Termisk

Termisk balanse
http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/thermal/3-what-materials-are-used-for-thermal-control.html
•Kort oversikt over de viktige faktorene
•Varmebalanse i vakuum, stråling
•Materialoverflaters strålingsegenskaper
•Termiske duker
1

Termisk kontroll
All varmeforflytning i en satellitt (utenom kryogene temperaturer) skjer ved:
• Utstråling mot tomt rom
• Innstråling fra sola og jordatmosfære (uten direkte kontakt)
• fordeling av varme i egen struktur og innkapsling ved varmeledning
• Kjøling og varming ved bruk av eget, aktivt termisk system
I tillegg kommer lav-temperatur balanse (ved kryogene temperaturer)
forårsaket av tynne partikkelatmosfærer (eks. økning fra 60 til 65 Kelvin i lav
jordbane eller lav perigeum)
2

Solenergi, Albedo og diffus jordstråling,
baner og attityde
• Direkte solstråling i bane omkring jorda: 1,3 – 1,4 kW/m 2 (avhengig av
årstid/jordbaneellipse).
Omtrent 7 % på ultrafiolett
46 % synlig lys og
47 % kortbølget infrarødt lys.
• Solrefleksen fra en planet betegnes albedo.
Jordas albedo utgjør i gjennomsnitt 30 % solrefleksjon regnet som energi,
varierer avhengig av skydekke, land, vann eller snø –dekket
Albedofluksen varierer også med refleksjonsvinklene
• Jordas stråler også ut langbølget infrarødt lys
Varierer ganske mye med breddegrad og lokal årstid. Typisk ligger verdiene
på 150 – 270 W/m 2
• Variasjoner pga. satelittbaner (LEO: hurtige vekslinger under 2 timer), GEO:
maks 72 min. skygge pr 24 timer)
• Stilling (attityde). Hurtige vekslinger med utjevninger ved spinnstabiliserte
satellitter, større utfordringer ved 3-akse stabiliserte satelitter.
3

Varme
• Varme: atomer og molekyler er i en stadig, ujevn og
tilfeldig bevegelse – energien i den samlede
bevegelsen.
• Når to legemer med ulik temperatur har kontakt med
hverandre, overføres energien = varmen frivillig fra
høy til lav temperatur
• Intensiteten (kinetisk energitetthet) arter seg som det
vi kaller temperatur.
• Den absolutte temperaturskalaen (Kelvin) har sitt
nullpunkt når alle termiske bevegelser opphører.
4

0
Varmetransport ved stråling
Utstrålt varme fra atomer / molekyler med termiske vibrasjoner, "alene"
"Sort legeme utstråling"
P AT
4
der
er Stefans konstant, 5,7 10 W m K
8
-2 -4
A er arealet av den utstrålende, plane overflaten, [m2]
T
er absolutt temperatur [Kelvin].
Forholdene påvirkes av overflaten (interferens med overflatemolekylenes
orbitaler).
- Farge - kjemisk karakter (eks. metall):
Emmisiviteten, 0 1,
og utstrålt energi
blir:
PP
0
5

Eksempel
6

Strålingskarakteristikk av overflater
Absorpsjon av stråling, - avhenger av farge og overflate
Emmisjon av stråling, - avhenger også av farge og overflate, men ikke på samme måte
Netto: P P , P P
,
ut inn
eller PP0
0 0
7

Absorbtans- og emmitans-
verdier for noen
overflatematerialer.
Verdiene for de fleste av
materialene vil endre seg noe
over tid pga. nedbryting og evt.
kontaminering. Det sies at
absorbtansen øker med 0.01 for
hver 10 nm belegg
Gilmore, D.G. (ed.):
Spacecraft Thermal Control Handbook,
The Aerospace Press 2002
8

Termisk duk, tynn, ned til
10 mikrometer, FEP (eks.
Teflon), polyimid (eks.
kapton) eller strukket
polyester (Mylar).
Duken er belagt med
metallfilm for beskyttelse
mot UV og atomært
oksygen
Termisk duk
9

MLI: Multi Layer Insulation
Flerlags termisk duk, MLI
Hvert lag gir et temperatursprang
I praksis brukes mange lag, 20-50
lag.
Lagene er optimallisert mht.
absorbsjon og emmisjon slik at
varmeoverføringen blir minst
mulig.
Det er viktig at lagene ikke har
varmeledningskontakt med
hverandre (spacing-net).
De indre lagene er mikroperforerte
slik at de ikke blåser seg opp i
vakuum
10

2
Effekt inn: 22W på 1 m
Temp. strålingspartner,
(spacetemp.) -250 C
1
Termiske beregninger med elementmetode
”Kvadratmetersatelitten”
RA AnsysWB dec.2006

En mer komplisert overflate
Hvorfor har denne høyere temperatur?
Den har jo større overflate..
2
Effekt inn: 22W på 1 m
Temp. strålingspartner,
(spacetemp.) -250 C
1
RA AnsysWB dec.2006