Controle térmico da nave espacial - Spacecraft thermal control

Guarda-sol de MESSENGER, orbitador do planeta Mercúrio

No projeto de espaçonave , a função do sistema de controle térmico ( TCS ) é manter todos os sistemas de componentes da espaçonave dentro de faixas de temperatura aceitáveis ​​durante todas as fases da missão. Ele deve lidar com o ambiente externo, que pode variar em uma ampla faixa conforme a espaçonave é exposta ao espaço profundo ou ao fluxo solar ou planetário, e com a ejeção para o espaço do calor interno gerado pela operação da própria espaçonave.

O controle térmico é essencial para garantir o desempenho ideal e o sucesso da missão, pois se um componente for submetido a temperaturas muito altas ou muito baixas, pode ser danificado ou seu desempenho pode ser seriamente afetado. O controle térmico também é necessário para manter componentes específicos (como sensores ópticos, relógios atômicos, etc.) dentro de um requisito de estabilidade de temperatura especificado, para garantir que funcionem da forma mais eficiente possível.

Sistemas ativos ou passivos

O subsistema de controle térmico pode ser composto por itens passivos e ativos e funciona de duas maneiras:

  • Protege o equipamento de superaquecimento, seja por isolamento térmico de fluxos de calor externos (como o Sol ou o infravermelho planetário e fluxo de albedo), ou por remoção adequada de calor de fontes internas (como o calor emitido pelo equipamento eletrônico interno).
  • Protege o equipamento de temperaturas muito baixas, por isolamento térmico de pias externas, por absorção aprimorada de calor de fontes externas ou pela liberação de calor de fontes internas.

Os componentes do sistema de controle térmico passivo ( PTCS ) incluem:

  • Isolamento multicamadas (MLI), que protege a espaçonave do aquecimento solar ou planetário excessivo, bem como do resfriamento excessivo quando exposta ao espaço profundo.
  • Revestimentos que alteram as propriedades termo-ópticas de superfícies externas.
  • Enchimentos térmicos para melhorar o acoplamento térmico em interfaces selecionadas (por exemplo, no caminho térmico entre uma unidade eletrônica e seu radiador).
  • Lavadoras térmicas para reduzir o acoplamento térmico nas interfaces selecionadas.
  • Dobradores térmicos para espalhar na superfície do radiador o calor dissipado pelo equipamento.
  • Espelhos (espelhos de superfície secundários, SSM ou refletores solares ópticos, OSR) para melhorar a capacidade de rejeição de calor dos radiadores externos e, ao mesmo tempo, para reduzir a absorção de fluxos solares externos.
  • Unidades de aquecedor de radioisótopos (RHU), usadas por algumas missões planetárias e exploratórias para produzir calor para fins de TCS.

Os componentes do sistema de controle térmico ativo ( ATCS ) incluem:

  • Aquecedores elétricos resistivos controlados termostaticamente para manter a temperatura do equipamento acima de seu limite inferior durante as fases frias da missão.
  • Loops de fluido para transferir o calor emitido pelo equipamento para os radiadores. Eles podem ser:
    • loops monofásicos, controlados por uma bomba;
    • loops bifásicos, compostos de heat pipes (HP), loop heat pipes (LHP) ou capilares bombeados (CPL).
  • Grelhas (que mudam a capacidade de rejeição de calor para o espaço em função da temperatura).
  • Refrigeradores termoelétricos .

Sistemas de controle térmico

Parker Solar Probe em testes térmicos
  • Interação com o ambiente
    • Inclui a interação das superfícies externas da espaçonave com o ambiente. As superfícies precisam ser protegidas do meio ambiente ou deve haver uma interação melhorada. Dois objetivos principais da interação com o meio ambiente são a redução ou aumento dos fluxos ambientais absorvidos e a redução ou aumento das perdas de calor para o meio ambiente.
  • Coleta de calor
    • Inclui a remoção do calor dissipado do equipamento no qual é criado para evitar aumentos indesejados na temperatura da espaçonave.
  • Transporte de calor
    • Está levando o calor de onde ele é criado para um dispositivo de irradiação.
  • Rejeição de calor
    • O calor coletado e transportado deve ser rejeitado em uma temperatura adequada para um dissipador de calor, que geralmente é o ambiente do espaço circundante. A temperatura de rejeição depende da quantidade de calor envolvida, da temperatura a ser controlada e da temperatura do ambiente em que o dispositivo irradia o calor.
  • Fornecimento e armazenamento de calor.
    • É para manter um nível de temperatura desejado onde o calor deve ser fornecido e uma capacidade de armazenamento de calor adequada deve ser prevista.

