Fagstoff

Termisk kontroll

Publisert: 06.10.2010, Oppdatert: 26.01.2011

Ein satellitt i rommet oppheld seg i eit termisk krevjande miljø. Han kan bli utsett for sollys med ein intensitet på rundt 1 360 W/m2, avhengig av årstida, og ei jordstråling på 200 W/m2. I delar av tida kan han vere i jordskuggen, omgidd av eit verdsrom med ein temperatur på ca. 4 K, altså –268 °C. I satellitten vil det vere ymse varmekjelder, som til dømes effektforsterkarar i ein kringkastingssatellitt, og denne varmen må leiast bort. Solstråling kan gi lokale oppvarmingar som fører til mekanisk deformasjon av antennespegel, og slik deformasjon kan endre strålingsdiagrammet. Mykje av utstyret i satellitten må opererast innanfor relativt smale temperaturtoleransar sett i høve til dei temperaturvariasjonane som kan skje i rommet. Termisk konstruksjon av ein satellitt er derfor ei krevjande oppgåve som gjer det naudsynt med omfattande analysar. Konstruktøren har ei rekkje metodar og komponentar tilgjengeleg for å halde dei ulike delane av satellitten innanfor temperaturgrensene.

Krav til temperaturkontroll

Dei ulike komponentane i ein satellitt må haldast innan visse temperaturgrenser for at dei skal fungere korrekt. Nokre typiske verdiar er viste i tabellen:

Batteri, NiH2
–5 °C til 20 °C
Solceller –100 °C til +100 °C
Elektronikk –10 °C til 50 °C
Drivstofftankar +10 °C til +50 °C

Passiv termisk kontroll

Det enklaste og mest brukte hjelpemiddelet for temperaturkontroll er å gi dei ulike flatene belegg som påverkar varmestråling og absorpsjon. Absorpsjon av effekt, P, for ei flate utsett for sollys er bestemd av absorpsjonskoeffisienten, α, arealet, A, og strålingsintensiteten, C. For stråling frå sola varierer han med avstanden, altså med årstida, frå 1 326 W/m2 midtsommars til 1 418 W/m2 midtvinters.

\[P_{abs} = C \cdot \alpha \cdot A\]

Ei 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.

\[P_{em} = \varepsilon \cdot A \cdot \sigma \cdot T^4 \]

Både absorpsjonskonstanten og emisjonskonstanten er unamna tal mellom 0 og 1. Det er tilhøvet mellom emisjonskonstant og absorpsjonskonstant som er viktig for å bestemme den temperaturen ei flate vil få. Tabellen viser desse verdiane for nokre aktuelle overflater.


α ε α/ε
Kvit epoxy på substrat
0,25 0,90 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 0,81 0,825 0,98

Likevektstemperaturen er altså avhengig av tilhøvet mellom α og ε, og desse koeffisientane varierer sterkt for ulike overflater, som vist i tabellen.

Døme

Lat oss berekne den temperaturen ei homogen kule med radius r ville få om ho blei plassert i verdsrommet. Med homogen i denne samanhengen meiner vi at heile kula har fått same temperatur. Absorpsjonskoeffisienten definerer kor stor del av den innkomande effekten som blir absorbert i flata. Det arealet som fangar opp effekt, er gitt av πr2, og den totale effekten som blir absorbert, blir dermed

\[P_{abs} = \alpha \cdot \pi \cdot r^2 \cdot C\]

Arealet av den flata som stråler ut effekt, vil for ei kule vere den totale overflata, som er gitt av 4πr2. Utstrålt effekt, Putstr, vil derfor vere gitt av

\[P_{utstr} = \varepsilon \cdot \sigma \cdot 4\pi r^2 \cdot T^4 \]

Når kula er i termisk likevekt, vil Pabs = Putstr

T=αεCσ4

Set vi inn verdiane frå tabellen ovanfor, ser vi at kvit, svart og gullfarga kule vil få likevekttemperaturar på s –100 °C, 12 °C og 168 °C. Dette er store temperaturskilnader som viser kor viktig det er å velje riktig materiale i romfarkostar.

Gull har den eigenskapen at absorpsjonskoeffisienten er fem gonger så høg som emisjonskoeffisienten. Gullbelagt materiale er derfor mykje brukt for å få komponentar til å halde på varmen best mogleg.

Optiske solreflektorar (OSR) er speglar av kvartsglas med sylv som speglande materiale. Tilhøvet mellom absorpsjon og emisjon er ekstremt lågt slik at likevektstemperaturen blir låg. Slike overflater blir derfor ofte brukte på nord- og sørflanken på treaksestabiliserte satellittar for å leie bort varme frå effektforsterkarar og batteri. Solcellepanela blir sterkt eksponerte for sollyset, og derfor er dei termiske eigenskapane for slike panel viktige.

