El sistema de control térmico (en inglés, Thermal Control System o TCS) de una nave espacial se encarga de mantener todas sus partes en un intervalo de temperatura aceptable durante todas las fases de la misión, soportando las fuertes variaciones térmicas del entorno espacial, determinado por los flujos solar, planetario y del espacio lejano, y expulsando al espacio el calor disipado por los equipos de a bordo.
El control térmico es esencial para garantizar el rendimiento y el éxito de la misión, ya que si un componente tiene una temperatura fuera del intervalo de operación, podría dañarse o su rendimiento podría verse bastante afectado. El control térmico también es necesario para mantener ciertos componentes específicos (sensores ópticos, relojes atómicos) con una temperatura estable y uniformemente distribuida, para garantizar un funcionamiento adecuado y eficiente.
El sistema de control térmico puede estar compuesto por elementos activos y pasivos:
Los elementos pasivos del sistema de control térmico (PTCS, del inglés Passive Thermal Control Systems) incluyen:
Los elementos activos del sistema de control térmico (ATCS, del inglés Active Thermal Control Systems) incluyen:
El sistema de control térmico cumple dos funciones:
Los procesos de un sistema de control térmico incluyen:
Para una nave espacial, las principales interacciones con el entorno son la energía proveniente del Sol y el calor irradiado hacia el espacio lejano. También influyen otros parámetros en el diseño del sistema de control térmico, como la altitud de la nave, el tipo de órbita, el control de actitud y la forma de la nave espacial.
Los requisitos de temperatura de los instrumentos y de los equipos de a bordo constituyen el principal factor en el diseño del sistema de control térmico. El objetivo del TCS es seguir todos los instrumentos de trabajo dentro del intervalo de temperatura permitida. La mayoría de todos los instrumentos electrónicos de a bordo, tales como cámaras, dispositivos de recopilación de datos, baterías, etc. de la nave, tienen un intervalo de temperatura de funcionamiento fijo. El mantenimiento de estos instrumentos en su intervalo de temperatura de funcionamiento es de vital importancia para cada misión. Algunos ejemplos de intervalos de temperatura incluyen:
El recubrimiento (en inglés, thermal coating o simplemente coating) es la técnica más simple y barata del TCS. El recubrimiento es la pintura o químico más sofisticado aplicado a las superficies de la nave espacial para bajar o aumentar la transferencia de calor. La característica del tipo de recubrimiento depende de su capacidad de absorción, de la emisividad, de la transparencia y de la reflectividad. La principal desventaja del recubrimiento es que se degrada rápidamente debido al entorno operativo.
El aislamiento multicapa (MLI) es el elemento de control térmico pasivo más común que se utiliza en las naves espaciales. MLI previene tanto las pérdidas de calor del medio ambiente como el calentamiento excesivo del medio ambiente. Los componentes de naves espaciales, por ejemplo tanques de combustible, líneas de propulsores, baterías y motores de cohetes sólidos, también están cubiertos de frazadas del MLI para mantener la temperatura ideal de funcionamiento. El MLI consta de una capa cubierta exterior, una capa interior y una capa de cubierta interior. La capa de cubierta exterior necesita ser opaca a la luz solar, ya que genera una pequeña cantidad de contaminantes en partículas y es capaz de sobrevivir al medio ambiente y a la temperatura a la que está expuesta también la nave espacial. Algunos materiales comunes que utiliza la capa exterior son la fibra de vidrio, el trapo de tela impregnado con teflón de PTFE, PVF reforzado con Nomex y unido con adhesivo de poliéster y teflón de FEP. El requisito general de la capa interior es que necesita tener una emisividad baja. El material más común que utiliza esta capa es el Mylar aluminizado, que está en un lado o en ambos. Las capas interiores suelen ser delgadas comparadas con la capa externa para ahorrar peso y, además, están perforadas para ayudar a ventilar el aire atrapado durante el lanzamiento. La cubierta interior frente al nave espacial y el hardware se utiliza para proteger las capas interiores delgadas. Las cubiertas interiores no suelen estar aluminizadas, con el fin de prevenir cortocircuitos eléctricos. Algunos de los materiales que se utilizan en los excedentes internos son las redes Dacron redes y la Red Normex. Mylar no se utiliza debido a las preocupaciones de inflamabilidad. Las frazadas de MLI son un elemento importante del sistema de control térmico.
