ST - Kapitel 3 - Thermalsystem
KEINE HAFTUNG FÜR RICHTIGKEIT DER LÖSUNGEN
KEINE HAFTUNG FÜR RICHTIGKEIT DER LÖSUNGEN
3.1. Nennen Sie mindestens acht Anforderungen an ein Thermalkontrollsystem eines Satelliten!
- Ableitung von externen Hitzelasten
- Ableitung von internen Hitzelasten
- Ausstattungstemperatur in Vorgeschriebenem Bereich halten
- Optimale Performance bei Betrieb garantieren
- Schaden ohne Betrieb vermeiden
- Wärmeströme minimieren
- Bei bemannten Missionen: Bewohnbaren Bereich in Termperaturkomfortbereich halten
- Langlebigkeit -> über gesamte Missionsdauer
3.2. Entscheiden Sie, welche der folgenden Kriterien die Auslegung des
Thermalkontrollsystems eines Satelliten beeinflussen. Nennen Sie jeweils eine Auswirkung auf das Thermalsystem (physikalischer- oder geometrischer Art, Auswahl von Komponenten, Thermaler Haushalt, usw.)
a. Orbit
i. Orbithöhe
ii. Exzentrizität
iii. Inklination
iv. Perigäumsabstand
v. Eklipsendauer
b. Lagekontrolle
i. 3-achsen stabilisierter Satellit
ii. drallstabilisierter Satellit
iii. sonnenorientierter Satellit
iv. erdorientierter Satellit
c. Bewegung von Satellitenteilen relativ zum Satelliten
(Solargeneratoren, Antennen, usw)
a) Orbit
i. Free molecular heating in LEO durch Restatmospäre
ii. Starke Exzentrizität: lange Schatten oder Sonnenzeiten
iii. Mit Inklination: weniger stark wechselnde Randbedingungen
iv. Perigäum nah: siehe i.
v. Länge der Schattenphase
b) Lagekontrolle
i. Wärmelast beim Abbremsen/Beschleunigen der Reaktionsräder
ii. Wärmelast beim Abbremsen/Beschleunigen der Drallräder
iii. Sonnenstrahlung immer auf einer Seite
iv. Sonneneinstrahlung variiert auf der Satellitenoberfläche
c) Bewegung erfordert Motor Wärmelast
3.2. Entscheiden Sie, welche der folgenden Kriterien die Auslegung des
Thermalkontrollsystems eines Satelliten beeinflussen. Nennen Sie jeweils eine Auswirkung auf das Thermalsystem (physikalischer- oder geometrischer Art, Auswahl von Komponenten, Thermaler Haushalt, usw.)
d. Orbitmanöver
e. Transferbahn
f. Mikrometeoriten
g. Neigung der Erdachse
h. Lagemanöver
i. Masse des Satelliten
j. Thermische Kapazitäten
k. Nutzlast mit gleichmäßiger Aufnahme elektrischer Leistung
l. Nutzlast mit zeitabhängiger und stark wechselnder Leistungsaufnahme
m. Anordnung elektronischer Komponenten
d) Hitze durch Antrieb und Änderung der Randbedingungen
e) Ständige Änderung der Randbedingungen
f) Thermalsystem muss kleine Einschläge aushalten
g) Änderung der Sonneneinstrahlung
h) Motoren für Lageregelung -> Wärmelast
i) Langsamere Aufheizung/Auskühlung der Gesamtstruktur
j) Wärme kann absorbiert/gespeichert Werden
k) Gleichmäßiger Wärmefluss – kein stark dynamisches System erforderlich
l) Thermalsystem muss sehr dynamisch und Reaktionsfähig sein
m) Mögliche Ballung von Wärmelasten
3.3. Begründen Sie, warum die folgende Aussage korrekt ist: „Die Gleichgewichtstemperatur einer rein Sonnenbestrahlten ebenen Platte ist unabhängig von der Größe der Plattenfläche solange das Verhältnis von Absorptionsfäche zu Emissionsfläche und der Sonneneinfallswinkel konstant sind.“
- Verhältnis von Absorptions und Emissionsfläche gleich -> Verhältnis von aufgenommener und abgegebener
Energie bleibt gleich -> Gleichgewichtstemperatur bleibt gleich
3.4. Nennen Sie Gründe, warum für die Auslegung eines TCS gleichzeitig Analytische Methoden und Tests notwendig
sind! Worin liegen die Grenzen der Analytischen Methoden und der Thermaltests?
