Quản lý nhiệt cho vệ tinh là vấn đề rất được quan tâm trong quá trình thiết kế
và chế tạo vệ tinh. Để giải quyết bài toán quản lý nhiệt cho vệ tinh, hiện nay người ta sử dụng nhiều phương pháp kỹ thuật khác nhau. Kỹ thuật điều khiển nhiệt trên vệ
tinh có thể phân ra thành điều khiển nhiệt chủ động (ATC) và điều khiển nhiệt thụ động (PTC) [66]:
- PTC: không bao gồm các bộ phận có thể di chuyển. Nhiệt độ các thành phần của vệ tinh có thểđược giữ trong khoảng hoạt động thích hợp bằng cách điều khiển nhiệt thoát ra của các thành phần của vệ tinh thông qua dẫn nhiệt. Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu thêm điện năng từ vệ tinh, vốn đã khá hạn chế trong tổng lượng điện năng sản xuất ra được (chỉ thông qua pin mặt trời). Hơn nữa, phương pháp điều khiển nhiệt thụđộng cũng không yêu cầu mạch hay thiết bị
điều khiển, vì vậy mà thể tích chiếm dụng của hệ bên trong vệ tinh là nhỏ, không
ảnh hưởng đến thiết kế chung của vệ tinh. Tuy nhiên, nhược điểm của PTC là không thể hoạt động trong các môi trường quá khắc nghiệt hoặc đối với các thành phần sản sinh ra nhiệt quá lớn. Sau đây là một số thiết bị quản lý nhiệt bị động phục vụ cho việc quản lý nhiệt của vệ tinh:
+ Khoá nhiệt (Heat switches): Khóa nhiệt là loại thiết bị có khảnăng thay đổi hệ số dẫn nhiệt, nghĩa là có thể trở thành vật dẫn nhiệt tốt hoặc cách nhiệt tốt tuỳ
từng trường hợp. Khi được lắp vào giữa bộ quản lý nhiệt và thiết bị cần quản lý nhiệt, sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt của khóa nhiệt có thể được dùng để điều khiển nhiệt của thiết bị. Khoá nhiệt có thểđược sử dụng đểđiều khiển nhiệt độ của thiết bị
mà không cần sử dụng bộđiều khiển nhiệt, do vậy sẽ làm giảm năng lượng yêu cầu khi hoạt động cũng như mạch và phần mềm điều khiển. Trong quá trình sản xuất, một nhiệt độ mặc định sẽ được gán cho khóa nhiệt. Khi nhiệt độ của thiết bị cần
điều khiển nhiệt vượt quá nhiệt độ mặc định này, độ dẫn của khóa nhiệt sẽ tăng, cho phép phần nhiệt lượng dư thừa đi nhanh qua khóa nhiệt, đi đến bộ quản lý nhiệt và ra môi trường bên ngoài. Ngược lại, khi độ dẫn của khóa nhiệt giảm, thiết bị sẽ được giữấm ở mức thích hợp bằng nhiệt lượng tự phát ra. Thông thường có 2 cách
để lắp khóa nhiệt: một là lắp ở giữa bộ phận quản lý nhiệt bên ngoài và kết cấu của vệ tinh, hai là lắp trực tiếp ở giữa các thiết bị và kết cấu của vệ tinh.
Hình 1.19. Mô tả khóa nhiệt dùng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh [66] + Vật liệu thay đổi trạng thái (Phase Change Material-PCM): Các thiết bị
dùng trong quá trình phóng hoặc quay trở lại mặt đất có chu kỳ hoạt động rất ngắn và chỉ hoạt động một lần, tuy nhiên lại sản sinh ra nhiệt lượng rất lớn trong quá trình hoạt động. Chính vì vậy đối với những thiết bị như thế này, yêu cầu đề ra là trong khoảng thời gian dài không hoạt động và trong khoảng thời gian sinh ra nhiều
nhiệt, thiết bị vẫn phải được giữ trong dải hoạt động cho phép. Việc sử dụng PCM sẽ giữ cho thiết bị luôn ở trong trạng thái gần như đẳng nhiệt trong suốt quá trình vệ
tinh hoạt động. PCM sẽ được luân phiên đóng băng và làm nóng chảy: khi thiết bị
sinh ra nhiệt làm nóng PCM, lúc này PCM đang ở trạng thái đóng băng sẽ chuyển sang trạng thái lỏng (nhiệt độ không đổi). Trong quá trình thiết bị không hoạt động, nhiệt lượng sinh ra ở pha trước sẽđược giải phóng bằng bộ quản lý nhiệt và PCM lại trở lại trạng thái đóng băng. Vì vậy mà thiết bị luôn được giữở một nhiệt độ cố định.
