El control térmico es uno de los sistemas más importantes de una nave espacial, ya que debe asegurar que la temperatura de todos los componentes de la nave se mantenga dentro de límites apropiados durante toda su misión, independientemente del ambiente y las condiciones de operación a la que esté sujeta la nave en todo momento.
El mantener la temperatura de los sistemas de la nave dentro de límites específicos es crucial para su operación correcta, ya que muchos sistemas son menos confiables si operan fuera del rango de diseño. Por ejemplo: los propelentes líquidos como la hidrazina se pueden congelar; los componentes electrónicos pueden variar sus propiedades y por lo tanto cambiar frecuencias de operación, potencias de transmisión y otras características; los componentes mecánicos del control de la orientación pueden cambiar sus dimensiones debido a expansión/contracción térmica y por lo tanto generar errores en la orientación, entre muchos otros. Todo esto sin mencionar que en las misiones tripuladas la temperatura de las cabinas en donde van los seres humanos debe estar a temperaturas que garanticen su supervivencia y confort. La siguiente tabla muestra los rangos de temperaturas de operación y de supervivencia para algunos sistemas espaciales.
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Temperaturas típicas de diseño de sistemas espaciales
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Funciones de sistema de control térmico
Para lograr su objetivo, el sistema de control térmico debe realizar intercambio de calor entre las superficies de la nave espacial y el ambiente exterior. Este intercambio puede ser desde la nave espacial hacia el exterior o viceversa: Las superficies externas de una nave espacial pueden necesitar protección contra el medio ambiente local o bien mejorar su interacción con él, a través de:
La reducción o aumento de los flujos ambientales absorbidos, o
La reducción o aumento de las pérdidas de calor al ambiente.
Estos procesos se realizan a través de las siguientes funciones:
1. Suministro y almacenamiento de calor
En algunos casos, para alcanzar o mantener el nivel de temperatura deseado, el calor tiene que ser proporcionado por el sistema y se debe contar con una capacidad de almacenamiento de calor determinada.
2. Disipación de calor
En muchos casos, el calor generado por los diferentes sistemas de la nave, como el de propulsión o los sistemas electrónicos, tiene que ser eliminado desde el equipo en el que se genera para evitar un aumento indeseable en la temperatura de la nave espacial.
3. Transporte de calor
En términos generales, no es posible rechazar el calor directamente desde donde se genera, por lo que deben existir los medios apropiados para transportar el calor desde el dispositivo que los genera al dispositivo que lo radia.
4. Expulsión de calor
El calor recogido y transportado tiene que ser expulsado a una temperatura apropiada hacia un disipador de calor, el cual es generalmente el entorno espacial que a la nave. La temperatura de rechazo depende de la cantidad de calor que haya que expulsar, la temperatura deseada a controlar y la temperatura del medio ambiente en el que se irradia el calor.
Tipos de controles
Hay dos tipos de control térmico: el pasivo y el activo. El control pasivo no requiere del uso de energía de la nave para controlar la temperatura. El activo utiliza energía de la nave para la transferencia de energía térmica. En igualdad de circunstancias se prefieren los controles pasivos, dado que son más simples, ya que no tienen partes móviles y no utilizan energía de la nave para operar.
Los controles pasivos se pueden implementar de muchas formas, por ejemplo a través de sombras para el sol, aletas enfriadoras, el uso de pinturas y recubrimientos especiales, el uso de cubiertas aislantes, tubos para conducir el calor y un diseño geométrico apropiado, entre otros.
El control activo se usa cuando el control pasivo es insuficiente. Algunas formas de implementarlo son a través del bombeo de fluidos en circuito cerrado, persianas y ventanas ajustables, radiadores y el aprovechamiento de los otros sistemas de la nave, tales como los motores de propulsión.
Mecanismos de transmisión de calor.
El calor se transmite de tres maneras: radiación, conducción y convección.
La radiación es la transmisión de energía a través de ondas electromagnéticas en la banda infrarroja. Esta es la forma de transmisión preponderante en el espacio, y por ejemplo, en el caso de un satélite terrestre, la nave espacial está sujeta a la radiación solar directa, la radiación reflejada por la tierra -llamada albedo- y la radiación propia de la tierra. La nave espacial también radia energía térmica hacia el exterior a través de sus superficies en virtud del calor generado por los diferentes sistemas, sobre todo el de propulsión y los sistemas eléctricos.
