Uma Introdução ao Controle Térmico de Satélitesmtc-m16.sid.inpe.br/col/sid.inpe.br/marciana/2004/08.23.15.39/doc/... · •Dimensionamento dos radiadores. • Dissipação do

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


SATÉLITE

Carga ÚtilMódulo de Serviço


Subsistemas de um Satélite

Estrutura e Mecanismos

Controle de Atitude

Comunicações (TT&C)

Processamento de dados

Potência

Navegação

Controle Térmico

Propulsão


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.


Condições OperacionaisCondições Não-Operacionais

Fases

Lançamento

Aquisição

ÓrbitaAnimação: dsp_titan_launch.mpg


SPOT 4

Intervalos Típicos Para Temperatura Operacional em Componentes de Satélites (Celsius)


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


Tipos de Órbita


Comparação Entre os Tipos de ÓrbitaAnimação: ice%20beauty.mpg

Animação:geosynch_omsats.mpg

Animação: mol_eng.mpg


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


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


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.


SINDA/G-ThermicaDif. Fin.

Sinda/FluintThermalDesktop

Dif. Fin./Elem. Fin.

Algums Programas Para Projeto/Análise Térmica

PCTERDif. Fin.

Sater 100Vol. Fin/Ele. Fin.


•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?


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.


Revestimentos Térmicos

• Tintas

• Anodização

• Fitas adesivas

• OSRs (SSM)


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)


Montagens nas Interfaces

Interface Condutiva Interface Isolante

Thermal doublers

Interface Fillers

Parafuso

Base do equipamento

Arruela isolante

Porca


Radiadores

• Incorporados à estrutura

• Montados na estrutura

• Retráteis

CBERSSACI

ISS


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.


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


Tubos de calor (HPs), CPLs e LHPs Dispositivos para transporte de grandes quantidades de calor com baixogradiente de temperatura.

LHP CPL

HP CBERSHPs


Aquecedores elétricos (heaters)

Do tipo cartucho

Do tipo plano


Resfriadores termoelétricos

Aplicações espaciais:

• Refrigeração de equipamentos Eletrônicos.

• Câmeras imageadoras.

• Efeito Peltier

• Bi2Te3


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


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


Sensores de temperatura

Efeito Seebeck (Termopares)

RTD

Medida de resistência

Termistor


Termostatos e Controladores de Estado Sólido

Termostatos

• Controladores de estado sólido

• Controle por software


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


Projeto Térmico de Equipamentos Eletrônicos Garantir que a temperatura na junção dos componentes mantenha-se dentroda faixa operacional.


FASES DE PROJETO DE UM SATÉLITE

Concepção

SRR PDR

ProjetoPreliminar

CDR FDR

ProjetoDetalhado

FabricaçãoMod. de Vôo

Campanhade Lançamento


• 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


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.

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