+ Heatpipe: Heatpipe có thể di chuyển một lượng nhiệt tương đối lớn từ điểm này sang điểm khác dựa vào chu trình hai pha, từ đó tạo ra một bề mặt đẳng nhiệt. Cấu tạo của heatpipe gồm có bộ ngưng tụ, bộ bốc bay và một vùng đoạn nhiệt. Cả dung dịch lỏng và chất khí của heatpipe đều được giữở nhiệt độ bão hòa. Do heatpipe hoạt động dựa trên hiện tượng mao dẫn, nên bấc chỉ có thể cung cấp một lực chất lỏng tươngđối nhỏ, vì vậy mà heatpipe không quá hiệu quả trong quản lý nhiệt cho vệ tinh. Khi nhiệt lượng được phát ra (có thể từ một thiết bị đang hoạt
động hoặc do bị chiếu sáng trong một thời gian dài từ bức xạ mặt trời), nhiệt lượng này sẽđược chuyển đến bộ bốc bay. Tại đây nhiệt lượng này sẽ làm dung dịch lỏng
ở trong bấc bị bốc hơi, đồng thời làm tăng áp suất khí tại bộ bốc bay, làm cho khí mang theo nhiệt di chuyển từ bộ bốc bay đến bộ ngưng tụ. Ở bộ ngưng tụ, khí nóng khi tiếp xúc với bề mặt lạnh sẽ bị ngưng tụ thành dung dịch lỏng, nhiệt lượng sinh ra trong quá trình này được chuyển ra ngoài. Dung dịch ở bộ ngưng tụ thông qua hiện tượng mao dẫn sẽ quay trở lại bộ bốc bay, từđó tạo thành một chu trình khép kín không cần điều khiển.
- ATC: có thể khắc phục được nhược điểm của PTC. ATC có thể sử dụng một trong các thiết bịnhư heatpipe, louver, thiết bị làm mát/ làm nóng hay PFL.
Sau đây là một số thiết bị quản lý nhiệt chủ động phục vụ cho việc quản lý nhiệt của vệ tinh:
+ Cửa thông hơi (Louvers): Louvers là thiết bị nhiệt chủ động đã được ứng dụng nhiều trên vệ tinh. Ở trạng thái mở hoàn toàn, Louvers có thể giải thoát nhiệt
lượng gấp khoảng 6 lần so với khi đóng. Tuy là thiết bị điều khiển nhiệt chủ động
nhưng Louvers lại không cần sử dụng đến năng lượng. Louvers phù hợp nhất đối với các vệ tinh mà năng lượng toả ra của các thiết bị thay đổi lớn do sự thay đổi trong chu kỳ hoạt động. Ngày nay, Louvers thường gồm các chi tiết sau: tấm nền cánh, các cánh hình chữ nhật, bộ chuyền động lò xo lưỡng kim, bộ phận cảm biến, giá đỡ. Trước đây còn có hai loại Louvers được sử dụng là loại dùng thủy lực và loại chong chóng, tuy nhiên do hạn chế trong hiệu suất nên bây giờ không còn được sử dụng rộng rãi. Tấm nền cánh là một bề mặt có tỷ lệ hấp thụ trên phát xạ thấp, dùng để phủ lên các thành phần của vệ tinh cần được điều khiển nhiệt độ. Cánh
được điều khiển bởi bộ chuyền động, có tác dụng thay đổi khả năng quản lý nhiệt của Louvers. Khi các cánh được đóng lại, tấm nền cánh được bảo vệ và cách ly với môi trường bên ngoài, còn khi cánh được mở ra, tấm nền và môi trường bên ngoài sẽ có khả năng trao đổi nhiệt với nhau. Bộ chuyền động điều khiển cánh dựa vào nhiệt độ của tấm nền cánh. Bộ chuyền động ở đây là các dây lưỡng kim ở dạng xoắn, có khả năng co vào khi nhiệt độ giảm đi và giãn ra khi nhiệt độtăng lên.
