Тепловой контроль космического корабля - Spacecraft thermal control

Зонт MESSENGER, орбитального аппарата планеты Меркурий

В космический корабль дизайн, функция система терморегулирования (TCS) заключается в поддержании всех систем компонентов космического корабля в приемлемых диапазонах температур на всех этапах полета. Он должен справляться с внешней средой, которая может варьироваться в широких пределах, поскольку космический корабль подвергается воздействию глубокого космоса или солнечного или планетарного потока, а также с отводом в космос внутреннего тепла, генерируемого работой самого космического корабля.

Температурный контроль необходим для обеспечения оптимальной производительности и успеха миссии, потому что, если компонент подвергается воздействию слишком высоких или слишком низких температур, он может быть поврежден или может серьезно пострадать его производительность. Температурный контроль также необходим для поддержания определенных компонентов (таких как оптические датчики, атомные часы и т. Д.) В пределах заданных требований к стабильности температуры, чтобы гарантировать, что они работают максимально эффективно.

Активные или пассивные системы

Подсистема терморегулирования может состоять как из пассивных, так и из активных элементов и работает двумя способами:

  • Защищает оборудование от перегрева либо за счет теплоизоляции от внешних тепловых потоков (таких как Солнце или планетарный инфракрасный и альбедный поток), либо за счет надлежащего отвода тепла от внутренних источников (таких как тепло, излучаемое внутренним электронным оборудованием).
  • Защищает оборудование от слишком низких температур за счет теплоизоляции от внешних раковин, за счет повышенного поглощения тепла от внешних источников или за счет тепловыделения от внутренних источников.

Пассивная система терморегулирования (PTCS) компоненты включают:

  • Многослойная изоляция (MLI), которая защищает космический корабль от чрезмерного солнечного или планетарного нагрева, а также от чрезмерного охлаждения при воздействии на дальний космос.
  • Покрытия, изменяющие термооптические свойства внешних поверхностей.
  • Тепловые наполнители для улучшения тепловой связи на выбранных интерфейсах (например, на тепловом пути между электронным блоком и его радиатором).
  • Термошайбы для уменьшения теплового взаимодействия на выбранных поверхностях раздела.
  • Тепловые удвоители для распределения по поверхности радиатора тепла, рассеиваемого оборудованием.
  • Зеркала (вторичные поверхностные зеркала, SSM или оптические солнечные отражатели, OSR) для улучшения способности отвода тепла от внешних излучателей и в то же время для уменьшения поглощения внешних солнечных потоков.
  • Установки радиоизотопного обогревателя (RHU), используется некоторыми планетными и исследовательскими миссиями для производства тепла для целей TCS.

Система активного терморегулирования (УВД) компоненты включают:

  • Резистивные электрические нагреватели с термостатическим управлением для поддержания температуры оборудования выше ее нижнего предела во время холодных фаз миссии.
  • Гидравлические контуры для передачи тепла, выделяемого оборудованием, к радиаторам. Они могут быть:
  • Жалюзи (которые изменяют способность отвода тепла в космос в зависимости от температуры).
  • Термоэлектрические охладители.

Системы терморегулирования

Parker Solar Probe в тепловых испытаниях
  • Взаимодействие с окружающей средой
    • Включает взаимодействие внешних поверхностей космического корабля с окружающей средой. Либо поверхности необходимо защитить от окружающей среды, либо необходимо улучшить взаимодействие. Двумя основными целями взаимодействия с окружающей средой являются уменьшение или увеличение поглощаемых потоков окружающей среды и уменьшение или увеличение потерь тепла в окружающую среду.
  • Сбор тепла
    • Включает отвод рассеянного тепла от оборудования, в котором оно создается, во избежание нежелательного повышения температуры космического корабля.
  • Тепловой транспорт
    • Отводит тепло от места его создания к излучающему устройству.
  • Теплоотдача
    • Собираемое и переносимое тепло при соответствующей температуре должно отводиться к радиатору, которым обычно является окружающее пространство. Температура отклонения зависит от количества выделяемого тепла, контролируемой температуры и температуры окружающей среды, в которую устройство излучает тепло.
  • Обеспечение и хранение тепла.
    • Это необходимо для поддержания желаемого уровня температуры, при котором необходимо обеспечить тепло и предусмотреть подходящую способность аккумулировать тепло.

