Phân hệ điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh

Phân hệ điều khiển nhiệt
độ trên vệ tinh
Nguyễn Tiến Đạt
1

Tại sao phải điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh.

Các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới nhiệt độ của vệ tinh.

Phân loại phương pháp điều khiển nhiệt độ.

Các phương pháp điều khiển nhiệt độ thụ động.

Các phương pháp điều khiển nhiệt độ tích cực.
Nội dung trình bày
2

Các thiết bị điện tử đều có dải nhiệt độ an toàn cho
chúng vận hành.

Nếu nhiệt độ của thiết bị điện tử quá cao hoặc quá thấp
thì chúng sẽ vận hành không ổn định hoặc bị phá hủy.

Do đó, phải điều khiển nhiệt độ để giữ cho nhiệt độ của
các thiết bị trên vệ tinh nằm trong giới hạn cho phép.
1. Tại sao phải điều khiển nhiệt độ
trên vệ tinh?
3

Bức xạ trực tiếp từ mặt
trời.


Bức xạ mặt trời gián tiếp
do phản xạ từ Trái đất.

Bức xạ hồng ngoại từ Trái
đất.

Do ma sát với khí quyển
Trái Đất.

Tỏa nhiệt do hoạt động
của các thiết bị.
2. Các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới
nhiệt độ của vệ tinh.
4

Mặt trời là nguồn bức xạ
ổn định. Cường độ phát
bức xạ từ mặt trời biến
động thường < 1% (với chu
kì khoảng 11 năm).

Do quỹ đạo Trái Đất hình
elipse, cường độ bức xạ
mặt trời tại Trái Đất biến
động khoảng ±3,5%, tùy
thuộc vào vị trí của Trái
Đất trên quỹ đạo (từ 1322
đến 1414 W/m2).
2.1. Bức xạ trực tiếp từ mặt trời.

5

Cường độ bức xạ mặt trời còn phụ thuộc vào bước sóng:
◦
Khoảng 7% năng lượng ánh sáng trong vùng tử ngoại.
◦
Khoảng 46% năng lượng ánh sáng trong vùng nhìn thấy.
◦
Khoảng 47% năng lượng ánh sáng trong vùng hồng ngoại.
2.1. Bức xạ trực tiếp từ mặt trời.
6

Tùy vào vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo, cường độ loại bức xạ này mà vệ tinh
nhận được biến đổi mạnh.
◦
Cường độ phản xạ ở lục địa mạnh hơn đại dương.
◦
Độ che phủ của mây càng nhiều thì cường độ phản xạ càng lớn.
◦
Góc tới của tia sáng mặt trời.
2.2. Bức xạ Mặt Trời phản xạ từ Trái
Đất hoặc Mặt Trăng.
7
2.3. Bức xạ hồng ngoại.
8

Cường độ bức xạ hồng ngoại của Trái Đất phụ thuộc
vào nhiều yếu tố như nhiệt độ bề mặt Trái Đất, độ che
phủ của mây.


Cường độ bức xạ hồng ngoại càng lớn nếu nhiệt độ bề
mặt Trái Đất càng cao (vùng nhiệt đới, sa mạc) và độ
che phủ mây càng nhỏ.
2.3. Bức xạ hồng ngoại.
9

Nhiệt lượng tỏa ra càng lớn nếu:
◦
Mật độ không khí càng lớn.
◦
Tốc độ chuyển động càng lớn.
2.4. Ma sát với khí quyển
10

Các thiết bị điện tử khi hoạt động sẽ tỏa nhiệt.
11
2.5. Phát nhiệt từ các thiết bị điện tử

Phương pháp điều khiển thụ động: dựa trên các vật liệu
dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.

Phương pháp điều khiển chủ động: dựa trên các máy
bơm nhiệt, máy điều hòa nhiệt độ, các cơ cấu dịch
chuyển.
3. Phân loại phương pháp điều khiển
nhiệt độ.
12

Bộ bức xạ (radiator).


Vật liệu chuyển pha (Phase Change Material).

Phủ lớp kiểm soát nhiệt (Thermal Surface Finishes).

Cách nhiệt nhiều lớp (Multi-layer Insulation).
4. Các phương pháp điều khiển nhiệt
độ thụ động.
13

Nhiệt dư thừa trong vệ tinh có thể được loại bỏ
vào trong không gian thông qua các bề mặt của
bộ bức xạ.

