Bài tập lớn môn thông tin vệ tinh Các phương pháp điều khiển nhiệt độ

Vệ tinh chứa bên trong nó rất nhiều thiết bị và linh kiện điện tử. Mỗi linh kiện điện tử đều có dải nhiệt độ an toàn để chúng vận hành. Do đặc thù chuyển động rất nhanh trên quỹ đạo và đặc tính tỏa nhiệt khi các thiết bị điện tử hoạt động, sự biến thiên nhiệt độ rất nhanh và rất lớn, có thể làm nhiệt độ của thiết bị vượt ra ngoài dải giá trị cho phép. Do vậy, để đảm bảo tuổi thọ của vệ tinh, cần có các biện pháp ổn định và giữ cho nhiệt độ của vệ tinh trong khoảng an toàn.

Báo cáo bài t p l n môn thông tin v tinh ập lớn môn thông tin vệ tinh ớn môn thông tin vệ tinh ệ tinh.

M c l c ục lục ục lục

1 Tại sao phải điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh 2

2 Các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới nhiệt độ của vệ tinh 2

2.1 Bức xạ trực tiếp từ mặt trời (direct sunlight) 2

2.2 Bức xạ mặt trời phản chiếu từ trái đất (albedo) 3

2.3 Bức xạ hồng ngoại từ trái đất 3

2.4 Hiệu ứng nóng lên do ma sát với khí quyển 4

2.5 Tỏa nhiệt do hoạt động của các thiết bị bên trong vệ tinh 4

3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 4

3.1 Phân loại các phương pháp điều khiển nhiệt độ 4

3.2 Phương pháp điều khiển nhiệt độ thụ động 5

3.2.1 Lớp phủ kiểm soát nhiệt (Thermal Surface Finishes) 5

3.2.2 Lớp cách ly (Isulation) 8

3.2.3 Bộ bức xạ (Radiators) 9

3.2.4 Vật liệu chuyển pha (Phase – Change Material – PCM) 12

3.3 Phương pháp điều khiển nhiệt độ tích cực 14

3.3.1 Bộ làm nóng (Heaters) 14

3.3.2 Bộ làm mát (Thermoelectric Coolers – TEC) 15

3.3.3 Bộ chuyển mạch nhiệt (Heat Switches) 16

3.3.4 Ống dẫn nhiệt (Heat Pipes) 17

4 Kết luận 19

5 Tài liệu tham khảo 19

1 Tại sao phải điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh.

Vệ tinh chứa bên trong nó rất nhiều thiết bị và linh kiện điện tử Mỗi linh kiện điện tử đều có dải nhiệt độ an toàn để chúng vận hành Do đặc thù chuyển động rất nhanh trên quỹ đạo và đặc tính tỏa nhiệt khi các thiết bị điện tử hoạt động, sự biến thiên nhiệt độ rất nhanh và rất lớn, có thể làm nhiệt độ của thiết bị vượt ra ngoài dải giá trị cho phép Do vậy, để đảm bảo tuổi thọ của vệ tinh, cần có các biện pháp ổn định và giữ cho nhiệt độ của vệ tinh trong khoảng an toàn

2 Các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới nhiệt độ của vệ tinh

Các vệ tinh khi chuyển động trên cao, xung quanh Trái Đất chịu ảnh hưởng chủ yếu của bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trời gián tiếp (do phản xa từ Trái Đất), bức xạ hồng ngoại của Trái Đất Những vệ tinh quỹ đạo tầm thấp (LEO) cũng chịu ảnh hưởng mạnh do quá trình ma sát với bầu khí quyển trong khi chuyển động Ngoài ra, bên trong vệ tinh, khi các thiết bị điện tử hoạt động tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể Phần này sẽ đề cập tới các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới vệ tinh

Hình 2.1 các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới vệ tinh

2.1 Bức xạ trực tiếp từ mặt trời (direct sunlight)

Mặt trời là nguồn bức xạ ổn định, cường độ phát bức xạ từ mặt trời biến động thường nhỏ hơn 1% với chu kì khoảng 11 năm (bằng chu kì hoạt động của mặt trời) Tuy nhiên, do quỹ đạo Trái Đất hình elipse nên khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt trời sẽ thay đổi trong năm, phụ thuộc vào vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời Điều này dẫn đến cường độ bức xạ mặt trời tại Trái Đât biến độ khoảng 3.5% (từ 1322 W/m2 đến 1414 W/m2)

