Bài tập lớn môn thông tin vệ tinh Các phương pháp điều khiển nhiệt độ

Vệ tinh chứa bên trong nó rất nhiều thiết bị và linh kiện điện tử. Mỗi linh kiện điện tử đều có dải nhiệt độ an toàn để chúng vận hành. Do đặc thù chuyển động rất nhanh trên quỹ đạo và đặc tính tỏa nhiệt khi các thiết bị điện tử hoạt động, sự biến thiên nhiệt độ rất nhanh và rất lớn, có thể làm nhiệt độ của thiết bị vượt ra ngoài dải giá trị cho phép. Do vậy, để đảm bảo tuổi thọ của vệ tinh, cần có các biện pháp ổn định và giữ cho nhiệt độ của vệ tinh trong khoảng an toàn.

Báo cáo bài tập lớn môn thông tin vệ tinh. Mục lục Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 1 1. Tại sao phải điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh. Vệ tinh chứa bên trong nó rất nhiều thiết bị và linh kiện điện tử. Mỗi linh kiện điện tử đều có dải nhiệt độ an toàn để chúng vận hành. Do đặc thù chuyển động rất nhanh trên quỹ đạo và đặc tính tỏa nhiệt khi các thiết bị điện tử hoạt động, sự biến thiên nhiệt độ rất nhanh và rất lớn, có thể làm nhiệt độ của thiết bị vượt ra ngoài dải giá trị cho phép. Do vậy, để đảm bảo tuổi thọ của vệ tinh, cần có các biện pháp ổn định và giữ cho nhiệt độ của vệ tinh trong khoảng an toàn. 2. Các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới nhiệt độ của vệ tinh. Các vệ tinh khi chuyển động trên cao, xung quanh Trái Đất chịu ảnh hưởng chủ yếu của bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trời gián tiếp (do phản xa từ Trái Đất), bức xạ hồng ngoại của Trái Đất. Những vệ tinh quỹ đạo tầm thấp (LEO) cũng chịu ảnh hưởng mạnh do quá trình ma sát với bầu khí quyển trong khi chuyển động. Ngoài ra, bên trong vệ tinh, khi các thiết bị điện tử hoạt động tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể. Phần này sẽ đề cập tới các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới vệ tinh. Hình 2.1. các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới vệ tinh 2.1. Bức xạ trực tiếp từ mặt trời (direct sunlight). Mặt trời là nguồn bức xạ ổn định, cường độ phát bức xạ từ mặt trời biến động thường nhỏ hơn 1% với chu kì khoảng 11 năm (bằng chu kì hoạt động của mặt trời). Tuy nhiên, do quỹ đạo Trái Đất hình elipse nên khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt trời sẽ thay đổi trong năm, phụ thuộc vào vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời. Điều này dẫn đến cường độ bức xạ mặt trời tại Trái Đât biến độ khoảng 3.5% (từ 1322 W/m 2 đến 1414 W/m 2 ). Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 2 Cường độ bức xạ của mặt trời phụ thuộc vào bước sóng trong phổ ánh sáng mặt trời. Hình 2.2 thể hiện phân bố cường độ bức xạ theo bước sóng ánh sáng mặt trời. Theo đó, khoảng 7% năng lượng tập trung trong vùng có bước sóng tử ngoại. 46% năng lượng tập trung trong vùng ánh sáng nhìn thấy và 47% năng lượng ánh sánh tập trung trong vùng hồng ngoại. Hình 22: Phân bó năng lượng bức xạ mặt trời theo bước sóng 2.2. Bức xạ mặt trời phản chiếu từ trái đất (albedo). Ánh sáng mặt trời phản xạ từ Trái đất gọi là albedo. Loại nguồn bức xạ kiểu này biến động rất lớn. Thường thi ánh sáng phản xạ từ Trái Đất mà vệ tinh nhận được khi di chuyển qua vùng lục địa sẽ lớn hơn khi di chuyển qua vùng đại dương. Ngoài ra, cường độ bức xạ ánh sáng phản xạ từ mặt đất sẽ tăng khi góc nhìn mặt trời giảm và lượng mây tăng. 2.3. Bức xạ hồng ngoại từ trái đất. Các tia sáng mặt trời không bị phản xạ ngược lại vào không gian sẽ bị trái đất hấp thụ và phát xạ ngược trở lại dưới dạng bức xạ hồng ngoại. cường độ bức xạ hồng ngoại này tương đối ổn định. Sự biến động của cường độ bức xạ hồng ngoại có thể do nhiệt độ cục bộ trên bề mặt trái đất, độ che phủ mây. Những nơi cường độ bức xạ hồng ngoại mạnh đó là vùng sa mạc hoặc vùng nhiệt đới. như vậy, nhìn chung, cường