Pengendalian panas wahana antariksa

Sirip-sirip yang terdapat di selubung RTG (komponen berwarna hitam sebelah kiri) wahana New Horizons adalah untuk membuang panas dari RTG sehingga efisiensi RTG optimal

Dalam desain wahana antariksa, fungsi dari sistem pengendalian suhu (thermal control system, TCS) adalah untuk menjaga semua sistem komponen wahana antariksa dalam rentang suhu yang dapat diterima selama semua berlangsungnya misi. TCS harus mampu bertahan menghadapi kondisi lingkungan eksternal, yang dapat bervariasi dalam rentang yang luas karena pesawat ruang angkasa dapat terpapar dingin ekstrem yang ditemukan di bayang-bayang ruang angkasa atau panas yang hebat yang ditemukan di bawah sinar matahari langsung tanpa filter dari luar angkasa. TCS juga harus dapat memoderasi panas internal yang dihasilkan oleh pengoperasian pesawat ruang angkasa yang dilayaninya. TCS dapat mengeluarkan panas secara pasif melalui radiasi infra merah sederhana dan alami dari pesawat ruang angkasa itu sendiri, atau secara aktif melalui koil radiasi infra merah yang dipasang secara eksternal.

Pengendalian panas adalah proses yang sangat penting untuk menjamin kinerja dan keberhasilan misi yang optimal karena jika suatu komponen terpapar suhu yang terlalu tinggi atau terlalu rendah, komponen tersebut dapat rusak, atau kinerjanya dapat sangat terpengaruh. Pengendalian panas juga diperlukan untuk menjaga komponen tertentu (seperti sensor optik, jam atom, dll.) dalam persyaratan stabilitas suhu yang ditentukan, untuk memastikan kinerjanya seefisien mungkin.

Sistem aktif atau pasif

Subsistem pengendalian panas dapat terdiri dari sistem pasif dan aktif dan bekerja dalam dua cara:

• Melindungi peralatan dari panas berlebih, baik dengan isolasi termal dari fluks panas eksternal (seperti Matahari atau inframerah planet dan fluks albedo), atau dengan penghilangan panas yang tepat dari sumber internal (seperti panas yang dipancarkan oleh peralatan elektronik internal).
• Melindungi peralatan dari suhu yang terlalu rendah, dengan isolasi termal dari pembuang panas eksternal, dengan meningkatkan penyerapan panas dari sumber eksternal, atau dengan pelepasan panas dari sumber internal.

Komponen sistem pengendalian panas pasif (passive thermal control system, PTCS) meliputi:

• Insulasi multi-lapisan (MLI), yang melindungi pesawat ruang angkasa dari panas matahari atau planet yang berlebihan, serta dari pendinginan yang berlebihan saat terpapar ke luar angkasa.
• Pelapis yang mengubah sifat termo-optik permukaan luar.
• Pengisi termal (thermal filler) untuk meningkatkan kopling termal di antara permukaan yang dipilih (misalnya, pada jalur termal antara unit elektronik dan radiatornya).
• Pembasuh termal (thermal washer) untuk mengurangi kopling termal di antara permukaan yang dipilih.
• Pengganda termal (thermal doubler) untuk menyebarkan panas pada permukaan radiator panas yang dihamburkan oleh peralatan.
• Cermin (cermin permukaan sekunder atau reflektor surya optik) untuk meningkatkan kemampuan penolakan panas dari radiator eksternal dan pada saat yang sama untuk mengurangi penyerapan fluks eksternal dari matahari.
• Unit pemanas radioisotop (radioisotope heater unit, RHU), digunakan oleh beberapa misi planet dan eksplorasi untuk menghasilkan panas untuk tujuan TCS.

Komponen sistem pengendalian panas aktif (active thermal control system, ATCS) meliputi:

• Pemanas listrik resistif yang dikendalikan secara termostatik untuk menjaga suhu peralatan di atas batas bawahnya selama fase dingin dari misi yang sedang dijalankannya.
• Siklus aliran fluida untuk mentransfer panas yang dipancarkan oleh peralatan ke radiator. Sistem ini dapat mencakup:
  • siklus fase tunggal, dikendalikan oleh pompa;
  • siklus dua fase, terdiri dari pipa panas, siklus pipa panas, atau siklus kapiler terpompa.
• Louver (yang mengubah kemampuan penolakan panas ke ruang sebagai fungsi suhu).
• Pendingin termoelektrik.

