Diffusore di calore a nucleo radiale per migliorare la reiezione del calore del generatore di radioisotopi Stirling

6 febbraio 2017

dalla NASA

Il Glenn Research Center della NASA sta sviluppando la prossima generazione di generatori di radioisotopi Stirling (SRG) per alimentare le missioni scientifiche nello spazio profondo. Un potenziale divario tecnologico è l’approccio di smaltimento del calore di scarto per i convertitori Stirling a potenza più elevata. Il precedente generatore di radioisotopi Stirling avanzato (ASRG) da 140 W utilizzava una flangia di conduzione in lega di rame per trasferire il calore dal convertitore alla superficie del radiatore dell'alloggiamento del generatore. La flangia di conduzione comporterebbe una sostanziale riduzione della massa e delle prestazioni termiche per i sistemi Stirling più grandi. Il Radial Core Heat Spreader (RCHS) è un dispositivo passivo di gestione termica bifase sviluppato per risolvere questo problema utilizzando il vapore acqueo anziché il rame come mezzo di trasporto del calore.

L'RCHS è un disco cavo in titanio con fossette che utilizza acqua bollente e condensata per trasferire il calore radialmente dal centro dove si troverebbe il convertitore Stirling, al diametro esterno dove si collegherebbe l'alloggiamento del generatore. L'RCHS sperimentale pesa circa 175 grammi ed è progettato per trasferire 130 W (termici) dal mozzo al perimetro. Funziona alla temperatura nominale di 90°C con un range utile compreso tra 50 e 150°C. Per i test, il convertitore Stirling è stato sostituito da un elemento riscaldante elettrico e l'alloggiamento del generatore è stato sostituito con un assorbitore di calore.

Due campagne di volo parabolico e un test di volo suborbitale hanno fornito dati essenziali in ambienti a gravità multipla per valutare le prestazioni termiche dell'RCHS. I voli parabolici hanno avuto luogo nel corso del 2013 e 2014. Il volo suborbitale ha avuto luogo il 7 luglio 2015 e comprendeva due unità RCHS, una parallela e una perpendicolare rispetto al vettore di lancio. Il razzo Black Brant IX ha trasportato il carico utile dell'RCHS ad un'altitudine di 332 km con oltre otto minuti di microgravità. Lo scopo di questo esperimento era determinare se l'RCHS potesse funzionare durante tutte le fasi della missione. Poiché gli SRG vengono riforniti e operativi prima del lancio, è fondamentale mantenere un'adeguata gestione termica durante le operazioni di assistenza a terra da 1 g, il lancio iper-g e gli ambienti spaziali micro-g. I risultati dei test hanno verificato che l'RCHS poteva tollerare i transitori gravitazionali durante il volo suborbitale, trasferendo al tempo stesso la potenza termica necessaria per mantenere un convertitore Stirling entro i limiti di temperatura prescritti.

L'RCHS testato in volo ha un quarto della massa della flangia di conduzione in rame ASRG all'avanguardia e fornisce un trasferimento di calore migliorato per ridurre al minimo la resistenza termica. All'aumentare del livello di potenza del convertitore Stirling, i vantaggi in termini di risparmio di massa e trasporto di calore forniti dall'RCHS aumenteranno sostanzialmente. Il test di volo del razzo sonda ha dimostrato che l'RCHS poteva mantenere un adeguato controllo termico durante l'ipergravità e la microgravità indipendentemente dall'orientamento del dispositivo rispetto alle forze di lancio.

L'RCHS ha raggiunto un livello di prontezza tecnologica (TRL) di sei per l'uso nei sistemi di alimentazione Stirling attraverso test rigorosi in un'ampia gamma di ambienti tra cui lancio, microgravità e vuoto termico. Se la tecnologia fosse adottata nella prossima generazione di SRG, sarebbero necessari ulteriori test integrati del sistema.

Fornito dalla NASA