¿Por qué los satélites pueden funcionar en el espacio a menos 270 grados? Los secretos de los sistemas de control térmico de las naves espaciales.
Hace unos días, SpaceX completó con éxito el lanzamiento de 60 satélites en un cohete y la primera etapa del cohete se recuperó con éxito. La etapa superior del cohete Falcon 9 desplegó 60 satélites Starlink en una órbita de 440 km. Se basará en su propia propulsión eléctrica para maniobrar en una órbita de 550 kilómetros con una inclinación de 53° y funcionar durante 5 años. Cada satélite pesa sólo 227 kilogramos. Este lanzamiento de 60 satélites lleva el nombre en código starlink block v0.9 dentro de SpaceX. No hay espacio entre satélites. Enlace y satélite prototipo de antena en banda Ka.
Se utiliza principalmente para pruebas de despliegue y pruebas de maniobras en órbita. Cada satélite está equipado con un propulsor eléctrico Hall alimentado con criptón (no se deje confundir por la palabra criptón. ¿Cree que Musk finalmente se ha detenido? ¿Ser tacaño? Aunque a Musk le gusta ver la segunda dimensión, cuando se trata de jugar, definitivamente es un jugador bajo en criptón.
Aunque el combustible de criptón tiene un nombre elegante, todavía es para ahorrar dinero. , porque la propulsión eléctrica tradicional utiliza combustible de xenón, mucho más barato. Aunque el rendimiento del combustible de criptón ha disminuido, el precio del xenón de alta pureza por metro cúbico es de 18 a 20 veces mayor que el del gas criptón. para que sus instrumentos funcionen de manera estable a -200 En el entorno del espacio exterior de múltiples grados Celsius, el sistema de regulación de la temperatura corporal del pequeño satélite Starlink no es nada simple. Esta vez, la versión del bloque de satélites Starlink v0.9 adopta un rectángulo plano. forma Para mejorar la utilización del espacio dentro del carenado, los futuros satélites Starlink Todos los satélites Starlink deberían adoptar este conveniente diseño de estructura de apilamiento
Los satélites Starlink son diseñados y producidos conjuntamente por SpaceX y su socio ***; SpaceX aún no ha anunciado los datos de diseño relevantes de la plataforma satelital, pero a juzgar por su estructura y control de costos consistente, su control térmico debe ser tecnologías como revestimiento de espejo de superficie secundaria, parche de red de tuberías de calor, elemento calefactor eléctrico, aislamiento multicapa y calor. aislamiento, sin embargo, los detalles de la información de su plataforma aún no se han anunciado. Los planes de SpaceX para lanzarse en 2021 completaron el lanzamiento de 700 satélites Starlink antes de este año.
Cuando no hay iluminación estelar, la temperatura del espacio es de unos -270 grados centígrados, que es la temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas. Gracias al Big Bang, esta es la temperatura residual que dejó. , y en la órbita terrestre baja que enfrentamos Cuando el sol brilla sobre él, el metal se calentará por la radiación solar a 260 grados Celsius. Hoy en día, la irradiancia solar promedio fuera de la atmósfera terrestre es generalmente de 1367W/metro cuadrado. alrededor del sol es elíptica, la irradiancia solar también variará a lo largo del año y cambiará constantemente.
Las naves espaciales de órbita baja también se verán afectadas por la luz solar y la radiación infrarroja reflejada por la Tierra. La temperatura de la superficie del lado soleado de la Estación Espacial Internacional alcanzará los 121 grados Celsius, mientras que la parte trasera será tan baja como -157 grados Celsius. Los instrumentos internos también producirán una cierta cantidad de radiación térmica cuando estén en funcionamiento. en el espacio? El sistema de control térmico de la nave espacial surgió según lo requerían los tiempos, permitiendo que cada sistema funcione en su propio entorno de temperatura apropiado.
