Kontrola temperatury aktywnej anteny satelitarnej opartej na technologii szyków fazowanych
Branża telekomunikacji satelitarnej przeżywa obecnie rozkwit ze względu na nowatorskie technologie i wynalazki - internet rzeczy oraz sieci piątej generacji (5G), które wymagają coraz większych przepustowości danych. „Aktywne anteny oparte na technologii szyków fazowanych to jedyne praktyczne rozwiązanie, które pozwoli na osiągnięcie wymaganych przepustowości i osiągów w perspektywie długoterminowej, jednak istniejące systemy kontroli temperatur nie są w stanie poradzić sobie z większą ilością ciepła generowaną przez te rozwiązania”, wyjaśnia Nuria Roldan, koordynatorka finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu IMPACTA. W ramach projektu powstało rozwiązanie umożliwiające kontrolę temperatury oparte na obiegach wyposażonych w pompy mechaniczne, które mogą okazać się rozwiązaniem idealnym dla przyszłych misji kosmicznych. Choć nie jest to nowe rozwiązanie, dotychczas złożoność tych układów stanowiła poważną przeszkodę na drodze do ich popularyzacji. W ramach projektu IMPACTA powstał prototyp takiego rozwiązania, który został następnie poddany badaniom i testom. Naukowcy próbowali ustalić, czy obieg będzie w stanie odprowadzić prawie 10 kW ciepła i utrzymać stabilność temperatury na poziomie 2 °C. „Opracowany przez zespół system działał zgodnie z założeniami, wzbudzając zaufanie zarówno do jego konstrukcji, jak i do przewidywań dotyczących osiągów po jego wyniesieniu na orbitę”, dodaje Roldan.
Precyzyjna kontrola temperatury
Jak twierdzi Roldan, blisko połowa satelitów telekomunikacyjnych znajdujących się na orbicie geostacjonarnej przejdzie modernizacje, które znacząco zwiększą ich zapotrzebowanie na energię. Dzięki systemom elektronicznego sterowania wiązką fal radiowych w różnych kierunkach bez konieczności przemieszczania anten, sterowana komputerowo aktywna antena oparta na technologii szyków fazowanych może przesyłać nawet wiele terabajtów danych na sekundę i objąć swoim zasięgiem olbrzymie obszary. Wysokie osiągi wymagają jednak zastosowania podzespołów wytwarzających duże ilości ciepła, co przekłada się na wysokie miejscowe przepływy ciepła oraz wymóg jego rozpraszania z odpowiednią szybkością. „Obecnie stosowane rozwiązania w zakresie chłodzenia, takie jak rurki cieplne, nie są w stanie sprostać wymaganiom stawianym przez takie układy. Rozwiązaniem tego problemu są dwufazowe obiegi wyposażone w pompy mechaniczne, obejmujące obieg zamknięty pochłaniający ciepło z aktywnej anteny dzięki zastosowanemu czynnikowi chłodniczemu, który częściowo odparowuje, a następnie trafia do chłodnicy i skraplacza. W ten sposób ciepło trafia do otaczającej przestrzeni kosmicznej, a opar zamienia się z powrotem w ciecz”, wyjaśnia Roldan. Poza zapewnianiem wysoce skutecznego chłodzenia, zastosowanie tego rozwiązania gwarantuje uzyskanie warunków niemal izotermicznych zmiany innych czynników, takich jak ciśnienie, nie powodują zmian temperatury.
Sprawdzone rozwiązanie
W czasie badań i testów prototypu rozwiązania zespół wykorzystał w roli aktywnej anteny wymagającej zasilania szereg parowników, a wymiennik ciepła pełnił rolę radiatora. Testy funkcjonalne zostały przeprowadzone równolegle z testami środowiskowymi w komorze próżniowej. „Rozwiązanie opracowane w ramach projektu IMPACTA pozwoliło na rozproszenie aż 9,8 kW ciepła emitowanego przez dziesięć równoległych gałęzi obejmujących po dziesięć źródeł ciepła każda. Po osiągnięciu stanu ustalonego, temperatura poszczególnych źródeł ciepła była w dużym stopniu jednakowa - różnice mieściły się w przedziale 2 °C niezależnie od warunków”, wyjaśnia Roldan. W przypadku pracującej anteny, ciepło może być generowane nierównomiernie w poszczególnych gałęziach. Testy przeprowadzone w ramach projektu IMPACTA wykazały, że nawet w skrajnym przypadku wyłączenia połowy gałęzi, temperatury utrzymywały się na stałym poziomie, nawet gdy pozostałe pięć gałęzi pracowało z pełną mocą. „Nasze rozwiązanie może pracować w trzech różnych ułożeniach bez znaczącego wpływu na osiągi - to wskazuje, że nie ma na nie wpływu grawitacja”, dodaje Roldan. Zespół był w stanie wykorzystać uzyskane wyniki do weryfikacji parametrów modelowanego komputerowo projektu pełnego systemu IMPACTA.
Technologia wspomagająca dla satelitów telekomunikacyjnych nowej generacji
Prace zrealizowane w ramach projektu IMPACTA pomogą kształtować przyszłość technologii satelitarnych, które stanowią podstawę infrastruktury telekomunikacyjnej i pozwalają na świadczenie usług dla ogółu społeczeństwa, takich jak telewizja, komunikacja mobilna czy dostęp do internetu. Od czasu zakończenia projektu IMPACTA zespół ukończył model prezentujący kluczowe funkcje rozwiązania w środowisku operacyjnym. „Kolejnym krokiem będzie weryfikacja działania rozwiązania w czasie misji. Konieczne będzie opracowanie lżejszej konstrukcji charakteryzującej się większą czystością oraz dodatkowych zabezpieczeń, które spełnią wyśrubowane normy dla rozwiązań kosmicznych. Zamierzamy skupić się właśnie na tym obszarze”, wyjaśnia Roldan. Ponadto zespół bada potencjalne możliwości wykorzystania systemu kontroli temperatury w kosmicznych elektrowniach słonecznych oraz centrach danych.
Słowa kluczowe
IMPACTA, satelita, antena, temperatura, kosmos, telekomunikacja, dane, fale radiowe, chłodzenie, internet