độ bức xạ hồng ngoại tăng khi vĩ độ giảm. ngoài ra độ che phủ của mây càng nhiều thì càng làm giảm cường độ bức xạ hồng ngoại. Hình 2.3 dưới đây biểu diễn dữ liệu cường độ bức xạ albedo và cường độ bức xạ hồng ngoại trong trường hợp cold case. Đây là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học tại trung tâm nghiên cứu vũ trụ Mỹ (NASA). Các số liệu được thu thập nhờ cảm biến nhạy albedo và nhạy Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 3 IR của tram không gian quốc tế ISS từ năm 1990. Nhìn vào đây có thể thấy, cường độ bức xạ albedo tăng dần còn cường độ bức xạ hồng ngoại giảm dần khi vĩ độ tăng. Hình 23: Bảng thống kê cường độ bức xạ albedo và IR 2.4. Hiệu ứng nóng lên do ma sát với khí quyển. Hiệu ứng nóng lên do ma sát với khí quyển rất đáng kể đối với vệ tinh quỹ đạo tầm thấp. nhiệt lượng do ma sát khí quyền càng lớn khi mật độ không khí càng cao và tốc độ chuyển động của vệ tinh càng lớn: Q = 0.5αρV 3 , trong đó ρ là mật độ không khí, V là tốc độ của vệ tinh và α là hệ số phụ thuộc vị trí (nằm trong khoảng từ 0.6 đến 0.8). 2.5. Tỏa nhiệt do hoạt động của các thiết bị bên trong vệ tinh. Trong quá trình hoạt động, các thiết bị điện tử tỏa nhiệt. đây là năng lượng dư thừa, nếu không có phương pháp xử lý tản nhiệt, điều hòa nhiệt độ trong vệ tinh sẽ làm cho các thiết bị Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 4 dễ quá nhiệt và hỏng hoặc nhiệt độ giữa các bộ phận trong vệ tinh không đồng đều, dẫn đến hư hỏng do biến thiên môi trường lớn. 3. Các phương pháp điều khiển nhiệt độ. 3.1. Phân loại các phương pháp điều khiển nhiệt độ. Việc kiểm soát nhiệt độ có thể phân làm 2 nhóm chính: Điều khiển nhiệt độ thụ động. Điều khiển nhiệt độ tích cực. 3.2. Phương pháp điều khiển nhiệt độ thụ động. 3.2.1. Lớp phủ kiểm soát nhiệt (Thermal Surface Finishes). Lớp phủ kiểm soát nhiệt phụ thuộc bước sóng được dùng trong việc thiết kế điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh. Để tối thiểu hóa sự hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời, các bộ phản xạ ánh sáng mặt trời (ví dụ như bộ gương bề mặt thứ cấp), lớp phủ sơn trắng, lớp phủ bạc – Teflon hoặc nhôm – Teflon được sử dụng. Để tối thiểu hóa sự hấp thụ năng lượng mặt trời và sự phát xạ hồng ngoại, kim loại mạ bóng được sử dụng như nhôm mạ vàng. Hai tính chất quan trọng nhất của bất kì một loại bề mặt nào đó là phát xạ hồng ngoại và hấp thụ ánh sáng mặt trời. Hình 3.1 biêu diễn tính chất của các loại vật liệu khác nhau. Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 5 Hình 3: Tính chất hấp thụ và phát xạ của bề mặt Các bề mặt kiểm soát nhiệt được phân làm 4 loại cơ bản (hình 3.2): phản xạ ánh sáng mặt trời (solar reflector), hấp thụ ánh sáng mặt trời (solar absorber), phản xạ phẳng (flat reflector) và hấp thụ phẳng (flat absorber). Các bề mặt thuộc loại phản xạ ánh sáng mặt trời thì phản xạ tốt ánh sáng mặt trời trong khi hấp thụ hoặc phát xạ tốt bức xạ hồng ngoại. Các bề mặt thuộc loại hấp thụ ánh sáng mặt trời trong khi vẫn có thể phát xạ một lượng nhỏ năng lượng bức xạ hồng ngoại. Các bề mặt thuộc loại phản xạ phẳng thì phản xạ cả bức xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại, trong khi các bề mặt thuộc loại hấp thụ phẳng thì ngược lại. Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 6 Hình 3: Bốn loại bề mặt kiểm soát nhiệt độ Hình 3.3 dưới đây liệt kê một số tính chất quang học của các bề mặt kiểm soát nhiệt độ. Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 7 Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 8 Hình 3 : Tính chất quang học của một số bề mặt kiểm soát nhiệt độ Lớp phủ bên ngoài của vệ tinh bao gồm lớp vỏ cách nhiệt, áo bức xạ nhiệt và sơn. Lớp vỏ cách nhiệt ngoài cùng được làm bằng nhôm Kapton, black Kapton hoặc beta Kapton. Nhôm Kapton là vật liệu nhôm được mạ vàng dày từ 1 đến 3mils, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời ở mức độ vừa phải, phát xạ bức xạ hồng ngoại ở mức độ cao. Black Kapton là một vật liệu có chứa cacbon, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời rất cao. Beta Kapton là vật liệu thủy tinh được phủ Teflon, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời ở mức độ thấp và phát xạ bức xạ hồng ngoại ở mức độ cao. Áo bức xạ nhiệt điển hình là gương bề mặt thứ cấp (second – surface mirror) được mô tả như hình 3.4. Cấu trúc của gương bề mặt thứ cấp bao gồm vật liệu phủ trong suốt (ví dụ như thủy tinh thạch anh hoặc Teflon) để đạt được khả năng phát xạ hồng ngoại cao, đồng thời sử dụng lớp vỏ kim loại (như bạc hoặc nhôm) để giảm khả năng hâp thụ bức xạ mặt trời. Thường thì bề mặt phía bên trong của vệ tinh được sơn màu đen để thu được hệ số phát xạ cao, trong khi bề mặt phía bên ngoài của vệ tinh được sơn màu trắng để giảm nhỏ hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời. Hình 3- : Cấu trúc bề mặt gương thứ cấp 3.2.2. Lớp cách ly (Isulation). Cách ly đa tầng (multilayer insulation – MLI) và rào chắn bức xạ đơn tầng (single- layer radiation barrier) là những phần tử kiểm soát nhiệt độ rất phổ biến trên vệ tinh. MLI ngăn cản mất nhiệt từ các phần tử và sự quá nhiệt do tác động từ môi trường bên Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 9 ngoài. Rào chắn bức xạ đơn tầng thỉnh thoảng dùng ở những chỗ ít đòi hỏi về cách ly nhiệt trong MLI . MLI gồm nhiều lớp mỏng có độ bức xạ thấp, được mô tả như trong hình 3.5. Hình 3: Cấu trúc bộ cách ly đa tâng Nhiệt truyền qua MLI là tổ hợp của các yếu tố bức xạ, truyền nhiệt qua chất rắn, truyền nhiệt qua chất khí. Các dạng truyền nhiệt này có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách. Để giảm khả năng truyền nhiệt bằng bức xạ, ta có thể sử dụng phương pháp phủ bề mặt bằng kim loại xung quanh vật thể muốn cách ly nhiệt. Để giảm khả năng truyền nhiệt qua chất rắn, ta có thể giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc giữa các lớp trong MLI. Việc truyền nhiệt qua chất khí cũng được tối thiểu hóa bằng cách sử dụng phương pháp cách ly chân không. 3.2.3. Bộ bức xạ (Radiators). Nhiệt dư thừa trong vệ tinh được loại bỏ vào trong không gian thông qua các bề mặt của bộ bức xạ. Các bộ bức xạ có thể ở nhiều loại khác nhau, ví dụ như bộ phát xạ Passive Structure Radiator (PSR), bộ phát xạ Structural Panel, bộ phát xạ Body- Mounted, …. Nhưng dù là loại nào, thì nguyên lý đưa nhiệt vào không gian cũng là sử dụng phát xạ bức xạ hồng ngoại từ bề mặt bức xạ. Công suất bức xạ này phụ thuộc vào hệ số phát xạ bề mặt và nhiệt độ của nó: Q = AεσT 4 . Trong đó, A là diện tích bề mặt của bộ bức xạ, ε là hệ số phát xạ hồng ngoại, σ là hằng số Stefan – Boltzmann (5,669.10 -8 W/m 2 .K 4 ), T là nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt bộ bức xạ. Thường thi các bộ bức xạ trên vệ tinh loại bỏ khoảng từ 100W đến 350W nhiệt lượng trên một met vuông ra bên ngoài. Hầu hết các bộ bức xạ đều có hệ số phát xạ hồng ngoại bề mặt cao (ε > 0.8) để nâng cao khả năng loại bỏ nhiệt và hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời thấp Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 10 [...]