.Bir mikrofluidik kanal). Bu konsept, manuel onarımın imkansız olduğu uzun süredir kritiktir.

Extreme Environments'te ısı yönetimi

Vakum ve Radyasyon Etkileri

Uzayın vakumunda, çevreye uygun ısı geçişi yok, bu yüzden tüm atık ısısı sonuçta radyasyon tarafından reddedilmelidir. Mikrofluidik kanalları doğrudan yayılmıyor, ancak elektronikten radiating yüzeylere kadar ısı taşımak için verimli bir şekilde yapılmalıdır; kanallar kendi başına 10-9 altında olmalıdır.

Mikrogravity

İki fazlı mikrofluidic soğutma mikrogravity'de daha karmaşık hale gelir. Buoyancy-güdümlü balon dekolmanı yok; balonlar, boru kanallarını engelleyebilir ve uzun sürmüşler için bu, birkaç teknik soruşturma altında: Kanal yüzeysel olarak şarj edilebilirliği, onları dönen cihazlardan uzaklaştırma, veya elektrikli alanların balonları manipüle etme eğilimi gösterir (örneğin, tek fazlı sistemler için).

Sıcaklık Aralığı ve Coolant Selection

Uzaylı termal kontrol çok geniş sıcaklık aralıkları için. orta sıcaklıklar (180C'ye 100°C'ye kadar), su bazlı soğutucular etkili ama soğuk koruma gerektirir - genellikle yüksek sıcaklık uygulamaları (örneğin, su-ammonia karışımları, solar probları), galyum veya pompalanmış döngüler (NaK) gibi ortak bir çalışma sıvısı, yüksek çözünürlükte ve yüksek frekanslı yüzeylerde yüksek ısıtılır.

Vaka Çalışmaları ve Güncel Uygulamalar

NASA'nın Yüksek Güç Elektronik Soğutması

NASA'nın Uzay Teknolojisi Misyonu (STMD), uydularda enerji elektronikleri için mikrofluidik soğutma konusunda birkaç proje finanse etti. Önemli bir örnek, bir sonraki nesil 100V/200A güç dönüştürücüleri için entegre bir mikrofluidic soğuk plakanın gelişimidir. Sistem, 500 μm kanalı ve tek fazlı bir dielektrikli (HFE-7200) zemin testlerinde, soğuk plakanın 2 cm2'lik bir kavim sıcaklığı artışı ile birlikte, bir iki aşamalı ısıtımı test etti.

ESA'nın Küçük Uydular için Mikrofluidic Termal Kontrolü

Avrupa Uzay Ajansı (ESA), CubeSats ve küçük uydular için mikrofloredik soğutmayı araştırma programları vardır. "Mikrofluidic Thermal Management for CubeSats" inisiyatifinde, ESA küçük bir pastazoelektrik pompasıyla beslenen bir panelin paralel mikro kanallarını değerlendirdi. Sistem, pasif ısı batmasına kıyasla% 10 W verici bir ısı pompasının ısınmasına kıyasla% 0.5 azaltımı gösterdi.

JPL'nin Mars Rovers için Mikrofluidic Soğutma

NASA'nın Jet Propulsion Laboratory (JPL), Mars'taki misyon-kritik elektronik ve piller için mikrofluidic soğutmayı araştırmıştır. Mars'ta çevre soğuk Mart geceleri ve toz yüklemesi sırasında hem yüksek ısı geçişi sunar. JPL, henüz yük toplamadığı mikrofluidic ısı değiştiriciyi geliştirdi, ancak ısı kesici bir şekilde testlerde bulundu.[4]

Uydu Üreticileri Tarafından Ticari Satın Al

UzayX[DÜT:0) gibi özel şirketler, SpaceX'in Yıldız Bağlantılarının fazlı antenler ve gömülü kanallardan oluşan bir kombinasyon kullandığını gösteriyor[Döneticileri ve altmış bilgisayarları).Indüksiyonlar, uydu gözlem şirketi, termal kontrol geliştirmelerinin genellikle Starlink'in Wlock'un LCD TV'leri üzerindeki başarılarının anahtarı olduğunu bildirdi.

Future Yol ve Challenges

Kendini Kendini -Healing ve Adaptive Systems

Gelecek derin uzay görevleri, Mars'a bir mürettebat yolculuğu gibi, bir baskı düşüşü olmadan yıllarca hayatta kalabilen termal kontrol sistemleri gerektirecektir.Demokrat mikrofluidic kanalları, daha önce belirtildiği gibi, aktif gelişimde araştırmacılar, Illinois Üniversitesi'nde başarısız bir kanal segmenti ve geri yükleme ağı ile yeniden yüklenen bir kanal segmenti kanıtlamaktadır.

On-Board İzleme ve AI ile entegrasyon

Akıllı mikrofluidic sistemler minyatür akış sensörleri ([Dönetici:0) Küçük akış sensörleri) ve yapay zekaya (AI) kontrolörleri kullanan sıcaklık dizileri, AI'nın ısıl yükleri tahmin edebilir ve pompa hızını veya serin akış dağıtımını minimum enerji tüketiminde optimize etmek için optimize eder.Bu adaptive akış sensörleri ).

Overcome için meydan okumalar

Uzun Süreli Vizyon: Hibrit Termal Mimarlık

Tek teknoloji tüm uzaysal meydan okumaları çözmeyecektir. Gelecekte, mikrofluidic kanalları ısı boruları ile birleştirir, faz değişikliği malzemeleri (PCMs), ve yüksek çözünürlükli silikon kanallarını kullanarak ısı pompasını kullanarak bir PCM bankasını kullanabilir, mikrofluidic kanalların ısıyı elektronikten PCM'ye kadar yaydığı ısı geçişi için ısı geçişi konseptini içerir. Örneğin, mikrofluidic soğutma, yüksek çözünürlükte silikon kanallarını kullanarak yüksek çözünürlükte bir ısı taşımayı sağlayabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mikrofluidic soğutma kanalları, uzayın aşırı üretimde bir paradigma değişikliğini temsil eder ve akıllı izleme bu teknolojinin olgunluğunu hızlandırırken, mühendisler nadiren iki fazlı akış yönetimi ve üretim ölçeklendirmesi elde edebilir - yörünge açık olacaktır: elektriksel kontroldeki mikrofluidic işlem standart hale gelecektir, gelecekteki malzemeler, daha uzun süreler ve akıllı izlemeler, daha yüksek bir güvenilirlik ile daha uzun süreler.

[0]Daha fazla okuma için, NASA'nın gelişmiş termal kontrol teknolojileri hakkında son genel bakışını gör: [DüzDÜDÜDÜSTRİYE - Termal Yönetim) ve Uygulamalı Termal Mühendisliğinde kapsamlı bir araştırma makalesi: [[Dönetici Mikro Kanal Soğutma[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.