Introdução à Tecnologia de Satélites – CSE-200-4
S b i t
Subsistema
d
de C
Controle
t l Té
Térmico
i
Petrônio Noronha de Souza
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE
São José dos Campos, SP
Maio de 2012
Unidade 2/Parte 2.8/Versão 3.2
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
faixas de temperatura em todos os modos de operação e ambientes.
Equipamentos considerados “termicamente
termicamente críticos”
críticos são aqueles que
possuem uma faixa muito estreita de temperaturas aceitáveis: p.ex:
q
com hidrazina e componentes
p
internos.
tanques
Componentes e equipamentos externos costumam tolerar faixas
largas de temperatura.
Todo o calor contido no satélite deve ser, em última instância,
emitido por radiação térmica para o espaço.
Satélites
(*) Com contribuições do Curso de Tecnologia de Satélites do INPE
2
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
missão.
A energia absorvida do meio externo.
A energia gerada internamente.
A energia irradiada para o meio externo.
As fontes de calor incluem:
–
–
–
–
–
Satélites
Equipamentos eletrônicos
Sol
Terra
Motores de foguete
Reações químicas
3
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Conceitos básicos (cont.)





Temperature Stability – maximum allowable temperature variation
over time of a given component or subsystem.
T
Temperature
t
Uniformity
U if
it – maximum
i
allowable
ll
bl ttemperature
t
gradient within the component or subsystem.
Operating Temperature Range – temperature upper and lower
limits within which the equipment fulfills all specified operating
performance and life requirements.
Switch-on Temperature Limit – lowest temperature for activating
q p
without damage.
g
equipment
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
Satélites
Fonte: ISU, SSP’07
4
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
p ç frio a -273 oC

Sistemas eletrônicos geram calor quando operam:
– Não há atmosfera para remover o calor gerado
gerado.
– O calor precisa ser transferido para radiadores exposto ao espaço
frio.
Satélites
Fonte: ISU, SSP’07
5
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
fonte, e que se
propagam em um meio ou pelo vácuo.
– Condução: o calor se transfere de um ponto a outro por
um meio sólido, líquido ou gasoso.
– Convecção:
C
ã o calor
l d
deixa
i um ffonte
t por iintermédio
t
édi d
de
um fluido em movimento, ou de um gás, que flui pela
f t de
fonte
d calor
l (somente
(
t em missões
i õ ttripuladas).
i l d )
Satélites
6
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.
Fluxo de Radiação =
–
–
–
–
Satélites
Aa a (Ta )
4
[W]
Aa = área da superfície “a” [m2]
 = constante de Stefan-Boltzman [[5,67
, x 10-8 W/m2 K4]
a = emissividade da superfície “a” [-]
Ta = temperatura absoluta da superfície “a” [K]
7
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 da
distância entre os pontos.
Fluxo de Condução =
–
–
–
–
Satélites
KAc (Ti T j )
l
[W]
K = condutividade térmica do material [W/m K]
Ac = seção
ã transversall [[m2]
(Ti – Tj) = diferença de temperatura entre os pontos i e j [K]
l = distância entre os pontos i e j [m]
8
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 p
proporcional
p
à diferença
ç de temperatura
p
entre o fluido e a superfície
p
q
que
está cedendo ou absorvendo calor.
Fluxo de Convecção =
hA (T  T f ) [W]
– h = coeficiente de transferência de calor [[W/m2 K]]
– A = área “molhada” [m2]
– (T-Tf) = diferença de temperatura entre pontos de interesse e o fluido em circulação [K]
Satélites
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2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Balanço energético de um satélite
Radiação Solar direta: 1.358 +/- 5 W/m2
Albedo:
Alb
d (30 +// 5)% d
da
Radiação Solar
incidente na Terra
Infra-vermelho terrestre:
237 +/- 21 W/m2
Dissipação interna
Rejeição de calor para o espaço
Satélites
10
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Balanço energético de um satélite (cont.)
Satélites
Fonte: ISU, SSP’07
11
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Balanço da Radiação
Radiação Recebida
Radiação Refletida ()
++=1
Radiação Absorvida ()
Radiação Transmitida ()




A radiação refletida () é uma fração da energia recebida
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 onda
de
d d
da radiação
di ã que chega.
h
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.
Um corpo negro é um emissor de calor ideal para uma dada temperatura (=1, =1)
Satélites
Fonte: ISU, SSP’07
12
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Características de recobrimentos
Satélites
Fonte: ISU, SSP’07
13
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Absortividade e Emissividade, [3]
Satélites
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2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Temperaturas típicas

O ambiente
bi t espacial
i l (Kelvin
(K l i = C
Celsius
l i + 273
273,15)
15)
– Fonte quente:
– Sumidouro:

Temperat ras de uma
Temperaturas
ma esfera no espaço [oC]:
C]
–
–
–
–

Sol a 5.700 K
Espaço a 4 K
Tinta Branca:
Tinta Negra:
Alumínio Polido:
Ouro Polido:
-58
6
94
223
Requisitos típicos de temperaturas de operação [oC]:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Satélites
Eletrônica digital:
Eletrônica analógica:
Baterias:
Rodas de reação
reação, motores elétricos:
Detectores infravermelhos:
Painéis solares:
Detectores de partículas
Propelentes
Estruturas convencionais
Estruturas
s u u as de p
precisão
ec são
0 a 50
0 a 40
10 a 20 (até -5 em alguns casos)
0 a 50
-200 a -80
-100 a 125
-35
35 a 0
7 a 55
-45 a 65
18
8 a 22
15
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Técnicas de Controle Térmico

Passiva
– Utiliza radiadores, placas condutoras (“doublers”), recobrimentos superficiais,
isoladores absorvedores
isoladores,
absorvedores, persianas
persianas, tubos de calor simples
simples, uma configuração
favorável do satélite, o lay-out dos equipamentos e as propriedades térmicas
da estrutura.
Exemplo:
Radiação para o espaço
Radiador
Placa fria
Dispositivo de interface
Equipamento
Satélites
16
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
trocadores de calor, geometrias móveis.
Exemplo:
Radiação para o espaço
Radiador
Bomba
Placa fria
Equipamento
Satélites
17
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Exemplo, [10]
Satélite recoberto por manta de
MLI (“Multi Layer Insulation”)
Satélites
18
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Tubo de calor simples, [3]
Satélites
19
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Tubo de calor de condutância variável, [3]
Satélites
20
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Exemplos de Tubos de Calor, [12]
Tubo de Calor
Satélites
Radiador
“Cold Plate”
21
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Exemplos de análise
Divisão nodal
do SACI-2
Distribuição
de
temperaturas
em um
satélite
Satélites
Divisão nodal
do CIMEX
Fator de
forma entre
superfícies
de satélite e
o espaço
em uma
posição
p
ç da
órbita
22
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Especificação
Definição das temperaturas de um TCS – thermal control system/subsystem
Satélites
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2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Modelo Térmico (TM) do CBERS-3&4 (2009)
Satélites
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Thermal Balance Test do CBERS-3&4 (2009)
CBERS-3&4 TM
Satélites
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: Thermal Balance Test do CBERS-3&4 (2009)
CBERS-3&4 TBT
http://www.lit.inpe.br/node/197
Satélites
2.8 – Subsistema de Controle Térmico: SAC-D/Aquarius (2010)
Satélites
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2.8 – Controle Térmico: Normalização
Satélites