Uma Introdução ao Controle Térmico de...
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Uma Introdução aoUma Introdução aoControle Térmico Controle Térmico de de SatélitesSatélites
Dr. Fabiano Luis de SousaDivisão de Mecânica Espacial e Controle - DMC
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites - Uma Introdução ao Controle Térmico de Satélites - Dr. Fabiano Luis de Sousa - 30/04/2003
Comunicações
Meteorológicos
EOS
TerraAqua
SPOT
Radarsat
DSP
Galileo GPS
Glonass
NavegaçãoSensioramento Remoto
Científicos/Tecnológicos
HST
SOHOMarecs
TIPOS DE SATÉLITESTIPOS DE SATÉLITES
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SATÉLITE
Carga ÚtilMódulo de Serviço
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Subsistemas de um Satélite
Estrutura e Mecanismos
Controle de Atitude
Comunicações (TT&C)
Processamento de dados
Potência
Navegação
Controle Térmico
Propulsão
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OBJETIVOS DO CONTROLE TÉRMICO:OBJETIVOS DO CONTROLE TÉRMICO:
Garantir que a temperaturatemperatura dos componentes mecânicos,elétricos e eletrônicos do satélite permaneçam dentro dasfaixas requeridas para os mesmos.
Garantir que os gradientesgradientes//transientestransientes de de temperaturatemperaturanos componentes mecânicos, elétricos e eletrônicos dosatélite permaneçam dentro das faixas requeridas para osmesmos.
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Condições OperacionaisCondições Não-Operacionais
Fases
Lançamento
Aquisição
ÓrbitaAnimação: dsp_titan_launch.mpg
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SPOT 4
Intervalos Típicos Para Temperatura Operacional em Componentes de Satélites (Celsius)
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Cargas TérmicasSobre um Satéliteem Órbita
Internas Externas
Dissipação dosequipamentos ecargas úteis
Solar
Albedo
Radiação da Terra
Atrito de moléculas livres (< 180 km)
Partículas Carregadas (sistemas criogênicos)
S ≈ 1354 W/m2
A ≈ 0,3 S
IV ≈ 236 W/m2
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Tipos de Órbita
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Comparação Entre os Tipos de ÓrbitaAnimação: ice%20beauty.mpg
Animação:geosynch_omsats.mpg
Animação: mol_eng.mpg
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S
N
i
• Angulo de inclinação da órbita
• Angulo β
β
• Atitude do satélite
• Altitude do satélite
Principais Parâmetros ÓrbitaisPara o Controle Térmico
• Variação da Constante Solar
S
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QD
QI
QE
Balanço Térmico Global no Satélite
A A σσ T TSS44 = = αα Q QII + Q + QDD
• Trocas radiativas no interior do compartimento.
•Acoplamento térmico nas interfaces (RTC).
•Acoplamentos condutivos na estrutura.
•Dimensionamento dos radiadores.
• Dissipação do equipamento.
Comp. X
Com
p. Y
Trocas Térmicas no Satélite
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Modelo Térmico
Modelo Geométrico• Define superfícies e nós.• Cálculo dos acoplamentos radiativos.• Cálculo das cargas térmicas externas.
Modelo Matemático• Cálculo da distribuição de temperatura em
regime permanente e transiente.
• Acoplamentos condutivos• Acoplamentos nas interfaces• Capacitância dos nós• Dissipação nos nós.
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SINDA/G-ThermicaDif. Fin.
Sinda/FluintThermalDesktop
Dif. Fin./Elem. Fin.
Algums Programas Para Projeto/Análise Térmica
PCTERDif. Fin.
Sater 100Vol. Fin/Ele. Fin.
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•O equipamento apresenta alta densidade de dissipação de calor?
Algumas Considerações Importantes Para oProjeto Térmico
•O equipamento exige estrito controle de temperatura?
•É necessário manter pequenos gradientes de temperatura?
•Existe uma grande variação nas cargas térmicas externas ou na dissipaçãodo equipamento ao longo da órbita ?
•Intervalos de Temperaturas Operacional e Não-Operacional.
•É necessário (ou desejável) isolamento térmico?
•O equipamento necessita trabalhar em temperatura criogênica?
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Elementos do Sub-Sistema de Controle Térmico
• Revestimentos térmicos: Tintas, fitas e superfícies óticas refletoras (OSR).
• Mantas Multicamada Super-Isolantes (MLI).
• Elementos nas interfaces.
• Radiadores.
• Venezianas Térmicas.
• Aquecedores elétricos.
• Capacitor térmico.
• Tubos de Calor (HP), CPL e LHP.
• Cryocoolers.
• Resfriadores termoelétricos.
• Circuitos com bombeamento mecânico.
• Sensores de temperatura, Termostatos e Controladores de estado sólido.
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Revestimentos Térmicos
• Tintas
• Anodização
• Fitas adesivas
• OSRs (SSM)
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Mantas Multicamadas Super-Isolantes (MLIs)
Kapton Aluminizado
Rede de Nylon
Mylar aluminizado(dupla face)
Kapton Aluminizado
Uma Manta Típica
Qu
inze
cam
adas
εeff ≈ 0,02 (mantas pequenas)
εeff ≈ 0,005 ; keff ≈ 10-4 W/m K (mantas grandes)
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Montagens nas Interfaces
Interface Condutiva Interface Isolante
Thermal doublers
Interface Fillers
Parafuso
Base do equipamento
Arruela isolante
Porca
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Radiadores
• Incorporados à estrutura
• Montados na estrutura
• Retráteis
CBERSSACI
ISS
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Capacitor Térmico
Equipamento
Capacitor
• Usado quando é necessário absover uma alta dissipaçãode calor em breves períodos de tempo.
