Metody chłodzenia satelitów w próżni kosmicznej - jak to działa?

Całkiem niedawno odbyła się misja satelity studenckiego w programie AMSAT. Powodem awarii było przegrzanie jednego z elementów układu zasilania.

I dlatego się zastanawiam jak chłodzą się satelity ?
Możemy dać radiator ale otacza go całkiem niezła próżnia.
Możemy przykręcić do "obudowy" ale ją także nie otacza atmosfera.

W teorii mamy układ otoczony izolatorem cieplnym, jego temperatura będzie niestety rosła, w dodatku co pewien czas słońce przekazuje satelicie część swojej energii.

Jak rozwiązuje się takie problemy ?

Ciekawy temat. Bardzo mnie zainteresowało to pytanie. Myślę, że energia cieplna jest przetwarzana na innego rodzaju energię ale w tym momencie to strzelam.

witam !! jest to tym bardziej zastanawiające że pierwsze satelity ( prod. ZSRR ) miały aparaturę na lampach ( jak podejrzewam ) . może ciepło jest magazynowane i używane do podgrzewania skroplonego gazu ( jakiego ? ) za pomocą którego dokonuje się korekty położenia ? pozdrawiam !!

Systemy chłodzenia w tego typu urządzeniach (zastosowania) są dość zaawansowane, choć opierają się na prostych prawach, zaczynając od pasywnych rozwiązań, takich jak stosowanie materiałów o wysokiej refleksyjności (białe powierzchnie). Zazwyczaj wykorzytuje się jednak próżnię (paradoksalnie element powodujący problem) jako izolator, (tzw. superizolacja) odizolowując element chroniony przed nagrzaniem innym, łącząc substancją o niskiej przewodności cieplnej. Wykorzysuje się też inne metody, właściwie z podobnym wykorzystaniem mamy też do czynienia w życiu codziennym jak np tzw. hetpipe'y w komputerach. Tutaj też należy wspomnieć o ogniwach peltiera (także mających zastosowanie w komputerach, czy innych urządzeniach wymagających ekstremalnegu lub bardzo dokładnego chłodzenia). Są też sposoby na magazynowanie ciepła (ciecze), aby potem w korzystniejszych warunkach wypromieniować je w przestrzeń...

Dodam jeszcze, że najwięcej ciepła w w/w przypadku przekazuje promieniowanie słoneczne, może dojść do przypadku, w którym różnica pomiędzy elementem oświetlonym od tego, który znajduje się w cieniu wynosi nawet 500C i więcej.
Proponuję również poszukać poniższych haseł: solar reflector/absorber, flat absorber, system TPS...

Wydaje się, ze odpowiedź jest prosta i wynika z natury
Jak się chłodzą ogniska erupcyjne na innych planetach pozbawionych atmosfery naszego układu planetranego? Mieszaniną helu, wodoru i deuteru. A gdyby zamknać to w płaszczu np. takim jak opisał to kolega nizej (absorpcyjny, matowy itp.itd) ... to zamknięte w nim atomy helu powoduja ruch atomów wodoru i deuteru, które w wyniku zderzenia się tworzą dwuatomowy wodór (H2), natomiast skutkiem reakcji jest obnizenie temperatury nawet o 10000% i wyemitowanie fotona, który niejako "wyemigrowuje" przez nasz płaszcz tym samym oddając zdobytą energię w próżnię poza płaszczem.

Zjawisko wychładzania jest dokładnie opisane ponizej:
http://postepy.camk.edu.pl/upa5_2003.html

Po co zabierać ze sobą cięzki sprzęt do chłodzenia skoro wszystkie potrzebne skłądniki znajduja sie pod dostatkiem w kosmosie?
A jakby ktoś sie pytał wykorzystujac tę samą zasadę chłodzi sie reaktory atomowe na Ziemi, z ta róznicą, ze efektem wychłodzenia jest nie foton a tzw. cięzka woda, natomiast mechanizmem rozpędzajacym atomy wodoru jest silne pole magnetyczne