+ Thermoelectric Coolers (TECs): TECs là một loại bơm thu nhỏ có khả
năng làm lạnh cho các thiết bị cần nhiệt độ làm việc thấp trong một khoảng thời gian nhất định. TECs dựa trên nguyên lý Peltier, trong đó khả năng làm lạnh dựa trên sự di chuyển của dòng điện đi qua hai mặt kim loại khác nhau. Hai mặt này
được nối với nhau bằng hai chất bán dẫn, một p-type và một n-type, nhiệt lượng sau
đó được bơm từ mặt kim loại có nhiệt độ thấp hơn sang mặt có nhiệt độ cao hơn. + Hệ thống tuần hoàn chất lỏng dùng bơm (Pumped Fluid Loops - PFL): Một
ống bơm chất lỏng sử dụng trong không gian thường bao gồm các thành phần: một bơm, một thiết bị trao đổi nhiệt và một bộ phận quản lý nhiệt. Quá trình được thực hiện chủ yếu bằng việc sử dụng nước làm mát để quản lý nhiệt. Dung dịch này hấp thụ nhiệt phát ra từ các thiết bị đang hoạt động và đưa nhiệt này tới bộ phận quản lý nhiệt. Dung dịch làm mát có hai loại được sử dụng: loại có thể tái sử dụng và loại không thể tái sử dụng. Đối với loại không thể tái sử dụng, dung dịch sẽ được đẩy khỏi vệ tinh sau khi sử dụng xong. Còn đối với dung dịch có thể tái sử dụng, dung dịch sẽ được làm mát, sau đó quay trở lại bắt đầu chu trình khi mà nhiệt năng đã được chuyển ra bên ngoài không gian thông qua quản lý nhiệt.
Trong các phương pháp trên thì phương pháp tuần hoàn chất lỏng dùng bơm
(PFL) là phương pháp đơn giản, dễ tiếp cận và tương thích với chất lỏng nanô có hệ
số dẫn nhiệt cao.
Hiện nay hướng nghiên cứu về hệ thống PFL trong điều khiển nhiệt cho vệ
tinh vẫn đang tiếp tục được thực hiện, trong đó tập trung vào việc cải tiến về thiết kế cũng như nghiên cứu các cấu hình mới. Chẳng hạn trong năm 2015, nhóm nghiên cứu Roel C. van Benthem [67] đã phát triển hệ thống PFL không dùng van sử dụng cho vệ tinh truyền thông lớn. Trong năm 2016, nhóm nghiên cứu Robert Thorslund (Thụy Điển) đã phát triển hệ thống PFL có sử dụng bơm dựa trên công nghệ Electro Hydro Dynamic (EHD) với nhiều tính chất ưu việt [68]. Cũng trong năm 2016, nhóm nghiên cứu Ji-Xiang Wang (Trung Quốc) đã nghiên cứu về tấm lạnh có độ
thích nghi cao để sử dụng cho hệ thống PFL [69]. Gần đây nhất, năm 2017, nhóm nghiên cứu V.S. Jasvanth (Ấn Độ) đã nghiên cứu thiết kế chế tạo một hệ thống PFL sử dụng ammonia cho vệ tinh với công suất có thể lên đến 500 W [70]. Tuy nhiên việc sử dụng chất lỏng nanô với hệ số dẫn nhiệt cao trong hệ thống PFL vẫn là vấn
Hình 1.22. Mô tả hệ thống tuần hoàn dùng bơm sử dụng để quản lý nhiệt cho vệ tinh [66]
1.3.2. Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh