Prof. Luigi Puccinelli IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI SPAZIO

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1 Prof. Luigi Puccinelli IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI SPAZIO CONTROLLO TERMICO

2 Equilibrio termico 2 Al di fuori dell atmosfera la temperatura esterna non ha praticamente significato Scambi termici solo per irraggiamento Temperatura dello spazio può essere ritenuta dell ordine di qualche K Irraggiamento proviene da sole, terra, luna e dagli altri corpi celesti

3 Effetto del veicolo 3 A bordo possibilità di avere liquidi criogenici a temperature dell ordine dei 200 C e sorgenti di calore come i generatori nucleari a temperature dell ordine di +500 C Il bilancio termico deve essere fatto tenendo conto delle varie posizioni e assetti in orbita

4 Sorgenti termiche 4 Dopo il lancio che provoca un iniziale riscaldamento il bilancio termico è dominato dalle sorgenti di calore interne e dall irraggiamento

5 Irraggiamento 5 L irraggiamento maggiore è quello proveniente dal sole e dipende dalla distanza da esso Ad 1U.A W/m 2 La terra fornisce valori non trascurabili a quote di orbite basse 200 W/m 2

6 Irraggiamento 6 Per l irraggiamento conta l assorbimento e l emissione del materiale che compone la superficie Si possono usare a seconda delle necessità materiali a forte assorbimento e a bassa emissione o viceversa Per l irraggiamento è molto importante il fattore di vista

7 Necessità controllo termico 7 Necessario per mantenere integrità di strutture ed equipaggiamenti per lunghi periodi Se fosse possibile operare a qualsiasi temperatura non sarebbe necessario il controllo termico Il bilancio fra le condizioni di ambiente spaziale la cui temperatura può essere valutata in 4 K, le sorgenti di calore dovuta al sole, i pianeti e gli equipaggiamenti di bordo fornisce la temperatura ottenuta Prestazioni affidabili per lungo tempo sono ottenute a temperaturet prossime a quelle ambientali

8 Tolleranza su temperature 8

9 Ambiente 9 Nello spazio assenza di pressione atmosferica sensibile Sotto 90 km di quota l atmosfera consente scambi per conduttività indipendenti dalla pressione, al di sopra la pressione diventa importante e a 300 km la conduttività è praticamente nulla Sopra i 300 km il riscaldamento aerodinamico è trascurabile

10 Riscaldamento aerodinamico 10

11 Scambi termici 11 A 150 km l effetto di riscaldamento aerodinamico per un orbita circolare è simile alla radiazione solare Gli scambi nel vuoto solo per irraggiamento: sole, riflessione pianeti vicini, energia termica irradiata da pianeti vicini, i i radiazione i emessa dal veicolo Il bilancio fra la radiazione ricevuta quella emessa e il calore prodotto forniscono l equilibrio termico Lontano dai pianeti contano solo l irraggiamento solare e del veicolo

12 Radiazione solare 12 Radiazione emessa in modo isotropo in tutto il sistema solare A 1UA ( ±500 km) costante solare Q 0 =1371±5 W/m 2 Temperatura 5800 K A distanza D Q s =P/(4πD 2 ); P= 3.8*10 25 W potenza totale emessa dal sole

13 Radiazione solare 13

14 Albedo 14 Albedo : Frazione di luce riflessa dai pianeti. Terra albedo: con nubi.8, per aree verdi

15 Albedo 15

16 Irradiazione riflessa 16 L irradiazione riflessa dipende dall angolo fra la verticale locale e la direzione di provenienza dei raggi solari Illuminazione massima per angolo nullo, dato che la radiazione varia col quadrato della distanza e la riflessione varia dai vari punti della superficie sferica la legge è alquanto complicata Il contributo dell albedo è dato da Q a =Q s af dove F è il fattore di vista

17 Radiazione planetaria 17 Indipendentemente dall irraggiamento solare i pianeti emettono radiazioni. Per la terra il valore cambia con le stagioni e la latitudine Un valore medio è di 237±21 W/m 2 a218 K

18 Bilancio termico 18 Oltre a quanto all esterno del veicolo ci sono le sorgenti di calore interne al veicolo Il controllo termico avviene facendo in modo che il calore prodotto venga bilanciatoi da energia radiante totalet alla temperatura voluta di funzionamento La temperatura ideale di funzionamento del veicolo è di 25 C±10 C

19 Bilancio termico 19 Per il bilancio termico per irraggiamento sono importanti oltre ai fattori di vista i valori di assorbenza e emittanza Assorbenza: rapporto fra l energia assorbita e quella incidente; id dipende d dal materiale e dalla natura della sorgente Emittanza: rapporto fra l energia emessa e quella che sarebbe emessa da un corpo nero alla stessa temperatura Il parametro fondamentale è il rapporto assorbenza/emittanza

