Introdução à Tecnologia de Satélites CSE-200-4

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1 Introdução à Tecnologia de Satélites CSE Subsistema de Controle Térmico Petrônio Noronha de Souza Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE São José dos Campos, SP Maio de 2012 Unidade 2/Parte 2.8/Versão 3.2

2 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Conceitos básicos (*) A complexidade e a longa vida dos satélites atuais exigem uma análise detalhada, um projeto cuidadoso e testes extensivos que garantam que cada parte do mesmo permaneça dentro das suas faixas de temperatura em todos os modos de operação e ambientes. Equipamentos considerados termicamente críticos são aqueles que possuem uma faixa muito estreita de temperaturas aceitáveis: p.ex: tanques com hidrazina e componentes internos. Componentes e equipamentos externos costumam tolerar faixas largas de temperatura. Todo o calor contido no satélite deve ser, em última instância, emitido por radiação térmica para o espaço. Satélites (*) Com contribuições do Curso de Tecnologia de Satélites do INPE 2

3 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Conceitos básicos (cont.) Os dados a serem considerados para a análise térmica são: As temperaturas admissíveis para os equipamentos. Os modos de operação ao longo da missão. A energia absorvida do meio externo. A energia gerada internamente. A energia irradiada para o meio externo. As fontes de calor incluem: Equipamentos eletrônicos Sol Terra Motores de foguete Reações químicas Satélites 3

4 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Conceitos básicos (cont.) Temperature Stability maximum allowable temperature variation over time of a given component or subsystem. Temperature Uniformity it maximum allowable temperature t gradient within the component or subsystem. Operating Temperature Range temperature upper and lower limits within which the equipment fulfills all specified operating performance and life requirements. Switch-on Temperature Limit lowest temperature for activating equipment without damage. Non-operating Temperature temperature limits within which the equipment must survive in the off condition without any performance degradation once it reaches its operating temperature range Satélites Fonte: ISU, SSP 07 4

5 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Requisitos Sistemas eletrônicos e mecanismos têm uma vida mais longa se mantidos a temperaturas moderadas e estáveis. No espaço não há atmosfera para reduzir os extremos de frio e calor: Fonte solar a 149 o C Espaço frio a -273 o C Sistemas eletrônicos geram calor quando operam: Não há atmosfera para remover o calor gerado. O calor precisa ser transferido para radiadores exposto ao espaço frio. Satélites Fonte: ISU, SSP 07 5

6 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Modos de troca de calor A transferência de calor dentro do satélite ocorre por três modos distintos: Radiação: o calor se transfere por meio de ondas eletromagnéticas emitidas por uma fonte, e que se propagam em um meio ou pelo vácuo. Condução: o calor se transfere de um ponto a outro por um meio sólido, líquido ou gasoso. Convecção: o calor deixa um fonte por intermédio de um fluido em movimento, ou de um gás, que flui pela fonte de calor (somente em missões tripuladas). Satélites 6

7 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Modos de troca de calor (cont.) Radiação térmica: A energia emitida por uma superfície é proporcional à sua temperatura absoluta elevada à quarta potência. Fluxo de Radiação = A a ( T ) a a 4 [W] A a = área da superfície a [m 2 ] = constante de Stefan-Boltzman [5,67 x 10-8 W/m 2 K 4 ] a = emissividade da superfície a [-] T a = temperatura absoluta da superfície a [K] Satélites 7

8 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Modos de troca de calor (cont.) Condução Térmica: A energia que flui entre duas regiões é proporcional à diferença da temperatura entre elas. O fluxo depende da condutividade térmica do material, da área de contato e da distância entre os pontos. KAc ( Ti T j ) Fluxo de Condução = [W] l K = condutividade térmica do material [W/m K] A c = seção transversal [m 2 ] (T i T j ) = diferença de temperatura entre os pontos i e j [K] l = distância entre os pontos i e j [m] Satélites 8

9 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Modos de troca de calor (cont.) Convecção Térmica: No vácuo espacial a convecção só ocorre em recipientes fechados onde exista um fluido (líquido ou gás) em movimento. Neste caso o fluxo térmico é proporcional p à diferença de temperatura entre o fluido e a superfície que está cedendo ou absorvendo calor. ha ( T Tf Fluxo de Convecção = [W] ) h = coeficiente de transferência de calor [W/m 2 K] A = área molhada [m 2 ] (T-T f ) = diferença de temperatura entre pontos de interesse e o fluido em circulação [K] Satélites 9