Meio Ambiente

Para uma espaçonave, as principais interações ambientais são a energia proveniente do Sol e o calor irradiado para o espaço profundo. Outros parâmetros também influenciam o projeto do sistema de controle térmico, como altitude, órbita, estabilização de atitude e formato da nave. Diferentes tipos de órbita, como órbita baixa da Terra e órbita geoestacionária, também afetam o projeto do sistema de controle térmico.

  • Órbita terrestre baixa (LEO)
    • Esta órbita é freqüentemente usada por naves espaciais que monitoram ou medem as características da Terra e seu ambiente circundante e por laboratórios espaciais não tripulados e tripulados, como EURECA e a Estação Espacial Internacional . A proximidade da órbita com a Terra tem grande influência nas necessidades do sistema de controle térmico, com a emissão infravermelha e o albedo da Terra desempenhando um papel muito importante, assim como o período orbital relativamente curto, inferior a 2 horas, e a longa duração do eclipse. Pequenos instrumentos ou apêndices de espaçonaves, como painéis solares com baixa inércia térmica, podem ser seriamente afetados por esse ambiente em constante mudança e podem exigir soluções de design térmico muito específicas.
  • Órbita geoestacionária (GEO)
    • Nesta órbita de 24 horas, a influência da Terra é quase desprezível, exceto pelo sombreamento durante os eclipses, que podem variar em duração de zero no solstício a um máximo de 1,2 horas no equinócio. Longos eclipses influenciam o design dos sistemas de aquecimento e isolamento da espaçonave. As variações sazonais na direção e intensidade da entrada solar têm um grande impacto no design, complicando o transporte de calor pela necessidade de transportar a maior parte do calor dissipado para o radiador na sombra, e os sistemas de rejeição de calor através do radiador aumentado área necessária. Quase todas as telecomunicações e muitos satélites meteorológicos estão neste tipo de órbita.
  • Órbitas altamente excêntricas (HEO)
    • Essas órbitas podem ter uma ampla gama de altitudes de apogeu e perigeu, dependendo da missão em particular. Geralmente, eles são usados ​​para observatórios de astronomia, e os requisitos de projeto TCS dependem do período orbital da espaçonave, o número e a duração dos eclipses, a atitude relativa da Terra, do Sol e da espaçonave, o tipo de instrumentos a bordo e seus requisitos individuais de temperatura.
  • Espaço profundo e exploração planetária
    • Uma trajetória interplanetária expõe a espaçonave a uma ampla gama de ambientes térmicos mais severos do que aqueles encontrados nas órbitas da Terra. A missão interplanetária inclui muitos sub-cenários diferentes, dependendo do corpo celeste específico. Em geral, as características comuns são uma missão de longa duração e a necessidade de lidar com condições térmicas extremas, como cruzeiros próximos ou distantes do Sol (de 1 a 4-5 UA), órbita baixa de muito frio ou muito corpos celestes quentes, descidas em atmosferas hostis e sobrevivência em ambientes extremos (empoeirados, gelados) nas superfícies dos corpos visitados. O desafio para o TCS é fornecer capacidade de rejeição de calor suficiente durante as fases operacionais quentes e ainda sobreviver às fases inativas frias. O maior problema geralmente é o fornecimento da energia necessária para essa fase de sobrevivência.

Requisitos de temperatura

Os requisitos de temperatura dos instrumentos e equipamentos a bordo são os principais fatores no projeto do sistema de controle térmico. O objetivo do TCS é manter todos os instrumentos funcionando dentro da faixa de temperatura permitida. Todos os instrumentos eletrônicos a bordo da espaçonave, como câmeras, dispositivos de coleta de dados, baterias, etc., têm uma faixa fixa de temperatura de operação. Manter esses instrumentos em sua faixa de temperatura operacional ideal é crucial para todas as missões. Alguns exemplos de faixas de temperatura incluem

  • Baterias, que têm uma faixa de operação muito estreita, normalmente entre −5 e 20 ° C.
  • Componentes de propulsão, que têm uma faixa típica de 5 a 40 ° C por razões de segurança, no entanto, uma faixa mais ampla é aceitável.
  • Câmeras, que variam de −30 a 40 ° C.
  • Matrizes solares, que têm uma ampla faixa de operação de -150 a 100 ° C.
  • Espectrômetros de infravermelho, que variam de −40 a 60 ° C.

