Uzaylı Sistemlerde Sıvı Metal Isı Transferi Akışkanlarının Kullanımı

Uzaycraft'daki Termal Yönetimin Eleştirel Rolü

Uzay sanatı, dünyanın koruyucu atmosferi dışında, bir uydu veya derin uzaysal araştırma, gölgedeki mutlak sıfıra yakın olarak, aynı zamanda, gemi elektronik, tahrik sistemleri ve güç nesli ekipmanlarının başarısız olmasını engellemek için kaldırıldığı ısıtılabilir.

Sıvı metal ısı transfer sıvıları, geniş bir sıcaklık aralığında sıvı bir durumda olan metalik maddeler mühendisidir ve geleneksel serinlerden daha yüksek olan ısı iletkenlikleri siparişlerini sunar. Bu makale, bu sıvıların arkasındaki bilimi araştırıyor, onların avantajları, mevcut ve gelecekteki uygulamaları uzay ışık donanımlarının standart bir bölümünü yapmak için üstesinden gelmek zorunda olan zorluklar.

Sıvı Metal Isı Transferi Akışkanları Nedir?

Sistemin işletim sıcaklığında sıvı metal ısı transfer sıvısı metalik bir alaşım veya saf metaldir, bu da ısı geçişi öncelikle lattice vibrasyonları (fonlar), sıvı metaller de elektronların serbest hareketinden faydalanır, 20-30 W/m·K'yı aşabilir ısıtabilir.

Uzaylı için en yaygın olarak kabul edilen sıvı metaller şunlardır:

Hangi sıvı metalin kullanılması gereken seçim, belirli sıcaklık aralığına, kimyasal uyumluluk malzeme, radyasyon toleransı ve görevin güvenlik kısıtlamalarına bağlıdır.

Neden Sıvı Metaller Uzaylı için Üstün

Eşleştirmeli Termal Davranış

Örneğin, galyum termal iletkenliği genellikle sadece 0.6 W /m·K'nın başına gelen sıvı metal soğutma döngüsü, daha küçük bir ısı değişimi veya daha düşük bir akış oranı ile aynı miktarda ısıyı kaldırabileceği anlamına gelir - 50 °C'de 50 °C'de, su tasarımında en değerli iki kaynak.

Extreme İşletim Sıcaklık Aralığı

Uzaylı uzayın ısıtılması, sıvıyı derin bir yerden üşütme ısısına kadar olan sıvıları 0 °C'de dondurur ve 100 °C'de kaynarlar - çok dar bir bant. Ammonya, birçok ısı borularında kullanılırken, pudra şekeri içeren yüksek bir basınç vardır - -77 °C'nin aksine, hidroksit hacminin 9 °C'den fazla uzamasını engelleyebilir.

Low Vapor Basınç

Çoğu sıvı metaller, ameliyat sıcaklıklarında son derece düşük buhar basıncına sahiptir. Bu, yüksek buhar basıncı ile herhangi bir sıvının kaybolacağı, cavitate veya sadece boşluklara buharlı bir şekilde atfedilebilir. Low Buhar basıncı da hassas optik veya bilimsel aletler için kirliliği azaltılabilir.

Yüksek Elektrik Davranışı ve Manyetik Pompalama Potansiyel

Sıvı metaller elektriksel olarak hareket eder. Bu, elektriksel olarak hareket eden mekanik pompalar olmadan dolaşıma girmelerini sağlar, manyetik alan ve elektrik akımına başvurarak metali itebilir ve sıvı pompalama yöntemine yatkındır.

Uzaylı Sistemlerde Uygulamaları

Termal Kontrol Sistemleri (TCS)

Uzaylı metallerin en yaygın kullanımı aktif termal kontrol sistemlerindedir. Tipik bir kurulumda, sıvı metalin ısı iletken elektronik (işlemciler, güç yükselteçleri, bataryalar) ve sonra yüksek ısı transfer katını reddeden bir radyatör paneli aracılığıyla, sıvı metal sıcak noktalar yaratarak büyük ısı fluxes'i kabul edebilir, ki hassas bileşenleri koruyan.

Örneğin, NASA'nın [[0)Juno[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ] uzay aracı, yüksek enerji atıkları için yüksek miktarda sıvı atık ısıtılması için bir döngü kullanıyor, ancak bir sonraki nesil görevleri çok kompakt bir paket için kaldırılmalıdır.

Heat Pipes and Loop Heat Pipes

Birçok uzay aracı, termal kontrol için pasif ısı borularına güveniyor. Geleneksel ısı boruları, su, amonyak veya propylene çalışan sıvı metallerin yüksek sıcaklık ısı borularında (sodium, potasyum, lityum) yer alan nükleer reaktörler gibi uygulamalar için kullanılabilir. Örneğin, 600-800 °C'de çalışan bir ısı boru hattı, sadece birkaç derece yüksek çözünürlükte bir ısı transferleri ile birkaç metreye kadar ısı transfer edilebilir.

Nükleer Termal Proksiyon (NTP)

Sıvı metaller ileri tahrik konseptleri için gereklidir. Nükleer bir termal roketde, nükleer reaktör ısıları hidrojen yakıtını aşırı sıcaklıklara (2.500-3,000 K) itmek için reaktör çekirdeğinin kendisi, sabit devlet operasyonu sırasında serinlenmelidir ve kapanmadan sonra sıvı metaller:0)) ısıyı kaldırabilir, ayrıca sıvı metal ısı değiştiricileri kullanır.