• Usa calor latente para estabilização da temperatura.
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Venezianas Térmicas
0 30 60 90Opening Angle (degrees)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
Eff
ecti
ve E
mit
tanc
e
experimental
diffuse
25% specular
50% specular
75% specular
INPE/DMC
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Tubos de calor (HPs), CPLs e LHPs Dispositivos para transporte de grandes quantidades de calor com baixogradiente de temperatura.
LHP CPL
HP CBERSHPs
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Aquecedores elétricos (heaters)
Do tipo cartucho
Do tipo plano
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Resfriadores termoelétricos
Aplicações espaciais:
• Refrigeração de equipamentos Eletrônicos.
• Câmeras imageadoras.
• Efeito Peltier
• Bi2Te3
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Sistemas Criogênicos
• Radiadores criogênicos. p/ LEO Tmin ≥ 100 K p/ GEO 75 K≤ Tmin ≤ 90 K
• Evaporação de líquidos ou sólidos à temperatura criogênica. He Supercrítico, H2 ou Ne sólido. Tmin ≥ 4 K
• Resfriadores mecânicos Tmin ≥ 4 K
He sorption; Dillution 3He - 4He;Desmagnetização adiabática.10 mK ≤ Tmin ≤ 1 K
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Circuitos com bombeamento mecânico Bombas mecânicas são usadas para circular um fluido de trabalho em umcircuito fechado, transportando calor de fontes quentes para trocadores decalor.
Trocadores de calorentre os circuitosinternos e extrenos
Radiadores montadosno corpo do módulo
Shell HPs
FGB
Trocador de calorpara ar da cabine
Trocador de calorpara ar da cabine
Coldplates
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Sensores de temperatura
Efeito Seebeck (Termopares)
RTD
Medida de resistência
Termistor
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Termostatos e Controladores de Estado Sólido
Termostatos
• Controladores de estado sólido
• Controle por software
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Testes Térmicos
Ciclagem Térmica
Burn-in
Tipos de Teste Térmico
Termo-vácuo
Balanço térmico
⇒ Verificar o correto funcionamento de equipamentos e do sistema emtemperaturas extremas (realizados em níveis de qualificação eaceitação).
⇒ Validar o modelo térmico.
LIT/INPE
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Projeto Térmico de Equipamentos Eletrônicos Garantir que a temperatura na junção dos componentes mantenha-se dentroda faixa operacional.
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FASES DE PROJETO DE UM SATÉLITE
Concepção
SRR PDR
ProjetoPreliminar
CDR FDR
ProjetoDetalhado
FabricaçãoMod. de Vôo
Campanhade Lançamento
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• Participação na definição da arquitetura mecânica do satélite.• Estabelecimento dos requisitos térmicos.• Definição de uma concepção preliminar para o CT.
• Fazer modelo térmico simplificado do satélite.• Identificar casos críticos.• Realizar testes de desenvolvimento (se necessário) e planejar os testes de qualificação.
• Fazer modelo térmico detalhado do satélite.• Realizar testes de qualificação (TBT e TVT).• Correlacionar modelo com dados do TBT.• Planejar os testes de aceitação.
• Realizar testes de aceitação (TVT).• Pode ser feito também um TBT. Neste caso correlacionar modelo com dados do TBT.
• Acompanhar testes funcionais durante campanha de lançamento.• Acompanhar comportamento térmico do satélite durante fase de lançamento,
aquisição e primeiras órbitas na atitude operacional.
Atividades do Projetista do Controle Térmico
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REFERÊNCIAS
[1] Gilmore, D.G. (Ed.). Satellite Thermal Control Handbook. The Aerospace Corporation Press, 1994.
[2] Wertz, J.R.; Larson, W.J. (Eds.). Space Mission Analysis and Design, 3rd Edition. Microcosm Press, 1999.
[3] Karam, R.D. Satellite Thermal Control for Systems Engineers. Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 181, AIAAPublishing, 1998.
[4] Kim, D. J. Satellite Design and Space Applications. Aerospace Corporation, 18 November 1992.
[5] CBERS Environmental Specification CB-EVS-001, 1989.
[6] Projeto Térmico Detalhado do SCD2 A-ETD-0069, 1990.
[7] Multi_Mission Platform Environmental Specification A820000-SPC-001-03, 2001.
[8] Härtel, H. Animações das Órbitas Típicas: http://www.astrophysik.uni-kiel.de/pershome/haertel/cga_e.html.
[9] Souza, P.N. Curso Introdutório em Tecnologia de Satélites, Versão 1.0, INPE 9605 PUD/126, 2002.
[10] Muraoka, I.; Sousa, F.L.; Parisoto, W.; Ramos, F.M. Numerical and Experimental Investigation of Thermal Louvers forSpace Applications, J. of the Braz. Soc. Mechanical Sciences, Vol. XXIII, No. 2, pp. 147-153, 2001.
[11] Linder, M.; Rando, N; Peacock, A.; Collaudin, B. Cryogenics in Space: a review of the missions and technologies. ESABulletin 107, p. 92-105, 2001.