Cada instrumento y equipo de la nave espacial tiene su propia temperatura de trabajo adecuada. Generalmente, las baterías recargables funcionan entre -5 y 20 grados Celsius, los equipos comunes funcionan entre -15 y 50 grados Celsius y las cámaras CCD funcionan entre -15 y 50 grados Celsius. -30 a 40 grados Celsius, los telescopios astronómicos espaciales y los telescopios infrarrojos también tienen requisitos especiales de baja temperatura para reducir el ruido térmico de fondo.
Para trabajar de manera estable y mejorar la precisión de los sensores ópticos, los sensores ópticos, los relojes atómicos y los giroscopios también tienen requisitos especiales de temperatura constante.
Para evitar que las diferencias de temperatura provoquen deformaciones estructurales y provoquen una gran deformación de las estructuras ópticas, las grandes naves espaciales ópticas, como el Telescopio Hubble y el Telescopio Webb, también tienen estrictos requisitos de uniformidad de temperatura de los instrumentos. La misión del sistema de control térmico de la nave espacial es garantizar que cada sistema y equipo pueda funcionar dentro de un rango de temperatura adecuado y garantizar la estabilidad de la temperatura de toda la plataforma del satélite.
La esencia de su trabajo es realizar varios intercambios de calor. Revisémoslo aquí. El intercambio de calor se divide en conducción de calor, convección de calor y radiación térmica. Los dos primeros son fáciles de entender. La radiación se refiere a la radiación a través de ondas electromagnéticas. Irradia calor hacia el exterior y su velocidad de disipación depende de su propia temperatura. Cuanto mayor es la temperatura, más fuerte es la radiación y más rápido se disipa. Diferentes naves espaciales funcionan en diferentes órbitas, como satélites de órbita baja, satélites de órbita geosincrónica, sondas de espacio profundo, etc., y los requisitos de sus sistemas de control térmico también son muy diferentes.
Antes del lanzamiento, en el segmento terrestre antes del encendido y el lanzamiento, la temperatura ambiente de la carga de la misión se ve afectada por el clima local del lugar de lanzamiento. El control térmico de la nave espacial es el principal responsable del aire acondicionado. Sistema de torre de tierra. Durante el lanzamiento, es decir, desde el encendido hasta la etapa de ascenso antes de entrar en órbita, el cohete vuela a gran velocidad en la atmósfera, como el vehículo de lanzamiento Ariane 5, y la temperatura de la superficie del carenado superará los 700 grados centígrados. Si no tiene un diseño de aislamiento térmico lo suficientemente bueno, afectará directamente la temperatura interna y externa de la carga de la tarea. Para obtener detalles sobre el carenado, consulte: ¿Qué le pasa al carenado del cohete? ¿Por qué lo abandonaron las naves espaciales tripuladas de próxima generación de China, Estados Unidos y Rusia? Durante el período desde que se abre y separa el carenado hasta que entra en órbita, los paneles solares de la nave espacial aún no se han desplegado, el suministro de energía es insuficiente y el sistema de control térmico no funciona completamente. El control de temperatura durante este período depende de. medidas como el control de actitud del diseño de la órbita.
Después de entrar en órbita, la nave espacial está expuesta a la radiación térmica directa del sol y a la luz reflejada de la Tierra. Debido a la actitud de la nave espacial, varias partes de la superficie también tienen diferencias de temperatura considerables. La órbita se mueve, la temperatura también aumentará constantemente. A excepción de las naves espaciales de carga y las naves espaciales con necesidades especiales, las cabinas de las naves espaciales que operan en un entorno de vacío no están selladas. Para las naves espaciales no selladas, es decir, la mayoría de los satélites, el intercambio de calor interno es la conducción de calor y la radiación de calor entre las estructuras de los instrumentos. La nave espacial sellada está inflada internamente, no solo hay conducción y radiación de calor, sino también intercambio de calor por convección de gas.
El sistema de control térmico de la nave espacial incluye control térmico activo y control térmico pasivo.
Cuando hay demasiado calor externo absorbido desde el exterior y calor residual del funcionamiento interno del instrumento, se requiere que el sistema de control térmico lo disipe mediante radiación. Cuando falta radiación de calor externa, se utiliza una interna. Se requiere una fuente de calor para generar calor y mantener la temperatura.