No muszę powiedzieć, że pomysł zastosowania premian termojądrowych do chłodzenia mnie zatkał.
Nie wydaje mi się to realistyczne, ale nie zajmowałem się tym, mogę się mylić.
Na moj rozum podstawowym sprzętem jest folia NRC, każdy chyba widział jak całe satelity są owijane w złotconą mylarową folię – to oczywiście ten drugi biegun, zabezpieczenie przed słońcem, poza tym lustrzane powierzchnie, biała farba etc. , rozważałbym też możliwość chowania się w cieniu własnych ogniw fotoelektrycznych.
Sprawa chłodzenia jak w każdym urządzeniu HiFi – radiator, tylko nie z wentylatorem, a właśnie jako radiator, czyli element promieniujący, o ile pamiętam temperatura przestrzeni międzyplanetarnej to kilka kelwinów.
No i próżnia żadnym izolatorem tu nie jest, ona tylko nie nadaje się do transportu konwekcyjnego (więc brak wentylatorów), ale poczerwień przelatuje przez nią jak przez próżnię . To dlatego termosy są srebrzone, a dewary z gładkiej blachy żeby ograniczyć wymianę przez promieniowanie.
Pozostaje problem odwracania radiatorów od słońca. Do takich manewrów zwykle (często) się używa efektów znanych z silników elektromagnetycznych. Wystarczy zamontować parę pętli z drutu w odp. miejscach i inteligentnie przepuścić przez nie prąd, żeby satelita zaczął się obracać, bądź przemieszczać (w ziemskim polu magnetycznym).
Ten mechanizm jest nawet wykorzystywany do podwyższania orbity satelity gdy ten traci energię kinetyczną z racji tarcia o górne/resztkowe warstwy atmosfery.
Sposób jest w miarę ekonomiczny, bo energię bierze się ze słońca, nie potrzeba dostarczać gazu/paliwa do silników, potrzebne są tylko akumulatory, trochę drutu (to niestety waży) i bilans energetyczny, żeby na wszystko energii starczyło.

Słońce 'grzeje', ale nie na zasadzie konwekcji, tylko poprzez promieniowanie elektromagnetyczne, które jest niezależne od jakiejkolwiek atmosfery...

Chyba chodziło Ci o wzór Einsteina-Milikena.
Odsyłam do mojego pierwszego postu w tym temacie, rozszerzenie inforamcji tam zawartych można znaleźć przez google.

Faktycznie nagrzane elementy będą promieniowały w podczerwieni,
a do takiego promieniowania nie potrzebny jest jakiś konkretny ośrodek.

Oto całe rozwiązanie zagadki

Mimo wszystko wydajność takiego chłodzenia pozostawia zapewne wiele do życzenia.

Teraz informacja nr.2 całkiem niedawno rozmawiałem z jednym z uczestników programu AMSAT i (o ile dobrze zrozumiałem) występuje pewien problem z bateriami słonecznymi.

Konkretnie, musimy od nich odbierać energię nie zależnie czy ją potrzebujemy czy też nie (inaczej same się grzeją). W efekcie musimy pozbywać się tej energii (najczęściej produkując ciepło)

Co do wcześniejszych wypowiedzi o stabilizacji magnetycznej.
Do prostej stabilizacji wystarczy magnes trwały (ustawi satelite jak igłę kompasu) zawsze tak samo.

Przy pomocy elektromagnesów faktycznie możemy łatwo poruszać satelitom.

Przy okazji poruszę jeszcze jeden problem jaki mamy w przestrzeni kosmicznej : promieniowanie kosmiczne. Powoduje stopniową degradacje np. tranzystorów FET.

Wspomnę jeszcze o wpływie rozbłysków i wiatru słonecznego na elektronikę (częściowo niwelowany przez magnetosferę, notabene na której krańcu występuje obszar gdzie cząstki jonizujące są więzione i jest ich tam całkiem dużo)

Jak widać chłodzenie satelity staje się problemem drugorzędnym gdy dostrzeżemy pozostałe.

And! napisał:

Co do wcześniejszych wypowiedzi o stabilizacji magnetycznej.
Do prostej stabilizacji wystarczy magnes trwały (ustawi satelite jak igłę kompasu) zawsze tak samo.