La conducción consiste en la transmisión de energía a través de la vibración de átomos y moléculas de un material y es la forma principal de transmisión de calor entre las diferentes partes del vehículo espacial.
La convección, es la trasmisión de calor a través del movimiento macroscópico de fluidos como el aire y el agua debido a cambios de densidad. A diferencia de lo que sucede en la tierra, en donde existe una atmósfera, en el espacio este mecanismo de transmisión de calor no existe debido al vacío del ambiente espacial.
El diseño de un sistema de control térmico de una nave espacial requiere del conocimiento anticipado del ambiente al que va a estar expuesta la nave en todos sus modos de operación. Como sabemos, el ambiente espacial es muy hostil y, por ejemplo, un satélite alrededor de la tierra puede experimentar cambios de temperatura en su superficie entre -50C y 150C, dependiendo si el sol está eclipsado por la tierra o recibe la radiación solar directamente, respectivamente. Por otra parte, lejos del sistema solar, la temperatura promedio del espacio es de 3 K, o sea -270 C, por lo que los ambientes espaciales pueden ser muy diversos.
Además del ambiente espacial, los diferentes modos de operación de la nave afectan su balance térmico y por lo tanto es importante conocerlos con anticipación para diseñar el sistema de control térmico. Algunos ejemplos en los que la operación afecta el balance térmico de la nave son los siguientes: el encendido y apagado de sistemas electrónicos; el encendido y apagado de motores de propulsión; y la reducción de la masa de la nave por gasto de combustible, entre otros. Así mismo, es necesario considerar el efecto del cambio de propiedades térmicas de las superficies por efecto de la radiación ultravioleta y el choque de micrometeoritos, entre otras causas.Tipos de ambiente espacial
Aunque las misiones de una nave espacial son muy diversas, podemos clasificar los ambientes térmicos en dos categorías: órbitas planetarias y órbitas interplanetarias.
Órbitas interplanetarias
En las órbitas interplanetarias, la nave espacial está orbitando respecto al sol. En este caso, los factores principales a considerar son la distancia al sol y los efectos particulares del planeta destino, tales como el albedo.
Órbitas planetarias
Cuando la misión de una nave espacial es orbitar un planeta –por ejemplo la tierra- los factores más importantes que afectan la temperatura de la nave son los siguientes: la altura de la órbita y su inclinación; la variación de la duración de los eclipses de sol con el movimiento de precesión de la órbita; la variación de la iluminación solar con las estaciones, y la energía reflejada por el planeta, entre otros.
Órbitas interplanetarias
En las órbitas interplanetarias, la nave espacial está orbitando respecto al sol. En este caso, los factores principales a considerar son la distancia al sol y los efectos particulares del planeta destino, tales como el albedo.
Diseño del sistema de control térmico.
De lo visto anteriormente, el diseño del control térmico de una nave espacial requiere anticipar los efectos del ambiente espacial y los modos de operación sobre los diferentes sistemas de la nave. El proceso de diseño del sistema de control térmico de una nave espacial requiere del uso de modelos matemáticos de transferencia de calor para su análisis y de la inclusión de sistemas de transferencia de calor tanto pasivos como activos. Existen varios sistemas de modelado térmico que se usan comúnmente en el diseño de sistemas control térmico, entre los que se encuentran SINDA y FLUINT. Estos sistemas utilizan el método del elemento finito para realizar la modelación y están disponibles comercialmente.
El modelado de la transferencia de calor en una nave espacial, generalmente no es tan exacto como en otros casos, como por ejemplo el cálculo de órbitas. Por lo tanto, para diseñar un sistema de control térmico de una nave espacial es importante considerar márgenes de seguridad que tomen en cuenta esta limitación en la exactitud y se puedan enfrentar situaciones imprevistas. Sin embargo, estos márgenes no pueden ser muy grandes, ya que su implementación puede llevar a un aumento en la masa y la complejidad de la nave y por lo tanto incrementar costos y riesgos de operación que pueden resultar contraproducentes. Sin embargo, un diseño con muy poco margen, puede llevar a resultados catastróficos. Es por esto que una vez diseñada la nave espacial es preciso realizar muchas pruebas que simulen el ambiente espacial al que va a estar sujeta la nave lo más aproximadamente posible, para asegurar su funcionamiento correcto a lo largo de toda su misión.
