Космический корабль тепловой контроль

Солнамсенджер , орбитальный оператор планеты Меркурий

В конструкции космического корабля функция системы теплового управления ( TCS ) состоит в том, чтобы сохранить все компонентные системы космического корабля в приемлемых температурных диапазонах во всех этапах миссии. Он должен справляться с внешней средой, которая может варьироваться в широком диапазоне, поскольку космический корабль подвергается воздействию крайней холода, обнаруженной в тени глубокого пространства или к интенсивному тепло, обнаруженному в нефильтрованном прямом солнечном свете космоса. TCS также должен смягчить внутреннее тепло, генерируемое работой космического корабля, который он обслуживает.

TCS может пассивно выбросить тепло через простое и естественное инфракрасное излучение самого космического корабля или активно через внешне установленную инфракрасную радиационную катушку.

Тепловой контроль необходим для гарантирования оптимальной производительности и успеха миссии, поскольку, если компонент подвергается температурам, которые слишком высоки или слишком низки, он может быть поврежден или его производительность может быть серьезно повлиять. Термический контроль также необходим для поддержания определенных компонентов (таких как оптические датчики, атомные часы и т. Д.) В пределах указанной потребности в стабильности температуры, чтобы гарантировать, что они выполняются как можно более эффективно.

Активные или пассивные системы

Подсистема термического управления может состоять из пассивных и активных предметов и работает двумя способами:

• Защищает оборудование от перегрева, либо путем теплоизоляции от внешних тепловых потоков (например, солнце или планетарного инфракрасного и потока альбедо ), либо путем правильного удаления тепла из внутренних источников (например, тепло, излучаемое внутренним электронным оборудованием).
• Защищает оборудование от температур, которые слишком низки, путем теплоизоляции от внешних раковин, за счет повышенного поглощения тепла из внешних источников или путем теплового высвобождения из внутренних источников.

пассивной системы теплового управления ( PTCS Компоненты ) включают в себя:

• Многослойная изоляция (MLI), которая защищает космический корабль от чрезмерного солнечного или планетарного нагрева, а также от чрезмерного охлаждения при воздействии глубокого пространства.
• Покрытия, которые изменяют термооптические свойства внешних поверхностей.
• Тепловые наполнители для улучшения тепловой связи на выбранных интерфейсах (например, на термическом пути между электронным блоком и его радиатором).
• Тепловые шайбы, чтобы уменьшить тепловую связь на выбранных интерфейсах.
• Термические дублиры, чтобы распространять на поверхности радиатора. Тепло, рассеянное оборудованием.
• Зеркала (вторичные поверхностные зеркала, SSM или оптические солнечные отражатели, OSR), чтобы улучшить способность отторжения тепла внешних радиаторов и в то же время уменьшить поглощение внешних солнечных потоков.
• Радиоизотопные нагреватели (RHU), используемые некоторыми планетарными и исследовательскими миссиями для производства тепла для целей TCS.

Компоненты активного теплового управления ( ATCS ) включают в себя:

• Термостатически контролируемые резистивные электрические нагреватели, чтобы поддерживать температуру оборудования выше нижнего предела во время холодных фаз миссии.
• Жидкие петли для переноса тепла, излучаемого оборудованием в радиаторы. Они могут быть:
  • однофазные петли, контролируемые насосом;
  • Двухфазные петли, состоящие из тепловых труб (HP), петли тепловых труб (LHP) или капиллярных насосных петлей (CPL).
• Лувры (которые изменяют возможность отторжения тепла на пространство в зависимости от температуры).
• Термоэлектрические охлаждения .

Системы теплового управления

Солнечный зонд Parker в тепловых испытаниях

• Взаимодействие окружающей среды
  • Включает взаимодействие внешних поверхностей космического корабля с окружающей средой. Либо поверхности должны быть защищены от окружающей среды, либо необходимо улучшить взаимодействие. Двумя основными целями взаимодействия окружающей среды являются снижение или увеличение поглощенных потоков окружающей среды и уменьшение или увеличение тепла потери в окружающей среде.
• Коллекция тепла
  • Включает в себя удаление рассеянного тепла из оборудования, в котором он создается, чтобы избежать нежелательного повышения температуры космического корабля.
• Теплопер транспорт
  • Берет тепло от того места, где он создается для излучающего устройства.
• Тепло
  • Собранное и транспортное тепло должно быть отвергнуто при соответствующей температуре на радиатор, который обычно представляет собой окружающую космическую среду. Температура отклонения зависит от количества вовлеченного тепла, температуры, которую необходимо контролировать, и температуры среды, в которую устройство излучает тепло.
• Тепло обеспечение и хранение.
  • Является поддержание желаемого уровня температуры, где необходимо обеспечить тепло, и необходимо предвидеть подходящую возможность для хранения тепла.

