Informe Tecnico Importancia de los sistemas de regulación térmica

Informe Tecnico Importancia de los sistemas de regulación térmica

Informe Tecnico
Pablo Arizpe
El día 15 de Noviembre del 2010 comenzó la VI conferencia espacial de las Américas en
donde representantes de la academia científica aeroespacial de todo el mundo llegaron a
Pachuca de Soto Hidalgo. La conferencia se dividió en 4 grandes comisiones, una de las
cuales fue la comisión 4 de desarrollo tecnológico y divulgación científica, donde los
estudiantes de 6º cuatrimestre de Ingeniería en Aeronáutica, específicamente Erik Marquez
Angeles, Jhony Hernandez Camacho y Vianney Rojas Lopez bajo mi tutela hicimos acto de
presencia y nos presentamos ante los integrantes de esa comisión donde fue designado
como presidente Willy Cabañas profesor investigador de Guatemala.
El Día 16 de Noviembre se realizo la inauguración y empezaron los trabajos en los foros
donde el presidente de la comisión 4 Willy Cabañas designo a nuestros alumnos de la
UPMH para ser los relatores del evento para dicha comisión, donde el documento final será
entregado al presidente de la comisión el día viernes 19 de Noviembre.
El día 17 de Noviembre se realizo la ponencia con el tema “Importancia de la regulación
térmica y sistema de la regulación térmica en aparatos cósmicos”, todos los estudiantes
junto con mi apoyo expusieron el tema de investigación el cual fue bien recibido por la
academia científica presente en la asamblea. Durante esta asamblea se presentaron más de
17 expositores de todo el mundo, incluyendo el representante de la ONU, empresas de
Corea, de la academia de ciencias rusas, del instituto de aviación de Moscú en colaboración
con la Universidad Nacional Autónoma de México, del Instituto Politécnico Nacional, etc.
Haciendo mención de algo especial AXELSPACE Corporation de Japón invito a todos los
presentes a realizar estancias en Japón en materia aeroespacial con todos los gastos
pagados, únicamente teniendo una buena idea y concursando en convocatorias.
El sistema de regulación térmica tiene como objetivo proteger la aparatura y subsistemas
abordo de cargas caloríficas, así como mantener a una temperatura optima de trabajo de un
aparato cósmico, este sistema funciona permanentemente y sin él sería casi imposible el
funcionamiento del aparato cósmico. En este trabajo se presenta el funcionamiento de un
sistema de regulación térmica a grandes rasgos incorporado en un satélite artificial así
como una propuesta para un posible diseño.*[ver final del documento]
Importancia de los sistemas de regulación térmica en el espacio y diseño
conceptual del sistema de regulación térmica en un satélite de
telecomunicaciones
Debido a al avance tecnológico que se ha desarrollado a partir de la guerra fría se han
podido concretar misiones especificas tripuladas por seres vivos en el campo gravitatorio
terrestre y aparatos cósmicos con instrumentos de alto grado de precisión explorando mas
allá de lo que cualquier ser humano ha podido llegar en el cosmos. Los seres vivos nos
conservamos en buen estado con temperaturas corporales o internas que van desde 34°C
hasta 37°C teniendo con ello un rango de temperaturas limitados los cuales debemos
proteger con climas abajo a 0°C y aliviar por arriba de 45°C, en el cosmos fuera de la tierra
las temperaturas son demasiado extremas por lo que es importante tener un aparato
cósmico tripulado que cumpla con dicha función. Los satélites son aparatos cósmicos los
cuales podemos clasificar de acuerdo a su peso o al objetivo para el cual se construyeron,
un satélite de telecomunicaciones desempeña una función para la verificación,
visualización, envió, recepción y manejo de datos y cuenta con sistemas de apoyo cuyo fin
es proteger la aparatura o la carga útil, dentro de estos sistemas podemos mencionar al
sistema de regulación térmica cuyo fin es mantener y controlar la temperatura de la carga
útil en rangos convenientes a la operación del equipo interno.
Han pasado 53 años desde que el primer satélite (Sputnik I) creado por la humanidad fue
lanzado en órbita, el sistema de regulación térmica estaba formado de sensores térmicos
donde la temperatura máxima de activación era de 36°C para mantener una temperatura
óptima de 20°C. Ahora los satélites son mucho más versátiles y más sofisticados, se cuenta
ya con sistemas de regulación térmica de forma pasiva, los cuales se conforma con
elementos estáticos y por medio de geometría, materiales, recubrimientos y dimensiones
determinadas se regula la temperatura y se protege al aparato cósmico (estructuras tipo
sándwich, panales de abeja, recubrimientos, materiales compuestos, materiales metálicos,
formas, espesores específicos, etc.), también existe el sistema de regulación térmica de
forma activa que se conforma por medio de elementos dinámicos como turbinas,
radiadores, ventiladores e intercambiadores de calor que trabajan con líquidos y/o gases
refrigerantes. En los últimos años, los materiales compuestos se han incrementando de
manera súbita y para el sistema de regulación térmica de un aparato cósmico no ha sido la
excepción (Armida, fibra de carbono, etc.) en la actualidad los materiales compuestos se
emplean para construir cualquier tipo de estructura que cumplen con ciertas características
que le dan vida útil en regímenes de trabajo largos, los materiales compuestos resisten
cargas internas y externas, considerando como carga a un esfuerzo aplicado tanto mecánico
como térmico; Para su uso y explotación la estructura cósmica debe contar con propiedades
optimas de elasticidad, rigidez, resistencia a la tensión y compresión, flexibilidad, de
temperatura, de calor, durabilidad, tenacidad, corrosión, confiabilidad, sublimación, entre
otras muchas características físicas.
La importancia en el diseño con materiales compuestos del sistema de regulación térmica
tiene un gran valor al pensar que este sistema está siempre en funcionamiento y protege a la
aparatura de cargas caloríficas externas al igual que mantiene en un buen funcionamiento a
la carga útil al regular la temperatura, mientras los materiales compuestos aligeran la
estructura y mejoran la resistencia térmica y mecánica.
Un satélite de telecomunicaciones se encuentra en una órbita geoestacionaria (GEO) la cual
esta a posicionada alrededor de 36000Km (H=36000Km) sobre el ecuador terrestre y
podemos mantener al satélite fijo con respecto a la rotación de la Tierra. Las cargas
térmicas externas a las cuales el satélite estará sometido son el flujo térmico que emite el
sol, este flujo incide directamente en la superficie satelital que se encuentra en su camino
y depende de la estación del año en que se encuentre la Tierra; también debemos considerar
el calor del sol que es reflejado por la misma Tierra (y cualquier otro planeta cercano), este
valor depende de la altura (H) en que se encuentra la órbita, el radio terrestre y su albedo
que puede ir desde 0.01 hasta 0.99 sin unidades, el valor que se usa comúnmente es de 0.3 o
0.4 en el caso de nuestro planeta, otra carga térmica es el flujo de calor que genera la Tierra
(y cualquier otro planeta cercano) cuyo valor depende también del albedo terrestre, la altura
de la órbita y el radio de la misma; consecuentemente es importante tomar en cuenta el
calor que genera el equipo dentro, el cual depende de la eficiencia y potencia de cada
equipo, podemos calcular el calor de la carga útil de la siguiente forma:
 n