- Komplexe Strukturen sind analytisch nicht exakt zu beschreiben -> Tests, um Rechnungen zu unterstützen/
bestätigen
- Grenzen der analytischen Methoden
- bei sehr komplexen Systemen und Strukturen
- Ständig wechselnde Einstrahlung (z.B. Albedo von der Erde, da Oberflächenabhängig)
- Grenzen der Tests
- Nicht exakt nachzustellende Umweltbedingungen (z.B. Sonnensimulator nur ähnlich Sonne)
- Lebensdauer kann nicht 15 Jahre getestet werden
3.5. Wodurch werden Absorptionszahl und Emissionszahl einer technischen Oberfläche beeinflusst? Was ist eigentlich
die Emissionszahl ε?
- Definition: Emittierter Strahlungsanteil im Verhältnis zu einem schwarzen Strahler gleicher Temperatur
- Abhängig von: Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur, Material
3.7. Nennen Sie mind. fünf Umgebungsinduzierte Wärmequellen eines Raumfahrzeuges im LEO und nennen Sie, falls
sinnvoll, den mittleren Zahlenwert!
- IR-Strahlung der Erde (237 W/m²)
- Sonnenstrahlung (1371 W/m²)
- Albedo (Im Durchschnitt 35% der Sonnenstrahlung – 479,85 W/m²)
- Free molecular heating
- Reibung der Restatmosphäre
3.8. Wodurch wird der sog. β-Winkel der solaren Strahlung auf ein RFZ beeinflusst?
- Die Jahreszeiten bzw. Winkel der Erdachse
3.9. Wie verhält sich die Deklination des Sonnenvektors in Abhängigkeit der Jahreszeit?
- Hohe Deklination im Sommer – Winter: gleicher Wert im Negativen
- Dazwischen Sinusförmige Kurve
3.10. Wodurch wird der Erd-Albedo auf ein RFZ beeinflusst?
- Beschaffenheit der Erdoberfläche
- Einstrahlungswinkel der Sonne
- Inklination
- Wetter
3.11. Warum variiert der Erd-Albedo in Abhängigkeit der Orbitinklination des RFZ?
- je nach Inklination mehr überstrichene Wasser/Schneefläche -> Albedo größer
- Reflektionswinkel der Sonnenstrahlung ändert sich
- Weg durch die Atmosphäre ändert sich
3.12. In ESA- und NASA-Specifikationen zur Thermalkontrolle wird zwischen „Predicted-Temperature-Range“ „Design-
Temperature-Range“, „Acceptance- Temperature-Range“ und „Qualifikation-Temperature-Range“ unterschie
en! Erläutern Sie diese Begriffe und begründen Sie die Sinnfälligkeit dieser Unterscheidung! Unterscheiden Sie dabei
in „Flight-Modell“ und „Engineering-Modell“ eines Raumfahrzeuges!
- Predicted-Temperature-Range
- Vorausgesagte Temperaturspanne, die während der Mission auftreten wird
- Design-Temperature-Range
- Temperaturspanne, auf die der Satellit ausgelegt wird
- Qualifikation-Temperature-Range
- Temperaturspanne, die der Satellit bzw. die Komponenten aushalten müssen, um fliegen zu dürfen (Weltraumqualifikation) -> Nachweis am Engineering Modell
- Acceptance-Temperature-Range
- Temperaturspanne, in der die Abnahme durchgeführt wird Test am Flightmodell
- Sinnvoll, da das Flightmodell nichtmehr unnötig mit hohen Temperaturen belastet werden sollte. Außerdem
sollte die Auslegungstemperaturspanne größer sein als die vorhergesehene, da immer Komplikationen auftreten
können. Die Qualifikationstemperaturspanne ist insofern sinnvoll, dass gezeigt werden muss, dass die
Auslegungstemperaturspanne tatsächlich eingehalten wird und nicht nur ein theoretischer Wert ist
3.13. An welchen Stellen innerhalb der Raumfahrzeuge a) bis d) würden Sie Komponenten mit hoher elektrischer
Leistungsaufnahme platzieren? Begründen Sie Ihre Entscheidungen!
a) RFZ im GEO, 3-achsen-stabilisiert, erdorientiert
b) RFZ im GEO, 3-achsen-stabilisiert, Sonnenorientiert
c) Hochelliptischer Polarer Orbit, Spinstabilisiert, Spin-Achse ist erdorientiert
d) Mission zum Planeten Pluto
a) Auf der erdabgewandten Seite, da auf der erdzugewandten Seite durchgehend elektromagnetische Strahlung,
IR- und Albedo-Strahlung von der Erde auftreffen -> Erdseite schon thermisch dauerhaft belastet
b) Auf der sonnenabgewandten Seite, da auf der sonnenzugewandten Seite durchgehend die Sonnenstrahlung
auftrifft -> Sonnenseite schon thermisch dauerhaft belastet
c) Siehe a)
d) Im „vorderen“ Teil, da sich die Sonde von der Sonne wegbewegt und damit: siehe b)
3.15. Welche thermische Eigenschaft einer Nutzlast eines Satelliten sollte sehr hoch sein, wenn die Nutzlast empfindlich für zeitliche Temperaturschwankungen ist? Nennen Sie Möglichkeiten, diese Eigenschaft zu erhöhen!