Tecnologias atuais

Revestimento

Os revestimentos são os mais simples e menos caros das técnicas TCS. Um revestimento pode ser tinta ou um produto químico mais sofisticado aplicado às superfícies da espaçonave para diminuir ou aumentar a transferência de calor. As características do tipo de revestimento dependem de sua absortividade, emissividade, transparência e refletividade. A principal desvantagem do revestimento é que ele se degrada rapidamente devido ao ambiente operacional.

Isolamento multicamadas (MLI)

O isolamento multicamada (MLI) é o elemento de controle térmico passivo mais comum usado em naves espaciais. O MLI evita as perdas de calor para o meio ambiente e o aquecimento excessivo do meio ambiente. Os componentes da espaçonave, como tanques de propelente, linhas de propelente, baterias e motores de foguete sólidos também são cobertos com mantas MLI para manter a temperatura operacional ideal. MLI consiste em uma camada de cobertura externa, uma camada interna e uma camada de cobertura interna. A camada de cobertura externa precisa ser opaca à luz do sol, gerar uma pequena quantidade de partículas contaminadas e ser capaz de sobreviver no ambiente e na temperatura aos quais a espaçonave será exposta. Alguns materiais comuns usados ​​para a camada externa são tecido de fibra de vidro impregnado com Teflon PTFE , PVF reforçado com Nomex ligado com adesivo de poliéster e Teflon FEP . O requisito geral para a camada interna é que ela precisa ter uma baixa emitância. O material mais comumente usado para esta camada é Mylar aluminizado em um ou ambos os lados. As camadas internas são geralmente finas em comparação com a camada externa para economizar peso e são perfuradas para ajudar na ventilação do ar preso durante o lançamento. A tampa interna está voltada para o hardware da espaçonave e é usada para proteger as finas camadas internas. As tampas internas geralmente não são aluminizadas para evitar curtos elétricos. Alguns materiais usados ​​para as coberturas internas são redes Dacron e Nomex. Mylar não é usado devido a problemas de inflamabilidade. As mantas MLI são um elemento importante do sistema de controle térmico.

Louvers

As venezianas são elementos de controle térmico ativos que são usados ​​em muitas formas diferentes. Mais comumente, eles são colocados sobre radiadores externos, as venezianas também podem ser usadas para controlar a transferência de calor entre as superfícies internas da espaçonave ou ser colocadas em aberturas nas paredes da espaçonave. Uma veneziana em seu estado totalmente aberto pode rejeitar seis vezes mais calor do que em seu estado totalmente fechado, sem a necessidade de energia para operá-la. A persiana mais comumente usada é a persiana de lâmina retangular bimetálica, acionada por mola e também conhecida como persiana veneziana. Os conjuntos do radiador da grelha consistem em cinco elementos principais: placa de base, lâminas, atuadores, elementos sensores e elementos estruturais.

Aquecedores

Os aquecedores são usados ​​no projeto de controle térmico para proteger os componentes em condições ambientais de caixa fria ou para compensar o calor que não é dissipado. Aquecedores são usados ​​com termostatos ou controladores de estado sólido para fornecer controle de temperatura exato de um componente específico. Outro uso comum para aquecedores é aquecer os componentes até suas temperaturas operacionais mínimas antes de ligá-los.