Окружающая среда

Для космического корабля основными взаимодействиями с окружающей средой являются энергия, исходящая от Солнца, и тепло, излучаемое в дальний космос. Другие параметры также влияют на конструкцию системы терморегулирования, такую ​​как высота космического корабля, орбита, стабилизация ориентации и форма космического корабля. Различные типы орбит, такие как низкая околоземная орбита и геостационарная орбита, также влияют на конструкцию системы терморегулирования.

  • Низкая околоземная орбита (НОО)
    • Эта орбита часто используется космическими аппаратами, которые контролируют или измеряют характеристики Земли и окружающей ее среды, а также беспилотными и пилотируемыми космическими лабораториями, такими как EURECA и Международная космическая станция. Близость орбиты к Земле оказывает большое влияние на потребности системы терморегулирования, при этом инфракрасное излучение и альбедо Земли играют очень важную роль, а также относительно короткий орбитальный период, менее 2 часов, и большая продолжительность затмения. Небольшие инструменты или дополнительные устройства космических аппаратов, такие как солнечные панели с низкой тепловой инерцией, могут серьезно пострадать от этой непрерывно изменяющейся среды и могут потребовать очень конкретных решений по тепловому расчету.
  • Геостационарная орбита (GEO)
    • На этой 24-часовой орбите влияние Земли практически незначительно, за исключением затенения во время затмений, продолжительность которого может варьироваться от нуля во время солнцестояния до максимум 1,2 часа в день равноденствия. Длительные затмения влияют на конструкцию систем изоляции и обогрева космического корабля. Сезонные колебания направления и интенсивности солнечного излучения имеют большое влияние на конструкцию, усложняя перенос тепла из-за необходимости передавать большую часть рассеиваемого тепла к радиатору в тени, а системы отвода тепла через увеличенный радиатор площадь нужна. Почти все телекоммуникационные и многие метеорологические спутники находятся на этой орбите.
  • Высокоэксцентрические орбиты (HEO)
    • Эти орбиты могут иметь широкий диапазон высот апогея и перигея в зависимости от конкретной миссии. Как правило, они используются для астрономических обсерваторий, и требования к конструкции TCS зависят от орбитального периода космического корабля, количества и продолжительности затмений, относительного положения Земли, Солнца и космического корабля, типа приборов на борту и их индивидуальных требований к температуре.
  • Глубокий космос и исследование планет
    • Межпланетная траектория подвергает космический аппарат воздействию широкого диапазона тепловых сред, более суровых, чем те, которые встречаются на орбитах Земли. Межпланетная миссия включает множество различных подсценариев в зависимости от конкретного небесного тела. В целом, общие черты - это длительная продолжительность миссии и необходимость справляться с экстремальными тепловыми условиями, такими как круизы либо близко к Солнцу, либо далеко от него (от 1 до 4–5 а.е.), низкоорбитальные, очень холодные или очень низкие температуры. горячие небесные тела, спуски через враждебные атмосферы и выживание в экстремальных (пыльных, ледяных) средах на поверхностях посещенных тел. Задача TCS состоит в том, чтобы обеспечить достаточную способность отвода тепла во время горячих фаз работы и при этом выжить в холодных неактивных фазах. Основной проблемой часто является обеспечение энергией, необходимой для этой фазы выживания.

Требования к температуре

Требования к температуре приборов и оборудования на борту являются основными факторами при проектировании системы терморегулирования. Цель TCS - поддерживать работу всех инструментов в допустимом диапазоне температур. Все электронные приборы на борту космического корабля, такие как камеры, устройства сбора данных, батареи и т. Д., Имеют фиксированный диапазон рабочих температур. Поддержание этих инструментов в оптимальном рабочем диапазоне температур имеет решающее значение для каждой миссии. Некоторые примеры диапазонов температур включают

  • Аккумуляторы, которые имеют очень узкий рабочий диапазон, обычно от -5 до 20 ° C.
  • Компоненты силовой установки, которые имеют типичный диапазон от 5 до 40 ° C по соображениям безопасности, однако допустим и более широкий диапазон.
  • Камеры с диапазоном температур от -30 до 40 ° C.
  • Солнечные батареи, которые имеют широкий рабочий диапазон от -150 до 100 ° C.
  • Инфракрасные спектрометры, работающие в диапазоне от -40 до 60 ° C.

