Fagstoff

Termisk kontroll

Publisert: 29.09.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

En satellitt i rommet befinner seg i et termisk krevende miljø. Den kan bli utsatt for sollys med en intensitet på rundt 1360 W/m2 avhengig av årstiden, og en jordstråling på 200 W/m2. I deler av tiden kan den være i jordskyggen, omgitt av et verdensrom med en temperatur på ca. 4 K, altså  –268 °C. I satellitten vil det være forskjellige varmekilder, som for eksempel effektforsterkere i en kringkastingssatellitt, og denne varmen må ledes bort. Solbelysning kan gi lokale oppvarminger som fører til mekanisk deformasjon av antennespeil, og slik deformasjon kan  forandre strålingsdiagrammet. Mye av utstyret i satellitten må opereres innenfor relativt smale temperaturtoleranser sett i forhold til de temperaturvariasjonene som kan forekomme i rommet. Termisk konstruksjon av en satellitt er derfor en krevende oppgave som krever omfattende analyser. Konstruktøren har en rekke metoder og komponenter tilgjengelig for å holde de forskjellige delene av satellitten innenfor temperaturgrensene.

Krav til temperaturkontroll

De forskjellige komponentene i en satellitt må holdes innen visse temperaturgrenser for at de skal fungere korrekt. Noen typiske verdier er vist i tabellen:

Batterier NiH2   -5 °C til 20°C
Solceller   -100 °C til +100 °C
Elektronikk    10 °C til 50 °C
Drivstofftanker          
  +10 °C til +50 °C

 

Passiv termisk kontroll

Det enkleste og mest brukte hjelpemiddel for temperaturkontroll er å gi de forskjellige flatene belegg som påvirker varmestråling og absorpsjon. Absorpsjon av effekt, P, for en flate utsatt for sollys er bestemt av absorpsjonskoeffisienten, α, arealet, A, og strålingsintensiteten, C. For stråling fra sola varierer den med avstanden, altså med årstiden, fra 1326 W/m2 midtsommers til 1418 W/m2 midtvinters.

Pabs=C·α·A
En flate vil også stråle ut energi. Den utstrålte effekten er avhengig av emisjonskoeffisienten, ε, Stefan-Bolzmanns konstant, 5,67 10-8 W/(m2 T4) og den absolutte temperaturen T.

Putstr=ε·A·σ·T4
Både absorpsjonskonstanten og emisjonskonstanten er ubenevnte tall mellom 0 og 1. Det er forholdet mellom emisjonskonstant og absorpsjonskonstant som er viktig for bestemmelse av den temperaturen en flate vil få. Tabellen viser disse verdiene for noen aktuelle overflater.

  α ε α/ε
Hvit epoxy på substrat       
0,25     
0,890   
0,28     
Svart maling 0,975 0,874 1,12
Gull 0,30 0,023 13
Optisk solreflektor 0,077 0,79 0,10
Solceller 0,80 0,90 0,90

Likevektstemperaturen er altså avhengig av forholdet mellom α og ε, og disse koeffisientene varierer sterkt for forskjellige overflater, som vist i tabellen.

Aktiv termisk regulering

I en geostasjonær satellitt er det nord og sydpanelene som alltid peker mot kaldt verdensrom, og som er best egnet for å avgi termisk energi. Oppgaven blir dermed å transportere energien til disse panelene, og det gjøres i stor grad med varmeregulatorer. Det brukes hovedsakelig tre typer aktive temperaturregulatorer:

Varmerør, heat pipes

Disse er basert på fordampning og kondensering av en væske og virker på samme måte som aggregatet i et absorpsjonskjøleskap. Røret inneholder ei væske som fordamper der hvor røret er varmt, og kondenserer hvor røret avgir varme til omgivelsene. Ved hjelp av et egnet porøst stoff, en veke, vil kapillærkreftene føre væska tilbake til den varme delen hvor den igjen fordampes. Varmerøret blir dermed et lukket system.

Varmerør for termisk kontrollVarmerør
Forfatter: Gunnar Stette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Persienner for termisk kontrollPersienner
Opphavsmann: Gunnar Stette

 

 

Valg av væske i varmerøret er bestemt av hvilke temperaturer det opererer ved. Ammoniakk, som er vanlig i kjøleskap, kan brukes over temperaturområdet fra 200 K til 500 K.

Metanol har et litt smalere temperaturområde. For høye temperaturer brukes materialer som kvikksølv og litium. Ved de lave temperaturene benyttes oksygen, hydrogen eller nitrogen. Ved de laveste temperaturene, 15 K, brukes hydrogen.
For å få et inntrykk av varmetransportkapasiteten for slike rør kan vi se på de som ble brukt i MARECS-satellitten fra ca. 1980. Den ble utviklet av ESA og var den første operative satellitten i INMARSAT-systemet. Et varmerør av aluminium med diameter 15 mm og med ammoniakk som gass kan transportere 200 watt effekt over en avstand på 1 meter når temperaturforskjellen er 1 grad. Massen for et slikt rør var 0,4 kg, og det har den fordelen at det hverken trenger effekttilførsel, eller at det har bevegelige deler. Dagens varmerør har større kapasitet, over 500 watt per meter.
For enda større ytelser kan det være hensiktsmessig å bruke varmerør hvor vesken blir pumpet, som i et vanlig kjøleaggregat, da disse har større ytelse. I bemannede romfartøyer har varmerør med pumper vært brukt i lang tid

Skjermer og persienner

Skjermer og persienner kan brukes til å variere emisjons- og absorpsjonsegenskapeneforoverflater, som vist på figuren.

Elektriske varmeelementer

Dette er ganske enkelt små "varmeovner" som kan brukes til lokal oppvarming av kritiske komponenter, som for eksempel hydrasintanker, siden hydrasin fryser ved 0 °C. Rør for flytende drivstoff vil gjerne være pakket i isolerende materiale med varmeelementer som kan aktiveres ved behov.

Oppvarmingsgraden kan skje ved en kontinuerlig regulering av strømstyrken eller ved å styre bredden og frekvensen for strømpulser med standard styrke.
Den termiske konstruksjonen av en satellitt vil være basert på normal drift av de forskjellige systemkomponentene. I en kommunikasjonssatellitt vil for eksempel effektforsterkerne alltid være aktiv og utvikle sterk varme. Dette vil være tatt hensyn til. Hvis, på grunn av feil, “vedlikehold” eller andre forhold, slike komponenter er ute av drift, vil det føre til en unormal nedkjøling. Da kan det være nødvendig å ha en varmekilde som aktiveres og som opprettholder den normale varmeutviklingen i satellitten. Da brukes varmeelementer.
Oppgaver

Teoretisk stoff for

Generelt

Relatert innhold

Fordypningsstoff for