Тепловой контроль космического корабля

Солнцезащитный козырек MESSENGER , орбитального аппарата планеты Меркурий.

При проектировании космического корабля функция системы терморегулирования ( TCS ) заключается в поддержании всех компонентов систем космического корабля в допустимых температурных диапазонах на всех этапах миссии. Он должен справляться с внешней средой, которая может варьироваться в широком диапазоне, поскольку космический корабль подвергается воздействию чрезвычайного холода, свойственного теням глубокого космоса, или интенсивному жару, встречающемуся в нефильтрованном прямом солнечном свете космического пространства. TCS также должна смягчать внутреннее тепло, выделяемое при работе космического корабля, который она обслуживает.

TCS может пассивно выделять тепло посредством простого и естественного инфракрасного излучения самого космического корабля или активно через установленную снаружи катушку инфракрасного излучения.

Термоконтроль необходим для обеспечения оптимальной производительности и успеха миссии, поскольку, если компонент подвергается воздействию слишком высоких или слишком низких температур, он может быть поврежден или его производительность может серьезно ухудшиться. Тепловой контроль также необходим для поддержания определенных компонентов (таких как оптические датчики, атомные часы и т. д.) в пределах заданных требований к температурной стабильности, чтобы гарантировать их максимально эффективную работу.

Активные или пассивные системы

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

• Защищает оборудование от перегрева либо путем теплоизоляции от внешних тепловых потоков (таких как Солнце или планетарное инфракрасное излучение и поток альбедо ), либо путем надлежащего отвода тепла от внутренних источников (например, тепла, излучаемого внутренним электронным оборудованием).
• Защищает оборудование от слишком низких температур за счет теплоизоляции от внешних стоков, повышенного поглощения тепла от внешних источников или за счет выделения тепла из внутренних источников.

пассивной системы терморегулирования ( PTCS Компоненты ) включают в себя:

• Многослойная изоляция (MLI), защищающая космический корабль от чрезмерного солнечного или планетарного нагрева, а также от чрезмерного охлаждения при нахождении в глубоком космосе.
• Покрытия, изменяющие термооптические свойства внешних поверхностей.
• Термические наполнители для улучшения термической связи на выбранных интерфейсах (например, на тепловом пути между электронным блоком и его радиатором).
• Термические шайбы для уменьшения термической связи на выбранных интерфейсах.
• Тепловые удвоители для распределения по поверхности радиатора тепла, рассеиваемого оборудованием.
• Зеркала (зеркала вторичной поверхности, SSM или оптические солнечные отражатели, OSR) для улучшения теплоотвода внешних излучателей и в то же время для уменьшения поглощения внешних солнечных потоков.
• Радиоизотопные нагревательные установки (RHU), используемые некоторыми планетарными и исследовательскими миссиями для производства тепла для целей TCS.

Компоненты системы активного термоконтроля ( ATCS ) включают в себя:

• Резистивные электрические нагреватели с термостатическим управлением для поддержания температуры оборудования выше нижнего предела во время холодных фаз миссии.
• Жидкостные контуры для передачи тепла, излучаемого оборудованием, к радиаторам. Они могут быть:
  • однофазные контуры, управляемые насосом;
  • двухфазные петли, состоящие из тепловых трубок (HP), петлевых тепловых трубок (LHP) или петель с капиллярной накачкой (CPL).
• Жалюзи (которые изменяют способность отвода тепла в пространство в зависимости от температуры).
• Термоэлектрические охладители .

Системы терморегулирования

Parker Solar Probe проходит тепловые испытания

• 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 в себя отвод рассеиваемого тепла от оборудования, в котором оно создается, во избежание нежелательного повышения температуры космического корабля.
• Транспорт тепла
  • Отводит тепло из места его образования к излучающему устройству.
• Отвод тепла
  • Собранное и переданное тепло должно отводиться при соответствующей температуре в радиатор, которым обычно является окружающее космическое пространство. Температура отбраковки зависит от количества выделяемого тепла, температуры, которую необходимо контролировать, и температуры окружающей среды, в которую устройство излучает тепло.
• Обеспечение и хранение тепла.
  • Это поддержание желаемого уровня температуры, при котором необходимо обеспечить тепло и предусмотреть подходящую способность аккумулирования тепла.