QAP  k   Ni 1  i  
 i 1

Si k=1 significa que todos los aparatos funcionan al mismo tiempo; por ultimo debemos
contar con el calor por fricción que genera la atmosfera en caso de que el satélite se
encuentra abajo de los 500 km de altura con respecto a la superficie terrestre (este por
obvias razones no se considera para un satélite de comunicaciones) y por supuesto debemos
tomar en cuenta el intercambio de calor por conducción y radiación entre las superficies
satelitales y la variación de calor de manera transitoria.
Una vez vistas las cargas térmicas a las cuales el satélite se encuentra sometido es necesario
hacer un análisis del posicionamiento del aparato cósmico con respecto a la Tierra, existen
tres zonas en las cuales el satélite podrá trabajar, la zona visible, la zona semi-obscura y la
zona obscura, dependiendo de ello habrá diferentes cargas térmicas ejerciendo presión en el
aparato cósmico.
Conociendo el tamaño de cada superficie de incidencia del aparato cósmico podemos
calcular al calor total transferido (Q) a las superficies del aparato cósmico. Ya que
consideramos dos mecanismos de transferencia de calor (conducción y radiación), los
materiales con los que la estructura satelital está construido son muy importantes, se
tendrán distintos coeficientes de absortividad „A‟, los cuales deben ser bajos (coeficiente
para absorber calor) y distintos coeficientes de emisividad „ε‟ los cuales deberán ser altos
(coeficiente de emisión de calor por radiación según la ley de Stefan-Boltzman).
Atte.
Pablo Alejandro Arizpe
*Para cuestiones técnicas, graficas, de diseño y memorias de cálculo favor de comunicarse
al departamento de ingeniería en aeronáutica de la Universidad Politécnica Metropolitana
de Hidalgo o al correo electrónico [email protected].