20 20 Assorbenza Emittanza

21 Bilancio termico 21 I valori della tabella sono medi e devono essere valutati tenendo conto dello spettro di frequenze della radiazioni ricevute ed emesse. L emittanza dipende anche dalla temperatura Il problema maggiore nel controllo della temperatura consiste nella grande variabilità delle radiazioni ricevute ed emesse, sia nelle orbite basse con eclissi che nei viaggi interplanetarie con variazione della distanza dal sole

22 Bilancio termico 22 In funzione della missione può cambiare l assetto del veicolo e quindi le superfici con varie esposizioni; anche il calore prodotto nel veicolo può variare in modo rilevante durante la missione Il calcolo della temperatura è semplice come teoria, ma complicato per la variabilità dei calori emessi e ricevuti Internamente al veicolo il calore è trasmesso per irraggiamento e per conduzione; può essere necessario il controllo della temperatura a livello locale, per esempio per elementi dissipanti un forte calore

23 Fattore di vista Maggiore è la quota meno rilevante la radiazione planetaria e l albedo Il calcolo dell effetto deve tenere conto del fattore di vista e per quanto riguarda l albedo della zona del pianeta effettivamente illuminata.

24 Fattore di vista 24 Diagramma in funzione angolo e quota

25 Calore scambiato per irraggiamento 25 F ε T 4 T 2 12 Q = A ε r 1 2 4

26 Fattore di vista F 12 = 1 cos φ cos φ 1 2 A A A π s da da 1 2

27 Equilibrio termico 27 La temperatura della superficie del veicolo deriva dall equilibrio fra il calore irradiato e i calori assorbiti per l irraggiamenti solari, da albedo e radiazione planetaria e calore generato all interno del veicolo Il calcolo diventa complesso perché occorre andare ad esaminare i sui cambiamenti in tutta l orbita o lungo la missione La temperatura non à quindi costante ma varia continuamente Ai finii del suo controllo occorre andare ad esaminare le condizioni estreme

28 Equilibrio termico 28 Il calcolo delle varie condizioni termiche, dei suoi transitori e delle distribuzioni di temperatura all interno del veicolo è una calcolo complesso, ma indispensabile per assicurare il funzionamento e l affidabilità del sistema. Esistono diversi software specializzati per questi calcoli, ma l impiego di software sofisticato è comunque necessario

29 Controllo della temperatura 29 Metodi passivi Studio della superficie e dei materiali che la compongono Isolamento Ponti termici Metodi attivi Radiatori controllati con bimetalli Radiatori mobili meccanicamente

30 Controllo termico 30 Il controllo passivo è ottenuto con l impiego di materiale e finitura superficiale appropriati per il rivestimento in modo che la temperatura si mantenga nei valori accettabili per tutte le condizioni geometriche e di irraggiamento previsti. Il controllo attivo utilizza sistemi meccanici o termoelettrici con parti in movimento. Sono quindi sistemi inerentemente meno affidabili di quelli passivi Spesso i due sistemi sono combinati con l impiego dei sistemi iattivi i solo in casi limite. it Per grandi sistemi come le stazioni spaziali e lo shuttle si utilizzano sistemi attivi con radiatori e trasporto di fluido. Il sistema ha prestazioni elevate, ma peso e complessità.

31 Sistemi passivi 31 Sono realizzati scegliendo opportuni materiali per la superficie esterna, si tratta di scegliere materiali a forte riflessione o emittanza o a forte assorbenza. Occorre fare attenzione al fatto che la riflessione o emittanza o assorbenza di una superficie i può variare al variare della frequenza della radiazione in esame, il comportamento non è quindi uguale su tutto lo spettro di frequenze dall ultravioletto all infrarosso I casi estremi di sistemi passivi sono dati da superfici praticamente riflettenti o assorbenti in modo completo Superisolamento: ottenuto con molti strati alternati di superfici a bassa emittanza e bassa conduttività. Funzionano meglio nel vuoto.

32 Sistemi passivi 32 In alcuni casi vengono utilizzati sistemi con fluido per raffreddamento attraverso evaporazione e successiva condensazione. Si tratta di sistemi dove il moto del fluido avviene senza impiego di pompe o compressori, ma per capillarità. ità Le celle solari per funzionare in modo efficiente non devono andare a temperatura troppo elevata; quando montate su pannelli il raffreddamento può avvenire per irraggiamento dalla parte posteriore del pannello. Per celle montate sulla superficie di satelliti cilindrici stabilizzatiaspinquestononèpossibile,mailproblemaè meno critico perché non sono sempre illuminate.

33 Sistemi attivi 33

34 Sistemi attivi 34

35 Sistemi attivi 35

36 Sistemi attivi 36