Tấm Sưởi Và Nhiệt Điện Trở Dùng Trong Quản Lý Nhiệt Thụ Động Cho

thay đổi lớn của điều kiện môi trường bên ngoài trong một thời gian ngắn này là yếu tố ảnh hưởng lớn đến những thiết bị ở phía ngoài của vệ tinh như các tấm pin mặt trời hay các bộ quản lý nhiệt. Các thiết bị ở bên trong vệ tinh (được cách nhiệt tốt) tuy không bị ảnh hưởng nhiều, nhưng việc bộ quản lý nhiệt không hoạt động đúng trong dải nhiệt độ quy định có thể dẫn đến nhiệt độ bên trong vệ tinh vượt quá mức cho phép, hay thiếu năng lượng cung cấp cho vệ tinh nếu pin mặt trời không hoạt động theo đúng dải nhiệt độ [66].

Quá trình điều khiển nhiệt trên vệ tinh thường được thực hiện bằng cách cân bằng nhiệt phát ra bởi vệ tinh trong quá trình các thiết bị hoạt động và tương tác với môi trường bên ngoài (do không có các phân tử khí nên không có quá trình đối lưu). Trên hình 1.16 là một tấm phim và một nhiệt điện trở được dùng để quản lý nhiệt cho vệ tinh nhỏ. Tấm phim có các sợi dây đồng ở phía trong, và khi một dòng điện được cung cấp, các sợi dây đồng sẽ nóng lên và làm ấm các linh kiện của vệ tinh.

Hình 1.16. Tấm sưởi và nhiệt điện trở dùng trong quản lý nhiệt thụ động cho

vệ tinh cỡ nhỏ

Một ưu điểm của tấm phim này là độ dẻo nên có thể được uốn quanh các linh kiện điện tử như camera để đảm bảo quá trình làm ấm linh kiện được diễn ra đồng đều hơn. Nhiệt điện trở có điện trở thay đổi được tùy thuộc vào môi trường xung quanh. Do vậy mà nếu nhiệt độ của thiết bị trở nên quá nóng, điện trở của nhiệt điện trở sẽ tăng lên, từ đó ngắt hoặc giảm thiểu dòng đến thiết bị và do vậy có thể làm giảm nhiệt độ của thiết bị. Ngoài ra, còn có một linh kiện khác cũng hay được sử dụng là nhiệt trở, mà có thể phát ra nhiệt để làm ấm cho các linh kiện trong vệ tinh.

Tùy thuộc vào dải độ cao hoạt động khác nhau mà sẽ có các yếu tố môi trường khác nhau ảnh hưởng đến nhiệt độ của vệ tinh. Các yếu tố đặc trưng nhất sẽ ảnh hưởng đến vệ tinh ở quỹ đạo thấp là: bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trời phản xạ xuống bề mặt trái đất, và bức xạ của trái đất phát ra. Ngoài ra, trong quá

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

trình phóng hay đối với những vệ tinh hoạt động ở độ cao cực thấp (dưới 200 km), còn có thêm hiệu ứng nhiệt do ma sát với các phân tử chuyển động tự do (do gia tốc lớn trong quá trình phóng và do ở độ cao thấp, số lượng phân tử chuyển động tự do là nhiều). Do đó những vệ tinh này thường sẽ cần thêm một động cơ nhỏ gắn kèm để phục hồi vệ tinh về độ cao hoạt động sau một thời gian.

Hình 1.17. Công nghệ chụp ảnh SAR và LCTF cho vệ tinh cỡ nhỏ

a) Nhiệt từ bức xạ mặt trời trực tiếp

Bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt lớn nhất ảnh hưởng đến những vệ tinh hoạt động ở quỹ đạo của trái đất. Không như các nguồn nhiệt khác, đây là loại nguồn nhiệt có tính ổn định cao. Ngay cả khi xảy ra chu kỳ hoạt động 11 năm của mặt trời, bức xạ thay đổi cũng chỉ ở mức dưới 1%. Tuy nhiên, có 2 yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt lượng vệ tinh nhận được từ nguồn này. Thứ nhất là về mặt thời gian, ví dụ như vào ngày hạ chí, nhiệt lượng trái đất nhận được sẽ là ít nhất (1.322 W/m2), và nhiều nhất vào ngày đông chí (1.414 W/m2). Yếu tố thứ 2 đó là bước sóng (7% năng lượng phân bố ở vùng tia cực tím, 46% năng lượng phân bố ở vùng ánh sáng nhìn thấy, 47% năng lượng phân bố ở vùng tia hồng ngoại). Một điểm rất quan trọng đó là đối với 47% năng lượng ở dải hồng ngoại, nhiệt lượng phát ra bởi mặt trời có bước sóng ngắn hơn rất nhiều so với nhiệt lượng phát ra của một vật ở gần nhiệt độ phòng (là nhiệt độ hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh). Chính vì đặc điểm này nên ta có thể chọn vật liệu điều khiển nhiệt có hệ số phản xạ cao ở bước phát xạ của mặt trời nhưng đồng thời vật liệu đó cũng có thể có hệ số phát xạ cao ở bước sóng ở gần nhiệt độ phòng của các thiết bị hoạt động trên vệ tinh.