Teknologi saat ini

Radiator

Panel dan radiator (panel kotak putih) pada ISS setelah STS-120

Panas buangan berlebih yang dihasilkan pada pesawat ruang angkasa dibuang ke luar angkasa dengan menggunakan radiator. Radiator datang dalam beberapa bentuk yang berbeda, seperti panel struktural pesawat ruang angkasa, radiator pelat datar yang dipasang di sisi pesawat ruang angkasa, dan panel yang dipasang setelah pesawat ruang angkasa berada di orbit. Apapun konfigurasinya, semua radiator membuang panas dengan radiasi infra merah dari permukaannya. Daya radiasi tergantung pada pancaran dan suhu permukaan. Radiator harus menolak panas buangan pesawat ruang angkasa dan beban panas radiasi apa pun dari lingkungan. Oleh karena itu, sebagian besar radiator diberi pelapis permukaan dengan daya pancar infra merah tinggi untuk memaksimalkan pembuangan panas serta penyerapan panas matahari rendah untuk membatasi masuknya panas dari cahaya Matahari. Sebagian besar radiator pesawat ruang angkasa membuang antara 100 dan 350 W panas buangan elektronik yang dihasilkan secara internal per meter persegi. Berat radiator biasanya bervariasi dari hampir tidak ada, jika panel struktural yang ada digunakan sebagai radiator, hingga sekitar 12 kg/m² untuk radiator yang dapat dipasang dengan berat beserta struktur pendukungnya.

Radiator Stasiun Luar Angkasa Internasional dapat terlihat dengan jelas sebagai susunan panel persegi putih yang dipasang pada rangka utama.

Pipa panas

Pipa panas menggunakan siklus aliran cairan dua fase tertutup dengan evaporator dan kondensor untuk mengangkut panas dalam jumlah yang relatif besar dari satu lokasi ke lokasi lain tanpa daya listrik. Pipa panas khusus kelas kedirgantaraan seperti Pipa Panas Konduktansi Konstan (Constant Conductance Heat Pipes, CCHP) atau pipa panas alur aksial adalah ekstrusi aluminium dengan amonia yang digunakan sebagai fluida kerja. Penerapan yang tipikal mencakup:

• Manajemen termal muatan
• Pemindahan panas,
• Isotermalisasi,
• Peningkatan panel termal radiator

Sistem pengendalian panas masa depan

• Bahan komposit
• Pembuangan panas melalui radiator pasif canggih
• Perangkat pendingin semprot (misalnya radiator tetesan cairan)
• Isolasi termal ringan
• Teknologi pancaran variabel
• Lapisan tipis berlian
• Pelapis pengendalian panas tingkat lanjut:
  • Lembaran mikro
  • Semprotan canggih pada lapisan tipis
  • Cermin kuarsa perak
  • Lapisan tipis berbasis polimer metalisasi canggih
• Evaporator cetak 3D untuk siklus pipa panas
• Pipa Panas Air-Tembaga Luar Angkasa untuk pendinginan tingkat chip

Acara

Sebuah acara besar di bidang pengendalian panas ruang angkasa adalah Konferensi Internasional tentang Sistem Lingkungan, yang diselenggarakan setiap tahun oleh AIAA . Lainnya adalah European Space Thermal Analysis Workshop

Perisai matahari

Pengujian ukuran penuh perisai matahari untuk Teleskop Luar Angkasa James Webb

Dalam desain wahana antariksa, perisai matahari membatasi atau mengurangi panas yang disebabkan oleh sinar matahari yang mengenai pesawat ruang angkasa. Contoh penggunaan perisai termal adalah pada Infrared Space Observatory (ISO). Sunshield ISO membantu melindungi cryostat dari sinar matahari, dan juga ditutupi dengan panel surya.

Tidak sama dengan konsep perisai matahari skala global dalam geoengineering, sering disebut kerai luar angkasa atau "perisai matahari", di mana pesawat ruang angkasa itu sendiri digunakan untuk memblokir sinar matahari ke sebuah planet.

Contoh dari perisai matahari dalam desain pesawat ruang angkasa adalah perisai matahari pada Teleskop Luar Angkasa James Webb.

Lihat pula

• Sistem pengendalian lingkungan dan pendukung kehidupan
• Kerai luar angkasa
• Pengendalian suhu

Bibliografi

• Gilmore, D. G., “Satellite Thermal Control Handbook”, The Aerospace Corporation Press, 1994.
• Karam, R. D., Satellite Thermal Control for Systems Engineers, Progress in Astronautics and Aeronautics, AIAA, 1998.
• Gilmore, D. G., “Spacecraft Thermal Control Handbook 2nd ed.”, The Aerospace Corporation Press, 2002.
• De Parolis, M. N., and W. Pinter-Krainer. Current and Future Techniques for Spacecraft Thermal Control 1. Design Drivers and Current Technologies. 1 Aug 1996. Web: 5 Sep 2014.