ES2344970T3 - Dispositivo de proteccion solar para instrumento espacial. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de protección solar para un instrumento espacial que comprende: - una estructura térmica (A) que comprende al menos un deflector térmico (11, 12, 13) destinado a interceptar el flujo solar que ilumina al instrumento espacial, - una placa (3) que soporta a la estructura térmica (A), - una plataforma estabilizada (21), equipada con instrumentos de medición o de observación (M0, M1, M2, M3, Mr), - una plataforma común (5), soportando dicha plataforma común (5) de forma independiente a dicha placa (3) y a dicha plataforma estabilizada (21), no presentando dicha estructura térmica (A) y la plataforma estabilizada (21) ningún contacto físico entre sí y estando, por consiguiente, mecánicamente desacopladas, caracterizado porque dicha estructura térmica (A) y dicha placa (3) están, por otro lado, térmicamente desacopladas por medio de medios de desacoplamiento térmico (6, 7).
Description
Dispositivo de protección solar para
instrumento espacial.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de protección solar para un instrumento espacial. Esta
invención es particularmente adecuada para los instrumentos de
medición electromagnética que apuntan en una dirección próxima a la
del sol.
En efecto, se sabe que la iluminación solar
directa sobre un sistema colector de radiación electromagnética
conlleva deformaciones termoelásticas de éste; lo que le hace
inoperante durante ciertos periodos. Es posible, incluso, que una
radiación electromagnética directa provoque degradaciones
irreversibles, o incluso la destrucción del instrumento mediante
recalentamiento térmico.
Actualmente, para intentar paliar este problema,
se han desarrollado múltiples soluciones. En primer lugar, es
posible desviar el eje de puntería del instrumento cuando el flujo
solar ilumina directamente a éste último o cuando está cerca de él.
Otra tecnología consiste en obstruir momentáneamente la entrada del
instrumento o cualquier otra zona del instrumento afectada por el
flujo solar para protegerlo de una iluminación directa.
También se sabe que puede desarrollarse un
sistema "atérmico" cuyo principio es que se aplican
deformaciones a la estructura portadora del sistema colector para
compensar las deformaciones de los elementos colectores bajo el
efecto de variaciones de temperatura.
Otra técnica para evitar cualquier degradación
de los instrumentos consiste en situar filtros solares en la
entrada del sistema o en otra zona del instrumento.
Finalmente, en los instrumentos espaciales
recientes, habitualmente se emplea un sistema de deflector solar.
Un deflector solar, situado aguas arriba de los instrumentos
colectores con respecto al sol, tiene entonces vocación de absorber
y difundir la energía solar, particularmente por medio de
deflectores que comprenden materiales metálicos. Éste es el tipo de
tecnología que se emplea, por ejemplo, en la patente europea
EP1179474.
En efecto, el documento EP1179474 describe un
dispositivo de protección solar para un instrumento espacial que
comprende un deflector térmico y una plataforma que comprende
instrumentos de medición, siendo dicha plataforma mecánicamente
independiente del deflector térmico.
Sin embargo, en todos los casos, existen
pérdidas o degradaciones de las imágenes e indisponibilidades de
los elementos colectores. Esto es extremadamente perjudicial para
las misiones de observación actuales.
Además, generalmente, una misma estructura
soporta a la vez a los elementos encargados de absorber la radiación
solar y a los espejos u otros instrumentos colectores. Esto implica
obligatoriamente deformaciones debidas a las importantes
variaciones de temperatura. De este modo, incluso en el caso en que
un mismo material, típicamente berilio, se utiliza para el conjunto
de las estructuras, lo que implica deformaciones homotéticas de
estas estructuras y, por lo tanto, ningún desajuste de los
elementos ópticos, persistirán inconvenientes importantes:
- En primer lugar, aunque homotética, la dilatación de los instrumentos conlleva un aumento de la mancha de imagen con respecto a su plano focal y por lo tanto un desajuste del instrumento (los píxeles del plano focal ya no observan la misma escena, sino una escena dilatada) y una pérdida de resolución.
- A continuación, en el caso de los satélites geoestacionarios, las importantes variaciones de temperatura se realizan en un periodo de aproximadamente un día, lo que constituye un tiempo demasiado corto para permitir una homogeneización de la temperatura en todas las piezas. Para minimizar este problema, habitualmente se buscará favorecer la difusión del calor solar en el equipo tapizando la superficie interna del deflector solar con espejos. Sin embargo, de esta manera, el riesgo de degradación de los elementos ópticos aumenta fuertemente debido a los múltiples reflejos de la radiación solar en el equipo. Por otro lado, este principio aumenta la luz parásita en el instrumento.