b) Nhiệt từ bức xạ mặt trời phản xạ lại bề mặt trái đất (Albedo)

Albedo thường được tính toán bằng cách lấy tỷ lệ của bức xạ phản xạ trở lại không gian trên bức xạ tới một đơn vị diện tích. Tuy nhiên, do độ phản xạ phụ

thuộc lớn vào môi trường ở bề mặt trái đất, Albedo cũng thay đổi rất nhiều. Ví dụ, các bề mặt màu trắng như tuyết và băng có Albedo cao, nghĩa là chúng phản xạ hầu hết bức xạ mặt trời lại không gian, trong khi các khu vực xanh có nhiều cây cối hoặc đồng ruộng có Albedo thấp hơn, nên giữ lại hầu hết nhiệt của bức xạ mặt trời. Do vậy mà với ngay cả cùng một khu vực, Albedo cũng có thể thay đổi theo mùa khi mùa đông bề mặt của vùng đó có thể bị bao phủ nhiều hơn bởi băng hoặc tuyết. Ngoài ra, độ phản xạ cũng tăng khi: góc ngẩng của mặt trời giảm, hay khi độ bao phủ của mây tăng, hoặc vĩ độ quan sát tăng. Một điểm quan trọng nữa đó là lượng Albedo mà vệ tinh nhận được sẽ giảm khi vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo và rời xa khỏi vị trí mà mặt trời ở trên đỉnh đầu (Mặc dù chỉ số Albedo tại điểm đó trên mặt đất là không đổi).

Hình 1.18. Những nhân tố chính ảnh hưởng đến nhiệt độ của vệ tinh

c) Bức xạ của trái đất phát ra

Phần nhiệt lượng thu được từ bức xạ mặt trời nhưng không phản xạ trở lại dưới dạng Albedo sẽ làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất và sau đó sẽ phát ra dưới dạng năng lượng hồng ngoại. Bức xạ phát ra của trái đất có thể thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ cụ thể của một điểm trên bề mặt trái đất và lượng mây bao phủ (nhiều mây làm giảm bức xạ của trái đất mà vệ tinh nhận được, tuy nhiên lại tăng hệ số phản xạ đối với bức xạ mặt trời). Nhìn chung thì những sa mạc ở vùng nhiệt đới sẽ có hệ số bức xạ của trái đất cao nhất và giảm khi vĩ độ tăng dần. Nhiệt lượng ở vùng hồng ngoại mà trái đất phát ra tương đương với 1 vật ở nhiệt độ -18oC, gần xấp xỉ

với bước sóng phát ra bởi vệ tinh, dài hơn rất nhiều so với bước sóng phát ra bởi mặt trời ở 5.500oC. Không giống như bức xạ của mặt trời, bức xạ của trái đất không thể bị phản xạ bởi bề mặt của bộ quản lý nhiệt, bởi nếu làm như vậy thì cũng sẽ ngăn nhiệt lượng phát ra từ bên trong vệ tinh thoát ra khỏi vệ tinh (do có cùng một bước sóng). Vì vậy nhiệt lượng phát ra bởi bề mặt trái đất sẽ chiếm 1 tỷ trọng lớn trong việc làm tăng nhiệt độ của bộ quản lý nhiệt đối với vệ tinh hoạt động ở quỹ đạo thấp.