Bề mặt bộ bức xạ được làm từ vật liệu có hệ số
bức xạ hồng ngoại cao (ε > 0.8) và hệ số hấp thụ
bức xạ mặt trời nhỏ (α<0.2).

Công suất (năng lượng) bức xạ này phụ thuộc
vào hệ số phát xạ bề mặt và nhiệt độ của nó: Q
= AεσT4. Trong đó A là diện tích bề mặt, ε là hệ
số phát xạ, σ = 5,669.10-8 W/m2.K4, T là nhiệt
độ tuyệt đối.
4.1. Bộ bức xạ.
14

Nguyên lý cơ bản: Khi các thiết
bị điện tử hoạt động, nhiệt của
nó sẽ được vật liệu chuyển pha
hấp thụ để chuyển từ trạng thái
rắn sang trạng thái lỏng, giữ cho

nhiệt độ của thiết bị không vượt
quá giới hạn cho phép. Cách tản
nhiệt này cực kì thích hợp cho
những ứng dụng tản nhiệt trên
thiết bị điện tử công suất lớn.
15
4.2. Sử dụng vật liệu chuyển pha.

Một hệ thống kiểm soát nhiệt độ sử dụng nguyên lý nói trên đã được áp dụng triển
khai trên tàu Apollo 15 để làm mát cho bộ xử lý tín hiệu số (Signal Processing Unit –
SPU): khi thiết bị điện tử hoạt động và lượng nhiệt tỏa ra từ thiết bị điện tử sẽ chuyển
thành năng lượng chuyển pha vật liệu. Khi thiết bị điện tử tạm ngừng hoạt động,
năng lượng này sẽ được đưa ra bên ngoài thông qua bộ bức xạ. Khi đó, chúng ta lại
có một chu kì mới
16
4.2. Sử dụng vật liệu chuyển pha.

Một mô hình khác cho phép xử lý lượng nhiệt dư thừa
một cách tập trung. Ở trong mô hình này, lượng nhiệt
dư thừa từ một số thiết bị được dẫn về khối lưu trữ
nhiệt PCM (PCM TES) thông qua các ống dẫn nhiệt để
hấp thụ.
17
4.2. Sử dụng vật liệu chuyển pha.

Các loại vật liệu chuyển pha rất hay dùng đó là các vật liệu dễ hóa lỏng (solid – liquid), vật liệu dễ hóa hơi (liquid to gas),
vật liệu dễ thăng hoa (solid to gas).

Nhược điểm: không sử dụng được nếu vật liệu có nhiệt độ nóng cháy cao hơn nhiệt độ vật cần hấp thụ.
4.2. Sử dụng vật liệu chuyển pha.

18

Lớp phủ kiểm soát nhiệt phụ thuộc bước sóng
được dùng trong việc thiết kế điều khiển nhiệt
độ trên vệ tinh.
◦ Để tối thiểu hóa sự hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt
trời, các bộ phản xạ ánh sáng mặt trời (ví dụ như bộ
gương bề mặt thứ cấp), lớp phủ sơn trắng, lớp phủ bạc
– Teflon hoặc nhôm – Teflon được sử dụng.
◦
Để tối thiểu hóa sự hấp thụ năng lượng mặt trời và sự
phát xạ hồng ngoại, kim loại mạ bóng được sử dụng
như nhôm mạ vàng

Hai tính chất quan trọng nhất của bất kì một loại
bề mặt nào đó là phát xạ hồng ngoại và hấp thụ
ánh sáng mặt trời
19
4.3. Phủ lớp kiểm soát nhiệt

Các bề mặt kiểm soát nhiệt được phân
làm 4 loại cơ bản:
•
phản xạ ánh sáng mặt trời (solar reflector):
phản xạ tốt ánh sáng mặt trời trong khi hấp
thụ hoặc phát xạ tốt bức xạ hồng ngoại.
•
hấp thụ ánh sáng mặt trời (solar absorber):
hấp thụ ánh sáng mặt trời trong khi vẫn có thể
phát xạ một lượng nhỏ năng lượng bức xạ

hồng ngoại.
•
phản xạ phẳng (flat reflector): phản xạ cả bức
xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại.
•
hấp thụ phẳng (flat absorber): hấp thụ cả bức
xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại.
20
4.3. Phủ lớp kiểm soát nhiệt