Cuando hay demasiado calor, la radiación térmica hacia afuera puede depender del recubrimiento de control térmico en la superficie de la nave espacial, que se divide aproximadamente en tipo electroquímico, tipo de pintura y espejo de superficie secundaria. Las propiedades son diferentes, un espejo de superficie secundaria es una superficie compuesta compuesta por una capa superficial transparente y una capa posterior metálica que refleja la luz visible, que es el componente de control térmico más básico de cualquier nave espacial. La parte posterior del revestimiento del espejo de la superficie secundaria está recubierta con aluminio o plata, que tiene las características de bajo índice de absorción solar y alta emisividad. Según las fotografías publicadas en la red de satélites Starlink y considerando los indicadores de diseño, el revestimiento de control térmico debería ser. Espejo de película delgada tipo II.
Para reducir la pérdida de calor de cada instrumento y aislar el flujo de calor ambiental, la mayoría de las partes de la nave espacial están envueltas con múltiples capas de materiales aislantes, que son responsables del aislamiento térmico del motor, propulsor tuberías de tanques, baterías y otros equipos.
La resistencia térmica de contacto también desempeña el mismo papel y también puede proteger el equipo interno de la erosión del oxígeno atómico y el impacto de micrometeoritos. Se caracteriza por una conductividad térmica extremadamente baja. La película dorada brillante en el exterior de los detectores satelitales que vemos a menudo es la película aislante multicapa (MLI).
Como sugiere el nombre, se trata de una estructura multicapa, que consta de una capa reflectante, una capa espaciadora, una capa de revestimiento, etc. La capa reflectante utiliza un revestimiento metálico de película delgada orgánica o una lámina metálica. La película delgada orgánica es generalmente una película de poliimida, que se combina con el metal. La combinación de capas actúa como resistencia a la radiación y protección térmica pasiva. La capa espaciadora es una tela de malla y la capa reflectante de metal utilizada depende de las necesidades específicas. La capa de revestimiento más externa también es una película de poliimida recubierta de metal, por lo que la nave espacial que vemos a veces usa un traje plateado en el exterior. . Con el tiempo, su reflectividad alcanzará 97 o incluso más.
Por ejemplo, el parasol del telescopio Webb está compuesto por 5 capas de película MLI de material aislante térmico multicapa. Cada capa reflectante MLI es una película de poliimida aluminizada de doble cara.
Para la sonda Parker, que desafía activamente las altas temperaturas de la corona solar, los ingenieros también diseñaron especialmente un gran escudo térmico con un diámetro de 2,3 metros para reflejar la radiación térmica y reducir la conducción de calor.
La superficie de este gran escudo térmico es una capa reflectante de óxido de aluminio blanco. El cuerpo del escudo térmico de 11,4 cm de espesor está hecho de un material compuesto de carbono-carbono intercalado con un material aislante de espuma. Barra de entusiasmo de 1300 Celsius de capa corona.
La tecnología de control térmico de tubos de calor, que es crucial para los satélites de comunicaciones de gran capacidad, ciertamente no estará ausente de los satélites Starlink. Su gran consumo de energía térmica y su alta densidad de potencia requieren un sistema de red de tubos de calor para resolver el problema. Problema de control térmico. Tuberías de calor Es un tubo cerrado con varias capas de estructuras de malla en la pared interior para formar un núcleo capilar, y un centro hueco fluye en el medio y el condensado fluye entre las estructuras de malla.
Después de que el tubo de calor entra en contacto con la fuente de calor del instrumento, el condensado en la estructura de red de la pared del tubo se evapora y el vapor refluye después de enfriarse en el otro extremo del tubo de calor. se condensa y luego regresa a la estructura de la red, completando todo el proceso de intercambio de calor. Reduce la diferencia de temperatura entre el lado soleado y el lado posterior, aprovecha al máximo el calor residual generado por los instrumentos y equipos y logra condiciones isotérmicas entre los instrumentos.
Los tubos de calor pueden formar una red de tubos de calor para transferir calor desde todas las partes de la nave espacial al radiador, como la disipación de calor por rejilla que se describe a continuación.