Современные технологии

Покрытие

Покрытие - самый простой и наименее затратный из методов TCS. Покрытие может быть краской или более сложным химическим веществом, нанесенным на поверхности космического корабля для снижения или увеличения теплопередачи. Характеристики типа покрытия зависят от их поглощающей способности, излучательной способности, прозрачности и отражательной способности. Главный недостаток покрытия заключается в том, что оно быстро разрушается из-за условий эксплуатации.

Многослойная изоляция (MLI)

Многослойная изоляция (MLI) - наиболее распространенный элемент пассивного терморегулирования, используемый на космических кораблях. MLI предотвращает как потери тепла в окружающую среду, так и чрезмерное нагревание от окружающей среды. Компоненты космического корабля, такие как топливные баки, топливопроводы, батареи и твердотопливные ракетные двигатели, также покрыты защитными пленками MLI для поддержания идеальной рабочей температуры. MLI состоит из внешнего покровного слоя, внутреннего слоя и внутреннего покровного слоя. Внешний покровный слой должен быть непрозрачным для солнечного света, генерировать небольшое количество твердых частиц и быть способным выжить в окружающей среде и температуре, которым будет подвергаться космический корабль. Некоторые распространенные материалы, используемые для внешнего слоя, представляют собой тканую ткань из стекловолокна, пропитанную PTFE Тефлон, ПВФ усиленный Номекс скреплен полиэфирным клеем, и FEP Тефлон. Общее требование к внутреннему слою заключается в том, что он должен иметь низкий коэффициент излучения. Наиболее часто используемый материал для этого слоя - Майлар алюминированный с одной или двух сторон. Внутренние слои обычно тонкие по сравнению с внешним слоем для экономии веса и перфорированы, чтобы способствовать выпуску захваченного воздуха во время запуска. Внутренняя крышка обращена к оборудованию космического корабля и используется для защиты тонких внутренних слоев. Внутренние крышки часто не покрываются алюминием для предотвращения коротких замыканий. Некоторые материалы, используемые для внутренних крышек: Дакрон и сетки Nomex. Майлар не используется из-за проблем с воспламеняемостью. Одеяла MLI - важный элемент системы терморегулирования.

Жалюзи

Жалюзи - это активные элементы терморегулирования, которые используются во многих различных формах. Чаще всего их размещают над внешними радиаторами, жалюзи также могут использоваться для управления теплопередачей между внутренними поверхностями космического корабля или размещаться в отверстиях в стенках космического корабля. Жалюзи в полностью открытом состоянии могут отводить в шесть раз больше тепла, чем в полностью закрытом состоянии, при этом для их работы не требуется никакой энергии. Наиболее часто используемые жалюзи - это биметаллические, подпружиненные жалюзи с прямоугольными лопастями, также известные как жалюзи. Растровый радиатор в сборе состоит из пяти основных элементов: базовая платы, лопатки, исполнительные механизмы, чувствительные элементы и элементы конструкции.

Обогреватели

Нагреватели используются в конструкции с терморегулятором для защиты компонентов в холодных условиях окружающей среды или для компенсации неизвлекаемого тепла. Нагреватели используются с термостатами или твердотельными контроллерами, чтобы обеспечить точный контроль температуры конкретного компонента. Еще одно распространенное использование нагревателей - прогрев компонентов до минимальных рабочих температур перед их включением.

  • Наиболее распространенным типом нагревателя, используемого на космических кораблях, является патч-нагреватель, который состоит из элемента электрического сопротивления, зажатого между двумя листами гибкого электроизоляционного материала, такого как Каптон. Патч-нагреватель может содержать одну или несколько цепей, в зависимости от того, требуется ли в нем резервирование.
  • Другой тип обогревателя, патронный нагреватель, часто используется для нагрева блоков материала или высокотемпературных компонентов, таких как пропелленты. Этот нагреватель состоит из спирального резистора, заключенного в цилиндрический металлический корпус. Обычно в нагреваемом компоненте просверливается отверстие, и картридж заливается в это отверстие. Картриджные нагреватели обычно имеют диаметр менее четверти дюйма и длину до нескольких дюймов.
  • Другой тип нагревателя, используемый на космических кораблях, - это блоки радиоизотопного нагревателя, также известные как RHU. RHU используются для путешествий к внешним планетам мимо Юпитера из-за очень низкой солнечной яркости, что значительно снижает мощность, вырабатываемую солнечными панелями. Эти обогреватели не требуют электроэнергии от космического корабля и обеспечивают прямой нагрев там, где это необходимо. В центре каждого RHU находится радиоактивный материал, который распадается, выделяя тепло. Наиболее часто используемый материал - это диоксид плутония. Один RHU весит всего 42 грамма и может поместиться в цилиндрический корпус диаметром 26 мм и длиной 32 мм. Каждый блок также выделяет 1 Вт тепла при герметизации, однако скорость тепловыделения со временем уменьшается. Всего было использовано 117 RHU на Кассини миссия.