Среда

Для космического корабля основными экологическими взаимодействиями являются энергия, исходящая от солнца, а тепло, излучаемое в глубокое пространство. Другие параметры также влияют на конструкцию системы теплового управления, такую ​​как высота космического корабля, орбита, стабилизация отношения и форма космического корабля. Различные типы орбиты, такие как низкоземная орбита и геостационарная орбита, также влияют на конструкцию системы теплового управления.

• Низкая земля орбита (Лео)
  • Эта орбита часто используется космическим кораблем, который контролирует или измеряет характеристики Земли и окружающей среды, а также безумные и экипажные космические лаборатории, такие как Еврока и Международная космическая станция . Близость орбиты к Земле оказывает большое влияние на потребности системы теплового управления, при этом инфракрасная эмиссия Земли и альбедо играет очень важную роль, а также относительно короткий орбитальный период, менее 2 часов и длительная продолжительность затмения. Маленькие инструменты или космические придатки, такие как солнечные батареи, которые имеют низкую тепловую инерцию, могут серьезно затронуть эту непрерывно меняющуюся среду и могут потребовать очень специфические решения для тепловых проектов.
• Геостационарная орбита (гео)
  • На этой 24-часовой орбите влияние Земли практически незначительно, за исключением затенения во время затмений, что может варьироваться в зависимости от нуля у солнцестояния до максимум 1,2 часа при равноденствиях. Длинные затмения влияют на дизайн как систем изоляции космического корабля, так и систем нагрева. Сезонные изменения в направлении и интенсивности солнечного входа оказывают большое влияние на дизайн, усложняя теплопередачу с помощью необходимости передать большую часть рассеянного тепла в радиатор в тени, а также системы отмены тепла через увеличенный радиатор область необходима. Почти все телекоммуникации и многие метеорологические спутники находятся на орбите этого типа.
• Высоко эксцентричные орбиты (HEO)
  • Эти орбиты могут иметь широкий спектр высот апоги и перигея, в зависимости от конкретной миссии. Как правило, они используются для обсерваторий астрономии, а требования к проектированию TCS зависят от орбитального периода космического корабля, количества и продолжительности затмений, относительного отношения Земли, Солнца и космического корабля, типа инструментов на борту и их индивидуальных требований к температуре.
• Глубокое пространство и планетарное исследование
  • Межпланетная траектория подвергает космического корабля широкому диапазону тепловых сред, более тяжелой, чем те, которые встречаются вокруг орбит Земли. Межпланетная миссия включает в себя множество различных подсценориоков в зависимости от конкретного небесного тела. В общем, общими особенностями являются длительная продолжительность миссии и необходимость справляться с экстремальными тепловыми условиями, такими как круизы, близкие к солнцу или далеко от солнца (от 1 до 4–5 а.е. ), низкое орбит очень холодного или очень Горячие небесные тела, спуски через враждебную атмосферу и выживание в экстремальных (пыльных, ледяных) средах на поверхностях посещенных тел. Задача для TCS заключается в том, чтобы обеспечить достаточную возможность отмены тепла на горячих эксплуатационных этапах, и все же все же пережить холодные неактивные. Основная проблема часто заключается в обеспечении власти, необходимой для этой фазы выживания.

Требования к температуре

Требования к температуре инструментов и оборудования на борту являются основными факторами в проектировании системы теплового управления. Целью TCS состоит в том, чтобы сохранить все инструменты, работающие в их допустимом температурном диапазоне. Все электронные инструменты на борту космического корабля, такие как камеры, устройства сбора данных, батареи и т. Д., Имеют фиксированный диапазон рабочей температуры. Сохранение этих инструментов в их оптимальном диапазоне рабочей температуры имеет решающее значение для каждой миссии. Некоторые примеры температурных диапазонов включают

• Батареи, которые имеют очень узкий эксплуатационный диапазон, обычно от -5 до 20 ° C.
• Производительные компоненты, которые имеют типичный диапазон от 5 до 40 ° C по соображениям безопасности, однако более широкий диапазон является приемлемым.
• Камеры, которые имеют диапазон от -30 до 40 ° C.
• Солнечные батареи, которые имеют широкий эксплуатационный диапазон от -150 до 100 ° C.
• Инфракрасные спектрометры, которые имеют диапазон от -40 до 60 ° C.

