¿Cuál es la temperatura típica de un satélite que orbita alrededor de la Tierra?

Respuesta corta :

La temperatura general de un satélite alrededor de la Tierra es más o menos la misma que en el suelo debido al calor del Sol y al calor de los sistemas.

Los propulsores criogénicos deben almacenarse a muy baja temperatura o se evaporan. Esto no es efectivo para un satélite que debe permanecer en órbita durante años (a menos que el satélite orbite Saturno, donde la temperatura de equilibrio comienza a ser muy baja y por debajo del punto de ebullición).

Deben mantenerse en tanques pesados ​​para evitar la deformación causada por la presión del gas.

Los propulsores almacenables son más fáciles de usar y son robustos en caso de que el sistema de enfriamiento sea temporalmente ineficaz.

Más detalles:

Cuanto más cerca esté la nave espacial del Sol, más caliente se volverá.

Temperatura del cuerpo negro según su distancia al Sol (ignorando el albedo del planeta)
(fuente: Manual de control térmico de naves espaciales , David G. Gilmore et.al.)

Fuera de la protección de la atmósfera, esto será realmente un problema, la nave espacial debe irradiar el calor recibido, además de irradiar cualquier calor producido por los equipos a bordo.

La temperatura dentro de una nave espacial es el resultado de dos efectos opuestos:

• captura de radiación de calor (del sol y el albedo de los planetas) y producción de calor propia
• extracción de calor interno y rechazo por radiación (por control térmico).

(Fuente: Spacecraft Thermal Control ). Tenga en cuenta que la energía recibida del planeta en órbita variará con la altitud (por ejemplo, GEO vs LEO), esto puede ignorarse aquí para simplificar. Los efectos como el eclipse solar y el giro del satélite aumentarán la complejidad de la regulación, pero también se ignorarán aquí.

El resultado depende de cuánto calor se capture o produzca, y qué tan eficiente sea la extracción de calor (por conducción) y el rechazo de calor. Esta temperatura resultante debe estar en el rango requerido por los sistemas a bordo: por ejemplo, sensores, paneles solares y equipos de comunicación. En realidad, diferentes áreas de la nave espacial pueden tener diferentes temperaturas.

(fuente: Fundamentos de Sistemas Espaciales , Vincent L. Pisacane)

Cualquiera que sea esta temperatura, debe ser regulada.

• Si hay algún problema con el sistema de enfriamiento, cualquier propulsor líquido habitual comenzará a hervir. Una parte del gas debe liberarse al vacío para evitar la destrucción del tanque. Esto es similar a lo que sucede en una plataforma mientras el vehículo espera su lanzamiento, pero no hay posibilidad de recargar el tanque.

Tanque externo STS con evaporación de oxígeno gaseoso debajo del gorro.
(fuente: NASA )

LH2 tiene una temperatura de ebullición de -183°C, este es de hecho un combustible criogénico. La hidracina (UDMH) hierve solo a 63°C. Es almacenable a la temperatura de la Tierra.

• Se liberará más LH2 en caso de falla temporal de enfriamiento. El tanque debe ser más robusto para contener la mayor presión que resulta de la evaporación. Robustez significa generalmente masa adicional. Por estas razones, se utiliza un propulsor almacenable para el control de actitud y el refuerzo.

Además, es posible que sea necesario oxidar el propulsor para producir energía. Hay dos tipos de oxidación: ya sea espontánea, hipergólica, como para UDMH con N2O4 o que requiere un encendedor como para LH2 con LO2.

• La combustión no hipergólica agrega complejidad, se requiere un motor para mezclar el combustible y el oxidante y encender la mezcla. Este es un problema cuando el motor debe encenderse muchas veces durante la misión para mantener la actitud y/o la altitud. Se producirían fallas, por lo que solo se utilizan hipergólicos para satélites.

• Algunos propulsores no requieren oxidante adicional para liberar energía. Se denominan monopropelentes y funcionan por descomposición química exotérmica.

El propulsor al final es expulsado a través de los propulsores.

Propulsor monopropulsor - Fuente: Moog )

Hay dos tipos de alimentación del propulsor: presión del tanque y bombas.

• La presión del tanque es el único sistema utilizado para el control de la órbita/actitud de los satélites. Las bombas son demasiado complejas y pesadas para este uso.

Tanque de vejiga de hidracina, devuelto al remitente (fuente: Daily Mail Online )

Los diseñadores generalmente elegirán un medio de propulsión que sea almacenable e hipergólico y que pueda funcionar sin bombas. Teniendo en cuenta que el propulsor debe ser eficiente ( impulso específico ), a menudo se encuentran algunas combinaciones en los satélites:

• Hidracina (monopropelente)
• UDMH/N2O4 ( dimetilhidrazina asimétrica )
• MON-3/MMH ( monometilhidrazina )
• Nitrógeno (gas frío)
• Helio (gas frío)

Usar:

• Los bipropelentes se usan más comúnmente en naves espaciales en órbita GEO, se usan para transferir desde la órbita de lanzamiento a GEO.

• Los sistemas monopropulsores son más simples, pero menos potentes.

• Las frías de gas son cada vez más sencillas, pero muy menos potentes.