Lớp phủ bên ngoài của vệ tinh bao gồm lớp vỏ cách nhiệt, áo bức xạ nhiệt và sơn:
◦
Lớp vỏ cách nhiệt ngoài cùng được làm bằng nhôm Kapton, black Kapton hoặc beta Kapton. Nhôm Kapton là vật liệu nhôm được mạ
vàng dày từ 1 đến 3mils, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời ở mức độ vừa phải, phát xạ bức xạ hồng ngoại ở mức độ cao. Black Kapton là
một vật liệu có chứa cacbon, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời rất cao. Beta Kapton là vật liệu thủy tinh được phủ Teflon, cho phép hấp
thụ bức xạ mặt trời ở mức độ thấp và phát xạ bức xạ hồng ngoại ở mức độ cao.
◦
Áo bức xạ nhiệt điển hình là gương bề mặt thứ cấp (second – surface mirror). Cấu trúc của gương bề mặt thứ cấp bao gồm vật liệu phủ
trong suốt (ví dụ như thủy tinh thạch anh hoặc Teflon) để đạt được khả năng phát xạ hồng ngoại cao, đồng thời sử dụng lớp vỏ kim loại
(như bạc hoặc nhôm) để giảm khả năng hâp thụ bức xạ mặt trời.
21
4.3. Phủ lớp kiểm soát nhiệt
•
Thường thì bề mặt phía bên trong của
vệ tinh được sơn màu đen để thu được
hệ số phát xạ cao, trong khi bề mặt
phía bên ngoài của vệ tinh được sơn
màu trắng để giảm nhỏ hệ số hấp thụ
bức xạ mặt trời


Là phần tử kiểm soát nhiệt độ rất phổ biến trên vệ tinh. Phần tử cách ly nhiều lớp ngăn cản mất
nhiệt từ các phần tử và sự quá nhiệt do tác động từ môi trường bên ngoài.

Nhiệt truyền qua phần tử cách ly nhiều lớp (MLI) là tổ hợp của các yếu tố bức xạ, truyền nhiệt
qua chất rắn, truyền nhiệt qua chất khí.
◦ Để giảm khả năng truyền nhiệt bằng bức xạ, ta có thể sử dụng phương pháp phủ bề mặt bằng kim loại xung
quanh vật thể muốn cách ly nhiệt.
◦
Để giảm khả năng truyền nhiệt qua chất rắn, ta có thể giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc giữa các lớp trong MLI.
◦ Việc truyền nhiệt qua chất khí cũng được tối thiểu hóa bằng cách sử dụng phương pháp cách ly chân không
4.4. Sử dụng cách ly nhiều lớp
22

Ống dẫn nhiệt.

Chuyển mạch nhiệt.

Bộ tạo nhiệt.

Bộ làm mát.
5. Các phương pháp điều khiển nhiệt
độ tích cực.
23

Ống dẫn nhiệt sử dụng vật liệu chuyển pha liquid-flow để vận chuyển nhiệt từ nơi này đến nơi khác.

Thiết bị sinh nhiệt sẽ gắn vào một đầu của ống và thiết bị thu nhiệt sẽ gắn vào đầu còn lại.

Nguồn sinh nhiệt sẽ cung cấp nhiệt lượng thông qua thành ống cho vật liệu chuyển pha. Nhiệt này sẽ
làm vật liệu chuyển từ pha lỏng sang pha hơi. Luồng hơi này theo đó sẽ di chuyển về phía đầu ống gắn

thiết bị thu nhiệt do sự chênh lệch áp suất hơi trong ống. Tại đầu gắn thiết bị thu nhiệt, do nhiệt độ ở
đây thấp, hơi bị ngưng tụ. Quá trinh ngưng tụ là quá trình tỏa nhiệt, nhiệt này được truyền qua thành
ống cho thiết bị thu nhiệt. Chất lỏng sau khi hóa hơi sẽ chảy về đầu ống gắn thiết bị thu nhiệt. Chu
trình mới lại được bắt đầu.
5.1. Đường ống dẫn nhiệt.
24

Vật liêu chuyển pha được sử dụng trong đường ống dẫn
nhiệt.
25
5.1. Đường ống dẫn nhiệt.