I tillegg til å bruke ulik overflate for å regulere absorpsjon og utstråling vil det internt i ein satellitt vere varmeleiarar av ulike slag.

Aktiv termisk regulering

I ein geostasjonær satellitt er det nord- og sørpanela som alltid peikar mot kaldt verdsrom, og som er best eigna for å gi frå seg termisk energi. Oppgåva blir dermed å transportere energien til desse panela, og det gjerast i stor grad med varmeregulatorar. Det blir hovudsakeleg brukt tre typar aktive temperaturregulatorar.

Varmerøyr, heat pipes

Varmerøyr er baserte på fordamping og kondensering av ei væske og verkar på same måte som aggregatet i eit absorpsjonskjøleskap. Røyret inneheld ei væske som fordampar der røyret er varmt, og kondenserer der røyret gir frå seg varme til omgjevnadene. Ved hjelp av eit eigna porøst stoff, ein veike, vil kapillærkreftene føre væska tilbake til den varme delen der ho igjen fordampar. Varmerøyret blir dermed eit lukka system.

VarmerørVarmerøyr
Forfatter: Gunnar Stette

Val av væske i varmerøyret er bestemt av kva temperaturar det opererer ved. Ammoniakk, som er vanleg i kjøleskap, kan brukast over temperaturområdet frå 200 K til 500 K. Metanol har eit litt smalare temperaturområde. For høge temperaturar blir det brukt materiale som kvikksylv og litium. Ved dei låge temperaturane blir det nytta oksygen, hydrogen eller nitrogen. Ved dei lågaste temperaturane, 15 K, blir hydrogen brukt.

For å få eit inntrykk av varmetransportkapasiteten for slike røyr kan vi sjå på dei som blei brukte i MARECS-satellitten frå ca. 1980. Han blei utvikla av ESA og var den første operative satellitten i INMARSAT-systemet. Eit varmerøyr av aluminium med diameter 15 mm og med ammoniakk som gass kan transportere 200 watt effekt over ein avstand på 1 meter når temperaturskilnaden er 1 grad. Massen for eit slikt røyr var 0,4 kg, og det har den fordelen at det korkje treng effekttilførsel eller har rørlege delar. Dagens varmerøyr har større kapasitet, over 500 watt per meter.

For enda større ytekraft kan det vere føremålstenleg å bruke varmerøyr der væska blir pumpa, som i eit vanleg kjøleaggregat, da desse yt meir. I bemanna romfartøy har varmerøyr med pumper vore brukte i lang tid.

Skjermar og persienner

Skjermar og persienner kan brukast til å variere emisjons- og absorpsjonseigenskapane for overflater, som vist på figuren.

Persienner for termisk kontrollPersienner
Opphavsmann: Gunnar Stette

Persienner med emisjonskoeffisient  ε1 er montert framfor ei bakgrunnsoverflate med emisjonskoeffisient ε2. Når persienna er stengd, som på figuren (a), vil derfor flata stråle ut varme med ein emisjonskoeffisient bestemd av persienna, ε1. I det andre yttertilfellet, når persiennene står normalt på flata, som i figur (b), vil utstrålinga vere som bestemd av emisjonskoeffisienten til materialet under persienna, ε2. Ved å variere persiennevinkelen kan den totale emisjonskoeffisienten varierast kontinuerleg mellom dei to ytterverdiane. Som praktisk realisering kan slike persienner vere utstyrte med bimetalleiningar som regulerer vinkelen etter temperaturen slik at ein får automatisk temperaturregulering. Ei bimetalleining er ei plate sett saman av to metallplater med svært ulik varmeutvidingskoeffisient. Når temperaturen endrar seg, vil dei to metalldelane utvide seg ulikt og derfor føre til at eininga blir bøygd.

Elektriske varmeelement

Dette er ganske enkelt små "varmeomnar" som kan brukast til lokal oppvarming av kritiske komponentar, som til dømes hydrasintankar, sidan hydrasin frys ved 0 °C. Røyr for flytande drivstoff vil gjerne vere pakka i isolerande materiale med varmeelement som kan aktiverast ved behov.

Oppvarmingsgraden kan skje ved ei kontinuerleg regulering av straumstyrken eller ved å styre breidda og frekvensen for straumpulsar med standard styrke.

Den termiske konstruksjonen av ein satellitt vil vere basert på normal drift av dei ulike systemkomponentane. I ein kommunikasjonssatellitt vil til dømes effektforsterkarane alltid vere aktive og utvikle sterk varme. Dette vil ha blitt teke omsyn til. Dersom, på grunn av feil, “vedlikehald” eller andre tilhøve, slike komponentar er ute av drift, vil det føre til ei unormal nedkjøling. Da kan det vere naudsynt å ha ei varmekjelde som blir aktivert, og som held oppe den normale varmeutviklinga i satellitten. Til dette blir det brukt varmeelement.