Среда

Для космического корабля основными взаимодействиями с окружающей средой являются энергия, исходящая от Солнца, и тепло, излучаемое в глубокий космос. На конструкцию системы терморегулирования также влияют и другие параметры, такие 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 кораблями, которые контролируют или измеряют характеристики Земли и окружающей ее среды, а также космическими лабораториями с экипажем и без экипажа, такими как ЭВРИКА и Международная космическая станция . Большое влияние на потребности системы терморегулирования оказывает близость орбиты к Земле, при этом очень важную роль играют инфракрасное излучение Земли и альбедо, а также относительно короткий орбитальный период, менее 2 часов, и большая продолжительность затмения. Небольшие приборы или придатки космического корабля, такие как солнечные панели, имеющие низкую тепловую инерцию, могут серьезно пострадать от этой постоянно меняющейся среды и могут потребовать очень специфических решений по термическому расчету.
• Геостационарная орбита (GEO)
  • На этой 24-часовой орбите влияние Земли практически незначительно, за исключением затенения во время затмений, продолжительность которых может варьироваться от нуля во время солнцестояния до максимум 1,2 часа в день равноденствия. Длительные затмения влияют на конструкцию систем изоляции и отопления космического корабля. Сезонные изменения направления и интенсивности солнечного излучения оказывают большое влияние на конструкцию, усложняя передачу тепла из-за необходимости передавать большую часть рассеиваемого тепла к радиатору в тени и системам отвода тепла через увеличенный радиатор. нужная площадь. Почти все телекоммуникационные и многие метеорологические спутники находятся на орбите этого типа.
• Высокоэксцентричные орбиты (HEO)
  • Эти орбиты могут иметь широкий диапазон высот апогея и перигея, в зависимости от конкретной миссии. Как правило, они используются в астрономических обсерваториях, и требования к конструкции TCS зависят от периода обращения космического корабля, количества и продолжительности затмений, относительного положения Земли, Солнца и космического корабля, типа бортовых приборов и их индивидуальных температурных требований.
• Глубокий космос и исследование планет
  • Межпланетная траектория подвергает космический корабль воздействию широкого спектра температурных условий, более суровых, чем те, которые встречаются на орбитах Земли. Межпланетная миссия включает в себя множество различных подсценариев в зависимости от конкретного небесного тела. В целом, общими чертами являются большая продолжительность миссии и необходимость справляться с экстремальными термическими условиями, такими как полеты вблизи Солнца или вдали от него (от 1 до 4–5 а.е. ), низкие орбиты очень холодных или очень холодных объектов. горячие небесные тела, спуски через враждебную атмосферу и выживание в экстремальных (пыльных, ледяных) условиях на поверхностях посещенных тел. Задача TCS состоит в том, чтобы обеспечить достаточную способность отвода тепла во время горячих рабочих фаз и при этом выдерживать холодные неактивные фазы. Основная проблема часто заключается в обеспечении власти, необходимой для этой фазы выживания.

Требования к температуре

Требования к температуре приборов и оборудования на борту являются основными факторами при проектировании системы терморегулирования. Целью TCS является поддержание работы всех приборов в допустимом температурном диапазоне. Все электронные приборы на борту космического корабля, такие как камеры, устройства сбора данных, аккумуляторы и т. д., имеют фиксированный диапазон рабочих температур. Поддержание этих приборов в оптимальном рабочем диапазоне температур имеет решающее значение для каждой миссии. Некоторые примеры температурных диапазонов включают:

• Батареи, имеющие очень узкий рабочий диапазон, обычно от -5 до 20 °C.
• Компоненты силовой установки, типичный диапазон которых составляет от 5 до 40 °C по соображениям безопасности, однако допускается более широкий диапазон.
• Камеры с диапазоном температур от −30 до 40 °C.
• Солнечные батареи, имеющие широкий рабочий диапазон от –150 до 100 °C.
• Инфракрасные спектрометры с диапазоном от –40 до 60 °C.

Современные технологии

Покрытие

Покрытия являются самым простым и дешевым методом TCS. Покрытие может представлять собой краску или более сложное химическое вещество, нанесенное на поверхности космического корабля для снижения или увеличения теплопередачи. Характеристики типа покрытия зависят от его поглощающей способности, излучательной способности, прозрачности и отражательной способности. Основным недостатком покрытия является то, что оно быстро разрушается под воздействием окружающей среды. Покрытия также можно наносить в виде клейкой ленты или наклеек, чтобы уменьшить деградацию.