Elektrikli Taht Sistemleri

Yüksek güç elektrik itkileri (Hall effect pushers, magnetoplazamamdynamic iter) onlarca ila yüzlerce kilovat elektrik güç gerektirir. Güç işleme birimleri ve itki kendisi, yüksek enerji tasarrufu için tasarlanmış bir ısı yaratırlar, çünkü elektrik tahrikli görevler için yüksek ısı fluxes'i yoğun elektronikten idare edebilir.

Piller ve Enerji Depolama

Uzaylı piller şarj ve deşarj döngüleri sırasında önemli ısı yaratır, özellikle yüksek kapasiteli bir lityum-iyon paketleri. Sıvı metal termal yönetim, batarya sıcaklıklarını dar bir aralıkta, genişletilmiş döngü ömrü içinde koruyabilir ve termal runaway'i engeller. Bazı kavramlar sıvı metali hem de yeni akış piller için bir elektrot materyali olarak kullanmayı önerir, ancak bu durum deneysel olarak kalır.

Meydanlar ve Mühendislik Hurdles

Korozyon ve Malzeme Uyumluluk

Sıvı metaller son derece koreatif olabilir, özellikle yüksek sıcaklıklarda. Gallium, örneğin, ışık ve silikon gibi kolayca saldırılar - alüminyum, pirinç ve hatta paslanmaz çelik ciddi şekilde hasar görebilir.) (örneğin, titanyum, molybden, tantalum veya seramikler gibi) veya bir soğutma makinesi gibi maddeler gibi.

Elektriksel Zemin ve Stray Currents

Çünkü sıvı metaller elektriksel olarak hareket eder, hassas elektroniklere müdahale eden elektrik yolları oluşturabilirler. galvanic korozyon ve sinyal müdahalesini önlemek için kısa bir devre olarak hareket edebilir.

Freeze Önleme ve Başlangıç

Sıvı metaller geniş sıvı aralıklara sahip olsa da, uzay aracı bir tutulmasına veya reaktör kapatılsa metalleri katılaştırmaya neden olabilir (bazı metaller dondurucuya doğru genişletilebilir), potansiyel olarak borular ile tasarlanmalıdır. Systems must be designed with ısıtıcıs, don-tolerant swaged connections, or the ability to melt and sıvı devletler arasındaki ısı bisikleti de mekanik yorgunluka neden olabilir.

Zehir ve Güvenlik

Merkür, nöronoksisitesi ve sodyum ve NaK, su ve hava ile şiddetli tepki verir, ancak cilt tahrişine neden olabilir ve eğer enjektese de tehlikelidir.

Bizden Ayrılma ve Ayırma Prosedürleri

Sıvı metaller genellikle boruların yüzeylerini ısıtılmışlamıyor, zayıf termal temasa veya akış blokajına yol açıyor. Örneğin, galyumun yüzey gerilimi yaklaşık 720 mN /m - sudan daha yüksek - bu sıvıdan ayrı gaz balonlarına yardımcı olabilir.

Devam Eden Araştırma ve Gelecek Yolları

Gelişmiş Alaşım Geliştirme

Araştırmacılar, termal performansı, korozyon direnci ve güvenliği dengelemek için yeni düşük seviyeli alaşımlar yaratıyorlar. Örneğin, bir galium-tin-zinc alaşımı mevcut ısı tasarımlarında kullanılan amony gibi alüminyuma karşı daha az agresifken, mevcut ısı tasarımları için “kırıklama” bir değiştirme noktası geliştirmek için inceleniyor.

Entegre Termal Yönetim Sistemleri

Bir sonraki mantıksal adım, sıvı metal soğutmayı yapısal elementlerle birleştirir.A konsepti şöyledir:0)ESA, paraboğaz uçuşunda küçük ölçekli bir gösterici kullanır ve kısa sürede Uluslararası Uzay İstasyonunda bir görüntü test edilebilir.

Two-Phase Liquid Metal Soğutma

Sadece geleneksel serinler geç ısıyı kaybederek kullanabilirler, sıvı metaller de faz değişikliğine girebilir. İki-fazlı ısı boruları zaten nükleer reaktörlerde kullanılır, ancak iki fazlı galyum döngüsü kullanarak son derece yüksek ısı flux büyük kabiliyetlerini sağlayabilir ( 1 kW/cm2) lazer diyotları veya radar sistemleri için. Bu teknoloji askeri ve derin uzay uygulamaları için araştırılır.

Uzun Süreli Yaşam Testi

Sıvı metaller kritik görevlerde uçabiliyor, yıllar veya on yıllar boyunca güvenilirlik göstermeleri gerekir. NASA'nın Glenn Research Center, ESA'nın ESTEC ve çeşitli üniversiteler, galium döngüleri, ölçümleme oranları, pompa bozulması ve termal performans bozulmaları hakkında uzun süredir çalışan bazı döngüler ile umut vericidir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sıvı metal ısı transfer sıvıları uzay aracı termal yönetimde bir paradigma değişikliğini temsil eder. Olağanüstü termal iletkenlik, geniş işletim sıcaklık aralığı, düşük buhar basıncı ve MHD pompalanması ile uyumlu, onları eşsiz bir şekilde uzayın aşırı taleplerine uygun hale getirir.

Görevler daha hırslı hale gelir - Ay'a geri dönerken, Mars'ta kalıcı bir varlık inşa eder ve sonunda uzaysal gezegenlere uzay aracı gönderir - verimli, kompakt ve güvenilir termal sistemler için ihtiyaç vardır. Tüm sistemlerin soğuk bir rol oynaması için hazırlanmaktadır.Bir sonraki sefer bir roket veya derin bir uzaydan gelen bir teleskopun uzak bir dünyaya doğru yayılması, bu iyi bir metal akımının sadece ısıtılması, yumuşak bir elektrik akımının ısınmasını sağlar.