- Wärmekapazität sollte hoch sein
- Masse oder Volumen erhöhen
- Material ändern
- Isolierungen verbauen
3.16. Bevor in der C/D Phase eines Projektes zum Bau eines Satelliten eine transiente Thermalanalyse durchgeführt
wird, erfolgt zunächst eine „steadystate“ Analyse für mind. sechs verschiedene thermale Belastungsfälle. Nennen
und erklären Sie diese und erläutern Sie die Gründe für dieses Vorgehen! Warum werden während einer transienten
Analyse auch diese Belastungsfälle untersucht?
- Nominal Case Durchschnittliche Einstrahlung von außen
- Betriebsfall (operational)
- Ohne Betrieb (non operational)
- Hot Case Maximale Einstrahlung von außen
- Betriebsfall (operational)
- Ohne Betrieb (non operational)
- Cold Case Minimale Einstrahlung von außen
- Betriebsfall (operational)
- Ohne Betrieb (non operational)
- Belastungsfälle gelten auch für transiente Rechnung
- Temperaturverteilung ist interessant
- Wechsel zwischen den Fällen für dir transiente Rechnung
3.17. Beschreiben Sie kurz die Vorgehensweise bei der Thermalanalyse!
- Vorgehen
- Identifizieren der thermischen Umgebung und Schnittstellen zu anderen Systemen
- Feststellen der Komponenten-/Subsystemtemperaturanforderungen
- Vorläufige Analyse -> Auswahl der Komponenten für die Thermalkontrolle
- Komponenten- und Subsystemtests -> thermische Eigenschaften
- Detailliertes Modellieren und Analysieren der thermischen Gegebenheiten
- Tests zum Bestätigen und Verbessern des Thermalmodells -> evtl. Änderungen von Komponenten/
- Materialien/Anforderungen
- Test zur Bestätigen der Anforderungseinhaltung und Spielraumbestimmung
- Thermal vacuum
- Thermal cycling
3.17b) Warum wird zwischen einem Geometrischmathematischem Modell (GMM) und einem thermisch-mathematischem Modell (TMM) unterschieden?
- GMM
- Analyse der Strahlungskopplungen für Abschattung und Raflexion
- Analyse der Einflüsse externer Wärmelasten
- Ergebnisse als Eingabe für TMM
- Einflüsse in Abhängigkeit der Strahlung von außen geometrische Abhängigkeit
- TMM
- Bestimmung der Temperaturverteilung durch lösen der transienten oder stationären Energiegleichungen
- Temperaturverteilung mit allen thermischen Einflüssen
3.20. Was kennzeichnet einen isothermen Knoten?
- Temperatur dort ist konstant
3.22. Nennen Sie mind. fünf Gründe für die Durchführung von Thermaltests!
- Bestätigung des thermischen Modells
- Auswahl der Materialien
- Bestätigung der Anforderungserfüllung bezüglich
- Thermalzyklen
- Thermischem Gleichgewicht
- Thermischem Vakuum
3.23. Welche Aufgabe hat der Temperatur-Referenz-Punkt (oder -Sensor) einer Nutzlast eines Satelliten?
- Punkt auf den die Temperaturänderungen bezogen werden
- Stellt Temperaturreferenz für jeweilige gesamte Nutzlast dar
3.24. Welche Arten von Thermaltests sollten mind. angewandt werden?
- Thermal Cycle Test
- Thermal Vacuum Test
- Thermal Balance Test
3.25. Wie ist die Gleichgewichtstemperatur eines Körpers ohne Quellwärme im Orbit definiert?
- Temperatur, die der Körper annimmt um die externen Hitzelasten auszugleichen (Sonne, Albedo, IR, etc.)
3.26. Wie groß ist das Verhältnis von Absorbtions- zu Emissionsfläche für
a) eine ebene Platte, beidseitig strahlend,
b) eine ebene Platte, einseitig isoliert,
c) einen würfelförmigen Satelliten und
d) einen kugelförmigen Satelliten?
a) 0
b) 1
c) ??
d) ??
