Was ist die typische Temperatur eines Satelliten, der die Erde umkreist?

Ich habe über "kryogene" vs. "lagerfähige" Treibmittel und insbesondere über das Problem des Abkochens gelesen: Wenn die Lagertemperatur über den Siedepunkt des Treibmittels steigt, verdampft das Treibmittel und geht verloren. Anscheinend werden aus diesem Grund "speicherbare" Treibmittel wie Hydrazin für Satelliten verwendet, bei denen es keine Unterstützung dafür gibt, kryogene Treibmittel kühl zu halten.

Bedeutet dies, dass die thermischen Kontrollsysteme eines typischen Satelliten nicht genug Wärme abstrahlen können, um den Treibstoffspeicher kühl genug zu halten, um ein Abkochen zu verhindern? Was ist die typische Temperatur eines Satelliten, der die Erde umkreist, und warum kann sie nicht niedrig genug gehalten werden, um kryogene Treibstoffe zu verwenden?

Um ein Raumfahrzeug zu kühlen, gibt es passive und aktive Geräte, je nachdem, wie viel Wärme sie „abführen“ müssen. Die Wärmemenge hängt von den Betriebsmodi des Raumfahrzeugs ab (also davon, welche Geräte wie lange funktionieren) und dann können Sie einen Teil der Umlaufbahn im Schatten haben, da Sie die Erde umkreisen (aber Sie könnten eine Umlaufbahn entwerfen). immer im Licht, wodurch große thermische Veränderungen vermieden werden). Es ist also schwer zu sagen, was die übliche Temperatur ist ...
Und noch etwas: Normalerweise benötigen kryogene Geräte Strom, um die Temperatur niedrig zu halten, daher müssen Sie entweder die Fläche der Solarmodule vergrößern oder die Menge an Treibmittel an Bord erhöhen. In beiden Fällen erhöhen Sie die Masse beim Start und damit die Kosten

Antworten (1)

Kurze Antwort :

Die Gesamttemperatur eines Satelliten um die Erde herum ist aufgrund der Wärme von der Sonne und der Wärme von Systemen mehr oder weniger gleich der am Boden.

Kryogene Treibstoffe müssen bei sehr niedriger Temperatur gelagert werden, sonst verdampfen sie. Dies ist nicht effektiv für einen Satelliten, der jahrelang in der Umlaufbahn bleiben muss (es sei denn, der Satellit umkreist Saturn, wo die Gleichgewichtstemperatur sehr niedrig und unter dem Siedepunkt zu sein beginnt).

Sie müssen in schweren Tanks aufbewahrt werden, um Verformungen durch den Gasdruck zu vermeiden.

Speicherfähige Treibstoffe sind einfacher zu handhaben und robust, falls das Kühlsystem vorübergehend nicht funktioniert.

Mehr Details:

Je näher das Raumschiff an der Sonne ist, desto heißer kann es werden.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
Die Temperatur des schwarzen Körpers entsprechend seiner Entfernung von der Sonne (ohne Berücksichtigung der Albedo des Planeten)
(Quelle: Spacecraft Thermal Control Handbook , David G. Gilmore et.al.)

Abgesehen vom Schutz der Atmosphäre wird dies wirklich ein Problem sein, das Raumfahrzeug muss die empfangene Wärme abstrahlen, zusätzlich zu der Abstrahlung jeglicher Wärme, die von den Ausrüstungen an Bord erzeugt wird.

Die Temperatur in einem Raumfahrzeug ist das Ergebnis zweier gegensätzlicher Effekte:

  • Wärmestrahlungserfassung (von Sonne und Planeten Albedo) und eigene Wärmeerzeugung
  • interne Wärmeentnahme und -abfuhr durch Strahlung (durch thermische Kontrolle).


Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
(Quelle: Thermische Kontrolle des Raumfahrzeugs ). Beachten Sie, dass die vom umkreisten Planeten empfangene Energie mit der Höhe variiert (z. B. GEO vs. LEO), dies kann hier zur Vereinfachung ignoriert werden. Effekte wie Sonnenfinsternis und Satellitendrehung erhöhen die Komplexität für die Regulierung, werden aber auch hier ignoriert.

Das Ergebnis hängt davon ab, wie viel Wärme eingefangen oder erzeugt wird und wie effizient die Wärmeextraktion (durch Wärmeleitung) und die Wärmeabgabe ist. Diese resultierende Temperatur muss in dem Bereich liegen, der von den Systemen an Bord benötigt wird: z. B. Sensoren, Solaranlagen und Kommunikationsgeräte. Tatsächlich können verschiedene Bereiche des Raumfahrzeugs unterschiedliche Temperaturen haben.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
(Quelle: Fundamentals of Space Systems , Vincent L. Pisacane)

Was auch immer diese Temperatur ist, sie muss reguliert werden.

  • Wenn es ein Problem mit dem Kühlsystem gibt, beginnt jeder übliche Flüssigtreibstoff zu kochen. Ein Teil des Gases muss ins Vakuum abgelassen werden, um die Zerstörung des Tanks zu vermeiden. Dies ist vergleichbar mit dem, was auf einem Pad passiert, während das Fahrzeug auf seinen Start wartet, aber es gibt keine Möglichkeit, den Tank nachzufüllen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
STS-Außentank mit gasförmiger Sauerstoffverdampfung unter der Beanie-Kappe.
(Quelle: NASA )

LH2 hat eine Siedetemperatur von -183°C, dies ist in der Tat ein kryogener Kraftstoff. Hydrazin (UDMH) siedet erst bei 63°C. Es ist bei Erdtemperatur speicherbar.