En resumen, ninguna de las tecnologías actuales
permite la utilización continua de un instrumento colector que
apunta en una dirección próxima a la del sol sin riesgo de
degradación del instrumento o de sus prestaciones, particularmente
en términos de resolución y de disponibilidad.
Un objeto de la invención es paliar los
inconvenientes mencionados anteriormente. De este modo, para
asegurar la disponibilidad continua, las prestaciones y la no
degradación de instrumentos colectores orientados hacia el sol, la
invención propone la utilización de un sistema deflector solar,
térmica y mecánicamente aislado de la plataforma que soporta los
instrumentos colectores del equipo.
Para ello, la invención tiene por objeto un
dispositivo de protección solar para instrumento espacial que
comprende:
- \bullet
- una estructura térmica que comprende al menos un deflector térmico que interceptará el flujo solar que ilumina al instrumento espacial,
- \bullet
- una placa que soporta a la estructura térmica,
- \bullet
- una plataforma estabilizada, equipada con instrumentos de medición o de observación,
- \bullet
- una plataforma común,
soportando dicha plataforma común de forma
independiente a dicha placa y a dicha plataforma estabilizada, no
presentando dicha estructura térmica y la plataforma estabilizada
ningún contacto físico entre sí y estando, por consiguiente,
mecánicamente desacopladas, caracterizado porque dicha
estructura térmica y dicha placa están, por otro lado, térmicamente
desacopladas por medio de medios de desacoplamiento térmico.
Ventajosamente, la plataforma estabilizada
soporta y mantiene estables a los elementos que permiten recoger,
tratar o detectar una radiación electromagnética, tales como
superficies colectoras, dioptras o espejos.
Ventajosamente, el deflector térmico almacena el
flujo solar mediante calor sensible o latente.
Ventajosamente, el deflector térmico drena por
conducción o por radicación, por ejemplo por medio de caloriductos
o de bucles de fluidos, el flujo solar hacia superficies materiales,
tales como radiadores.
Ventajosamente, el deflector térmico drena por
conducción o por radicación, por ejemplo por medio de caloriductos
o de bucles de fluidos el flujo solar hacia superficies no
materiales, tales como una superficie de entrada del deflector
solar.
Ventajosamente, separadores aislantes tales
como, por ejemplo, láminas de titanio, que corresponden a un primer
tipo de medios de desacoplamiento térmico, aseguran el
desacoplamiento térmico por conducción.
Ventajosamente, pantallas radiactivas tales
como, por ejemplo, las MLI (por MultiLayer Insulation de acuerdo
con el acrónimo inglés), que corresponden a un segundo tipo de
medios de desacoplamiento térmico, aseguran el desacoplamiento
térmico por radiación.
Ventajosamente, la estructura térmica comprende
al menos dos deflectores térmicos de los que uno se denomina
deflector solar y el otro deflector interno.
Ventajosamente, el deflector solar está
constituido por aluminio.
Ventajosamente, el deflector interno está
constituido por uno de los siguientes materiales: aluminio,
berilio,
AlBeMet^{R}, cerámica, SiC, CeSiC^{R}.
AlBeMet^{R}, cerámica, SiC, CeSiC^{R}.
Ventajosamente, el deflector solar presenta una
altura de aproximadamente 1,6 metros.
Ventajosamente, los elementos que permiten
recoger, tratar o detectar una radiación electromagnética, tales
como superficies colectoras, dioptras o espejos comprenden plata u
oro.
Ventajosamente, la plataforma común presenta una
longitud de aproximadamente 1,5 metros y una anchura de
aproximadamente 1 metro.
Otras características y ventajas de la invención
surgirán con ayuda de la siguiente descripción realizada con
respecto a los dibujos adjuntos que representan:
\bullet la figura 1: la vista esquemática de
un instrumento espacial de acuerdo con el estado de la técnica, que
comprende particularmente un deflector solar;
\bullet la figura 2 el ejemplo de una
estructura que asegura una función únicamente térmica en el
dispositivo de acuerdo con la invención;
\bullet la figura 3: el ejemplo de una
plataforma estabilizada que no asegura ninguna función térmica en el
dispositivo de acuerdo con la invención;
\bullet la figura 4: la vista en despiece
ordenado de un ejemplo de dispositivo de acuerdo con la
invención;
\bullet la figura 5: el esquema del ensamblaje
de las diferentes estructuras de un ejemplo de dispositivo de
acuerdo con la invención.
La figura 1 presenta un esquema de un satélite
artificial 1 típico, con paneles solares 2 y un deflector solar 10.