3.27. Wie verhält sich die Temperatur eines Körpers mit steigendem α/ε-Verhältnis?
- Die Temperatur steigt
3.28. Warum ändert sich die Temperatur eines Satelliten während der Missionszeit bei angenommen gleich bleibenden Außen- und Innenbelastungen?
- Aufgrund von Oberflächendegradation verändern sich α und ε
3.31. Welche theoretische Satellitenbauform erlaubt eine minimale Strahlungsabsorption (es ist nur die Sonne zu
betrachten) bei maximaler Strahlungsemission? Beschreiben Sie die optimale Lage dieser Bauform in Bezug auf den
Sonnenvektor!
- Langer dünner Zylinder mit Rotationsachse in Sonnenrichtung
3.32. Wovon ist die Strahlungsemission ε einer Oberfläche grundsätzlich abhängig?
- Von ihrer Temperatur
- Emissionsgrad ε hängt ab von:
- Material
- Oberfläche
- Wellenlänge
3.33. Wie sollte das α/ε Verhältnis sein, wenn der Satellit so wenig wie möglich thermische Sonnenenergie aufnehmen
soll?
- Das Verhältnis sollte möglichst gering sein
3.34. Erklären Sie die Funktion eines Wärmerohres („Heat Pipe“)!
- Rohr enthält Medium in flüssigem und gasförmigem Zustand
- Bei Hitzeeintrag verdampft ein flüssiger Teil an der Stelle des Eintrags -> Druckdifferenz -> Dampf bewegt
sich zu geringerem Druck und Kondensiert dort -> Wärme wird dort frei -> Kondensat fließt zurück
3.35. Nennen Sie mind. vier passive und vier aktive Thermalkontrollsysteme!
- Passiv
- Beschichtungen
- Isolatoren
- Radiatoren
- Wärmekapazitäten
- Aktiv
- Heizungen mit Thermostat
- Pumped fluid loops
- Pumped Phase Change Devices
- Ausrichtung des Satelliten
3.36. Warum sind Thermaltests in Sonnensimulationskammern nur begrenzt realitätsnah? Nennen Sie mehrere
Gründe!
- Andere Leistungsverteilung im Wellenlängenspektrum
- Andere Einstrahlungswinkel
3.37. Wann ist der Einsatz rein passiver Thermalsysteme sinnvoll?
- Wenn keine extremen Schwankungen auftreten
- Möglichst statisches System
3.38. Nennen Sie Vorteile passiver Thermalkontrollsysteme!
- Kein Energiebedarf oder Zusätzliche Aperaturen
- Keine Messungen und Steuerung nötig
- Keine Elektronik
- Leichter
3.39. Wann ist der Einsatz zusätzlicher aktiver Thermalkontrollsysteme sinnvoll?
- Wenn große Schwankungen auftreten, auf die reagiert werden muss
- In dynamischen Systemen
3.40. Beschreiben Sie das Prinzip von MLI !
- Multi Layer Insulation
- Mehrere Isolationsschichten
- Schichten reduzieren Strahlung nach außen -> wärmen sich dabei auf Gleichgewichtstemperatur auf -> Hälfte der Strahlung wird zurück an Körper gestrahlt
- N Schichten: Verlust wird um Faktor n+1 reduziert
3.41. Welche Möglichkeiten der passiven Thermalkontrolle kommen in Betracht, um ein Bauteil zu kühlen, welches
diskontinuierlich (sporadisch) viel Wärme abgibt?
- Wärmekapazitäten
- Radiatoren
3.42. Welche Möglichkeiten kennen Sie, um den Wärmeübergang an den Kontaktflächen von Bauteilen zu erhöhen?
- Thermal fillers
- Isolatoren
3.43. Beschreiben Sie das Prinzip sog. „Heat switches“!
- Schalter unterbricht bei bestimmter Temperatur den Stromkreislauf und öffnet beim Abkühlen wieder
- Wechsel zwischen Leiter und Isolator
- Steuerung von Geräten
3.44. Warum sollten passive Systeme zur Thermalkontrolle gegenüber aktiven Systemen bevorzugt werden?
- Keine Elektronik
- Einfacher Aufbau
- Leichter
- Kompakter
- Weniger Fehleranfällig
- Kein zusätzlicher Energieverbrauch
3.45. Welche Vor- und Nachteile ergeben sich für den Satelliten, wenn zur Kontrolle zusätzlicher Heizer a) zwei
Thermostate parallel, b) zwei Thermostate in Reihe und c) nur ein Thermostat geschalten werden / geschaltet wird?