Có một điểm đáng chú ý là do nhiệt độ của vệ tinh khi hoạt động thường cao hơn nhiệt độ của trái đất, nên nhiệt lượng sẽ chuyển từ vệ tinh xuống trái đất chứ không phải theo hướng ngược lại. Tuy nhiên, trong quá trình phân tích, người ta thường bỏ qua sự có mặt của trái đất, coi như cả 360o quanh vệ tinh đều là môi trường không gian. Sau đó sự khác biệt về nhiệt lượng hồng ngoại phát ra và thu vào sẽ được coi như phần nhiệt lượng hồng ngoại mà trái đất phát ra.

d) Ma sát với các phân tử chuyển động tự do (FHM)

Loại nhiệt lượng này gây ra khi vệ tinh ma sát với các phân tử chuyển động tự do. Đối với hầu hết các vệ tinh, hiện tượng FHM thường xảy ra trong quá trình lên cao của vệ tinh khi mà 1 trong các bình nhiên liệu được tách ra. Thời điểm tách phải được tính toán phù hợp để giảm thiểu khối lượng vô ích mang theo càng sớm càng tốt nhưng đồng thời cũng phải ở một độ cao phù hợp nơi mà các phân tử khí có mật độ ít để tránh làm tăng nhiệt độ của vệ tinh quá mức.

e) Các phương pháp quản lý nhiệt cho vệ tinh

Quản lý nhiệt cho vệ tinh là vấn đề rất được quan tâm trong quá trình thiết kế và chế tạo vệ tinh. Để giải quyết bài toán quản lý nhiệt cho vệ tinh, hiện nay người ta sử dụng nhiều phương pháp kỹ thuật khác nhau. Kỹ thuật điều khiển nhiệt trên vệ tinh có thể phân ra thành điều khiển nhiệt chủ động (ATC) và điều khiển nhiệt thụ động (PTC) [66]:

- PTC: không bao gồm các bộ phận có thể di chuyển. Nhiệt độ các thành phần của vệ tinh có thể được giữ trong khoảng hoạt động thích hợp bằng cách điều khiển nhiệt thoát ra của các thành phần của vệ tinh thông qua dẫn nhiệt. Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu thêm điện năng từ vệ tinh, vốn đã khá hạn chế trong tổng lượng điện năng sản xuất ra được (chỉ thông qua pin mặt trời). Hơn nữa, phương pháp điều khiển nhiệt thụ động cũng không yêu cầu mạch hay thiết bị

điều khiển, vì vậy mà thể tích chiếm dụng của hệ bên trong vệ tinh là nhỏ, không ảnh hưởng đến thiết kế chung của vệ tinh. Tuy nhiên, nhược điểm của PTC là không thể hoạt động trong các môi trường quá khắc nghiệt hoặc đối với các thành phần sản sinh ra nhiệt quá lớn. Sau đây là một số thiết bị quản lý nhiệt bị động phục vụ cho việc quản lý nhiệt của vệ tinh:

+ Khoá nhiệt (Heat switches): Khóa nhiệt là loại thiết bị có khả năng thay đổi hệ số dẫn nhiệt, nghĩa là có thể trở thành vật dẫn nhiệt tốt hoặc cách nhiệt tốt tuỳ từng trường hợp. Khi được lắp vào giữa bộ quản lý nhiệt và thiết bị cần quản lý nhiệt, sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt của khóa nhiệt có thể được dùng để điều khiển nhiệt của thiết bị. Khoá nhiệt có thể được sử dụng để điều khiển nhiệt độ của thiết bị mà không cần sử dụng bộ điều khiển nhiệt, do vậy sẽ làm giảm năng lượng yêu cầu khi hoạt động cũng như mạch và phần mềm điều khiển. Trong quá trình sản xuất, một nhiệt độ mặc định sẽ được gán cho khóa nhiệt. Khi nhiệt độ của thiết bị cần điều khiển nhiệt vượt quá nhiệt độ mặc định này, độ dẫn của khóa nhiệt sẽ tăng, cho phép phần nhiệt lượng dư thừa đi nhanh qua khóa nhiệt, đi đến bộ quản lý nhiệt và ra môi trường bên ngoài. Ngược lại, khi độ dẫn của khóa nhiệt giảm, thiết bị sẽ được giữ ấm ở mức thích hợp bằng nhiệt lượng tự phát ra. Thông thường có 2 cách để lắp khóa nhiệt: một là lắp ở giữa bộ phận quản lý nhiệt bên ngoài và kết cấu của vệ tinh, hai là lắp trực tiếp ở giữa các thiết bị và kết cấu của vệ tinh.

