Охлаждение спутника

Как правило, спутники используют радиационное охлаждение для поддержания теплового равновесия при желаемой температуре.

То, как они это делают, во многом зависит от специфики орбиты спутника вокруг Земли. Например, солнечно-синхронные спутники обычно всегда имеют одну сторону в солнечном свете и одну сторону в темноте. Их особенно легко сохранять прохладными, потому что вы можете нанести белое покрытие на сторону, обращенную к солнцу, и черное покрытие на темную сторону. Белое покрытие имеет низкое значение поглощения излучения, в то время как черное покрытие имеет высокое значение излучения излучения. Это означает, что он может поглощать как можно меньше света, излучая при этом больше теплового излучения.

Различные типы спутников имеют разные стратегии охлаждения, но в целом охлаждение достигается за счет нанесения на космический аппарат функциональных покрытий, которые снижают или повышают поглощательную/излучательную/отражательную способность его различных поверхностей. При проектировании спутника космические инженеры проводят тепловой анализ и множество расчетов, чтобы определить, какие поверхности должны иметь какие значения поглощения, чтобы спутник мог поддерживать желаемую температуру.

Мне трудно быть более конкретным, чем это. Но именно поэтому любой хороший космический инженер знает, как найти покрытие с желаемыми значениями коэффициента поглощения/излучения в течение дня или двух.

Например, Международная космическая станция (МКС) имеет внешние тепловые излучатели. Они похожи на солнечные батареи, но вместо того, чтобы указывать плоской стороной на солнце, они указывают на пустое пространство. Аммиачный контур переносит тепло от различных частей космической станции к радиаторам.

Это изображение радиатора: ( источник )

• Внешняя активная система термоконтроля в Википедии

Сам спутник может обойтись радиационным охлаждением, но некоторые приборы на борту, например, ИК-сенсоры, требуют температур ниже 4 К, для чего используются гелиевые дьюары. Болометры требуют еще более низких температур (в диапазоне мК).

Хорошее резюме доступно здесь .

Существует несколько способов управления температурным режимом (охлаждением и обогревом) спутника и космического корабля в целом. Тепло от космического корабля в космосе можно отводить только излучением, если предположить, что космический корабль находится вне атмосферы планеты, такой как Земля или Титан (крупнейший спутник Сатурна) или Марс. Может использоваться комбинация одного или нескольких методов управления температурным режимом в зависимости от нескольких факторов, таких как полетное задание, допустимый диапазон температур, нагревательные и охлаждающие нагрузки, продолжительность полета, наличие экипажа или нет, а также доступный бюджет. Вот пример:

1. Использование покрытий и одеял для изоляции космического корабля от космоса. Это заблокирует солнечное излучение, поступающее на космический корабль. Он также сохраняет тепло космического корабля, а дополнительные нагреватели используются для поддержания желаемого диапазона температур. Затем избыточное выделяемое тепло отводится, например, путем непосредственного прикрепления мощного оборудования к поверхности металлической пластины, называемой радиатором.

2. Тепловые трубки и петлевые тепловые трубки также могут использоваться в сочетании с вариантом 1. Тепловые трубки могут способствовать достижению равномерной температуры в компонентах, а также могут передавать тепло из высокотемпературного салона к радиаторам.

3. Контуры жидкости с механическим перекачиванием, действующие как тепловая шина, могут использоваться для отбора тепла от горячих компонентов и доставки его либо к компонентам, которым требуется тепло, либо к радиатору.

4. Материалы с фазовым переходом, такие как парафин, обладают высокой теплоемкостью и могут накапливать и выделять тепло по требованию, проходя через плавление / замораживание.

5. Жалюзи представляют собой пассивные системы, устанавливаемые перед радиатором. В условиях высокой температуры лопасти остаются открытыми, чтобы отводить тепло, но в холоде они автоматически закрываются. Биметаллическая пружина пассивно открывает/закрывает лопасти за счет теплового расширения.

6. Для криогенных приложений, таких как ИК-датчики, где необходимы низкие температуры, могут использоваться криогенные жидкости, такие как жидкий гелий. Жидкий гелий может поглощать тепло, испаряться и выделяться во время коротких миссий. В длительной миссии радиатор отводит тепло или даже может использоваться цикл охлаждения.

7. Также использовались термоэлектрическое охлаждение и нагрев. Радиоизотопный нагрев вместо резистивного могут использовать в межпланетных полетах

Вот некоторые примеры:

1. Международная космическая станция, огромный спутник, использует контуры жидкости с механической накачкой. Марсоход и марсианский научный круг также используют контуры жидкости с механической накачкой.

2. Телескоп Хаббл, большой спутник, в основном покрытия, одеяла и обогреватели

3. Спутник Программы поддержки обороны (DSP), который имеет ИК-датчик, помимо покрытий и одеял, использует материалы с фазовым переходом в сочетании с гелиевой петлей, которая отводит тепло через радиаторы.

4. Воздушные шары, летающие в стратосфере Земли, использовали колеблющиеся тепловые трубки, а также слабую конвекцию и излучение.

5. В спутниках могут использоваться петлевые тепловые трубки и тепловые трубки с переменной проводимостью.

Мортеза Эсламян, доктор технических наук, инженер-гидротехник
/теплотехник