Termisk balanse 1 http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/thermal/3-what-materials-are-used-for-thermal-control.html Kort oversikt over de viktige faktorene Varmebalanse i vakuum, stråling Materialoverflaters strålingsegenskaper Termiske duker
Termisk kontroll 2 All varmeforflytning i en satellitt (utenom kryogene temperaturer) skjer ved: Utstråling mot tomt rom Innstråling fra sola og jordatmosfære (uten direkte kontakt) fordeling av varme i egen struktur og innkapsling ved varmeledning Kjøling og varming ved bruk av eget, aktivt termisk system I tillegg kommer lav-temperatur balanse (ved kryogene temperaturer) forårsaket av tynne partikkelatmosfærer (eks. økning fra 60 til 65 Kelvin i lav jordbane eller lav perigeum)
Solenergi, Albedo og diffus jordstråling, baner og attityde 3 Direkte solstråling i bane omkring jorda: 1,3 1,4 kw/m 2 (avhengig av årstid/jordbaneellipse). Omtrent 7 % på ultrafiolett 46 % synlig lys og 47 % kortbølget infrarødt lys. Solrefleksen fra en planet betegnes albedo. Jordas albedo utgjør i gjennomsnitt 30 % solrefleksjon regnet som energi, varierer avhengig av skydekke, land, vann eller snø dekket Albedofluksen varierer også med refleksjonsvinklene Jordas stråler også ut langbølget infrarødt lys Varierer ganske mye med breddegrad og lokal årstid. Typisk ligger verdiene på 150 270 W/m 2 Variasjoner pga. satelittbaner (LEO: hurtige vekslinger under 2 timer), GEO: maks 72 min. skygge pr 24 timer) Stilling (attityde). Hurtige vekslinger med utjevninger ved spinnstabiliserte satellitter, større utfordringer ved 3-akse stabiliserte satelitter.
4 Varme Varme: atomer og molekyler er i en stadig, ujevn og tilfeldig bevegelse energien i den samlede bevegelsen. Når to legemer med ulik temperatur har kontakt med hverandre, overføres energien = varmen frivillig fra høy til lav temperatur Intensiteten (kinetisk energitetthet) arter seg som det vi kaller temperatur. Den absolutte temperaturskalaen (Kelvin) har sitt nullpunkt når alle termiske bevegelser opphører.
Varmetransport ved stråling 5 Utstrålt varme fra atomer / molekyler med termiske vibrasjoner, "alene" "Sort legeme utstråling" P 0 AT 4 der er Stefans konstant, 5,7 10 W m K 8-2 -4 A er arealet av den utstrålende, plane overflaten, [m2] T er absolutt temperatur [Kelvin]. Forholdene påvirkes av overflaten (interferens med overflatemolekylenes orbitaler). - Farge - kjemisk karakter (eks. metall): Emmisiviteten, 0 1, og utstrålt energi blir: P P 0
Eksempel 6
Strålingskarakteristikk av overflater 7 Absorpsjon av stråling, - avhenger av farge og overflate Emmisjon av stråling, - avhenger også av farge og overflate, men ikke på samme måte Netto: P P, P P, ut eller P P 0 inn 0 0
8 Absorbtans- og emmitansverdier for noen overflatematerialer. Verdiene for de fleste av materialene vil endre seg noe over tid pga. nedbryting og evt. kontaminering. Det sies at absorbtansen øker med 0.01 for hver 10 nm belegg Gilmore, D.G. (ed.): Spacecraft Thermal Control Handbook, The Aerospace Press 2002
Termisk duk 9 Termisk duk, tynn, ned til 10 mikrometer, FEP (eks. Teflon), polyimid (eks. kapton) eller strukket polyester (Mylar). Duken er belagt med metallfilm for beskyttelse mot UV og atomært oksygen
Flerlags termisk duk, MLI 10 MLI: Multi Layer Insulation Hvert lag gir et temperatursprang I praksis brukes mange lag, 20-50 lag. Lagene er optimallisert mht. absorbsjon og emmisjon slik at varmeoverføringen blir minst mulig. Det er viktig at lagene ikke har varmeledningskontakt med hverandre (spacing-net). De indre lagene er mikroperforerte slik at de ikke blåser seg opp i vakuum
11
Termiske beregninger med elementmetode Kvadratmetersatelitten 2 Effekt inn: 22W på 1 m Temp. strålingspartner, (spacetemp.) -250 C 1 RA AnsysWB dec.2006
En mer komplisert overflate Hvorfor har denne høyere temperatur? Den har jo større overflate.. 2 Effekt inn: 22W på 1 m Temp. strålingspartner, (spacetemp.) -250 C 1 RA AnsysWB dec.2006