a) Redundanz bei Ausfall, Kontrolle des jeweils anderen, aber schwerer und komplizierter
b) Kontrolle des jeweils anderen, aber schwerer, komplizierter und Komplettausfall, falls eines kaputt geht
c) Leichter und einfachter, aber keine Redundanz bei Ausfall und keine Kontrollwerte
-
- 1 / 40
-
Lernkarten
3.1. Nennen Sie mindestens acht Anforderungen an ein Thermalkontrollsystem eines Satelliten!
- Ableitung von externen Hitzelasten
- Ableitung von internen Hitzelasten
- Ausstattungstemperatur in Vorgeschriebenem Bereich halten
- Optimale Performance bei Betrieb garantieren
- Schaden ohne Betrieb vermeiden
- Wärmeströme minimieren
- Bei bemannten Missionen: Bewohnbaren Bereich in Termperaturkomfortbereich halten
- Langlebigkeit -> über gesamte Missionsdauer
3.2. Entscheiden Sie, welche der folgenden Kriterien die Auslegung des
Thermalkontrollsystems eines Satelliten beeinflussen. Nennen Sie jeweils eine Auswirkung auf das Thermalsystem (physikalischer- oder geometrischer Art, Auswahl von Komponenten, Thermaler Haushalt, usw.)
a. Orbit
i. Orbithöhe
ii. Exzentrizität
iii. Inklination
iv. Perigäumsabstand
v. Eklipsendauer
b. Lagekontrolle
i. 3-achsen stabilisierter Satellit
ii. drallstabilisierter Satellit
iii. sonnenorientierter Satellit
iv. erdorientierter Satellit
c. Bewegung von Satellitenteilen relativ zum Satelliten
(Solargeneratoren, Antennen, usw)
a) Orbit
i. Free molecular heating in LEO durch Restatmospäre
ii. Starke Exzentrizität: lange Schatten oder Sonnenzeiten
iii. Mit Inklination: weniger stark wechselnde Randbedingungen
iv. Perigäum nah: siehe i.
v. Länge der Schattenphase
b) Lagekontrolle
i. Wärmelast beim Abbremsen/Beschleunigen der Reaktionsräder
ii. Wärmelast beim Abbremsen/Beschleunigen der Drallräder
iii. Sonnenstrahlung immer auf einer Seite
iv. Sonneneinstrahlung variiert auf der Satellitenoberfläche
c) Bewegung erfordert Motor Wärmelast
3.2. Entscheiden Sie, welche der folgenden Kriterien die Auslegung des
Thermalkontrollsystems eines Satelliten beeinflussen. Nennen Sie jeweils eine Auswirkung auf das Thermalsystem (physikalischer- oder geometrischer Art, Auswahl von Komponenten, Thermaler Haushalt, usw.)
d. Orbitmanöver
e. Transferbahn
f. Mikrometeoriten
g. Neigung der Erdachse
h. Lagemanöver
i. Masse des Satelliten
j. Thermische Kapazitäten
k. Nutzlast mit gleichmäßiger Aufnahme elektrischer Leistung
l. Nutzlast mit zeitabhängiger und stark wechselnder Leistungsaufnahme
m. Anordnung elektronischer Komponenten
d) Hitze durch Antrieb und Änderung der Randbedingungen
e) Ständige Änderung der Randbedingungen
f) Thermalsystem muss kleine Einschläge aushalten
g) Änderung der Sonneneinstrahlung
h) Motoren für Lageregelung -> Wärmelast
i) Langsamere Aufheizung/Auskühlung der Gesamtstruktur
j) Wärme kann absorbiert/gespeichert Werden
k) Gleichmäßiger Wärmefluss – kein stark dynamisches System erforderlich
l) Thermalsystem muss sehr dynamisch und Reaktionsfähig sein
m) Mögliche Ballung von Wärmelasten
3.3. Begründen Sie, warum die folgende Aussage korrekt ist: „Die Gleichgewichtstemperatur einer rein Sonnenbestrahlten ebenen Platte ist unabhängig von der Größe der Plattenfläche solange das Verhältnis von Absorptionsfäche zu Emissionsfläche und der Sonneneinfallswinkel konstant sind.“
- Verhältnis von Absorptions und Emissionsfläche gleich -> Verhältnis von aufgenommener und abgegebener
Energie bleibt gleich -> Gleichgewichtstemperatur bleibt gleich
3.4. Nennen Sie Gründe, warum für die Auslegung eines TCS gleichzeitig Analytische Methoden und Tests notwendig
sind! Worin liegen die Grenzen der Analytischen Methoden und der Thermaltests?