Cường độ bức xạ của mặt trời phụ thuộc vào bước sóng trong phổ ánh sáng mặt trời Hình 2.2 thể hiện phân bố cường độ bức xạ theo bước sóng ánh sáng mặt trời Theo đó, khoảng 7% năng lượng tập trung trong vùng có bước sóng tử ngoại 46% năng lượng tập trung trong vùng ánh sáng nhìn thấy và 47% năng lượng ánh sánh tập trung trong vùng hồng ngoại

Hình 2-2: Phân bó năng lượng bức xạ mặt trời theo bước sóng

2.2 Bức xạ mặt trời phản chiếu từ trái đất (albedo)

Ánh sáng mặt trời phản xạ từ Trái đất gọi là albedo Loại nguồn bức xạ kiểu này biến động rất lớn Thường thi ánh sáng phản xạ từ Trái Đất mà vệ tinh nhận được khi di chuyển qua vùng lục địa sẽ lớn hơn khi di chuyển qua vùng đại dương Ngoài ra, cường độ bức xạ ánh sáng phản xạ từ mặt đất sẽ tăng khi góc nhìn mặt trời giảm và lượng mây tăng

2.3 Bức xạ hồng ngoại từ trái đất

Các tia sáng mặt trời không bị phản xạ ngược lại vào không gian sẽ bị trái đất hấp thụ và phát

xạ ngược trở lại dưới dạng bức xạ hồng ngoại cường độ bức xạ hồng ngoại này tương đối ổn định Sự biến động của cường độ bức xạ hồng ngoại có thể do nhiệt độ cục bộ trên bề mặt trái đất, độ che phủ mây Những nơi cường độ bức xạ hồng ngoại mạnh đó là vùng sa mạc hoặc vùng nhiệt đới như vậy, nhìn chung, cường độ bức xạ hồng ngoại tăng khi vĩ độ giảm ngoài ra độ che phủ của mây càng nhiều thì càng làm giảm cường độ bức xạ hồng ngoại Hình 2.3 dưới đây biểu diễn dữ liệu cường độ bức xạ albedo và cường độ bức xạ hồng ngoại trong trường hợp cold case Đây là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học tại trung tâm nghiên cứu vũ trụ Mỹ (NASA) Các số liệu được thu thập nhờ cảm biến nhạy albedo và nhạy

IR của tram không gian quốc tế ISS từ năm 1990 Nhìn vào đây có thể thấy, cường độ bức xạ albedo tăng dần còn cường độ bức xạ hồng ngoại giảm dần khi vĩ độ tăng

Hình 2-3: Bảng thống kê cường độ bức xạ albedo và IR

2.4 Hiệu ứng nóng lên do ma sát với khí quyển

Hiệu ứng nóng lên do ma sát với khí quyển rất đáng kể đối với vệ tinh quỹ đạo tầm thấp nhiệt lượng do ma sát khí quyền càng lớn khi mật độ không khí càng cao và tốc độ chuyển động của vệ tinh càng lớn: Q = 0.5αρVV3, trong đó ρV là mật độ không khí, V là tốc độ của vệ tinh và α là hệ số phụ thuộc vị trí (nằm trong khoảng từ 0.6 đến 0.8)

2.5 Tỏa nhiệt do hoạt động của các thiết bị bên trong vệ tinh

Trong quá trình hoạt động, các thiết bị điện tử tỏa nhiệt đây là năng lượng dư thừa, nếu không có phương pháp xử lý tản nhiệt, điều hòa nhiệt độ trong vệ tinh sẽ làm cho các thiết bị

dễ quá nhiệt và hỏng hoặc nhiệt độ giữa các bộ phận trong vệ tinh không đồng đều, dẫn đến

hư hỏng do biến thiên môi trường lớn

3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ

3.1 Phân loại các phương pháp điều khiển nhiệt độ.

Việc kiểm soát nhiệt độ có thể phân làm 2 nhóm chính:

Điều khiển nhiệt độ thụ động

Điều khiển nhiệt độ tích cực

3.2 Phương pháp điều khiển nhiệt độ thụ động

3.2.1 Lớp phủ kiểm soát nhiệt (Thermal Surface Finishes)

Lớp phủ kiểm soát nhiệt phụ thuộc bước sóng được dùng trong việc thiết kế điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh Để tối thiểu hóa sự hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời, các bộ phản xạ ánh sáng mặt trời (ví dụ như bộ gương bề mặt thứ cấp), lớp phủ sơn trắng, lớp phủ bạc – Teflon hoặc nhôm – Teflon được sử dụng Để tối thiểu hóa sự hấp thụ năng lượng mặt trời và sự phát xạ hồng ngoại, kim loại mạ bóng được sử dụng như nhôm mạ vàng

Hai tính chất quan trọng nhất của bất kì một loại bề mặt nào đó là phát xạ hồng ngoại

và hấp thụ ánh sáng mặt trời Hình 3.1 biêu diễn tính chất của các loại vật liệu khác nhau

Hình 3-1: Tính chất hấp thụ và phát xạ của bề mặt

Các bề mặt kiểm soát nhiệt được phân làm 4 loại cơ bản (hình 3.2): phản xạ ánh sáng mặt trời (solar reflector), hấp thụ ánh sáng mặt trời (solar absorber), phản xạ phẳng (flat reflector) và hấp thụ phẳng (flat absorber) Các bề mặt thuộc loại phản xạ ánh sáng mặt trời thì phản xạ tốt ánh sáng mặt trời trong khi hấp thụ hoặc phát xạ tốt bức

xạ hồng ngoại Các bề mặt thuộc loại hấp thụ ánh sáng mặt trời trong khi vẫn có thể phát xạ một lượng nhỏ năng lượng bức xạ hồng ngoại Các bề mặt thuộc loại phản xạ phẳng thì phản xạ cả bức xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại, trong khi các bề mặt thuộc loại hấp thụ phẳng thì ngược lại

Hình 3-2: Bốn loại bề mặt kiểm soát nhiệt độ

Hình 3.3 dưới đây liệt kê một số tính chất quang học của các bề mặt kiểm soát nhiệt độ

Hình 3- 3: Tính chất quang học của một số bề mặt kiểm soát nhiệt độ

Lớp phủ bên ngoài của vệ tinh bao gồm lớp vỏ cách nhiệt, áo bức xạ nhiệt và sơn Lớp vỏ cách nhiệt ngoài cùng được làm bằng nhôm Kapton, black Kapton hoặc beta Kapton Nhôm Kapton là vật liệu nhôm được mạ vàng dày từ 1 đến 3mils, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời ở mức độ vừa phải, phát xạ bức xạ hồng ngoại ở mức độ cao Black Kapton là một vật liệu có chứa cacbon, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời rất cao Beta Kapton là vật liệu thủy tinh được phủ Teflon, cho phép hấp thụ bức xạ mặt trời ở mức độ thấp và phát xạ bức xạ hồng ngoại ở mức độ cao

Áo bức xạ nhiệt điển hình là gương bề mặt thứ cấp (second – surface mirror) được

mô tả như hình 3.4 Cấu trúc của gương bề mặt thứ cấp bao gồm vật liệu phủ trong suốt (ví dụ như thủy tinh thạch anh hoặc Teflon) để đạt được khả năng phát xạ hồng ngoại cao, đồng thời sử dụng lớp vỏ kim loại (như bạc hoặc nhôm) để giảm khả năng hâp thụ bức xạ mặt trời

Thường thì bề mặt phía bên trong của vệ tinh được sơn màu đen để thu được hệ số phát xạ cao, trong khi bề mặt phía bên ngoài của vệ tinh được sơn màu trắng để giảm nhỏ hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời

Hình 3- 4: Cấu trúc bề mặt gương thứ cấp

3.2.2 Lớp cách ly (Isulation)

Cách ly đa tầng (multilayer insulation – MLI) và rào chắn bức xạ đơn tầng (single-layer radiation barrier) là những phần tử kiểm soát nhiệt độ rất phổ biến trên vệ tinh MLI ngăn cản mất nhiệt từ các phần tử và sự quá nhiệt do tác động từ môi trường bên ngoài Rào chắn bức xạ đơn tầng thỉnh thoảng dùng ở những chỗ ít đòi hỏi về cách ly nhiệt trong MLI

MLI gồm nhiều lớp mỏng có độ bức xạ thấp, được mô tả như trong hình 3.5.