Przy pomocy elektromagnesów faktycznie możemy łatwo poruszać satelitom.

Prawdę mówiąc to o tym nigdy nie słyszałem. Zawsze wydawało mi się, że do poruszania obiektem w kosmosie używa się silników korekcyjnych lub żyroskopu.

Żyroskop jest przyrządem nawigacyjnym, efekt żyroskopowy owszem trzeba uwzględnić w nawigowaniu satelitą, ale trudno go uznać za sposób napędzania, to po prostu pewien rodzaj bezwładności obiektu konieczny do uwzględnienia.
Do silników korekcyjnych trzeba dowozić paliwo, a może i utleniacz.
Akumulatory ładują się za darmo z ogniw słonecznych (energia odnawialna ), a do tego jeszcze ten brak ruchomych części (no chyba że gdzieś jest jakiś przekaźnik).

qrdel napisał:

Żyroskop jest przyrządem nawigacyjnym, efekt żyroskopowy owszem trzeba uwzględnić w nawigowaniu satelitą, ale trudno go uznać za sposób napędzania, to po prostu pewien rodzaj bezwładności obiektu konieczny do uwzględnienia.
Do silników korekcyjnych trzeba dowozić paliwo, a może i utleniacz.
Akumulatory ładują się za darmo z ogniw słonecznych (energia odnawialna ), a do tego jeszcze ten brak ruchomych części (no chyba że gdzieś jest jakiś przekaźnik).

No chyba nie całkiem, przy pomocy żyroskopów przecież można dowolnie obracać satelią, teleskop Hubble'a właśnie ustawiany jest przy pomocy przy pomocy żyroskopów.
http://news.astronet.pl/news.cgi?5166
Jak chodzi o silniki korekcyjne, to jak sama nazwa wskazuje używane są tylko do korekcji toru orbity, więc tego paliwa tak dużo wcale nie potrzeba.
Poniżej link z opisem części składowych satelity.
http://www.esa.int/esaMI/MSG/SEM3Y68A9HE_0.html

Stąd moje wątpliwości co do napędu wykorzystującego pole magnetyczne ziemi (przynajmniej do obecnie stosowanych satelit), jeśli dysponujecie jakimś źródłem polsko lub angielsko języcznym to zmiłą chęcią coś sobie na ten temat poczytał.
[/youtube]

Szanowny opel4.
Już chciałem protestować i wykonywać różne gesty, ale pomyślałem i poczytałem, no i conieco wynikło...

Z przemyśleń: owszem można używać żyroskopu do wpływania na ruch/położenie satelity, ale są pewne ograniczenia. Chodzi o stosunek masy satelity do masy żyroskopu (dokładnie to momenty bezwładności, więc poza masą dużo wnosi też rozmiar satelity, a całość zwykle jest większa od podzespołu). Martwiłem się, że do stałego zmienienia rotacji satelity o pewną wartość trzebaby nieustannie żyroskop zasilać (bo są opory). Teraz już wydumałem, że można zmienić rotację na określony czas a potem znów żyroskop wyhamować (może energię odzyskać?) co da efekt obrotu i zatrzymania w nowym położeniu kątowym!

Miałem pewne problemy z wyszukiwaniem ze względu na bogactwo języka angielskiego, szczególnie w egzotycznych zastosowaniach technicznych. Do tego ciągle mi bruździły namolne głośniki satelitarne.
Nie znalazłem wspomnianego przeze mnie zastosowania cewek do podwyższania orbity. Jak wróci kolega, który pisał o tym artykuł to może dodam link.

Co wyczytałem

http://news.astronet.pl/news.cgi?5166
Najpoważniejsza potrzeby Hubble'a to żyroskopy i baterie. Żyroskopy pomagają teleskopowi obracać się i ustawiać na cele.

