Introdução à Tecnologia de Satélites – CSE-200-4
S b i t
d C
t l Té
i
Subsistema de Controle Térmico
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
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
Equipamentos considerados termicamente críticos são aqueles que
possuem uma faixa muito estreita de temperaturas aceitáveis: p.ex:
tanques com hidrazina e componentes internos.
q
p
Componentes e equipamentos externos costumam tolerar faixas
largas de temperatura.
Todo o calor contido no satélite deve ser, em última instância,
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
– Os modos de operação ao longo da missão. – A energia absorvida do meio externo.
– A energia gerada internamente.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 – Reações químicas
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Conceitos básicos (cont.)
Temperature Stability – maximum allowable temperature variation
over time of a given component or subsystem.
T
t
U if
it
i
ll
bl t
t
Temperature Uniformity – maximum allowable temperature
gradient within the component or subsystem.
Operating Temperature Range
temperature upper and lower
Operating Temperature Range – temperature upper and lower
limits within which the equipment fulfills all specified operating
performance and life requirements.
performance and life requirements.
Switch-on Temperature Limit – lowest temperature for activating
equipment without damage.
q p
g
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
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
oC
– Espaço frio a -273
p ç
oC
Sistemas eletrônicos geram calor quando operam:
– Não há atmosfera para remover o calor gerado
– Não há atmosfera para remover o calor gerado.
– O calor precisa ser transferido para radiadores exposto ao espaço
frio.
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Modos de troca de calor
A transferência de calor dentro do satélite ocorre
por três modos distintos:
p
– Radiação: o calor se transfere por meio de ondas
eletromagnéticas emitidas por uma fonte e que se
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
– Condução: o calor se transfere de um ponto a outro por
um meio sólido, líquido ou gasoso.
C
ã
l
d i
f
t
i t
édi d
– Convecção: o calor deixa um fonte por intermédio de
um fluido em movimento, ou de um gás, que flui pela
f
t d
l
(
t
i
õ
t i
l d
)
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.
4
)
(
a a aT
A
Fluxo de Radiação =
[W]
– Aa = área da superfície “a” [m2]
– = constante de Stefan-Boltzman [5,67 x 10[ , -8 W/m2 K4]] – a = emissividade da superfície “a” [-]
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 daO fluxo depende da condutividade térmica do material, da área de contato e da distância entre os pontos.
T
T
KA
c
(
i
j
)
Fluxo de Condução =
[W]
l
Fluxo de Condução [W]
– K = condutividade térmica do material [W/m K]
A ã l [ 2]
– Ac = seção transversal [m2]
– (Ti – Tj) = diferença de temperatura entre os pontos i e j [K]
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 à diferença de temperatura entre o fluido e a superfície que p p ç p p q está cedendo ou absorvendo calor.
)
(
T
T
f
hA
Fluxo de Convecção = [W]
– h = coeficiente de transferência de calor [W/m[ 2 K]]
– A = área “molhada” [m2]
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Balanço energético de um satélite
Radiação Solar direta: 1.358 +/- 5 W/m2
Alb d (30 / 5)% d Albedo: (30 +/- 5)% da Radiação Solar incidente na Terra Infra-vermelho terrestre: 237 +/- 21 W/m2 Dissipação interna
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Balanço da Radiação
Radiação Refletida ()
Radiação Recebida
+ + = 1
Radiação Absorvida (
) A radiação refletida () é uma fração da energia recebida que depende da temperatura
Radiação Transmitida ()
A radiação refletida () é uma fração da energia 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
d d d di ã h
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.
comprimento de onda da radiação emitida.
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Temperaturas típicas
O bi t i l (K l i C l i + 273 15) O ambiente espacial (Kelvin = Celsius + 273,15)
– Fonte quente: Sol a 5.700 K
– Sumidouro: Espaço a 4 K
Temperat ras de ma esfera no espaço [oC] Temperaturas de uma esfera no espaço [oC]:
– Tinta Branca: -58
– Tinta Negra: 6
Alumínio Polido: 94
– Alumínio Polido: 94
– Ouro Polido: 223
Requisitos típicos de temperaturas de operação [oC]:
Eletrônica digital: 0 a 50
– 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 – Rodas de reação, motores elétricos: 0 a 50 – Detectores infravermelhos: -200 a -80
– Painéis solares: -100 a 125
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 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 espaçoRadiador Dispositivo de interface Placa fria Radiador Equipamento Dispositivo de interface
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 sistemas de bombeamento mecânico com circuitos dotados de irradiadores e trocadores de calor, geometrias móveis.
Radiação para o espaço
Exemplo:
Radiação para o espaçoExemplo:
Radiador
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Exemplo, [10]
Satélite recoberto por manta de Satélite recoberto por manta de
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Exemplos de Tubos de Calor, [12]
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Exemplos de análise Divisão nodal do SACI-2 Divisão nodal do CIMEX Distribuição de temperaturas temperaturas em um satélite Fator de forma entre superfícies de satélite e de satélite e o espaço em uma posição da p ç órbita
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Thermal Balance Test do CBERS-3&4 (2009)
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Thermal Balance Test do CBERS-3&4 (2009)
