TECNICHE PRINCIPALI DI CONTROLLO TERMICO

I due principali approcci alla progettazione del sistema di controllo termico per un veicolo spaziale sono quello passivo e quello attivo, [25].

Il controllo termico passivo opera utilizzando opportuni materiali e finiture superficiali, facendo in modo da far rimanere la temperatura dei vari componenti entro i limiti accettabili, in ogni situazione di geometria e di livello di radiazione. Il controllo termico attivo usa attrezzature meccaniche o termoelettriche e quindi c’è la presenza di parti in movimento con relativo consumo di potenza; è molto utilizzato in veicoli di grandi dimensioni, come gli shuttle o i laboratori orbitanti. Spesso, le due soluzioni vengono integrate insieme, in modo tale che il controllo attivo entri in gioco per le parti del satellite che richiedono una tolleranza più stretta sulla temperatura.

• Sistemi di controllo termico passivo

Rivestimento termico

Si selezionano le proprietà radiative delle superfici esterne del satellite in modo da avere i giusti flussi di calore in ingresso ed in uscita dal veicolo. Le caratteristiche principali, come già detto, sono la emissività ed il coefficiente di assorbimento solare. Nell’uso di questo sistema in missioni a lungo termine (da 7 a 10 anni o più), deve essere considerata la degradazione della superficie dovuta agli effetti combinati del vuoto, delle particelle caricate elettricamente e delle radiazioni solari ultraviolette.

Isolamento termico

Si cerca di ridurre il flusso di calore tra due superfici adiacenti a determinate temperature. La parte isolante può essere fatta di un solo materiale omogeneo, a bassa conduttività termica, oppure si usa la tecnica dell’isolamento multistrato o MLI (“Multi-Layer Insulation”), in modo anche da ridurre le fluttuazioni e i gradienti di temperatura nei componenti, dovuti alle variazioni temporali e di direzione dei carichi termici esterni. Un MLI consiste di una schiera 85

di piastre altamente riflettenti, poste perpendicolarmente alla direzione del flusso di calore e spaziate tra loro da strati a bassa conduttività termica, in cui può essere presente il vuoto oppure un’azione ventilante, per mantenere certi livelli di pressione tra le piastre.

Pozzi di calore

Nel senso più generale, con questa accezione si intendono strumenti che hanno un’alta capacità termica. Essi vengono disposti a contatto con i componenti la cui temperatura deve essere controllata, in modo che il calore prodotto in eccesso venga condotto nel pozzo di calore.

Materiali a cambiamento di fase

I cambiamenti di fase tra solido e liquido sono un ottimo approccio per il controllo termico passivo, soprattutto in caso di flussi di calore in ingresso e richieste di dissipazione di calore interna variabili bruscamente durante l’orbita.

Un sistema di questo tipo si compone essenzialmente di un contenitore pieno di materiale con un punto di fusione prossimo alla temperatura che vogliamo mantenere: quando la temperatura del satellite aumenta, il calore in eccesso viene assorbito dal materiale che diventa liquido. Quando in seguito la temperatura scende, il materiale passa nuovamente allo stato solido.

• Sistemi di controllo termico attivo

Tubi di calore

Come già accennato in precedenza, i tubi di calore consistono in un tubo chiuso, la cui superficie interna è foderata con materiale poroso. Dalla Figura 4.4, l’input di calore, dalla parte dell’evaporatore, fa in modo che il liquido di lavoro vaporizzi. La differenza di pressione guida il vapore verso il condensatore dove si ha il cambiamento di fase in liquido ed il rilascio di calore. La forza di capillarità che si sviluppa nella matrice porosa sposta di nuovo il liquido verso l’evaporatore, in modo da far ripartire il ciclo di trasporto del calore.

Figura 4.4 Schema generale di un tubo di calore, [25]

Tubi di calore a conduttanza variabile

Lo scopo principale di questi sistemi è riuscire a mantenere il livello di temperatura operativa dell’equipaggiamento anche in presenza di forti cambiamenti nella richiesta di dissipazione di calore. La variazione della conduttanza di un tubo di calore può ottenersi essenzialmente in due modi: il primo consiste nell’interruzione del flusso, o liquido nelle matrici porose o gassoso nella parte interna del tubo, tramite valvole controllate termostaticamente; il secondo metodo è la riduzione della velocità di condensazione.

Veneziane

Talvolta l’unico rimedio per mantenere certi livelli di temperatura sotto particolari condizioni di orientazione e di irraggiamento è quello di variare il rapporto αs/ε. Le veneziane

rappresentano un sistema utile per questo caso: aprendo le lame della veneziana il rapporto

αs/ε si abbassa, mentre quando le lame sono chiuse tale rapporto è prossimo all’unità. I cinque

componenti principali di una veneziana sono la piastra di base, a basso rapporto assorbimento/emissività e a contatto con il componente, le lame, che ruotano grazie agli attuatori, in modo da fornire la dovuta quantità di radiazione alla piastra di base, i sensori e tutti gli elementi strutturali necessari.

Riscaldatori elettrici

Vengono utilizzati per mantenere il valore di temperatura sopra a limiti minimi accettabili, dove necessario. Solitamente, il riscaldatore fa parte di un sistema a circuito chiuso che include anche un sensore ed un controller elettronico di temperatura. I modi di funzionamento di un riscaldatore elettrico possono essere diversi a cominciare dalla tipica modalità on-off, fino alla modalità in regime continuo.

Per come è stato definito un sistema cold plate nel precedente capitolo, questo tipo di dissipatore viene classificato come uno strumento per il controllo termico attivo, in quanto c’è presenza di un fluido refrigerante che scorre nei condotti presenti nella piastra. Talvolta però, in campo spaziale, per cold plate si intende anche una semplice piastra fatta di un materiale che ha capacità termica tale da assorbire il calore in eccesso proveniente dall’equipaggiamento elettrico, in modo da poter regolare la temperatura del componente. Allora, nel senso appena visto,una cold plate può essere intesa come uno strumento per il controllo termico di tipo passivo. Gli schemi dei due casi sono presentati nella seguente Figura 4.5.

Figura 4.5 Uso di cold plate in sistemi di controllo termico attivo e passivo, [26]

Ad ogni modo, nel proseguo di questo lavoro si farà riferimento solamente a cold plate inserite in circuiti di refrigerazione in cui si fa uso di fluido, proprio come nello schema di sinistra in Figura 4.5.