Este deflector solar 10 tiene vocación de interceptar la radiación
solar susceptible de degradar las prestaciones de los elementos
ópticos integrados en el satélite 1.
\newpage
La figura 2 ilustra la estructura térmica A
sobre su soporte, la placa 3, fijada a su vez sobre una placa de
interfaz 5, en un ejemplo de dispositivo de acuerdo con la
invención. La función de esta estructura A es interceptar el flujo
solar, almacenarlo y volver a emitirlo. En el ejemplo de la figura
2, esta estructura A se compone de tres deflectores térmicos 11, 12
y 13. El deflector térmico 11 se denomina deflector solar y los
deflectores térmicos 12 y 13 constituyen el deflector interno. Estos
deflectores están realizados generalmente en un material
térmicamente conductor: generalmente aluminio para el deflector
solar; generalmente aluminio, berilio, AlBeMet^{R} (producto de
la compañía Brush Wellman Inc.), cerámica, SiC o CeSiC^{R}
(producto de la compañía ECM Ingenieurunternehmen für Energie- und
Umwelttechnik GmbH) para el deflector interno.
Por otro lado, el deflector interno
12-13 puede estar aislado térmicamente de la placa 3
por medio de diferentes medios, de los cuales dos se representan en
el esquema de la figura 2. De este modo, en un ejemplo de
dispositivo de acuerdo con la invención, un desacoplamiento térmico
por conducción se realiza por medio de láminas de titanio 6. Estas
láminas de titanio 6 presentan la doble ventaja de absorber, debido
a su flexibilidad mecánica en flexión, la dilatación térmica del
deflector interno 12-13, generalmente de aluminio,
cuyo coeficiente de dilatación térmica es de 23 ppm, y de aislar
conductivamente el deflector interno 12-13 de la
placa 3 debido a una reducida conductividad intrínseca del titanio
y a una reducida superficie de contacto. Además, los soportes 7,
que sujetan al deflector térmico 12 y lo fijan sobre la placa 3,
también están constituidos por un material poco conductor.
La figura 3 representa un esquema de la
estructura mecánicamente estabilizada B sobre su soporte, la placa
de interfaz 5, en un ejemplo de dispositivo de acuerdo con la
invención. En este ejemplo, la estructura mecánicamente
estabilizada B comprende elementos ópticos cuya función es recoger
una radiación electromagnética. De este modo, la plataforma óptica
21, mecánicamente estabilizada por medio de medios de estabilización
4, soporta a diferentes elementos ópticos que se encuentran
habitualmente en los instrumentos espaciales de observación. Se
trata de espejos M_{0}, también llamado espejo de barrido, cuyo
papel es determinar el eje de puntería del instrumento, M_{1},
cuyo papel es concentrar el haz luminoso, M_{2} y M_{3} que
sirven para compensar las aberraciones ópticas de M1 y M_{r}, o
espejo de reenvío, cuya función es acodar el haz luminoso para
orientarlo hacia un criostato para que sea analizado a
continuación.
La figura 4 presenta una vista esquemática en
despiece ordenado del dispositivo de acuerdo con la invención. En
ella se encuentra la estructura térmica A, la estructura
mecánicamente estabilizada B y sus soportes agrupados en la
estructura portante C. Se constata efectivamente que las estructuras
A y B son independientes. No existe ningún contacto mecánico entre
ellas. De este modo, la estructura térmica A está fijada sobre el
soporte 3 de la estructura C y no tiene ningún contacto con la
placa 5 que soporta a la placa óptica 21 mecánicamente estabilizada
por medio de los medios de estabilización 4. Las funciones de
protección contra la radiación solar y de estabilización mecánica
de los elementos colectores del dispositivo son, por lo tanto,
totalmente independientes. Por otro lado, elementos tales como
separadores aislantes o pantallas radiactivas, interpuestos entre
la estructura A y la estructura B refuerzan el desacoplamiento
térmico entre estas estructuras. Además de las láminas de titanio
presentes en la figura 2 y que aseguran el desacoplamiento térmico
por conducción, pantallas radiactivas tales como MLI (por
MultiLayer Insulation de acuerdo con el acrónimo inglés) pueden
colocarse alrededor del deflector interno 12-13.
Estas MLI son, de hecho, una sucesión de pantallas aislantes
térmicamente, a menudo de plástico, y que comprenden aluminio,
separadas por capas de Dacron^{R} (marca de la compañía Investa
Inc.) nítido que aseguran las función de separadores. Generalmente
hay una quincena de capas en total.
