Управление тепловым режимом космического корабля

Зонт MESSENGER, орбитальный аппарат планеты Меркурий

В конструкции космического корабля функция система терморегулирования (TCS ) предназначена для поддержания всех систем компонентов космического корабля в допустимых 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 как можно более эффективно.

• 1 Активные или пассивные системы
• 2 Системы терморегулирования
• 3 Окружающая среда
• 4 Температурные требования
• 5 Современные технологии
  • 5.1 Покрытие
  • 5.2 Многослойная изоляция (MLI)
  • 5.3 Жалюзи
  • 5.4 Нагреватели
  • 5.5 Радиаторы
  • 5.6 Тепловые трубки
• 6 Будущее систем терморегулирования
• 7 События
• 8 Солнцезащитный экран
• 9 См. Также
• 10 Библиография
• 11 Ссылки

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

• Защищает оборудование от перегрева, либо с помощью теплоизоляция от внешних тепловых потоков (таких как Солнце или планетное инфракрасное излучение и поток альбедо) или 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 теплоотдачи из внутренних

Компоненты пассивной системы терморегулирования (PTCS ) включают:

• Многослойную изоляцию (MLI), которая защищает космический корабль от чрезмерного солнечного или планетарного нагрева, а также от чрезмерного охлаждения при нахождении в глубоком космосе.
• Покрытия, изменяющие термооптические свойства внешних поверхностей.
• Тепловые наполнители для улучшения теплового взаимодействия на выбранных границах раздела (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 теплоотвода внешних излучателей и в то же время для уменьшения поглощения внешних солнечных потоков.
• Радиоизотопный нагреватель единицы (RHU), используемые некоторыми планетными и исследовательскими миссиями для производства тепла для Назначение TCS.

Компоненты активной системы терморегулирования (ATCS ) 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. Это могут быть:
  • однофазные контуры, управляемые насосом;
  • двухфазные контуры, состоящие из тепловых труб (HP), контуров отопления. трубы (LHP) или контуры с капиллярной накачкой (CPL).
• Жалюзи (которые изменяют способность отвода тепла в пространство в зависимости от температуры).
• Термоэлектрические охладители.

Parker Solar Probe при 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 тепловых потерь в окружающую среду.
• Сбор тепла
  • Включает отвод рассеянного тепла от оборудования, в котором оно находится. создается, чтобы избежать нежелательного повышения температуры космического корабля.
• Перенос тепла
  • Отвод тепла от места его образования к излучающему устройству.
• Отвод тепла
  • Тепло, собираемое и транспортируемый продукт должен быть отклонен при соответствующей температуре 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.
  • Для поддержания желаемого уровня температуры, при котором должно быть обеспечено тепло и должна быть предусмотрена подходящая способность аккумулирования тепла.

Для космического корабля основными взаимодействиями с окружающей средой являются поступающая энергия от Солнца и тепло излучалось 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 отслеживают или измеряют характеристики Земли и окружающей ее среды, а также пилотируемыми 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 элементы космических аппаратов, такие как солнечные панели с низкой тепловой инерцией, могут быть серьезно затронуты этой непрерывно изменяющейся средой и могут потребовать очень специфических решений по тепловому расчету.
• Геостационарная орбита (GEO)
  • В этом 24- По 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 орбите этого типа.
• Высокоэкцентрические 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 космические аппараты воздействию широкого диапазона 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, 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 мощности, необходимой для этой фазы выживания.

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

• батареи, которые имеют очень узкий рабочий диапазон, обычно от -5 до 20 ° C.
• Компоненты силовой установки, которые имеют типичный диапазон от 5 до 40 ° C в целях безопасности по причинам, однако, приемлем более широкий диапазон.
• Камеры, которые имеют диапазон от -30 до 40 ° C.
• Солнечные батареи, которые имеют широкий рабочий диапазон от -150 до 100 ° C.
• Инфракрасные спектрометры, которые работают в диапазоне от -40 до 60 ° C.

Покрытие

Покрытия являются наиболее простыми и наименее дорогими из методы 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) является наиболее распространенным пассивным элементом терморегулирования, используемым 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: тканая ткань из стекловолокна, пропитанная PTFE тефлоном, PVF, армированная Nomex, связанная с полиэфирным клеем, и FEP Тефлон. Общее требование к внутреннему слою заключается в том, что он должен иметь низкий коэффициент излучения. Чаще всего для этого слоя используют 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 покрытий: дакрон и сетка 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.

Нагреватели

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 нагревателя, патронный нагреватель, часто используется для нагрева блоки из материала или высокотемпературных компонентов, таких как топливо. 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.
• Другим типом нагревателя, используемым на космических кораблях, являются блоки радиоизотопных нагревателей, 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 используемым материалом является 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 в миссии Cassini было использовано 117 RHU.

Радиаторы

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

Избыточное отработанное тепло, создаваемое на космическом корабле, является отклонены в космос за счет использования радиаторов отопления. 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. Радиаторы вес, как правило, варьируется от почти ничего, если существующего структурного панель используется в качестве радиатора, около 12 кг / м для тяжелого развертываемого радиатора и его опорной конструкции.

Радиаторы Международной космической станции отчетливо видны в виде массивов белых квадратных панелей, прикрепленных к основной ферме.

Тепловые трубы

Тепловые трубы используют замкнутые двухфазные жидкостный цикл с испарителем и конденсатором для передачи относительно большого количества тепла из одного места в другое без электроэнергии.

• Композитные материалы
• Отвод тепла через усовершенствованные пассивные радиаторы
• Устройства распылительного охлаждения (например, жидкокапельный радиатор )
• Легкий термический изоляция
• Технологии переменного эмиттанса
• Алмазные пленки
• Покрытия с улучшенным терморегулированием
  • Микросхемы
  • Улучшенное распыление тонких пленок
  • Посеребренные кварцевые зеркала
  • Усовершенствованные металлизированные пленки на полимерной основе

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

Полноразмерный тест солнцезащитного экрана для космического телескопа Джеймса Уэбба

В конструкции космического корабля солнцезащитный экран ограничивает или снижает тепло, вызываемое солнечным светом, падающим на космический корабль. Пример использования теплового экрана - на Инфракрасной космической обсерватории. Солнцезащитный экран ISO помог защитить криостат от солнечного света, и он также был покрыт солнечным светом. панели.

Не следует путать с концепцией солнечного щита глобального масштаба в геоинженерии, часто называемого космическим солнцезащитным козырьком или «Солнечным щитом», в котором В этом случае сам космический корабль используется для блокировки солнечного света на планете, а не как часть его тепловой конструкции.

Примером солнцезащитного экрана в конструкции космического корабля является Sunshield (JWST) на планируется Космический телескоп Джеймса Уэбба.

• Экологический контроль и система жизнеобеспечения
• Космический навес
• Контроль температуры

• Гилмор, Д.Г., «Справочник по спутниковому терморегулированию», The Aerospace Corporation Press, 1994.
• Карам, Р.Д., Контроль температуры спутников для системных инженеров, Прогресс в астронавтике и аэронавтике, AIAA, 1998.
• Гилмор, Д.Г., «Справочник по терморегулированию космических аппаратов, 2-е изд.», The Aerospace Corporation Press, 2002.
• Де Паролис, Миннесота, и У. Пинтер-Крайнер. Современные и будущие методы терморегулирования космических аппаратов 1. Конструкторские драйверы и современные технологии. 1 августа 1996 г. Интернет: 5 сентября 2014 г.