Las rejillas instaladas fuera de la nave espacial controlan la tasa de disipación de calor controlando las aspas giratorias para bloquear la placa base de disipación de calor; el conjunto del radiador de rejilla consta de cinco componentes principales: placa base, aspas, actuador y sensor. Elementos y componentes estructurales cinemáticos.
La placa inferior es la que irradia el calor hacia el exterior y se conecta a la red de heatpipes, pudiendo también utilizarse directamente un radiador plano o un panel de disipación de calor expandible.
Cuando todavía hace demasiado calor para cumplir con los requisitos de temperatura de funcionamiento del instrumento y equipo, se necesita refrigeración termoeléctrica. El principio de funcionamiento de los dispositivos de refrigeración termoeléctricos se basa en el efecto Peltier. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de la unión de diferentes metales, la unión se enfría. Muchas naves espaciales también transportan líquidos a temperaturas ultrabajas, como nitrógeno líquido, para completar la refrigeración mediante una combinación de tubos de calor en bucle y elementos de refrigeración.
Sin embargo, no todas las naves espaciales requieren fuertes capacidades de disipación de calor. Por ejemplo, las sondas del espacio profundo alejadas del sol requieren un sistema de control térmico para proporcionar calor a cada instrumento. ciclo de operación También se requiere acceso al lado lejano del satélite. Los calentadores se utilizan junto con termostatos para garantizar un control preciso de la temperatura de componentes específicos. O precaliente los componentes del instrumento a su temperatura de funcionamiento más baja antes de encenderlos. El calentador más común utilizado en naves espaciales es un calentador de parche, que consiste en un elemento resistivo, generalmente un cable calefactor u otro elemento calefactor eléctrico, intercalado entre dos o más piezas de material aislante eléctrico flexible.
Muy delgados, pueden colocarse dentro de instrumentos o envolverse alrededor de algunos tubos para calentarlos. Los calentadores SMD pueden envolver un solo circuito o varios circuitos al mismo tiempo. El control de la temperatura se realiza mediante una computadora o un sólido. controlador estatal.
También existen dos métodos de calentamiento: calentamiento por cilindros y calentamiento por isótopos radiactivos. Para las sondas del espacio profundo, después de llegar fuera de Júpiter, la radiación solar ya es muy baja si todavía se depende de los paneles solares. La energía generada por los paneles solares se reduce considerablemente, lo que dificulta satisfacer la demanda de energía de los instrumentos y equipos detectores. Por ejemplo, la sonda Parker, la más cercana al Sol en la historia de la humanidad, tiene una potencia total de sólo 343 vatios. Cualquier computadora de escritorio que instales en casa consumirá más energía que ella. Los calentadores eléctricos obviamente no pueden satisfacer las necesidades del espacio profundo. sondas, veamos el campo de la energía nuclear en este momento, es decir, las unidades de calentamiento de radioisótopos.
Proporcionan calor donde se necesita sin consumir ninguna electricidad valiosa. Cada unidad de calentamiento isotópico se basa en la desintegración de un material radiactivo para proporcionar calor; el material más utilizado es el plutonio-238.
Una única unidad de calefacción utilizada por la NASA para las sondas del espacio profundo pesa sólo 42 gramos y puede instalarse en una carcasa cilíndrica con un diámetro de 26 mm y una longitud de 32 mm. La tasa de producción de calor disminuye con el tiempo.
Cada componente del instrumento tiene su propio diseño térmico especial para cumplir con sus propios requisitos únicos de temperatura constante, baja temperatura, uniformidad, etc. Cada satélite tiene su propio diseño de sistema de control térmico especializado según su plan de misión. El pequeño satélite Starlink de 227 kilogramos debe funcionar de manera estable en el espacio durante mucho tiempo y proporcionar servicios de Internet de alta velocidad, y su tecnología de control térmico no puede tolerar ningún descuido. En el futuro, en respuesta al continuo desarrollo y exploración del campo espacial, la tecnología de control térmico también seguirá mejorando en respuesta a las necesidades.