- Komplexe Strukturen sind analytisch nicht exakt zu beschreiben -> Tests, um Rechnungen zu unterstützen/
bestätigen
- Grenzen der analytischen Methoden
- bei sehr komplexen Systemen und Strukturen
- Ständig wechselnde Einstrahlung (z.B. Albedo von der Erde, da Oberflächenabhängig)
- Grenzen der Tests
- Nicht exakt nachzustellende Umweltbedingungen (z.B. Sonnensimulator nur ähnlich Sonne)
- Lebensdauer kann nicht 15 Jahre getestet werden
3.5. Wodurch werden Absorptionszahl und Emissionszahl einer technischen Oberfläche beeinflusst? Was ist eigentlich
die Emissionszahl ε?
- Definition: Emittierter Strahlungsanteil im Verhältnis zu einem schwarzen Strahler gleicher Temperatur
- Abhängig von: Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur, Material
3.7. Nennen Sie mind. fünf Umgebungsinduzierte Wärmequellen eines Raumfahrzeuges im LEO und nennen Sie, falls
sinnvoll, den mittleren Zahlenwert!
- IR-Strahlung der Erde (237 W/m²)
- Sonnenstrahlung (1371 W/m²)
- Albedo (Im Durchschnitt 35% der Sonnenstrahlung – 479,85 W/m²)
- Free molecular heating
- Reibung der Restatmosphäre
3.8. Wodurch wird der sog. β-Winkel der solaren Strahlung auf ein RFZ beeinflusst?
- Die Jahreszeiten bzw. Winkel der Erdachse
3.9. Wie verhält sich die Deklination des Sonnenvektors in Abhängigkeit der Jahreszeit?
- Hohe Deklination im Sommer – Winter: gleicher Wert im Negativen
- Dazwischen Sinusförmige Kurve
3.10. Wodurch wird der Erd-Albedo auf ein RFZ beeinflusst?
- Beschaffenheit der Erdoberfläche
- Einstrahlungswinkel der Sonne
- Inklination
- Wetter
3.11. Warum variiert der Erd-Albedo in Abhängigkeit der Orbitinklination des RFZ?
- je nach Inklination mehr überstrichene Wasser/Schneefläche -> Albedo größer
- Reflektionswinkel der Sonnenstrahlung ändert sich
- Weg durch die Atmosphäre ändert sich
3.12. In ESA- und NASA-Specifikationen zur Thermalkontrolle wird zwischen „Predicted-Temperature-Range“ „Design-
Temperature-Range“, „Acceptance- Temperature-Range“ und „Qualifikation-Temperature-Range“ unterschie
en! Erläutern Sie diese Begriffe und begründen Sie die Sinnfälligkeit dieser Unterscheidung! Unterscheiden Sie dabei
in „Flight-Modell“ und „Engineering-Modell“ eines Raumfahrzeuges!
- Predicted-Temperature-Range
- Vorausgesagte Temperaturspanne, die während der Mission auftreten wird
- Design-Temperature-Range
- Temperaturspanne, auf die der Satellit ausgelegt wird
- Qualifikation-Temperature-Range
- Temperaturspanne, die der Satellit bzw. die Komponenten aushalten müssen, um fliegen zu dürfen (Weltraumqualifikation) -> Nachweis am Engineering Modell
- Acceptance-Temperature-Range
- Temperaturspanne, in der die Abnahme durchgeführt wird Test am Flightmodell
- Sinnvoll, da das Flightmodell nichtmehr unnötig mit hohen Temperaturen belastet werden sollte. Außerdem
sollte die Auslegungstemperaturspanne größer sein als die vorhergesehene, da immer Komplikationen auftreten
können. Die Qualifikationstemperaturspanne ist insofern sinnvoll, dass gezeigt werden muss, dass die
Auslegungstemperaturspanne tatsächlich eingehalten wird und nicht nur ein theoretischer Wert ist
3.13. An welchen Stellen innerhalb der Raumfahrzeuge a) bis d) würden Sie Komponenten mit hoher elektrischer
Leistungsaufnahme platzieren? Begründen Sie Ihre Entscheidungen!
a) RFZ im GEO, 3-achsen-stabilisiert, erdorientiert
b) RFZ im GEO, 3-achsen-stabilisiert, Sonnenorientiert
c) Hochelliptischer Polarer Orbit, Spinstabilisiert, Spin-Achse ist erdorientiert
d) Mission zum Planeten Pluto
a) Auf der erdabgewandten Seite, da auf der erdzugewandten Seite durchgehend elektromagnetische Strahlung,
IR- und Albedo-Strahlung von der Erde auftreffen -> Erdseite schon thermisch dauerhaft belastet
b) Auf der sonnenabgewandten Seite, da auf der sonnenzugewandten Seite durchgehend die Sonnenstrahlung
auftrifft -> Sonnenseite schon thermisch dauerhaft belastet
c) Siehe a)
d) Im „vorderen“ Teil, da sich die Sonde von der Sonne wegbewegt und damit: siehe b)
3.15. Welche thermische Eigenschaft einer Nutzlast eines Satelliten sollte sehr hoch sein, wenn die Nutzlast empfindlich für zeitliche Temperaturschwankungen ist? Nennen Sie Möglichkeiten, diese Eigenschaft zu erhöhen!