  • O tipo mais comum de aquecedor usado em espaçonaves é o aquecedor de remendo, que consiste em um elemento de resistência elétrica imprensado entre duas folhas de material eletricamente isolante flexível, como Kapton . O aquecedor de patch pode conter um único circuito ou vários circuitos, dependendo se a redundância é necessária ou não dentro dele.
  • Outro tipo de aquecedor, o aquecedor de cartucho , costuma ser usado para aquecer blocos de material ou componentes de alta temperatura, como propelentes. Este aquecedor consiste em um resistor enrolado envolto em uma caixa metálica cilíndrica. Normalmente, um orifício é feito no componente a ser aquecido e o cartucho é colocado no orifício. Os aquecedores de cartucho geralmente têm um quarto de polegada ou menos de diâmetro e até alguns centímetros de comprimento.
  • Outro tipo de aquecedor usado em espaçonaves são as unidades de aquecedor de radioisótopo, também conhecidas como RHUs. RHUs são usados ​​para viajar para planetas exteriores além de Júpiter devido à radiação solar muito baixa, o que reduz muito a energia gerada por painéis solares. Esses aquecedores não requerem energia elétrica da espaçonave e fornecem calor direto onde é necessário. No centro de cada RHU está um material radioativo, que se decompõe para fornecer calor. O material mais comumente usado é o dióxido de plutônio . Um único RHU pesa apenas 42 gramas e pode caber em um gabinete cilíndrico de 26 mm de diâmetro e 32 mm de comprimento. Cada unidade também gera 1 W de calor no encapsulamento, porém a taxa de geração de calor diminui com o tempo. Um total de 117 RHUs foram usados ​​na missão Cassini .

Radiadores

Painéis e radiadores (painéis quadrados brancos) em ISS após STS-120

O excesso de calor residual criado na espaçonave é rejeitado para o espaço pelo uso de radiadores. Os radiadores vêm em várias formas diferentes, como painéis estruturais de espaçonaves, radiadores de placa plana montados na lateral da espaçonave e painéis implantados depois que a espaçonave estiver em órbita. Qualquer que seja a configuração, todos os radiadores rejeitam o calor por radiação infravermelha (IV) de suas superfícies. A potência radiante depende da emissividade e da temperatura da superfície. O radiador deve rejeitar o calor residual da espaçonave e quaisquer cargas de calor radiante do ambiente. A maioria dos radiadores recebem, portanto, acabamentos de superfície com alta emissividade IR para maximizar a rejeição de calor e baixa absorção solar para limitar o calor do sol. A maioria dos radiadores de espaçonaves rejeita entre 100 e 350 W de resíduos eletrônicos gerados internamente por metro quadrado. O peso dos radiadores normalmente varia de quase nada, se um painel estrutural existente for usado como um radiador, até cerca de 12 kg / m 2 para um radiador desdobrável pesado e sua estrutura de suporte.

Os radiadores da Estação Espacial Internacional são claramente visíveis como arranjos de painéis quadrados brancos presos à treliça principal.

Tubos de calor

Os tubos de calor usam um ciclo fechado de fluxo de líquido de duas fases com um evaporador e um condensador para transportar quantidades relativamente grandes de calor de um local para outro sem energia elétrica.

Futuro dos sistemas de controle térmico

  • Materiais compostos
  • Rejeição de calor através de radiadores passivos avançados
  • Dispositivos de resfriamento de spray (por exemplo, radiador de gota de líquido )
  • Isolamento térmico leve
  • Tecnologias de emissão variável
  • Filmes de diamante
  • Revestimentos de controle térmico avançado
    • Microsheets
    • Spray avançado em filmes finos
    • Espelhos de quartzo prateado
    • Filmes avançados à base de polímero metalizado

Eventos

Um grande evento na área de controle térmico de espaço é a Conferência Internacional sobre Sistemas Ambientais , organizada todos os anos pela AIAA . Outro é o Workshop Europeu de Análise Térmica Espacial

Escudo solar

Teste de tamanho completo da proteção solar para o Telescópio Espacial James Webb

No projeto de espaçonaves, um escudo solar restringe ou reduz o calor causado pela luz solar que atinge uma espaçonave. Um exemplo de uso de escudo térmico está no Infrared Space Observatory . O protetor solar ISO ajudava a proteger o criostato da luz solar e também era coberto por painéis solares.

Não deve ser confundido com o conceito de um escudo solar em escala global na geoengenharia , muitas vezes chamado de guarda - sol espacial ou "escudo solar", nesse caso, a própria espaçonave é usada para bloquear a luz do sol em um planeta, não como parte da energia térmica da espaçonave Projeto.

Um exemplo de sunsheild em design de nave espacial é o Sunshield (JWST) no telescópio espacial James Webb planejado .

Veja também

Bibliografia

Referências