10 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Balanço energético de um satélite Radiação Solar direta: /- 5 W/m 2 Infra-vermelho terrestre: 237 +/- 21 W/m 2 Albedo: (30 +/- 5)% da Radiação Solar incidente na Terra Dissipação interna Rejeição de calor para o espaço Satélites 10

11 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Balanço energético de um satélite (cont.) Satélites Fonte: ISU, SSP 07 11

12 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Balanço da Radiação Radiação Recebida Radiação Refletida ( ) + + = 1 Radiação Absorvida ( ) Radiação Transmitida ( ) A radiação refletida ( ) éumafraçãodaenergia recebida, que depende da temperatura da superfície, da emissividade e da área da superfície. A radiação absorvida é medida pelo parâmetro, dado pela razão entre a energia absorvida e a recebida. Depende da superfície do material que absorve e do comprimento de onda da radiação que chega. Emissividade ( ) é a razão entre o calor emitido pelo corpo e aquele emitido por um corpo negro à mesma temperatura. Depende da superfície do material que emite e do comprimento de onda da radiação emitida. Um corpo negro é um emissor de calor ideal para uma dada temperatura ( =1, =1) Satélites Fonte: ISU, SSP 07 12

13 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Características de recobrimentos Satélites Fonte: ISU, SSP 07 13

14 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Absortividade e Emissividade, [3] Satélites 14

15 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Temperaturas típicas O ambiente espacial (Kelvin l i = Celsius + 273,15) Fonte quente: Sol a K Sumidouro: Espaço a 4 K Temperaturas ras de uma esfera no espaço [ o C]: Tinta Branca: -58 Tinta Negra: 6 Alumínio Polido: 94 Ouro Polido: 223 Requisitos típicos de temperaturas de operação [ o C]: Eletrônica digital: 0 a 50 Eletrônica analógica: 0 a 40 Baterias: 10 a 20 (até -5 em alguns casos) Rodas de reação, motores elétricos: 0 a 50 Detectores infravermelhos: -200 a -80 Painéis solares: -100 a 125 Detectores de partículas -35 a 0 Propelentes 7 a 55 Estruturas convencionais -45 a 65 Estruturas u de precisão 18a 22 Satélites 15

16 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Técnicas de Controle Térmico Passiva Utiliza radiadores, placas condutoras ( doublers ), recobrimentos superficiais, isoladores, absorvedores, persianas, tubos de calor simples, uma configuração favorável do satélite, o lay-out dos equipamentos e as propriedades térmicas da estrutura. Exemplo: Radiação para o espaço Placa fria Radiador Dispositivo de interface Equipamento Satélites 16

17 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Técnicas de Controle Térmico (cont.) Ativa Utiliza aquecedores termostáticos, tubos de calor de condutância variável, sistemas de bombeamento mecânico com circuitos dotados de irradiadores e trocadores de calor, geometrias móveis. Exemplo: Radiação para o espaço Radiador Bomba Placa fria Equipamento Satélites 17

18 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Exemplo, [10] Satélite recoberto por manta de MLI ( Multi Layer Insulation ) Satélites 18

19 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Tubo de calor simples, [3] Satélites 19

20 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Tubo de calor de condutância variável, [3] Satélites 20

21 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Exemplos de Tubos de Calor, [12] Tubo de Calor Radiador Cold Plate Satélites 21

22 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Exemplos de análise Divisão nodal do SACI-2 Divisão nodal do CIMEX Distribuição de temperaturas em um satélite Fator de forma entre superfícies de satélite e o espaço em uma posição da órbita Satélites 22

23 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Especificação Definição das temperaturas de um TCS thermal control system/subsystem Satélites 23

24 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Modelo Térmico (TM) do CBERS-3&4 (2009) Satélites

25 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Thermal Balance Test do CBERS-3&4 (2009) CBERS-3&4 TM Satélites

26 2.8 Subsistema de Controle Térmico: Thermal Balance Test do CBERS-3&4 (2009) CBERS-3&4 TBT Satélites

27 2.8 Subsistema de Controle Térmico: SAC-D/Aquarius (2010) Satélites 27

28 2.8 Controle Térmico: Normalização Satélites

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