... việc ổn định nhiệt độ của toàn vệ tinh ở mức mong muốn (hình 3.18) Nguyên lý cơ bản của ứng dụng này như sau Khi các thiết bị bên trong hoạt động, nhiệt độ bên trong vệ tinh tăng lên, lúc này các chuyển mạch nhiệt sẽ chuyển sang chế độ dẫn nhiệt, đưa nhiệt lượng ra bên ngoài Trong trường hợp các thiết bị không hoạt động, bộ chuyển mạch nhiệt đóng vai trò cách nhiệt, lúc này, nhiệt độ của các thiết bị... Kết luận Như vậy, qua tìm hiểu về cấu trúc vệ tinh, đặc biệt là tìm hiểu về phân hệ điều khiển nguồn, em đã giải thích được tại sao phải điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh Em cũng đã trả lời được câu hỏi những nguồn nhiệt nào tác động lên nhiệt độ của vệ tinh và có những phương pháp nào để điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh 5 Tài liệu tham khảo Spacecraft_Thermal_Control_Handbook.pdf – David Gilrmore Nguyễn... nóng (Heaters) Bộ làm nóng được sử dụng trong hệ thống điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh để bảo vệ các thiết bị điện tử trong điều kiện nhiệt độ quá thấp, hoặc giữ cho nhiệt độ thiết bị trên ngưỡng tối thiếu trước khi nó đi vào hoạt động Bộ làm nóng sử dụng máy điều nhiệt hoặc vi điều khiển bán dẫn để điều khiển nhiệt độ của thiết bị điện tử một cách chính xác Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang... để điều khiển nhiệt độ của mỗi phần tử (hình 3.17) Ở đây, bộ chuyển mạch nhiệt được đặt giữa thiết bị điện tử cần làm mát và một thiết bị thu nhiệt Bình thường, bộ chuyển mạch nhiệt ở chế độ cách nhiệt Khi thiết bị điện tử hoạt động, một phần điện năng biến đổi thành nhiệt và làm nhiệt độ của thiết bị tăng lên Khi nhiệt độ tăng lên tới một ngưỡng nhất định thì bộ chuyển mạch nhiệt chuyển sang chế độ. .. chế độ dẫn nhiệt Nhiệt lượng từ thiết bị điện tử được truyền qua bộ Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 19 chuyển mạch nhiệt sang tấm thu nhiệt Nhiệt độ càng cao so với ngưỡng thì độ dẫn nhiệt càng lớn Nhờ vào điều này cho phép giữ được nhiệt độ thiết bị điện tử trong ngưỡng cho phép Hình 3: Ứng dụng của bộ chuyển mạch nhiệt để kiểm soát nhiệt độ của thiết bị Ngoài ra, bộ chuyển mạch nhiệt cũng... chuyển mạch nhiệt là thiết bị có khả năng thay đổi vai trò dẫn nhiệt hoặc cách nhiệt Bộ chuyển mạch nhiệt khác với máy nhiệt Máy nhiệt cho phép đóng/mở mạch điện tử để đạt được một nhiệt độ mong muốn, còn bộ chuyển mạch nhiệt có chức năng đóng/mở để tạo ra một đường dẫn nhiệt/ cách nhiệt Bộ chuyển mạch nhiệt hiện nay có hai loại là parafin heat switches và cryogenic heat switches Bộ chuyển mạch nhiệt được... Hệ thống PCM TES Các loại vật liệu chuyển pha rất hay dùng đó là các vật liệu dễ hóa lỏng (solid – liquid), vật liệu dễ hóa hơi (liquid to gas), vật liệu dễ thăng hoa (solid to gas) Hình 3.13 liệt kê các vật liệu chuyển pha được sử dụng cho ứng dụng kiểm soát nhiệt độ trên vệ tinh Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 16 Hình 3: Vật liệu chuyển pha 3.3 Phương pháp điều khiển nhiệt độ tích cực 3.3.1... bên trong vệ tinh vẫn được duy trì mà không bị hạ xuống quá thấp Hình 3: Ứng dụng của bộ chuyển mạch để ổn định nhiệt độ trên vệ tinh 3.3.4 Ống dẫn nhiệt (Heat Pipes) Ống dẫn nhiệt sử dụng vật liệu chuyển pha liquid-flow để vận chuyển nhiệt từ nơi này đến nơi khác Cấu trúc của ống dẫn nhiệt như hình 3.19 Ở đây, vật liệu chuyển pha loại liquid-flow được chứa trong một đường ống Thiết bị sinh nhiệt sẽ... hấp thụ từ bên trong (do tỏa nhiệt trên các thiết bị điện tử) bằng lượng bức xạ hồng ngoại mà bề mặt phát ra Bộ bức xạ Structural Panels kết hợp ống dẫn nhiệt Nếu sử dụng tấm tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn, thì chưa chắc đủ sức tản nhiệt ra bên ngoài, giữ cho thiết bị trong dải nhiệt độ cho phép Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách tăng diện tích tản nhiệt lên nhưng nó sẽ làm tăng... – SPU) Nhiệt lượng tỏa ra khi SPU hoạt động được hấp thụ bởi khối PCM và cuối cùng được thoát ra bên ngoài nhờ bộ bức xa Hình 3: Ứng dụng sử dụng vật liệu chuyển pha một cách lâu dài Một mô hình khác cho phép xử lý lượng nhiệt dư thừa một cách tập trung (hình 3.12) Ở trong mô hình này, lượng nhiệt dư thừa từ một số thiết bị được dẫn về khối lưu trữ nhiệt PCM (PCM TES) thông qua các ống dẫn nhiệt để