Hình 1.19. Mô tả khóa nhiệt dùng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh [66]

+ Vật liệu thay đổi trạng thái (Phase Change Material-PCM): Các thiết bị dùng trong quá trình phóng hoặc quay trở lại mặt đất có chu kỳ hoạt động rất ngắn và chỉ hoạt động một lần, tuy nhiên lại sản sinh ra nhiệt lượng rất lớn trong quá trình hoạt động. Chính vì vậy đối với những thiết bị như thế này, yêu cầu đề ra là trong khoảng thời gian dài không hoạt động và trong khoảng thời gian sinh ra nhiều

nhiệt, thiết bị vẫn phải được giữ trong dải hoạt động cho phép. Việc sử dụng PCM sẽ giữ cho thiết bị luôn ở trong trạng thái gần như đẳng nhiệt trong suốt quá trình vệ tinh hoạt động. PCM sẽ được luân phiên đóng băng và làm nóng chảy: khi thiết bị sinh ra nhiệt làm nóng PCM, lúc này PCM đang ở trạng thái đóng băng sẽ chuyển sang trạng thái lỏng (nhiệt độ không đổi). Trong quá trình thiết bị không hoạt động, nhiệt lượng sinh ra ở pha trước sẽ được giải phóng bằng bộ quản lý nhiệt và PCM lại trở lại trạng thái đóng băng. Vì vậy mà thiết bị luôn được giữ ở một nhiệt độ cố định.

+ Heatpipe: Heatpipe có thể di chuyển một lượng nhiệt tương đối lớn từ điểm này sang điểm khác dựa vào chu trình hai pha, từ đó tạo ra một bề mặt đẳng nhiệt. Cấu tạo của heatpipe gồm có bộ ngưng tụ, bộ bốc bay và một vùng đoạn nhiệt. Cả dung dịch lỏng và chất khí của heatpipe đều được giữ ở nhiệt độ bão hòa. Do heatpipe hoạt động dựa trên hiện tượng mao dẫn, nên bấc chỉ có thể cung cấp một lực chất lỏng tương đối nhỏ, vì vậy mà heatpipe không quá hiệu quả trong quản lý nhiệt cho vệ tinh. Khi nhiệt lượng được phát ra (có thể từ một thiết bị đang hoạt động hoặc do bị chiếu sáng trong một thời gian dài từ bức xạ mặt trời), nhiệt lượng này sẽ được chuyển đến bộ bốc bay. Tại đây nhiệt lượng này sẽ làm dung dịch lỏng ở trong bấc bị bốc hơi, đồng thời làm tăng áp suất khí tại bộ bốc bay, làm cho khí mang theo nhiệt di chuyển từ bộ bốc bay đến bộ ngưng tụ. Ở bộ ngưng tụ, khí nóng khi tiếp xúc với bề mặt lạnh sẽ bị ngưng tụ thành dung dịch lỏng, nhiệt lượng sinh ra trong quá trình này được chuyển ra ngoài. Dung dịch ở bộ ngưng tụ thông qua hiện tượng mao dẫn sẽ quay trở lại bộ bốc bay, từ đó tạo thành một chu trình khép kín không cần điều khiển.

Hình 1.20. Cơ chế hoạt động của heatpipe trong điều khiển nhiệt cho vệ tinh [66]

- ATC: có thể khắc phục được nhược điểm của PTC. ATC có thể sử dụng một trong các thiết bị như heatpipe, louver, thiết bị làm mát/ làm nóng hay PFL.

Sau đây là một số thiết bị quản lý nhiệt chủ động phục vụ cho việc quản lý nhiệt của vệ tinh:

+ Cửa thông hơi (Louvers): Louvers là thiết bị nhiệt chủ động đã được ứng dụng nhiều trên vệ tinh. Ở trạng thái mở hoàn toàn, Louvers có thể giải thoát nhiệt lượng gấp khoảng 6 lần so với khi đóng. Tuy là thiết bị điều khiển nhiệt chủ động nhưng Louvers lại không cần sử dụng đến năng lượng. Louvers phù hợp nhất đối với các vệ tinh mà năng lượng toả ra của các thiết bị thay đổi lớn do sự thay đổi trong chu kỳ hoạt động. Ngày nay, Louvers thường gồm các chi tiết sau: tấm nền cánh, các cánh hình chữ nhật, bộ chuyền động lò xo lưỡng kim, bộ phận cảm biến, giá đỡ. Trước đây còn có hai loại Louvers được sử dụng là loại dùng thủy lực và loại chong chóng, tuy nhiên do hạn chế trong hiệu suất nên bây giờ không còn được sử dụng rộng rãi. Tấm nền cánh là một bề mặt có tỷ lệ hấp thụ trên phát xạ thấp, dùng để phủ lên các thành phần của vệ tinh cần được điều khiển nhiệt độ. Cánh được điều khiển bởi bộ chuyền động, có tác dụng thay đổi khả năng quản lý nhiệt của Louvers. Khi các cánh được đóng lại, tấm nền cánh được bảo vệ và cách ly với môi trường bên ngoài, còn khi cánh được mở ra, tấm nền và môi trường bên ngoài sẽ có khả năng trao đổi nhiệt với nhau. Bộ chuyền động điều khiển cánh dựa vào nhiệt độ của tấm nền cánh. Bộ chuyền động ở đây là các dây lưỡng kim ở dạng xoắn, có khả năng co vào khi nhiệt độ giảm đi và giãn ra khi nhiệt độ tăng lên.

