DE3017252C2

DE3017252C2 - Vorrichtung zur Konstanthaltung der Innentemperatur von Körpern

Info

Publication number: DE3017252C2
Application number: DE19803017252
Authority: DE
Inventors: Helmut Hans Dipl.-Ing. 8000 München Piening
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-05-06
Filing date: 1980-05-06
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE3017252A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Innentemperatur von Körpern in Vakuum, vorzugsweise für Raumflugkörper.

Die Verlustwärme von Körpern im Vakuum, wie z. B. Raumflugkörpern als Nachrichtensatelliten wird üblicherweise über die Außenflächen abgestrahlt, die dazu mit besonderen Spiegeln belegt sind. Die Größe dieser Strahlerflächen wird bestimmt durch die von den mitgeführten Geräten zu dissipierende Leistung und die maximal zulässige Arbeitstemperatur des jeweils abzukühlenden Gerätes. Im allgemeinen ist die Strahlerflache so klein wie möglich. Dennoch ist sie zu groß, wenn der Dissipator abgeschaltet wird oder ausfällt, denn durch das Verringern der Dissipation Q fällt die Temperatur Tdes Strahlers nach der bekannten Formel T=yC· Q und stabilisiert sich gegebenenfalls erst bei Temperaturen, die unterhalb der zulässigen unteren Temperaturgrenze für die Geräte liegen.

Zum Schutz der Geräte werden drei Verfahren angewendet, als da sind Heizen mit Hilfe von eigens installierten Heizmatten, Verringern der Strahlung durch Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit mittels drehbarer Flächen oberhalb der Strahlerfläche, neuerdings auch mittels steuerbarer Wärmeleitrohre, falls der Einbau von Wärmeleitrohren ohnehin gefordert war. Alle diese Verfahren erfordern eine komplizierte und aufwendige Regelung, welche die Leistungsbilanz des Raumflugkörpers negativ beeinflußt, zu zusätzlichem Gewicht führt, und wegen der zu fordernden Ausfallsicherheit einen erheblichen zusätzlicher. Aufwand an Einrichtungen bedingt

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, bei der die Konstanthaltung der Temperatur allein über die physikalischen Eigenschaften der Außenhaut bewirkt und bei der die bisher erforderlichen aufwendigen Einrichtungen entfallen.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst daß die thermische Leitfähigkeit zwischen Innen- und Außenwand des Körpers variierbar ist und daß dazu die äußere Wandstruktur aus einer Anordnung von zwei an ihren Rändern dichten Platten besteht zwischen denen sich eine Flüssigkeitsschicht befindet wobei der Abstand zwischen den Platten in Abhängigkeit von der abzustrahlenden Verlustwärme variierbar ist und wobei die innere Platte gleichzeitig Teil der Struktur des Körpers sein kann.

Zwar ist aus der US-PS 34 09 247 ein thermosensitiver Überzug für die Außenhaut eines Raumflugkörpers bekannt damit kann jedoch nur über die von außen einwirkende elektromagnetische Strahlung eine Temperaturbeeinflussung erreicht werden. Die angesprochenen Probleme hinsichtlich der Verlustwärme des Raumflugkörpers können damit nicht gelöst werden, da die Abstrahlung nach außen nur in Abhängigkeit der von außen eintreffenden (Sonnen-)Strahlung, nicht aber in Abhängigkeit der innen anfallenden Verlustwärme beeinflußt werden kann.

Ebenso verhält es sich mit der aus der DE-OS 14 56 199 bekannten Maßnahme, die zylindrische Oberfläche des Satelliten zu isolieren und die axialen Enden des Satelliten mit einer verstellbaren Wärmeisolierung zu versehen. Zum einen ist die Maßnahme nur gegen äußere Strahlung geeignet £irn anderen muß ein aufwendiges Regelungskonzept vorhanden sein.

Aus der US-PS 32 25 820 ist eine Einrichtung zur Temperaturkontrolle mittels Wärmeleitung bekannt Dort wird durch Bimetalle oder Flüssigkeiten, die bei Temperaturänderungen starke Volumenänderungen erleiden, der Abstand über den die Wärme dissipiert wird, verändert. Die Flüssigkeit dient mithin lediglich der Abstandsveränderung. Außerdem ist dort im Gegensatz zur Erfindung angestrebt, die Dissipation konstant zu halten, was voraussetzt, daß die erzeugte Wärme mit konstanter Rate anfällt, siehe Spalte 3, Zeilen 56 bis 60. Demgemäß kann auch nicht überraschen, daß nach der Lehre der US-PS 32 25 820 die Wirkungsweisen der Bimetalle bzw. die Vergrößerung und Verkleinerung des Abstandes genau umgekehrt erfolgt, wie bei der Erfindung.