La figura 5 permite visualizar el ensamblaje de
las estructuras A, B y C en un ejemplo de dispositivo de acuerdo
con la invención. En este ejemplo, además del espejo de barrido
M_{0}, situado en el deflector térmico 12, al menos un elemento
óptico se encuentra en el alveolo caliente del deflector interno 13.
La placa de interfaz 5 mide típicamente 1,5 metros de largo por 1
metro de ancho; el deflector solar 11 presenta una altura de 1,65
metros aproximadamente, lo que contrasta con los deflectores solares
utilizados hoy en día. Estos últimos son generalmente mucho más
pequeños, presentando una altura de aproximadamente 0,5 metros. De
hecho, el deflector solar 11 tiene como función principal reducir
al máximo las entradas de radiación solar al interior de la cavidad
de entrada del instrumento. Su eficacia está vinculada directamente
a su altura. Finalmente, los elementos ópticos, que no deben
absorber radiación, están, preferiblemente, recubiertos de plata en
sus caras activas, pero también pueden estar recubiertas de oro en
sus caras activas.
En resumen, la invención tiene como ventaja
principal permitir la utilización continua de instrumentos
espaciales que apuntan en una dirección próxima a la del sol
mediante el desacoplamiento de las funciones de protección solar y
de las funciones de estabilización mecánica de los elementos
colectores de radiación electromagnética.
Claims (13)
1. Dispositivo de protección solar para un
instrumento espacial que comprende:
- \bullet
- una estructura térmica (A) que comprende al menos un deflector térmico (11, 12, 13) destinado a interceptar el flujo solar que ilumina al instrumento espacial,
- \bullet
- una placa (3) que soporta a la estructura térmica (A),
- \bullet
- una plataforma estabilizada (21), equipada con instrumentos de medición o de observación (M_{0}, M_{1}, M_{2}, M_{3}, M_{r}),
- \bullet
- una plataforma común (5),
soportando dicha plataforma común (5) de forma
independiente a dicha placa (3) y a dicha plataforma estabilizada
(21), no presentando dicha estructura térmica (A) y la plataforma
estabilizada (21) ningún contacto físico entre sí y estando, por
consiguiente, mecánicamente desacopladas, caracterizado
porque dicha estructura térmica (A) y dicha placa (3) están, por
otro lado, térmicamente desacopladas por medio de medios de
desacoplamiento térmico (6, 7).
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque la plataforma estabilizada (21) soporta
y mantiene estables a elementos que permiten recoger, tratar o
detectar una radiación electromagnética, tales como superficies
colectoras, dioptras o espejos (M_{0}, M_{1}, M_{2}, M_{3},
M_{r}).
3. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el deflector
térmico (11, 12, 13) almacena el flujo solar mediante calor
sensible o latente.
4. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el deflector
térmico (11, 12, 13) drena por conducción o por radiación, por
ejemplo por medio de caloriductos o de bucles de fluidos, el flujo
solar hacia superficies materiales, tales como radiadores.
5. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el deflector
térmico (11, 12, 13) drena por conducción o por radiación, por
ejemplo por medio de caloriductos o de bucles de fluidos, el flujo
solar hacia superficies no materiales, tales como una superficie de
entrada del deflector solar (13).
6. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque separadores
aislantes (6) tales como, por ejemplo, láminas de titanio, que
corresponden a un primer tipo de medios de desacoplamiento térmico,
aseguran el desacoplamiento térmico por conducción.
7. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque pantallas
radiactivas tales como por ejemplo (por MultiLayer Insulation) que
corresponden a un segundo tipo de medios de desacoplamiento
térmico, aseguran el desacoplamiento térmico por radiación.
8. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la estructura
térmica (A) comprende al menos dos deflectores térmicos (11, 12,
13) de los que uno se denomina deflector solar (11) y el otro
deflector interno (12, 13).
9. Dispositivo según la reivindicación 8,
caracterizado porque el deflector solar (13) está constituido
por aluminio.
10. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 9, caracterizado porque el deflector
interno (12, 13) está constituido por uno de los siguientes
materiales: aluminio, berilio, cerámica, SiC.
11. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el deflector
solar (13) presenta una altura de aproximadamente 1,6 metros.
12. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 11, caracterizado porque los elementos
que permiten recoger, tratar o detectar una radiación
electromagnética, tales como superficies colectoras, dioptras o
espejos (M_{0}, M_{1}, M_{2}, M_{3}, M_{r}) comprenden
plata u oro.
13. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la plataforma
común (5) presenta una longitud de aproximadamente 1,5 metros y una
anchura de aproximadamente 1 metro.
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