Текущие технологии

Покрытие

Покрытия являются самыми простыми и наименее дорогими из методов TCS. Покрытие может быть краской или более сложным химическим веществом, нанесенным на поверхности космического корабля, чтобы снизить или увеличить теплопередачу. Характеристики типа покрытия зависят от их поглощаемости, эмиссии, прозрачности и отражательной способности. Основным недостатком покрытия является то, что оно быстро деградирует из -за операционной среды. Покрытия также могут быть применены в виде клейкой ленты или наклеек, чтобы уменьшить деградацию.

Многослойная изоляция (MLI)

Многослойная изоляция (MLI) является наиболее распространенным пассивным элементом теплового управления, используемым на космическом корабле. MLI предотвращает как потери тепла, так и чрезмерное отопление из окружающей среды. Комплексы космического корабля, такие как танки топлива, линии топлива, батареи и сплошные ракетные двигатели, также покрыты одеялами MLI для поддержания идеальной рабочей температуры. MLI состоят из наружного слоя крышки, внутреннего слоя и внутреннего слоя крышки. Внешний слой крышки должен быть непрозрачным до солнечного света, генерировать низкое количество загрязняющих частиц и иметь возможность выжить в окружающей среде и температуре, на которую будет выявлен космический корабль. Некоторые общие материалы, используемые для наружного слоя, представляют собой стекловолокно ткани, пропитанная тефлоном PTFE , PVF, усиленным NOMEX, связанным с полиэфирным клеем, и FEP Teflon. Общее требование для внутреннего слоя заключается в том, что он должен иметь низкое извержение. Наиболее часто используемым материалом для этого слоя является алюминизированный милар с одной или обеих сторон. Внутренние слои обычно тонкие по сравнению с наружным слоем, чтобы сэкономить вес, и перфорируются, чтобы помочь в вентиляционном захваченном воздухе во время запуска. Внутренняя крышка сталкивается с аппаратным обеспечением космического корабля и используется для защиты тонких внутренних слоев. Внутренние крышки часто не алюминизируются, чтобы предотвратить электрические шорты. Некоторые материалы, используемые для внутренних крышек Dacron и Nomex netting. Милар не используется из -за проблем воспламеняемости. Одеяла MLI являются важным элементом системы теплового управления.

Жалюзи

Грапловики - это активные элементы теплового управления, которые используются во многих различных формах. Чаще всего они размещаются на внешних радиаторах, жалюзи также могут использоваться для контроля теплопередачи между внутренними поверхностями космического корабля или размещены на отверстиях на стенах космического корабля. Лувер в своем полностью открытом состоянии может отклонить в шесть раз больше тепла, чем в его полностью закрытом состоянии, без мощности для его управления. Наиболее часто используемым громвером является биметаллический, пружинный, прямоугольный лопаток лезвия, также известный как венецианский слепой жавер. Главерные сборы радиатора состоят из пяти основных элементов: базовая плита, лезвия, приводы, зондирующие элементы и структурные элементы.

Нагреватели

Нагреватели используются в конструкции теплового управления для защиты компонентов в условиях окружающей среды в холодном случае или для компенсации тепла, которое не рассеивается. Нагреватели используются с термостатами или твердотельными контроллерами, чтобы обеспечить точный контроль температуры конкретного компонента. Еще одно распространенное использование нагревателей - согреть компоненты до минимальных рабочих температур до включения компонентов.

• Наиболее распространенным типом нагревателя, используемого на космическом корабле, является нагреватель пластыря, который состоит из электрического устойчивого элемента, зажженного между двумя листами гибкого электрического изоляционного материала, такого как Каптон . Нагреватель патча может содержать либо одну цепь, либо несколько цепей, в зависимости от того, требуется ли избыточность в нем.
• Другой тип обогревателя, нагреватель картриджа , часто используется для нагрева блоков материала или высокотемпературных компонентов, таких как пропелленты. Этот обогреватель состоит из спирального резистора, заключенного в цилиндрический металлический случай. Как правило, отверстие просверлено в компоненте для нагрева, а патрон вводится в отверстие. Нагреватели картриджа обычно имеют четверть дюйма или менее в диаметре и длиной до нескольких дюймов.
• Другим типом нагревателя, используемого на космическом корабле, являются блоки радиоизотопного обогревателя, также известные как RHU. RHU используются для прохождения на внешних планетах мимо Юпитера из -за очень низкого солнечного сияния, что значительно снижает мощность, генерируемую от солнечных батарей. Эти обогреватели не требуют какой -либо электрической мощности от космического корабля и обеспечивают прямое тепло там, где это необходимо. В центре каждого RHU находится радиоактивный материал, который распадается, чтобы обеспечить тепло. Наиболее часто используемым материалом является диоксид плутония . Один RHU весит всего 42 грамма и может поместиться в цилиндрическом корпусе диаметром 26 мм и длиной 32 мм. Каждая единица также генерирует 1 Вт тепла при инкапсуляции, однако скорость тепла уменьшается со временем. Всего было использовано 117 Rhus на миссии Кассини .

