Warum haben viele RTGs gerippte Kühlkörper, wenn dies als schlecht für die Strahlungswärmeübertragung angesehen wird?

Bei typischen aktiven Radiatoren auf Raumfahrzeugen wird Wärme durch erzwungene Konvektion von den Quellen weg in die Radiatoren übertragen – als erwärmtes Kühlmittel. An diesem Punkt besteht die einzige verbleibende Sorge darin, es von den Strahlern zu entfernen (abzustrahlen) (und so wenig wie möglich zurück in das Raumfahrzeug oder in andere Strahler). Sie sind groß und blicken so viel wie möglich in den dunklen Weltraum und so wenig wie möglich ineinander, in das Raumschiff und in die Sonne.

Bei den Passivstrahlern der RTG wird die Wärme vom Kern durch den Strahlerkörper abgeführt. Sie können nicht sehr groß sein und können sich insbesondere nicht weit in Längsrichtung vom Kern erstrecken, sowohl aus Platzgründen als auch weil nicht viel Wärme weit vom Kern weg geleitet wird.

Durch die seitliche Konfiguration muss die geringste Menge eines solchen Kühlers in den Kern gerichtet werden. Ziemlich viel steht in anderen Heizkörpern, aber solange die Wärme in die äußersten Kanten und nicht in die "Wurzeln" gelangt, ist dies keine große Sache. Bei Verwendung von weniger Heizkörpern - wie 2-3 - würde mehr Wärme pro Heizkörper abgestrahlt, aber weniger Wärme pro gesamtem Kühlsatz. Also - der Kompromiss in der Effizienz einzelner Heizkörper wird gemacht, um ihre Anzahl zu erhöhen, und gleichzeitig wird die Anzahl immer noch niedrig gehalten - 6-8 - weil wir mit mehr abnehmenden Erträgen konfrontiert wären, da sie mehr und weniger ineinander stehen Raum.

Kühler mit mehreren Lamellen sind pro Masseneinheit schlechter .

Aber für ein RTG ist es absolut notwendig, einen sehr großen thermischen Gradienten zwischen dem (sehr kleinen) Kern und den äußeren Schichten bereitzustellen. Das Hinzufügen von mehr Finnen verbessert die Strahlung insgesamt immer noch, Sie erhalten nur weniger Strahlung pro Finne.

Da der Kühlbedarf eines RTG hoch und absolut ist, haben Designer keine andere Wahl, als den Massennachteil von mehr Lamellen in Kauf zu nehmen.

Lamellen sind nicht wirklich schlecht für die Strahlungswärmeübertragung. Sie stehen nur vor einem unvermeidlichen Punkt sinkender Renditen. Diese abnehmenden Renditen begrenzen, wie viele Rippen praktisch enthalten sein sollten. Das Optimum ist größer als Null, aber kleiner als eine dichte Lamellenpackung.

Zeichnen Sie eine Grenze um jedes isotherme Objekt, das Wärmeenergie in den Raum abstrahlt. Die Menge an Strahlung, die die Grenze durchdringt, ist immer kleiner oder gleich dem, was die Grenze emittieren würde, wenn es sich um einen schwarzen Körper mit der Temperatur der Quelle im Inneren handeln würde. Insbesondere wenn wir als Grenze eine eng anliegende konvexe Hülle des Emitters zeichnen, dann beschränkt sich der Strahlungswärmetransport auf die Black-Box-Strahlung, die aus dem Bereich der Hülle austreten könnte. Wir können uns dieser Grenze der konvexen Hülle im Prinzip auf zwei Arten nähern:

1) Verwenden Sie ein nahezu Black-Box-Material. Wenn das Material vollkommen schwarz ist, erreicht die Strahlungswärmeübertragung durch die konvexe Hülle im Prinzip ihren Grenzwert.

2) Setzen Sie viele Konkavitäten ein und vergrößern Sie die Oberfläche. Wenn wir die Oberfläche des emittierenden Körpers unter der konvexen Hülle auf unendlich vergrößern könnten, könnten wir Schwarzkörperstrahlung durch die Hülle bekommen.

Die konvexe Hülle hängt von der Geometrie ab, daher gibt es eine zusätzliche Möglichkeit, das Limit zu erhöhen:

3) Wenn Sie innerhalb des verfügbaren Platzes Ihre Geometrie so einrichten, dass ein konvexer Rumpf mit einer größeren Oberfläche ermöglicht wird, wird eine bessere Wärmeübertragung ermöglicht. Wie wir sehen werden, spielt dies eine große Rolle bei der Konstruktion von Rippenheizkörpern. Selbst wenn Sie ein perfekt schwarzes Material haben und die Strahlung dann nicht mehr von der detaillierten Struktur des Emitters abhängt, öffnet die Änderung der konvexen Hülle zu einer vergrößerten Oberfläche den Weg für mehr Wärmeübertragung.

Schwarzkörperstrahler, die zum Kalibrieren von Pyrometern entwickelt wurden, bringen das zweite Konzept fast auf die Spitze. Der Emitter ist ein isothermischer Hohlraum mit einem kleinen Loch, aus dem die Strahlung austritt. Die Fläche der emittierenden Oberfläche ist so viel größer als die des Lochs (das als Begrenzung dient), dass das Loch sogar mit üblichen Industriematerialien dem Schwarzkörper-Wärmeübergang nahe kommt. Das Pyrometer wird dann so platziert, dass es (innerhalb einer gewissen Toleranz) nur diese nahezu schwarze Strahlung aus dem Loch empfängt, wodurch ein Standard für die Kalibrierung bereitgestellt wird.

Im Fall von gerippten RTGs sind jetzt Materialien verfügbar, die schwarzen Oberflächen nahe kommen (Nr. 1 oben), sodass das Hinzufügen von mehr Oberfläche zu den emittierenden Oberflächen (Nr. 2) wenig Wirkung hat. Aber wir gewinnen einen Effekt aus dem Bereich der konvexen Hülle selbst (#3). Angenommen, Ihr RTG hat einen Radius von 0,25 m und eine Höhe von 2 m, und Sie platzieren vier 0,5 m lange Rippen darum. Die konvexe Hülle ist ein quadratisches Prisma, dessen Oberfläche 10,74 Quadratmeter beträgt. Probieren Sie jetzt sechs Flossen aus: Ihr konvexer Rumpf hat sich in ein sechseckiges Prisma verwandelt und seine Oberfläche auf 11,92 Quadratmeter vergrößert. Sie haben allein im Bereich der konvexen Hülle 10 % mehr Wärmeübertragung hinzugefügt. Sie fügen eifrig weitere Flossen hinzu, nur um festzustellen, dass Sie nicht so viel für das Geld (oder für die Kilogramm zusätzlicher Masse) bekommen: Der konvexe Rumpf wird nie größer als ein Zylinder mit einer Fläche von 12.

Wir haben mit nur zwei zusätzlichen Rippen von vier auf sechs so viel zusätzliche Fläche für die Wärmeübertragung, wie wir jemals hoffen können, mit unendlich viel mehr als sechs zu bekommen. Angesichts dieses scharfen Abfalls im Gegenzug sollten wir im wirklichen Leben erwarten, dass ein optimales Design für Wärmeübertragung im Vergleich zu Gewicht, einfacher Herstellung und Prüfung usw. mehrere, aber nicht viele Rippen umfasst.