Hình 3-5: Cấu trúc bộ cách ly đa tâng

Nhiệt truyền qua MLI là tổ hợp của các yếu tố bức xạ, truyền nhiệt qua chất rắn, truyền nhiệt qua chất khí Các dạng truyền nhiệt này có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách Để giảm khả năng truyền nhiệt bằng bức xạ, ta có thể sử dụng phương pháp phủ bề mặt bằng kim loại xung quanh vật thể muốn cách ly nhiệt Để giảm khả năng truyền nhiệt qua chất rắn, ta có thể giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc giữa các lớp trong MLI Việc truyền nhiệt qua chất khí cũng được tối thiểu hóa bằng cách sử dụng phương pháp cách ly chân không

3.2.3 Bộ bức xạ (Radiators)

Nhiệt dư thừa trong vệ tinh được loại bỏ vào trong không gian thông qua các bề mặt của bộ bức xạ Các bộ bức xạ có thể ở nhiều loại khác nhau, ví dụ như bộ phát xạ Passive Structure Radiator (PSR), bộ phát xạ Structural Panel, bộ phát xạ Body-Mounted, … Nhưng dù là loại nào, thì nguyên lý đưa nhiệt vào không gian cũng là

sử dụng phát xạ bức xạ hồng ngoại từ bề mặt bức xạ Công suất bức xạ này phụ thuộc

vào hệ số phát xạ bề mặt và nhiệt độ của nó: Q = AεσT4 Trong đó, A là diện tích bề mặt của bộ bức xạ, ε là hệ số phát xạ hồng ngoại, σ là hằng số Stefan – Boltzmann (5,669.10-8 W/m2.K4), T là nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt bộ bức xạ Thường thi các bộ bức xạ trên vệ tinh loại bỏ khoảng từ 100W đến 350W nhiệt lượng trên một met vuông ra bên ngoài Hầu hết các bộ bức xạ đều có hệ số phát xạ hồng ngoại bề mặt cao (ε > 0.8) để nâng cao khả năng loại bỏ nhiệt và hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời thấp (α < 0.2) để giảm nhẹ việc thu nhiệt từ môi trường Ta cũng có thể thấy, công suất phát xạ của bộ bức xạ phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ (hình 3.6)

Hình 3- 6: Sự phụ thuộc của nhiệt lượng bức xạ vào nhiệt độ

Dưới đây sẽ trình bày một số loại bộ bức xạ

Bộ bức xạ Passive Structure Radiators

Đây là loại bộ bức xạ phổ biến và đơn giản nhất (hình 3.7) Nó thường được chế tạo

từ nhôm, được dùng để làm vỏ của vệ tinh hoặc vỏ của các hệ thống con trên vệ tinh Xét trường hợp bộ bức xạ

loại này làm vỏ của vệ tinh Nó sẽ nhận bức xạ

từ mặt trời, từ trái đất phản chiếu ánh sáng mặt trời và từ các thiết bi điện

tử bên trong Khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, tổng lượng bức xạ bề mặt hấp thụ từ bên ngoài (do bức xạ mặt trời trực tiếp

và bức xạ mặt trời gián tiếp) cộng với lượng bức

xạ bề mặt hấp thụ từ bên trong (do tỏa nhiệt trên các thiết bị điện tử) bằng lượng bức xạ hồng ngoại

mà bề mặt phát ra

Bộ bức xạ Structural Panels kết hợp ống dẫn nhiệt

Nếu sử dụng tấm tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn, thì chưa chắc đủ sức tản nhiệt ra bên ngoài, giữ cho thiết bị trong dải nhiệt độ cho phép Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách tăng diện tích tản nhiệt lên nhưng nó sẽ làm tăng trọng lượng của toàn bộ hệ thống Để vượt qua vấn đề này, các ống dẫn nhiệt (heat pipe) sẽ được

sử dụng Hình 3.9 sẽ cho thấy ưu điểm khi dùng ống dẫn nhiệt so với dùng tản nhiệt Một ứng dung của loại bộ bức xạ này là tấm bức xạ của bộ khuếch đại TWT trên vệ tinh viễn thông (hình 3.8)