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 окружающей среды. Компоненты космического корабля, такие как топливные баки, топливные магистрали, аккумуляторы и твердотопливные ракетные двигатели, также покрыты одеялами MLI для поддержания идеальной рабочей температуры. MLI состоит из внешнего покровного слоя, внутреннего слоя и внутреннего покровного слоя. Внешний слой покрытия должен быть непрозрачным для солнечного света, генерировать небольшое количество твердых частиц и быть способным выживать в окружающей среде и при температуре, которым будет подвергаться космический корабль. Некоторыми распространенными материалами, используемыми для внешнего слоя, являются тканая ткань из стекловолокна, пропитанная тефлоном ПТФЭ , ПВФ, армированный номексом связанный полиэфирным клеем, и ФЭП тефлон . Общее требование к внутреннему слою заключается в том, что он должен иметь низкий коэффициент излучения. Наиболее часто используемый материал для этого слоя — майлар , алюминизированный с одной или обеих сторон. Внутренние слои обычно тоньше наружного слоя для экономии веса и перфорированы для облегчения удаления захваченного воздуха во время запуска. Внутренняя крышка обращена к оборудованию космического корабля и используется для защиты тонких внутренних слоев. Внутренние крышки часто не алюминизируются во избежание короткого замыкания. Некоторые материалы, используемые для внутренних покрытий, Сетка из дакрона и номекса. Майлар не используется из-за проблем с воспламеняемостью. Одеяла MLI являются важным элементом системы терморегулирования.

Жалюзи

Жалюзи — это активные элементы терморегулирования, которые используются в самых разных формах. Чаще всего их размещают над внешними радиаторами, жалюзи также могут использоваться для регулирования теплообмена между внутренними поверхностями космического корабля или размещаться на 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 энергии. Наиболее часто используемыми жалюзи являются биметаллические, подпружиненные, прямоугольные жалюзи, также известные как жалюзи-жалюзи. Жалюзи в сборе радиатора состоят из пяти основных элементов: опорной плиты, лопастей, исполнительных механизмов, чувствительных элементов и конструктивных элементов.

Обогреватели

Нагреватели используются в конструкции терморегулирования для защиты компонентов в условиях окружающей среды в холодном корпусе или для компенсации нерассеиваемого тепла. Нагреватели используются с термостатами или полупроводниковыми контроллерами для обеспечения точного контроля температуры конкретного компонента. Еще одним распространенным применением нагревателей является прогрев компонентов до минимальной рабочей температуры перед их включением.

• Наиболее распространенным типом нагревателя, используемого на космических кораблях, является патч-нагреватель, который состоит из электрорезистивного элемента, зажатого между двумя листами гибкого электроизоляционного материала, такого как каптон . Патч-нагреватель может содержать либо одну цепь, либо несколько цепей, в зависимости от того, требуется ли в нем резервирование.
• Другой тип нагревателя, патронный нагреватель , часто используется для нагрева блоков материала или высокотемпературных компонентов, таких как топливо. Этот нагреватель состоит из спирального резистора, заключенного в цилиндрический металлический корпус. Обычно в нагреваемом компоненте сверлят отверстие и в это отверстие вставляют картридж. Картриджные нагреватели обычно имеют диаметр четверти дюйма или меньше и длину до нескольких дюймов.
• Другой тип обогревателей, используемых на космических кораблях, — это радиоизотопные нагреватели, также известные как RHU. RHU используются для путешествий к внешним планетам за пределами Юпитера из-за очень низкого солнечного излучения, что значительно снижает мощность, вырабатываемую солнечными панелями. Эти обогреватели не требуют никакой электроэнергии от космического корабля и обеспечивают прямое тепло там, где это необходимо. В центре каждого RHU находится радиоактивный материал, который распадается, выделяя тепло. Наиболее часто используемый материал — диоксид плутония . Один RHU весит всего 42 грамма и может поместиться в цилиндрический корпус диаметром 26 мм и длиной 32 мм. Каждый блок также генерирует 1 Вт тепла при герметизации, однако скорость выделения тепла со временем снижается. Всего в миссии Кассини было использовано 117 RHU .