Las rejillas (en inglés, louvers) son elementos de control térmico activos que se utilizan de muchas formas diferentes. Más comúnmente se colocan sobre los radiadores externos, además, las rejillas también se pueden utilizar para controlar la transferencia de calor entre las superficies internas de la nave espacial, o bien, colocarse en las aberturas de las paredes de la nave espacial. Una rejilla en su estado completamente abierto puede rechazar seis veces más calor que en su estado completamente cerrado, sin ningún poder necesario para hacerlo funcionar. La rejilla más utilizada es la bimetálica, accionada por resorte, es decir, una rejilla de hoja rectangular, también conocida como rejilla veneciana ciega. Los montajes de la rejilla del radiador Louver constan de cinco elementos principales: placa base, cuchillas, actuadores, elementos de detección y elementos estructurales.
Los calentadores (en inglés, heaters) se utilizan en el diseño de control térmico para proteger los componentes en casos de condiciones ambientales de frío o para compensar el calor que no se disipa. Los calentadores se utilizan con termostatos o controladores de estado sólido para proporcionar el control de la temperatura exacta de un componente particular. Los calentadores también se utilizan para calentar los componentes a temperaturas mínimas de funcionamiento antes de que los componentes se enciendan.
El tipo más común de calentador que se utiliza en la nave espacial es el calentador de parche, que consiste en un elemento de resistencia eléctrica intercalada entre dos láminas de material eléctricamente aislante y flexible, como Kapton. El calentador parche puede contener un solo circuito o múltiples circuitos, en función de si se requiere o no redundancia dentro de ella. Otro tipo de calentador, el calentador de cartucho, se utiliza a menudo en bloques de componentes de material o de alta temperatura para calentar, tales como los propelentes. Este calentador consta de una resistencia en espiral encerrado en una caja metálica cilíndrica. Normalmente se perfora un agujero en el componente que se calienta y el cartucho está encapsulado en el agujero. Los calentadores de cartucho son generalmente un cuarto de pulgada o menos de diámetro y de hasta unas pocas pulgadas de largo.
Otro tipo de calentador que se utiliza en las naves espaciales son las unidades de calentamiento de radioisótopos, también conocidos como RHU. Los RHU se utilizan para viajar a las plantas exteriores de Júpiter, debido a la baja radiación solar, lo que hace que la energía se genere a partir de paneles solares muy valiosos. Estos calentadores no requieren energía eléctrica de la nave espacial y proporcionan calor directo en los lugares que necesite. En el centro de cada RHU hay un material radiactivo que decae para proporcionar calor, el material más comúnmente utilizado es el dióxido de plutonio. Un solo RHU pesa solo 42 gramos y puede caber en una caja cilíndrica de 26 mm de diámetro y 32 mm de largo. Cada unidad también genera 1 W de calor en la encapsulación, sin embargo, la tasa de generación de calor disminuye con el tiempo. Se utilizaron un total de 117 RHU en la misión Cassini.
Los radiadores son superficies con una alta emisividad en el espectro infrarrojo para maximizar el rechazo de calor y una baja absortividad en el espectro visible para limitar la retención de la radiación solar. La mayoría de radiadores disipan entre 100 y 350 W/m² de calor generado internamente por los equipos electrónicos. El peso de los radiadores varía desde cero, cuando se usa un panel estructural existente como radiador, hasta los 12 kg/m² para un radiador desplegable pesado con estructura de apoyo.
Las tuberías de calor (en inglés, heat pipes) utilizan un ciclo de líquido de flujo cerrado de dos fases con un evaporador y un condensador para transportar cantidades relativamente grandes de calor de un lugar a otro sin requerir energía eléctrica.
El evento más importante en el campo del control térmico espacial es la Conferencia Internacional de Sistemas Medioambientales, organizada cada año por el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica.
Escribe un comentario o lo que quieras sobre Control térmico en naves espaciales (directo, no tienes que registrarte)
Comentarios
(de más nuevos a más antiguos)