Eine Einrichtung zur Temperaturregelung eines wärmebelasteten Bauteils ist aus der DE-AS 15 37 707 bekannt. Gelöst wird das Problem der Temperaturregelung dadurch, daß ein von dem Bauteil wegragendes Rohr als Wärmeleiter vorhanden ist, wobei der Wärmeleitwiderstand durch einen verschiebbaren Kolben veränderbar ist. Die von dem Bauteil abgewendete Seite des Kolbens wird von einem Kühlmedium durchflossen. Das Kühlmedium dient mithin im Gegensatz zur Erfindung lediglich dem Abtransport der Wärme. Demgemäß zirkuliert das Kühlmedium, während es bei der Erfindung den Dissipationsraum nicht verläßt.

Die Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen

F i g, Ia₁ Ib das Prinzip der Erfindung,

Fig,2a, 2b, 2c Ausgestaltungen mit verschiedenen Bimetallanordnungen,

Die Erfindung ist anhand eines Raumflugkörpers im Weltall näher erläutert Es ist aber ohne weiteres verständlich, daß der Einsatz für jedes Gerät im Vakuum vorteilhaft ist, und ohne jede Änderung realisierbar ist

Gemäß F ί g. la, Ib entsteht in einem Dissipator 1 z. B. |₀ einer Funkbox eines Nachrichtensatelliten Verlustwärnie, die über einen Obergangskontakt in eine Montagestruktur 2, von dort durch eine Flüssigkeit 3 in eine Platte 4 geleitet und von dort abgestrahlt wird. Ändert sich der Abstand zwischen der Montagestruktur 2 und der Platte 4, so wächst bei konstantem Volumen der Flüssigkeit 3 der Leitungswiderstand umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes:

A_n maximale Benetzungsfläche

m = A₀- h_o- ρ = const.

A_b verringerte Benetzungsfläche

Q₀ -f.

1 hl

h_o minimale Flüssigkeitsschichtdicke bei A„

ρ Dichte der Flüssigkeit

h_b Flüssigkeitsschichtdicke bei A_b

λ Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit

Dies kann durch Verringern der Ankopplung verbessere werden. Vergrößert man den Abstand zwischen Strahler 4 und Montagestruktur 2, so verringert sich die beiderseits von der Flüssigkeit benetzte Fläche bei gleichzeitiger Verlängerung des Wärmeleitweges, Mit der oben aufgezeigten Formel und einem gewünschten 7L von 70 K, so daß die Boxtemperatur —25° C nicht unterschreitet, ergibt sich unabhängig von der verwendeten Flüssigkeit

30

35

O₀IQ,-

A T TemperaturdifTerenz Indices α, b: verschiedene Dissipationszustände

Anhand eines konkreten Beispiels soll die Erfindung noch weiter erläutert werden:

Ausgangspunkt soll sein, daß die Funkbox 1 50 Watt dissipiert, 60° C warm werden darf und die 50 Watt vollständig zu der zugeordneten Strahlerfläche geleitet werden. Berücksichtigt man einen Gradienten zwischen Funkbox und Strahler von 20 K, so ergibt sich aus der bekannten Strahlerformel mit

ε = 0,8 Emmissivität; F = 1 Sichtfaktor;

σ = 5,67 10"⁸ W/m²k⁴ Bolzmannsche Konstante, eine erforderliche Strahlerfläche von

A= QIe- F- σ- Tf = 0,11m²

55

In dem Gradienten von 20 K sind 3 K beinhaltet für eine 1 mm dicke Flüssigkeitsschicht, die zwischen Montagestruktur 2 und Strahler, d. h. Platte eingeschlossen ist.

Reduziert sich jetzt infolge der Abschaltung (bzw. Ausfall) der Funkbox die abgestrahlte Leistung des zugehörigen Strahlers auf einen Restbetrag von z. B. 5 W, so fällt die Strahlertemperatur auf minus 97° C₁ die bei starrer Ankopplung vvu etwa minus 95° C für die Box führt, mithin zu einer Temperatur, die unterhalb typischer zulässiger Temperaturen liegt

It-It_n- V(Q₀IQ₀) ■ (T₀IT₀) h = 15,3 mm

Q₀ =50W
Qo = 5 W
A T₀ = 70 K
AT_a= 3 K
h„ = 1 mm

Der Wert h ist proportional Λο κηά dieser ist nur technologisch bedingt Durch die Wahl der Flüssigkeit und den Aufbau des Geräts ist es möglich, Flüssigkeitsfilmdicken von < 1 mm mit gleichmäßiger Benetzung auszuführen, so daß auch h sich verringert Natürlich stehen die beiden sich gegenüberliegenden Innenseiten 5, 6 im Strahlungsaustausch, der durch geeigente Oberflächenbehandlung, z. B. Versilbern, Vergolden, sehr klein gehalten werden kann.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit 3 bei einer definierten Temperatur erstarrt, so daß dann der Wärmeleitkontakt bei weiterem Entfernen des Strahlers entfällt

