Was ist eine thermische Vakuumkammer und wie funktioniert sie?
Was ist ein Thermische Vakuumkammer (TVC)?
Eine Thermovakuumkammer (TVC) ist ein Gerät, das primär zur Simulation von Weltraumbedingungen eingesetzt wird. Zu den häufigsten Anwendungen von TVCs zählen Leistungstests von Satelliten, die Kontrolle von Temperaturzyklen sowie die Prüfung von Komponenten, Subsystemen und kompletten Satelliten in einer vollständig kontrollierten Umgebung. Diese Tests bilden Weltraumbedingungen präzise nach, indem sie zwei Umgebungsparameter gleichzeitig steuern: Druck und Temperatur.
Die Bedeutung von Satellitentests
Vakuumbedingungen simulieren die einzigartigen Bedingungen des Weltraums, in denen ein Wärmeaustausch stattfinden kann: durch Strahlung und Wärmeleitung.
Es ist unerlässlich, vor dem Start Tests unter allen Bedingungen durchzuführen, die die Leistung des Satelliten potenziell beeinträchtigen könnten. Werden die Betriebsbedingungen eines Satelliten im Weltraum nicht im Vorfeld überprüft, besteht das häufigste Risiko in der Erfrierung oder Überhitzung der Satellitenkomponenten selbst.
Es ist außerdem wichtig zu bedenken, dass Satelliten Drücken unter 10⁻⁶ Millibar ausgesetzt sind.
Die meisten Bauteilschäden im Weltraum entstehen durch ungefilterte Sonnenstrahlung (AM0 – Luftmasse 0). Je nach den Umlaufbahnbedingungen, unter denen der Satellit navigieren muss, kann die Wärmeaustauschrate höher oder niedriger sein. Manche Satelliten umkreisen ihre Umlaufbahn 90 Minuten lang und erreichen dabei Temperaturen von etwa 150 °C bei Sonneneinstrahlung und -190 °C während einer Sonnenfinsternis.
Das Design wird mithilfe von Wärmemodellen thermisch analysiert, anschließend validiert und getestet. Huanyi hat eine Reihe von thermischen Vakuumkammern (TVCs) entwickelt und dabei seine umfassende Erfahrung in der Anwendung verschiedener Technologien für Umwelttestsimulationen genutzt.
Wie funktioniert ein thermische Vakuumkammer arbeiten?
1. Äußerer Körper
Der Außenkörper des Testvolumens (Behälters) besteht aus hochwertigem Edelstahl. Seine Konstruktion basiert auf FEM-Analysen (Finite-Elemente-Methode), um die Stahldicke zu optimieren und gleichzeitig dem Druckunterschied zwischen Innen- und Außenumgebung standzuhalten. Schweißnähte und Oberflächenbearbeitungen sind optimiert, um Leckagen und Ausgasungen zu minimieren und so die Realisierung von Tiefvakuumbedingungen zu ermöglichen.
2. Thermisches Feld
Das Testvolumen des TVC ist ein thermisch geregelter Edelstahlzylinder, die sogenannte Hülle, die Wärme durch Strahlung von ihrer Innenfläche an das Prüfobjekt (DUT) abgibt. Zwei scheibenförmige Hitzeschilde umschließen den Zylinder an beiden Enden, um ein gleichmäßiges Temperaturfeld um das Prüfobjekt zu gewährleisten. Der Hitzeschild besteht aus zwei laminierten Platten mit einem wenige Millimeter breiten Spalt. Dieser Spalt dient als Kanal für die Wärmeträgerflüssigkeit des Wärmeerzeugungssystems. Auf diese Oberfläche wird eine spezielle schwarze Farbe aufgetragen, die eine Beschichtung mit hohem Emissionsgrad (>0,9) und geringem Massenverlust (RML
Je nach Anwendungsfall können unterschiedliche Arten von Temperaturregelungssystemen eingesetzt werden:
Temperaturbereich -70 °C bis +150 °C Mechanische Kühlung mit einem Zwischenmedium
Eine Flüssigkeit (üblicherweise Thermoöl) wird mithilfe einer magnetisch gekoppelten Pumpe durch einen geschlossenen Kreislauf in einer Haube zirkuliert. Die Pumpe wird entweder mit Kältemittelgas gekühlt oder elektrisch beheizt. Ein Vorteil dieses Systems sind die geringen Kosten.
Temperaturbereich -180 °C bis +150 °C, unter Druck stehender gasförmiger Stickstoff
Ein spezielles Gebläse zirkuliert unter Druck stehenden Stickstoff durch die Haube und sorgt so für eine optimale Dichte für den Wärmeaustausch und eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der gesamten Strahlungsfläche. Die Beheizung erfolgt durch elektrische Heizelemente, die Kühlung durch das Einsprühen von flüssigem Stickstoff. Dieses System gewährleistet eine exzellente Temperaturregelung über den gesamten Temperaturbereich.
Temperaturbereich -196 °C bis +150 °C Flüssigstickstoff + Bestrahlungsgerät
In diesem Fall wird die Haube vollständig oder teilweise mit flüssigem Stickstoff auf eine Temperatur von -90 K (zwischen -196 °C und -185 °C, abhängig vom Druck im Kreislauf) gefüllt. Dadurch entsteht eine strahlende kryogene Umgebung um das zu messende Objekt. Die Zirkulation des flüssigen Stickstoffs im Gehäuse kann entweder natürlich oder durch eine Pumpe erfolgen. Heizelemente (Infrarotlampen oder -strahler), die in einer speziellen Struktur innerhalb des Messvolumens angeordnet sind, dienen dazu, die Temperatur des Messobjekts zu erwärmen oder moderat zu regeln.
Temperaturbereich: -196 °C bis +150 °C. Flüssigstickstoff + Bestrahlungsgerät
In diesem Fall wird das Gehäuse vollständig oder teilweise mit flüssigem Stickstoff gefüllt, der eine Temperatur von -90 K (zwischen -196 °C und -185 °C, abhängig vom Druck im Kreislauf) erreicht. Dadurch entsteht eine kryogene Strahlungsumgebung um das Prüfobjekt. Die Zirkulation des flüssigen Stickstoffs im Gehäuse kann entweder natürlich oder durch eine Pumpe erfolgen. Heizelemente (Infrarotlampen oder -emitter), die in einer speziellen Struktur innerhalb des Prüfvolumens angeordnet sind, dienen dazu, das Prüfobjekt zu erwärmen oder dessen Temperatur moderat zu regeln.