Tu nie jest napisane że żyroskopy są siłą napędową. W szczególności u źródła

http://www.spaceflightnow.com/news/n0512/05hubbleservicing/part2.html
Installation of three new rate sensing units, or RSUs, containing two gyroscopes each to restore full redundancy in the telescope's pointing control system

wyraźnie widać słówko "sensing" które oznacza że żyroskop jest tu przyrządem nawigacyjnym.
Dalej opisywany jest sposób zastępowania RSU <-> FGS co potwierdza powyższą tezę.

Co do wykorzystania cewek do napędu:
http://66.249.93.104/searchq=cache:5D0omCp1ILkJ:cubesat.calpoly.edu/reference/canx_paper.pdf+satellite+magnetic+moving&hl=pl&gl=pl&ct=clnk&cd=16
2.1.4 Active Magnetic Attitude Control System (ACS)
CanX-1 will have a COTS magnetometer along with three custom-built magnetorquer coil systems as part of an active magnetic ACS. The magnetic ACS is used to detumble CanX-1 to assure that any images taken will not be blurred due to the rotation of the picosatellite. In addition, CanX-1 will attempt to perform active coarse pointing.

http://eng.usna.navy.mil/~bruninga/labsats/EA....pdf#search=%22satellite%20coil%20movement%22

http://mechatronics.ece.usu.edu/ece6330/FISP/....pdf#search=%22satellite%20coil%20movement%22

Najciekawszy z pośpiesznie znalezionych dokumentów godzi wszystkich. Pokazuje równoczesne zastosowanie kilku metod nawigacji, łącznie z żyroskopem (co prawda laserowym, w kółko latają tylko fotony) oraz kilku metod poruszania satelitą z kołami reakcyjnymi (a może bezwładnościowymi; to właśnie te żyroskopy w wersji napędowej) i ukladem cewek do oddziaływania z magnetosferą.
http://www.dlr.de/sc/en/DesktopDefault.aspx/tabid-1205/1631_read-3202/
The lowest layer of the attitude control system is the layer low level actuator and sensor processing. This layer establishes the interfaces to the sensors and actuators needed for the attitude control. The attitude control system possesses four kinds of sensor types. These are a magnetic field sensor and two sun sensor systems as non-intelligent sensors coupled over an A/D interface to the main board computer. Furthermore one laser gyroscope and two star sensors as intelligent sensors are used. The laser gyroscope is coupled over a communication bus with the board computer and sends with a rate of 5 ms a packet with information for the rotation of the satellite. These data packetes are consolidated by the attitude control system to 500 ms cycles. Both star sensors are connected by two communication busses to the board computer. The attitude control system drives both star sensors in exact timing with two state machines and queries cyclically the attitude data from the cameras. As actuators four reaction wheels in a tetrahedic arrangement and a magnetic coil system with six coils are available. All actuators are coupled with the board computer over two communication busses. The lowest layer determines the necessary commanding for the actuators from the torques computed by the layer estimation prediction control. It performs the time critical communication with actuators and determinates the state of the actuators. For communication with both star sensors and the actuators over two communication busses the lowest layer provides a [to nie ja obciąłem, tak jest w dokumencie ???]

Może jeszcze coś doślę.
Pozdrawiam.

Reaction wheel z rysunku powyżej to jest właśnie układ żyroskopów służących do poruszania satelitą.

Uzupełniam informację.

nasa napisał:

Spin momentum in the
wheels moves the telescope to a target and maintains
it in a stable position.

Źródło
http://hubble.nasa.gov/a_pdf/news/facts/overview.pdf

Z tego źródła:
http://www.dlr.de/iaa.symp/archive_5/pdf/1204_Terzibaschian.pdf#search=%22%22magnetic%20coil%20system%22%20satellite%22
można dowiedzieć się o sterowaniu satelitą przy pomcy cewek i o historii tego pomysłu.
Tak jak mówiłem nigdy nie słyszałem o tym sposobie poruszania satelitą, bo jest to pomysł nowy a żyroskopy stosuje się od lat.

Pozdrawiam wszystkich i dziękuje za rzeczową dyskusję.

Wszystko się zgadza, ja po prostu patrzyłem na tekst opisujący nawigacyjne żyroskopy teleskopu H.