- Wärmekapazität sollte hoch sein
- Masse oder Volumen erhöhen
- Material ändern
- Isolierungen verbauen
3.16. Bevor in der C/D Phase eines Projektes zum Bau eines Satelliten eine transiente Thermalanalyse durchgeführt
wird, erfolgt zunächst eine „steadystate“ Analyse für mind. sechs verschiedene thermale Belastungsfälle. Nennen
und erklären Sie diese und erläutern Sie die Gründe für dieses Vorgehen! Warum werden während einer transienten
Analyse auch diese Belastungsfälle untersucht?
- Nominal Case Durchschnittliche Einstrahlung von außen
- Betriebsfall (operational)
- Ohne Betrieb (non operational)
- Hot Case Maximale Einstrahlung von außen
- Betriebsfall (operational)
- Ohne Betrieb (non operational)
- Cold Case Minimale Einstrahlung von außen
- Betriebsfall (operational)
- Ohne Betrieb (non operational)
- Belastungsfälle gelten auch für transiente Rechnung
- Temperaturverteilung ist interessant
- Wechsel zwischen den Fällen für dir transiente Rechnung
3.17. Beschreiben Sie kurz die Vorgehensweise bei der Thermalanalyse!
- Vorgehen
- Identifizieren der thermischen Umgebung und Schnittstellen zu anderen Systemen
- Feststellen der Komponenten-/Subsystemtemperaturanforderungen
- Vorläufige Analyse -> Auswahl der Komponenten für die Thermalkontrolle
- Komponenten- und Subsystemtests -> thermische Eigenschaften
- Detailliertes Modellieren und Analysieren der thermischen Gegebenheiten
- Tests zum Bestätigen und Verbessern des Thermalmodells -> evtl. Änderungen von Komponenten/
- Materialien/Anforderungen
- Test zur Bestätigen der Anforderungseinhaltung und Spielraumbestimmung
- Thermal vacuum
- Thermal cycling
3.17b) Warum wird zwischen einem Geometrischmathematischem Modell (GMM) und einem thermisch-mathematischem Modell (TMM) unterschieden?
- GMM
- Analyse der Strahlungskopplungen für Abschattung und Raflexion
- Analyse der Einflüsse externer Wärmelasten
- Ergebnisse als Eingabe für TMM
- Einflüsse in Abhängigkeit der Strahlung von außen geometrische Abhängigkeit
- TMM
- Bestimmung der Temperaturverteilung durch lösen der transienten oder stationären Energiegleichungen
- Temperaturverteilung mit allen thermischen Einflüssen
3.20. Was kennzeichnet einen isothermen Knoten?
- Temperatur dort ist konstant
3.22. Nennen Sie mind. fünf Gründe für die Durchführung von Thermaltests!
- Bestätigung des thermischen Modells
- Auswahl der Materialien
- Bestätigung der Anforderungserfüllung bezüglich
- Thermalzyklen
- Thermischem Gleichgewicht
- Thermischem Vakuum
3.23. Welche Aufgabe hat der Temperatur-Referenz-Punkt (oder -Sensor) einer Nutzlast eines Satelliten?
- Punkt auf den die Temperaturänderungen bezogen werden
- Stellt Temperaturreferenz für jeweilige gesamte Nutzlast dar
3.24. Welche Arten von Thermaltests sollten mind. angewandt werden?
- Thermal Cycle Test
- Thermal Vacuum Test
- Thermal Balance Test
3.25. Wie ist die Gleichgewichtstemperatur eines Körpers ohne Quellwärme im Orbit definiert?
- Temperatur, die der Körper annimmt um die externen Hitzelasten auszugleichen (Sonne, Albedo, IR, etc.)
3.26. Wie groß ist das Verhältnis von Absorbtions- zu Emissionsfläche für
a) eine ebene Platte, beidseitig strahlend,
b) eine ebene Platte, einseitig isoliert,
c) einen würfelförmigen Satelliten und
d) einen kugelförmigen Satelliten?
a) 0
b) 1
c) ??
d) ??
3.27. Wie verhält sich die Temperatur eines Körpers mit steigendem α/ε-Verhältnis?
- Die Temperatur steigt
3.28. Warum ändert sich die Temperatur eines Satelliten während der Missionszeit bei angenommen gleich bleibenden Außen- und Innenbelastungen?