Радиаторы

Панели и радиаторы (белые квадратные панели) на МКС после СТС-120

Избыточное отходящее тепло, создаваемое космическим кораблем, отводится в космос с помощью радиаторов. Радиаторы бывают нескольких различных форм, таких как структурные панели космического корабля, плоские радиаторы, установленные сбоку космического корабля, и панели, развертываемые после того, как космический корабль выйдет на орбиту. Независимо от конфигурации, все радиаторы отводят тепло инфракрасным (ИК) излучением от своих поверхностей. Мощность излучения зависит от коэффициента излучения и температуры поверхности. Радиатор должен отводить как отходящее тепло космического корабля, так и любые тепловые нагрузки из окружающей среды. Поэтому поверхность большинства радиаторов имеет покрытие с высоким ИК-излучением для максимального отвода тепла и низким коэффициентом поглощения солнечной энергии для ограничения тепла от Солнца. Большинство радиаторов космических аппаратов отбрасывают от 100 до 350 Вт тепла электроники, генерируемого внутри на квадратный метр. Вес радиаторов обычно варьируется от почти нуля, если в качестве радиатора используется существующая структурная панель, до примерно 12 кг / м2 для тяжелого развертываемых радиатора и его конструкции.

Радиаторы Международной космической станции отчетливо видны в виде массивов белых квадратных панелей, прикрепленных к главной ферме.[1]

Тепловые трубы

Тепловые трубы используйте замкнутый двухфазный жидкостный цикл с испарителем и конденсатором для передачи относительно большого количества тепла из одного места в другое без электроэнергии.

Будущее систем терморегулирования

  • Композитные материалы
  • Отвод тепла за счет усовершенствованных пассивных радиаторов
  • Устройства распылительного охлаждения (например, Жидкокапельный радиатор )
  • Легкая теплоизоляция
  • Технологии переменного эмиттанса
  • Алмазные пленки
  • Покрытия с улучшенным терморегулированием
    • Микросхемы
    • Улучшенное распыление на тонких пленках
    • Посеребренные кварцевые зеркала
    • Современные металлизированные пленки на основе полимеров

События

Важным событием в области терморегулирования космоса является Международная конференция по экологическим системам, ежегодно организуемый AIAA.

Солнцезащитный щит

Полноразмерный тест Sunshield для космического телескопа Джеймса Уэбба

В конструкции космического корабля солнцезащитный экран ограничивает или снижает тепло, вызываемое солнечным светом, падающим на космический корабль.[2] Пример использования теплового экрана находится на Инфракрасная космическая обсерватория.[2] Солнцезащитный экран ISO помог защитить криостат от солнечного света, а также он был покрыт солнечными панелями.[3]

Не путать с концепцией солнечного щита глобального масштаба в геоинженерия, часто называемый Космический зонтик или «солнцезащитный экран», в этом случае сам космический корабль используется для блокировки солнечного света на планете, а не как часть тепловой конструкции космического корабля.[4]

Примером солнечного щита в конструкции космического корабля является Солнцезащитный экран (JWST) по запланированному Космический телескоп Джеймса Уэбба.[5]

Смотрите также

Список используемой литературы

использованная литература

  1. ^ "Радиаторы". Международная космическая станция. НАСА. Получено 26 сентября, 2015.
  2. ^ а б «Глава 10: Системы контроля температуры». Архивировано из оригинал на 20.12.2016.
  3. ^ [1]
  4. ^ Горветт, Зария (26 апреля 2016 г.). «Как гигантский космический зонт может остановить глобальное потепление». BBC.
  5. ^ "Солнечный щит". ДЖЕЙМС ВЕББ КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП. Центр космических полетов Годдарда.