Termisk balanse

1. 1 Termisk balanse 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

2. 2 Termisk kontroll • 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)

3. 3 Solenergi, Albedo og diffus jordstråling,baner og attityde • Direkte solstråling i bane omkring jorda: 1,3 – 1,4 kW/m2 (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/m2 • 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. 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.

5. 5 Varmetransport ved stråling

6. 6 Eksempel

7. 7 Strålingskarakteristikk av overflater

8. 8 Absorbtans- og emmitans- verdier 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

9. 9 Termisk duk 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

10. 10 Flerlags termisk duk, MLI 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. 11

12. Termiske beregninger med elementmetode”Kvadratmetersatelitten” RA AnsysWB dec.2006

13. En mer komplisert overflate Hvorfor har denne høyere temperatur? Den har jo større overflate.. RA AnsysWB dec.2006