Development of a cryogenic facility for the generation of space debris
| Autor(a) principal: | |
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| Data de Publicação: | 2017 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/31879 |
Resumo: | Tese de mestrado integrado em Engenharia Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017 |
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Development of a cryogenic facility for the generation of space debrisDetritos espaciaisArrefecimento de materiaisCiclos térmicosEspaço e vácuoTeses de mestrado - 2017Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de mestrado integrado em Engenharia Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017As observações óticas e de radar a partir do solo, bem como a análise de hardware recuperado, apresentaram uma quantidade considerável de detritos espaciais que parecem resultar da degradação das superfícies externas de satélites e naves espaciais. O hardware recolhido mostrou que quer as MLI, quer as tintas, podem sofrer degradação extrema quando expostas ao ambiente espacial criando um grande número de resíduos. Não existe uma descrição quantitativa do número e da distribuição de tamanhos desses objetos. Os materiais que revestem o exterior dos satélites/naves degradam-se quando, ao longo do tempo, são expostos ao rigoroso ambiente do espaço. As principais ameaças são a radiação de partículas carregadas, a radiação ultravioleta, o oxigénio atómico para órbitas baixas, as temperaturas extremas e os ciclos térmicos, os impactos de micrometeoritos e outros detritos. O impacto relativo destas ameaças individuais depende do tipo de missão a realizar, da sua duração, dos ciclos e eventos solares e da órbita em que a nave será colocada. No entanto, uma vez que tais produtos de degradação originam uma parte notável da população de detritos, é necessária mais informação para os modelos de migração de detritos espaciais, avaliações de risco de impacto e seleção de materiais para mitigar esses efeitos. Para compreender a degradação dos materiais das naves espaciais, podem ser realizados estudos através de exposições espaciais e em laboratórios na Terra. A oportunidade de examinar os materiais que estiveram no espaço são raras - seja através de material recuperado, ou de experiências dedicadas a simular o ambiente espacial. As diferenças entre o ambiente de uma missão e o de uma experiência realizada em Terra necessitam de uma interpretação cuidadosa dos resultados devidos às diferentes sinergias. Estudos em laboratórios no solo permitem examinar os efeitos ambientais individuais ou em conjunto. Alguns testes de laboratório podem ser executados em tempo útil usando níveis de aceleração para alguns efeitos espaciais mas, devido às dificuldades na simulação exata desses efeitos, são necessárias calibrações complexas e uma interpretação cautelosa dos resultados. O trabalho descrito neste documento faz parte de um projeto da ESA, denominado "Space Debris from Spacecraft Degradation Products". O objetivo principal desta atividade é a avaliação da quantidade e da dimensão característica dos objetos resultantes da degradação da superfície da nave. Os resultados servirão como inputs para futuros modelos de população de detritos espaciais e para a seleção de materiais no contexto das medidas de mitigação de detritos em órbita. Durante a órbita, a nave espacial encontra-se no espaço – sendo, o mesmo, conhecido pelo rigor das suas condições ambientais. As temperaturas no lado exposto ao Sol do satélite podem subir até aos 100 ° C; no lado escuro, a temperatura desce abaixo de -100 ° C. Os ciclos térmicos e as condições de vácuo poderão ter um impacto relevante na vida útil da nave espacial, que pode permanecer em órbita entre dois a dez anos. Com o objetivo de medir a quantidade de detritos resultantes desta exposição é necessário um simulador de ambiente espacial. O trabalho apresentado é parte de um sistema capaz de expor, em sinergia, VUV e ciclos térmicos em vácuo. Neste documento, todas as etapas do desenvolvimento do subsistema de ciclos térmicos em vácuo são descritas. Foi dada especial atenção ao isolamento térmico do sistema, uma vez que opera com uma amplitude térmica de 260 ° C e com uma temperatura inferior a -120 ° C. Operar a baixas temperaturas envolve uma análise ainda mais cuidadosa dos materiais de forma a que as perdas de energia sejam mínimas. Foi escolhida uma arquitetura que usa um cryocooler de hélio como bomba de calor, mecanismo que permite o arrefecimento da base, denominado Mechanical Thermal Switch. De modo a avaliar o período de arrefecimento usando esta arquitetura foi realizada uma simulação dinâmica. Para realizar o sistema de controlo necessário de um ciclo térmico, foi desenvolvido um software de controlo baseado em LabView. Além de fornecer ao utilizador uma interface gráfica, reúne informações de vários sensores e executa o ciclo térmico de acordo com essas leituras. Foram obtidos diversos desempenhos do sistema e, no final, foi necessária uma modificação da placa de base com a intenção de diminuir o tempo de arrefecimento para níveis mais aceitáveis. Embora a caracterização térmica do MLI seja abordada neste documento, não se pretende que seja analisado em detalhe, mas como parte das análises térmicas do sistema.Engineers, together with scientists, have developed advanced materials for spacecraft and satellites for a range of applications in space exploration, transportation, global positioning and communication. The materials used on the exterior of a spacecraft are subjected to many environmental threats, that can degrade many materials and components. These threats include vacuum, solar ultraviolet radiation, charged particle radiation, plasma, surface charging and arcing, temperature extremes, thermal cycling, impacts from micrometeoroids and orbital debris. To determine the impacts of a long-term exposure to space conditions, tests can be performed in space or on the ground. Since the synergy of all the elements of the space environment is difficult to duplicate on the ground, ground facilities often do not accurately simulate the combined environmental effects. The work described in this document is part of an ESA project, denominated “Space Debris from Spacecraft Degradation Products”. The main purpose of this activity is the assessment of the amount and characteristics of space debris objects resulting from spacecraft surface degradation. The results will be used as input for future space debris population models and for the selection of materials in the context of debris mitigation measure. The work here described is part of a system capable of expose, in synergy, Vacuum Ultra Violet and thermal cycling under vacuum. In this document, the emphasis is placed on the description of all stages of the thermal and vacuum subsystems as well as the validation and deployment of the entire system.Amorim, António,1961-Gordo, PauloRepositório da Universidade de LisboaFrederico, Tiago David Serrano2018-02-20T18:18:26Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/31879TID:201856255enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:25:42Zoai:repositorio.ul.pt:10451/31879Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:47:14.617029Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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