  • Bei vorübergehendem Kühlausfall wird mehr LH2 freigesetzt. Der Tank muss robuster sein, um den höheren Druck aufzunehmen, der aus der Verdunstung resultiert. Robustheit bedeutet meist zusätzliche Masse. Aus diesen Gründen wird ein speicherbares Treibmittel zur Lageregelung und zum Wiederaufladen verwendet.

Außerdem muss das Treibmittel möglicherweise oxidiert werden, um Energie zu erzeugen. Es gibt zwei Arten der Oxidation: entweder spontan – hypergolisch – wie bei UDMH mit N2O4 oder einen Zünder erfordernd wie bei LH2 mit LO2.

  • Eine nicht-hypergolische Verbrennung erhöht die Komplexität, ein Motor ist erforderlich, um den Kraftstoff und das Oxidationsmittel zu mischen und das Gemisch zu zünden. Dies ist ein Problem, wenn der Motor während der Mission viele Male gezündet werden muss, um die Fluglage und/oder Höhe beizubehalten. Ausfälle würden auftreten, aus diesem Grund werden nur hypergolische Satelliten verwendet.

  • Einige Treibmittel benötigen kein zusätzliches Oxidationsmittel, um Energie freizusetzen. Sie werden Monotreibstoffe genannt und arbeiten durch exotherme chemische Zersetzung.

Der Treibstoff wird am Ende durch die Triebwerke ausgestoßen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
Monopropellant Thruster - Quelle: Moog )

Es gibt zwei Arten der Triebwerksversorgung: Tankdruck und Pumpen.

  • Der Tankdruck ist das einzige System, das für die Bahn-/Lagesteuerung von Satelliten verwendet wird. Pumpen sind für diesen Einsatz zu komplex und zu schwer.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung einHydrazin-Blasentank, an den Absender zurückgeschickt (Quelle: Daily Mail Online )

Konstrukteure wählen in der Regel ein Antriebsmittel, das speicherbar und hypergolisch ist und ohne Pumpen auskommt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Treibstoff effizient sein muss ( spezifischer Impuls ), werden einige Kombinationen häufig auf Satelliten angetroffen:

Verwenden:

  • Bipropellants werden am häufigsten in GEO-Orbit-Raumfahrzeugen verwendet, sie werden für den Transfer von der Startumlaufbahn zu GEO verwendet.

  • Monopropellant-Systeme sind einfacher, aber weniger leistungsfähig.

  • Kaltgas sind immer einfacher, aber sehr weniger leistungsfähig.

Die Schlussfolgerung, dass jeder Satellit zwangsläufig die gleiche Temperatur hat, scheint falsch zu sein, nachdem wir von space.stackexchange.com/questions/5246/… gelernt haben, insbesondere „Da die Sonne im Weltraum sehr hell ist, möchten wir normalerweise eine Oberfläche schaffen, die viel emittiert im Infraroten und absorbiert wenig bei den stärksten Wellenlängen der Sonne." und "Auf diese Weise haben sie das niedrigstmögliche Verhältnis von αs/ϵIR, was bedeutet, dass die Gleichgewichtstemperatur des Satelliten so niedrig wie möglich bleibt."
@szulat: Die erste Tabelle (Temperatur als Funktion der Sonnenentfernung) gibt die Gleichgewichtstemperatur einer Schwarzkörperkugel an. Für 1 AE beträgt diese Temperatur 255 K. Siehe Abschnitt 2.4 von Spacecraft Thermal Control, Meseguer, I Pérez-Grande, A Sanz-Andrés . Wenn das Raumfahrzeug Wärme produziert, wird dieses Gleichgewicht verändert. Die Idee ist, den neuen Wert durch Wärmeableitung und Reflexion (wie Sie beschreiben) zu steuern, um die von den Systemen an Bord benötigte Temperatur zu erhalten.
Kann ich also basierend auf dieser Antwort zu dem Schluss kommen, dass Siliziumgeräte über genügend freie Elektronik verfügen, um bei der Umgebungstemperatur des Weltraums zu arbeiten? Oder müssen sie zusätzlich erhitzt werden, um freie Elektronen zu erzeugen?
@LordLoh. Halbleiter haben (normalerweise) einen negativen Temperaturkoeffizienten, der Widerstand steigt, wenn die Temperatur sinkt. Wie bereits erläutert, hängt die Temperatur im Weltraum von der thermischen Kontrolle und dem Unterschied zwischen der Anzahl der erzeugten oder eingefangenen Photonen und der Anzahl der abgestrahlten Photonen ab. Wenn Ihr Gerät ausgeschaltet ist (keine Wärmeerzeugung) und im Schatten der Sonne steht (keine Wärme eingefangen), liegt es nahe bei 0 °K und kann nicht neu gestartet werden, ohne es vorher aufzuheizen. Dieses Thema verdient eine eigene separate Frage.
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