Wesentlich für den Effekt der regelbaren thermischen Leitfähigkeit ist die Flüssigkeit, über die die Wärme geleitet wird. Sie soll bei Temperaturen oberhalb 30" C ausreichend viskos sein, um beide Platten mit geringer Schichtdicke gut zu benetzen, bei abnehmenden Temperaturen zäh werden und spätestens bei etwa -2O⁰C erstarrt sein. Zusätzlich ist eine niedrige Ausgasrate erforderlich, damit bei Lecks im normalerweise hermetisch verschlossenen Gerät einerseits die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt, andererseits die benachbarten und die eigene Strahlerfläche nicht kontaminiert werden. Außerdem muß eine nicht zu geringe Wärmeleitung und ein niedriges spezifisches Gewicht gegeben sein. Bei kurzzeitigen stark instationärem Auskühlen tritt ein zusätzlicher Schutz der Boxen durch die Erstarrungswärme ein.

Als geeignete Flüssigkeit bieten sich anhand ihrer bekannten Eigenschaften Paraffine, öle, Fette an.

In F i g. 2a, 2b, 2c sind Ausgestaltungen mit verschiedenen Bimetallanordnungen dargestellt.

Wie bereits erläutert, besteht die Anordnung grundsätzlich aus zwei ebenen Platten 7, 8, die miteinander am Rande dicht, aber gegeneinander mit Plattenverbindungselementen 12, 13 verschiebbar verbunden sind. Zwischen den Platten 7,8 befindet sich eine Flüssigkeitsmenge 9, die z. B. 1 mm stark ist, wenn beide Platten 7, 8 st; rk gegeneinandergedrückt werden. Zusätzlich sind Bimetallelemente 10, 11 an einer der Platten 7,8 montiert, die bei hohen Temperaturen flach, bei niedrigen gebogen sind. Diese Bimfctclleiemente 10, 11 können zusätzliche Elemente sein (F i g. 2a), können integraler Bestandteil der Plattenverbindungselemente 12, 13 (Fig.2b) odsr können integraler Bestandteil einer der Platten 7,8 sein (F i g. 2c). Die Vergrößerung des Abstandes wird von den Bimetallelementen 10, 11 bewirkt, das Verringern durch nicht näher dargestellte Federelemente, z. B. durch Vorspannen der Plattenver-

bindungselemente oder einer der beiden Platten oder festes Ankoppeln der Bimetallelemente. Die gegeneinanderliegenden Oberflächen weisen niedrige Emissionszahlen auf. Zur Montage am Raumflugkörper wird die innere Platte 8 mit den Bimetallelementen 10, H am Raumflugkörper in gutem Wärmekontakt angebracht, z. B. geklebt, auf der äußeren Platte 7 werden Elemente hoher Emissionszahl angebracht, z. B. Kaltspiegel 14.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Konstanthaltung der Innentemperatur von Körpern im Vakuum vorzugsweise für Raumflugkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Leitfähigkeit zwischen Innen- und Außenwand des Körpers variierbar ist und daß dazu die äußere Wandstruktur aus einer Anordnung von zwei an ihren Rändern dichten Platten (7, 8) besteht, zwischen denen sich eine Flüssigkeitsschicht (9) befindet, wobei der Abstand zwischen den Platten (7,8) in Abhängigkeit von der abzustrahlenden Verlustwärme variierbar ist und wobei die innere Platte (8) gleichzeitig Teil der Struktur des Körpers sein kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Variieren des Plattenabstandes mittels zwischen den Platten (7, 8) angeordneten Bimetallelernenten (10, 11) erfolgt, wobei diese bei hohen Temperaturen eine Abstandsreduzierung und bei niedrigen Temperaturen eine Abstandsvergrößerung bewirken und durch Vorspannen einer der beiden Platten (7, 8) oder von Plattenverbindungselementen (12,13) erfolgt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Platte (7) außen mit Kaltspiegeln (14) belegt ist und daß die Innenseiten (5, 6) der Platten (7, 8) zur Verringerung des Strahlungsausiausches oberflächenbehandelt sind, z. B. vergoldet oder versilbert sind.

4. Vorrichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Platten (7, 8) aus Bimetall besteht, dergestalt, daß bei niedrigen Temperaturen ihr Abstand zur anderen Platte größsr wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimetallelemente (10, 11) die Plattenverbindungselemente (12,13) sind.

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