Радиаторы

Панели и радиаторы (прямоугольные белые панели) на МКС после STS-120

Избыточное тепло, созданное на космическом корабле, отвергается в пространстве с помощью радиаторов. Радиаторы бывают нескольких разных форм, таких как структурные панели космического корабля, радиаторы с плоской пластиной, установленные на стороне космического корабля, и панели развернуты после того, как космический корабль находятся на орбите. Независимо от конфигурации, все радиаторы отклоняют тепло в результате инфракрасного (ИК) излучения с их поверхностей. Излучающая мощность зависит от эмитта и температуры поверхности. Радиатор должен отвергнуть как тепло отходов космического корабля, так и любые нагрузки с лучисто-утомительным из окружающей среды. Поэтому большинству радиаторов получают поверхностную отделку с высоким ИК -эминтностью, чтобы максимизировать тепловое отторжение и низкую солнечную поглощение, чтобы ограничить тепло от солнца. Большинство космических комплексах радиаторов отвергают от 100 до 350 Вт внутреннего генерируемого тепла электроники на квадратный метр. Вес радиаторов обычно варьируется почти от ничего, если существующая структурная панель используется в качестве радиатора, до 12 кг/м ² для тяжелого развертываемого радиатора и его опорной структуры.

Радиаторы международной космической станции ясно видны как массивы белых квадратных панелей, прикрепленных к основной ферме.

Тепловые трубы

Тепловые трубы используют закрытый двухфазный цикл жидкости с испарителем и конденсатор для переноса относительно больших количеств тепла из одного места в другое без электрической мощности. Определенные тепловые трубки аэрокосмического качества, такие как тепловые трубы с постоянной проводимостью (CCHP) или осевые тепловые трубы, представляют собой алюминиевые экстразиции с аммиаком, используемым в качестве рабочей жидкости. Типичные приложения включают в себя: Управление тепловой нагрузкой Теплопередача, изотермизация, панель радиатора тепловое улучшение

Будущее систем теплового управления

• Различные композитные материалы
• Тепловое отклонение через передовые пассивные радиаторы
• Охлаждающие устройства для распыления (например, радиатор капель жидкости )
• Легкая теплоизоляция
• Технологии с переменной точностью
• Алмазные фильмы
• Усовершенствованные тепловые контрольные покрытия
  • Микросошины
  • Продвинутый спрей на тонких пленках
  • Серебряные кварцевые зеркала
  • Усовершенствованные металлизованные полимерные пленки
• 3D -печатные испарители для тепловых труб петлей
• Космическая медная вода тепловые трубы для охлаждения на уровне чипов

События

Основным событием в области космического теплового контроля является Международная конференция по экологическим системам , организованная каждый год AIAA . Другой - мастерская европейского космического теплового анализа

Солнечный щит

Постоянный тест Sunshield для космического телескопа Джеймса Уэбба

В дизайне космического корабля солнечный щит ограничивает или уменьшает тепло, вызванное солнечным светом, попавшим в космический корабль. Примером использования теплового экрана является инфракрасная космическая обсерватория . Sunshield ISO помогло защитить криостат от солнечного света, и он также был покрыт солнечными батареями.

Не путать с концепцией глобального масштаба Sun Shield в геоинженерии , часто называемой космическим солнцем или «Sun Shield», в котором сам космический корабль используется для блокировки солнечного света на планету.

Примером Sunshield в дизайне космического корабля является солнечноеле на космическом телескопе Джеймса Уэбба .

Смотрите также

• Экологический контроль и система поддержки жизни
• Космический солнат
• Контроль температуры

Библиография

• Гилмор Д. Г., «Справочник по спутниковому теплому управлению», The Aerospace Corporation Press, 1994.
• Карам, Р. Д., Спутниковый тепловой контроль для инженеров систем, Прогресс в области астронавтики и аэронавтики, AIAA , 1998.
• Гилмор, Д. Г., «Справочник по теплоуправлению космического корабля 2 -е изд»., The Aerospace Corporation Press, 2002.
• Де Паролис, М. Н. и В. Пинтер-Крейнер. Текущие и будущие методы для космического теплового контроля 1. Дизайн драйверов и текущих технологий . 1 августа 1996 г. Веб: 5 сентября 2014 года.