ساخت یک صفحه رادیاتور فضایی مجهز به لوله حرارتی مبنی بر بهینه سازی حداکثر یکنواختی توزیع دما درمقابل حداقل جرم

دفع حرارت اتلافی تجهیزات موجود در زیر سیستم کنترل حرارت ماهواره‌ها به‌دلیل محدودیت های موجود در فضا (عدم وجود انتقال حرارت جابجایی، محدودیت توان الکتریکی، سبکی و قابلیت اطمینان بالا) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. صفحه‌های رادیاتور غالبا وظیفه جمع آوری این حرارت های اتلافی و دفع آن را به فضای سرد به‌عهده دارند. صفحه‌های رادیاتور در طیف گسترده‌ای از ماهواره‌ها، از جمله ماهواره‌های علمی، ماهواره‌های مخابراتی و ماهواره‌های سنجش از دور، استفاده می‌شوند. در ماهواره‌های علمی، رادیاتورها برای دفع حرارت تولید شده توسط ابزارهای علمی مانند دوربین‌ها و طیف‌سنج‌ها استفاده می‌شوند. در ماهواره‌های مخابراتی و سنجش از دور ، رادیاتورها به ترتیب برای دفع حرارت تولید شده توسط تقویت‌کننده‌های توان و حسگرها و پردازنده‌ها استفاده می‌شوند. سبکی، راندمان و قابلیت اطمینان بالا بالای این تجهیز از مزایای استفاده از آن بوده و چالش اصلی استفاده از آن سطح کافی برای دفع حرارت و یکنواختی دمای صفحه رویی هنگام تابش حرارت اتلافی به  محیط سرد (فضا) است. استفاده از لوله‌های حرارتی در ساختار سازه صفحه رادیاتور این یکنواختی را مهیا می‌سازد. رادیاتور‌ مجهز به لوله حرارتی شامل یک صفحه ساندویچی است که در آن شبکه‌ای از لوله‌های حرارتی قرار گرفته است. افزایش تعداد لوله‌های حرارتی آن، گرادیان دما در سطح رادیاتور را کاهش و وزن رادیاتور را افزایش می‌دهد. با توجه به اهمیت سبکی تجهیزات در سامانه‌های فضایی، بهینه‌سازی تعداد لوله‌ها و نحوه چیدمان هندسی آنها در رادیاتور باید به گونه‌ای باشد که حداکثر یکنواختی دما در سطح و حداقلی وزن رادیاتور تامین گردد. هدف از پژوهش حاضر، بهینه‌سازی عملکرد یک رادیاتور مجهز به لوله حرارتی(حداکثر یکنواختی دما در سطح) برای دستیابی به حداکثر بازده با لحاظ محدودیت وزنی و ابعادی اعمالی از طرف طراح سیستم می‌باشد. ابتدا یک مدل ریاضی با حل عددی توسعه یافته و به کمک آن اثر پارامترهای طراحی شامل ضخامت رویه و هسته، فواصل بین لوله های حرارتی، جرم و سطح رادیاتور در راندمان صفحه رادیاتور  به طور جامع بررسی شده است.. با استفاده از مدل ارائه شده و ملزومات کارفرما برای یک صفحه رادیاتور، فواصل بهینه لوله‌های حرارتی بدست آمده و یک صفحه رادیاتور ساخته شده است. نتایج به دست آمده از آزمون رادیاتور ساخته شده با راندمان پیش بینی شده از مدل مقایسه گردید تا صحه سنجی مدل انجام گیرد. با توجه به نتایج حاصل از آزمایش، راندمان‌ رادیاتور ساخته شده 89% در دمای ریشه 39 درجه سانتی گراد به دست آمد. مقدار خطای این راندمان با راندمان محاسبه شده از تئوری در حدود 3 درصد است.

construction of a space panel radiator equipped with a heat pipe based on the optimization of the maximum uniformity of temperature distribution against the minimum mass

waste heat dissipation from spacecraft subsystems is crucial due to spatial limitations (no convective heat transfer, limited electrical power, lightweight, and high reliability). radiators are often responsible for collecting and dissipating this waste heat into cold space. panel radiators are widely used in various satellites, including scientific, communication, and remote sensing satellites. in scientific satellites, panel radiators are used to dissipate heat generated by scientific instruments such as cameras and spectrometers. in communication satellites, panel radiators are used to dissipate heat generated by power amplifiers. in remote sensing satellites, panel radiators are used to dissipate heat generated by sensors and processors. high efficiency, light weight, and high reliability are the advantages of using this equipment. the main challenge in using it is to provide sufficient heat dissipation area and uniformity of the surface temperature when radiating waste heat to the cold environment (space). the use of heat pipes in the panel radiator structure provides this uniformity. a heat pipe radiator consists of a sandwich panel with an embedded network of heat pipes. increasing the number of heat pipes reduces the temperature gradient across the radiator surface but increases the radiator weight. due to the importance of equipment lightness in space systems, optimization of the number of pipes and their geometric arrangement in the radiator should be such that maximum temperature uniformity on the surface and minimum radiator weight are achieved. the objective of this research is to optimize the performance of a radiator (maximum temperature uniformity on the surface) to achieve minimum weight while considering the weight and size constraints imposed by the system designer as requirements. initially, a mathematical model is developed and solved numerically, and the effect of design parameters on the performance of a panel radiator, including face and core thickness, spacing between heat pipes, mass, and surface area, is comprehensively investigated. based on the simulation results, considering the weight limitations and existing face and core thicknesses, the maximum allowable spacing between heat pipes is calculated to achieve maximum efficiency of the panel radiator. a network of heat pipes with this characteristic was produced and used in the panel sandwich. the results obtained from testing the manufactured panel radiator were compared with the design efficiency to validate the model. based on the experimental results, an efficiency of 89% was obtained at a root temperature of 39°c. the error of this efficiency with the efficiency calculated from the theory is about 3%.