- Aufgrund von Oberflächendegradation verändern sich α und ε
3.31. Welche theoretische Satellitenbauform erlaubt eine minimale Strahlungsabsorption (es ist nur die Sonne zu
betrachten) bei maximaler Strahlungsemission? Beschreiben Sie die optimale Lage dieser Bauform in Bezug auf den
Sonnenvektor!
- Langer dünner Zylinder mit Rotationsachse in Sonnenrichtung
3.32. Wovon ist die Strahlungsemission ε einer Oberfläche grundsätzlich abhängig?
- Von ihrer Temperatur
- Emissionsgrad ε hängt ab von:
- Material
- Oberfläche
- Wellenlänge
3.33. Wie sollte das α/ε Verhältnis sein, wenn der Satellit so wenig wie möglich thermische Sonnenenergie aufnehmen
soll?
- Das Verhältnis sollte möglichst gering sein
3.34. Erklären Sie die Funktion eines Wärmerohres („Heat Pipe“)!
- Rohr enthält Medium in flüssigem und gasförmigem Zustand
- Bei Hitzeeintrag verdampft ein flüssiger Teil an der Stelle des Eintrags -> Druckdifferenz -> Dampf bewegt
sich zu geringerem Druck und Kondensiert dort -> Wärme wird dort frei -> Kondensat fließt zurück
3.35. Nennen Sie mind. vier passive und vier aktive Thermalkontrollsysteme!
- Passiv
- Beschichtungen
- Isolatoren
- Radiatoren
- Wärmekapazitäten
- Aktiv
- Heizungen mit Thermostat
- Pumped fluid loops
- Pumped Phase Change Devices
- Ausrichtung des Satelliten
3.36. Warum sind Thermaltests in Sonnensimulationskammern nur begrenzt realitätsnah? Nennen Sie mehrere
Gründe!
- Andere Leistungsverteilung im Wellenlängenspektrum
- Andere Einstrahlungswinkel
3.37. Wann ist der Einsatz rein passiver Thermalsysteme sinnvoll?
- Wenn keine extremen Schwankungen auftreten
- Möglichst statisches System
3.38. Nennen Sie Vorteile passiver Thermalkontrollsysteme!
- Kein Energiebedarf oder Zusätzliche Aperaturen
- Keine Messungen und Steuerung nötig
- Keine Elektronik
- Leichter
3.39. Wann ist der Einsatz zusätzlicher aktiver Thermalkontrollsysteme sinnvoll?
- Wenn große Schwankungen auftreten, auf die reagiert werden muss
- In dynamischen Systemen
3.40. Beschreiben Sie das Prinzip von MLI !
- Multi Layer Insulation
- Mehrere Isolationsschichten
- Schichten reduzieren Strahlung nach außen -> wärmen sich dabei auf Gleichgewichtstemperatur auf -> Hälfte der Strahlung wird zurück an Körper gestrahlt
- N Schichten: Verlust wird um Faktor n+1 reduziert
3.41. Welche Möglichkeiten der passiven Thermalkontrolle kommen in Betracht, um ein Bauteil zu kühlen, welches
diskontinuierlich (sporadisch) viel Wärme abgibt?
- Wärmekapazitäten
- Radiatoren
3.42. Welche Möglichkeiten kennen Sie, um den Wärmeübergang an den Kontaktflächen von Bauteilen zu erhöhen?
- Thermal fillers
- Isolatoren
3.43. Beschreiben Sie das Prinzip sog. „Heat switches“!
- Schalter unterbricht bei bestimmter Temperatur den Stromkreislauf und öffnet beim Abkühlen wieder
- Wechsel zwischen Leiter und Isolator
- Steuerung von Geräten
3.44. Warum sollten passive Systeme zur Thermalkontrolle gegenüber aktiven Systemen bevorzugt werden?
- Keine Elektronik
- Einfacher Aufbau
- Leichter
- Kompakter
- Weniger Fehleranfällig
- Kein zusätzlicher Energieverbrauch
3.45. Welche Vor- und Nachteile ergeben sich für den Satelliten, wenn zur Kontrolle zusätzlicher Heizer a) zwei
Thermostate parallel, b) zwei Thermostate in Reihe und c) nur ein Thermostat geschalten werden / geschaltet wird?
a) Redundanz bei Ausfall, Kontrolle des jeweils anderen, aber schwerer und komplizierter
b) Kontrolle des jeweils anderen, aber schwerer, komplizierter und Komplettausfall, falls eines kaputt geht
c) Leichter und einfachter, aber keine Redundanz bei Ausfall und keine Kontrollwerte