Радиаторы

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

Избыточное тепло, образующееся на космическом корабле, выбрасывается в космос с помощью радиаторов. Радиаторы бывают разных форм, например, структурные панели космического корабля, плоские радиаторы, установленные сбоку космического корабля, и панели, развернутые после выхода космического корабля на орбиту. Независимо от конфигурации, все радиаторы отводят тепло посредством инфракрасного (ИК) излучения со своих поверхностей. Мощность излучения зависит от излучательной способности поверхности и температуры. Радиатор должен отводить как отходящее тепло космического корабля, так и любую лучистую тепловую нагрузку из окружающей среды. Поэтому большинство радиаторов имеют поверхность с высоким коэффициентом ИК-излучения для максимального отвода тепла и низким поглощением солнечной энергии для ограничения солнечного тепла. Большинство радиаторов космических кораблей отводят от 100 до 350 Вт внутреннего отходящего тепла электроники на квадратный метр. Вес радиаторов обычно варьируется от почти нуля, если в качестве радиатора используется существующая структурная панель, до примерно 12 кг/м. ² для тяжелого раздвижного радиатора и его опорной конструкции.

Радиаторы Международной космической станции хорошо видны как массивы белых квадратных панелей, прикрепленных к основной ферме.

Тепловые трубки

В тепловых трубках используется закрытый двухфазный цикл потока жидкости с испарителем и конденсатором для транспортировки относительно большого количества тепла из одного места в другое без использования электроэнергии. Специальные тепловые трубы аэрокосмического класса, такие как тепловые трубы постоянной проводимости (CCHP) или тепловые трубы с осевой канавкой, представляют собой алюминиевые профили, в которых в качестве рабочей жидкости используется аммиак.Типичные области применения включают в себя: Управление температурным режимом полезной нагрузки.Перенос тепла, Изотермализация, Повышение температуры панели радиатора

Будущее систем терморегулирования

• Различные композиционные материалы
• Отвод тепла с помощью усовершенствованных пассивных радиаторов
• Устройства распылительного охлаждения (например, жидкостно-капельный радиатор )
• Легкая теплоизоляция
• Технологии переменной эмиссии
• Алмазные пленки
• Усовершенствованные терморегулирующие покрытия
  • Микролисты
  • Улучшенное распыление на тонкие пленки
  • Посеребренные кварцевые зеркала
  • Усовершенствованные металлизированные пленки на полимерной основе
• Испарители для контурных тепловых трубок, напечатанные на 3D-принтере
• Космические медно-водяные тепловые трубки для охлаждения на уровне чипа

События

Крупным событием в области космического терморегулирования является Международная конференция по экологическим системам , ежегодно организуемая AIAA . Другой — Европейский семинар по космическому термическому анализу.

Солнцезащитный щит

Полноразмерный тест Sunshield для космического телескопа Джеймса Уэбба

В конструкции космического корабля солнцезащитный экран ограничивает или уменьшает тепло, вызываемое солнечным светом, попадающим на космический корабль. Пример использования теплового экрана — в Инфракрасной космической обсерватории . Солнцезащитный экран ISO помогал защитить криостат от солнечного света, а также был покрыт солнечными панелями.

Не путать с концепцией солнечного щита глобального масштаба в геоинженерии , часто называемого космическим солнцезащитным козырьком или «солнечным щитом», в котором сам космический корабль используется для блокирования солнечного света, попадающего на планету.

Примером солнцезащитного козырька в конструкции космического корабля является солнцезащитный козырек на космическом телескопе Джеймса Уэбба .

См. также

• Система экологического контроля и жизнеобеспечения
• Космический зонтик
• Контроль температуры

Библиография

• Гилмор, Д.Г., «Справочник по тепловому контролю спутников», The Aerospace Corporation Press, 1994.
• Карам Р.Д., Спутниковый тепловой контроль для системных инженеров, Прогресс в космонавтике и аэронавтике, AIAA , 1998.
• Гилмор, Д.Г., «Справочник по терморегулированию космического корабля, 2-е изд.», The Aerospace Corporation Press, 2002.
• Де Паролис, М.Н., и В. Пинтер-Крейнер. Современные и будущие методы теплового контроля космических аппаратов 1. Основы проектирования и современные технологии . 1 августа 1996 г. Интернет: 5 сентября 2014 г.