Hình 3-8: Cấu trúc của bộ bức xạ

Hình 3-9: Ưu điểm của việc sử dụng ống dẫn nhiệt so với tấm tản nhiệt

3.2.4 Vật liệu chuyển pha (Phase – Change Material – PCM)

Dạng điều khiển nhiệt độ bằng vật liệu chuyển pha đơn giản nhất được mô tả ở hình 3.10 Mặc dù ở dạng này chỉ sử dụng được trong một thời gian ngắn nhưng nó đã cho

ta thấy được nguyên lý tản nhiệt Khi các thiết bị điện tử hoạt động, nhiệt của nó sẽ được vật liệu chuyển pha hấp thụ để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, giữ cho nhiệt độ của thiết bị không vượt quá giới hạn cho phép Cách tản nhiệt này cực kì thích hợp cho những ứng dụng tản nhiệt trên thiết bị điện tử công suất lớn

Hình 3-10: Ứng dụng đơn giản sử dụng vật liệu chuyển pha

Để có thể sử dụng cách làm mát này trong một thời gian dài hơn, một hệ thống được triển khai như ở hình 3.11 với cách bố trí này, khi thiết bị điện tử hoạt động và lượng nhiệt tỏa ra từ thiết bị điện tử sẽ chuyển thành năng lượng chuyển pha vật liệu Khi thiết bị điện tử tạm ngừng hoạt động, năng lượng này sẽ được đưa ra bên ngoài thông qua bộ bức xạ Khi đó, chúng ta lại có một chu kì mới Một hệ thống kiểm soát nhiệt

độ sử dụng nguyên lý nói trên đã được áp dụng triển khai trên tàu Apollo 15 để làm mát cho bộ xử lý tín hiệu số (Signal Processing Unit – SPU) Nhiệt lượng tỏa ra khi SPU hoạt động được hấp thụ bởi khối PCM và cuối cùng được thoát ra bên ngoài nhờ

bộ bức xa

Hình 3-11: Ứng dụng sử dụng vật liệu chuyển pha một cách lâu dài

Một mô hình khác cho phép xử lý lượng nhiệt dư thừa một cách tập trung (hình 3.12)

Ở trong mô hình này, lượng nhiệt dư thừa từ một số thiết bị được dẫn về khối lưu trữ nhiệt PCM (PCM TES) thông qua các ống dẫn nhiệt để hấp thụ

Hình 3-12: Hệ thống PCM TES

Các loại vật liệu chuyển pha rất hay dùng đó là các vật liệu dễ hóa lỏng (solid – liquid), vật liệu dễ hóa hơi (liquid to gas), vật liệu dễ thăng hoa (solid to gas) Hình 3.13 liệt kê các vật liệu chuyển pha được sử dụng cho ứng dụng kiểm soát nhiệt độ trên vệ tinh

Hình 3-13: Vật liệu chuyển pha

3.3 Phương pháp điều khiển nhiệt độ tích cực

3.3.1 Bộ làm nóng (Heaters)

Bộ làm nóng được sử dụng trong hệ thống điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh để bảo vệ các thiết bị điện tử trong điều kiện nhiệt độ quá thấp, hoặc giữ cho nhiệt độ thiết bị

trên ngưỡng tối thiếu trước khi nó đi vào hoạt động Bộ làm nóng sử dụng máy điều nhiệt hoặc vi điều khiển bán dẫn để điều khiển nhiệt độ của thiết bị điện tử một cách chính xác

Hình 3-14: Hình dạng một số bộ làm nóng

3.3.2 Bộ làm mát (Thermoelectric Coolers – TEC)

Bộ làm mát là các máy bơm nhiệt dùng để làm mát những thiết bị có yêu cầu về nhiệt

độ vận hành thấp

TEC vận hành dựa trên hiệu ứng Peltier – Seebeck (hiệu ứng nhiệt điện), ở đó dòng điện sẽ vận chuyển năng lượng nhiêt từ một tấm kim loại này sang một tấm kim loại khác, kết quả là tạo ra một tấm kim loại có nhiệt độ thấp (cold junction) và một tấm kim loại có nhiệt độ cao hơn (hot junction) Cấu trúc của bộ làm mát hoạt động theo nguyên lý này được mô tả như hình 3.15 bộ TEC này gồm 2 tấm bán dẫn loại p và n kết nối với các tấm kim loại nhiệt sẽ từ tiếp giáp kim loại cold bơm sang tiếp giáp kim loại hot

Hình 3-15: Cấu tạo bộ làm mát