Hình 1.21. Cửa thông hơi dùng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh [66]

+ Thermoelectric Coolers (TECs): TECs là một loại bơm thu nhỏ có khả năng làm lạnh cho các thiết bị cần nhiệt độ làm việc thấp trong một khoảng thời gian nhất định. TECs dựa trên nguyên lý Peltier, trong đó khả năng làm lạnh dựa trên sự di chuyển của dòng điện đi qua hai mặt kim loại khác nhau. Hai mặt này được nối với nhau bằng hai chất bán dẫn, một p-type và một n-type, nhiệt lượng sau đó được bơm từ mặt kim loại có nhiệt độ thấp hơn sang mặt có nhiệt độ cao hơn.

+ Hệ thống tuần hoàn chất lỏng dùng bơm (Pumped Fluid Loops - PFL): Một ống bơm chất lỏng sử dụng trong không gian thường bao gồm các thành phần: một bơm, một thiết bị trao đổi nhiệt và một bộ phận quản lý nhiệt. Quá trình được thực hiện chủ yếu bằng việc sử dụng nước làm mát để quản lý nhiệt. Dung dịch này hấp thụ nhiệt phát ra từ các thiết bị đang hoạt động và đưa nhiệt này tới bộ phận quản lý nhiệt. Dung dịch làm mát có hai loại được sử dụng: loại có thể tái sử dụng và loại không thể tái sử dụng. Đối với loại không thể tái sử dụng, dung dịch sẽ được đẩy khỏi vệ tinh sau khi sử dụng xong. Còn đối với dung dịch có thể tái sử dụng, dung dịch sẽ được làm mát, sau đó quay trở lại bắt đầu chu trình khi mà nhiệt năng đã được chuyển ra bên ngoài không gian thông qua quản lý nhiệt.

Trong các phương pháp trên thì phương pháp tuần hoàn chất lỏng dùng bơm (PFL) là phương pháp đơn giản, dễ tiếp cận và tương thích với chất lỏng nanô có hệ số dẫn nhiệt cao.

Hiện nay hướng nghiên cứu về hệ thống PFL trong điều khiển nhiệt cho vệ tinh vẫn đang tiếp tục được thực hiện, trong đó tập trung vào việc cải tiến về thiết kế cũng như nghiên cứu các cấu hình mới. Chẳng hạn trong năm 2015, nhóm nghiên cứu Roel C. van Benthem [67] đã phát triển hệ thống PFL không dùng van sử dụng cho vệ tinh truyền thông lớn. Trong năm 2016, nhóm nghiên cứu Robert Thorslund (Thụy Điển) đã phát triển hệ thống PFL có sử dụng bơm dựa trên công nghệ Electro Hydro Dynamic (EHD) với nhiều tính chất ưu việt [68]. Cũng trong năm 2016, nhóm nghiên cứu Ji-Xiang Wang (Trung Quốc) đã nghiên cứu về tấm lạnh có độ thích nghi cao để sử dụng cho hệ thống PFL [69]. Gần đây nhất, năm 2017, nhóm nghiên cứu V.S. Jasvanth (Ấn Độ) đã nghiên cứu thiết kế chế tạo một hệ thống PFL sử dụng ammonia cho vệ tinh với công suất có thể lên đến 500 W [70]. Tuy nhiên việc sử dụng chất lỏng nanô với hệ số dẫn nhiệt cao trong hệ thống PFL vẫn là vấn đề mới và gần đây mới có một số nhóm nghiên cứu thực hiện.