Báo cáo bài tập lớn môn thông tin vệ
tinh.
Mục lục
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 1
1. Tại sao phải điều khiển nhiệt độ trên vệ tinh.
Vệ tinh chứa bên trong nó rất nhiều thiết bị và linh kiện điện tử. Mỗi linh kiện điện tử đều có dải
nhiệt độ an toàn để chúng vận hành. Do đặc thù chuyển động rất nhanh trên quỹ đạo và đặc tính
tỏa nhiệt khi các thiết bị điện tử hoạt động, sự biến thiên nhiệt độ rất nhanh và rất lớn, có thể làm
nhiệt độ của thiết bị vượt ra ngoài dải giá trị cho phép. Do vậy, để đảm bảo tuổi thọ của vệ tinh,
cần có các biện pháp ổn định và giữ cho nhiệt độ của vệ tinh trong khoảng an toàn.
2. Các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới nhiệt độ của vệ tinh.
Các vệ tinh khi chuyển động trên cao, xung quanh Trái Đất chịu ảnh hưởng chủ yếu của bức xạ
mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trời gián tiếp (do phản xa từ Trái Đất), bức xạ hồng ngoại của Trái
Đất. Những vệ tinh quỹ đạo tầm thấp (LEO) cũng chịu ảnh hưởng mạnh do quá trình ma sát với
bầu khí quyển trong khi chuyển động. Ngoài ra, bên trong vệ tinh, khi các thiết bị điện tử hoạt
động tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể. Phần này sẽ đề cập tới các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới vệ
tinh.
Hình 2.1. các nguồn nhiệt ảnh hưởng tới vệ tinh
2.1. Bức xạ trực tiếp từ mặt trời (direct sunlight).
Mặt trời là nguồn bức xạ ổn định, cường độ phát bức xạ từ mặt trời biến động thường nhỏ
hơn 1% với chu kì khoảng 11 năm (bằng chu kì hoạt động của mặt trời). Tuy nhiên, do quỹ
đạo Trái Đất hình elipse nên khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt trời sẽ thay đổi trong năm, phụ
thuộc vào vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời. Điều này dẫn đến
cường độ bức xạ mặt trời tại Trái Đât biến độ khoảng 3.5% (từ 1322 W/m
2
đến 1414 W/m
2
).
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 2
Cường độ bức xạ của mặt trời phụ thuộc vào bước sóng trong phổ ánh sáng mặt trời. Hình
2.2 thể hiện phân bố cường độ bức xạ theo bước sóng ánh sáng mặt trời. Theo đó, khoảng 7%

Trong quá trình hoạt động, các thiết bị điện tử tỏa nhiệt. đây là năng lượng dư thừa, nếu
không có phương pháp xử lý tản nhiệt, điều hòa nhiệt độ trong vệ tinh sẽ làm cho các thiết bị
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 4
dễ quá nhiệt và hỏng hoặc nhiệt độ giữa các bộ phận trong vệ tinh không đồng đều, dẫn đến
hư hỏng do biến thiên môi trường lớn.
3. Các phương pháp điều khiển nhiệt độ.
3.1. Phân loại các phương pháp điều khiển nhiệt độ.
Việc kiểm soát nhiệt độ có thể phân làm 2 nhóm chính:
Điều khiển nhiệt độ thụ động.
Điều khiển nhiệt độ tích cực.
3.2. Phương pháp điều khiển nhiệt độ thụ động.
3.2.1. Lớp phủ kiểm soát nhiệt (Thermal Surface Finishes).
Lớp phủ kiểm soát nhiệt phụ thuộc bước sóng được dùng trong việc thiết kế điều
khiển nhiệt độ trên vệ tinh. Để tối thiểu hóa sự hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời,
các bộ phản xạ ánh sáng mặt trời (ví dụ như bộ gương bề mặt thứ cấp), lớp phủ sơn
trắng, lớp phủ bạc – Teflon hoặc nhôm – Teflon được sử dụng. Để tối thiểu hóa sự
hấp thụ năng lượng mặt trời và sự phát xạ hồng ngoại, kim loại mạ bóng được sử
dụng như nhôm mạ vàng.
Hai tính chất quan trọng nhất của bất kì một loại bề mặt nào đó là phát xạ hồng ngoại
và hấp thụ ánh sáng mặt trời. Hình 3.1 biêu diễn tính chất của các loại vật liệu khác
nhau.
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 5
Hình 3: Tính chất hấp thụ và phát xạ của bề mặt
Các bề mặt kiểm soát nhiệt được phân làm 4 loại cơ bản (hình 3.2): phản xạ ánh sáng
mặt trời (solar reflector), hấp thụ ánh sáng mặt trời (solar absorber), phản xạ phẳng
(flat reflector) và hấp thụ phẳng (flat absorber). Các bề mặt thuộc loại phản xạ ánh
sáng mặt trời thì phản xạ tốt ánh sáng mặt trời trong khi hấp thụ hoặc phát xạ tốt bức
xạ hồng ngoại. Các bề mặt thuộc loại hấp thụ ánh sáng mặt trời trong khi vẫn có thể
phát xạ một lượng nhỏ năng lượng bức xạ hồng ngoại. Các bề mặt thuộc loại phản xạ
phẳng thì phản xạ cả bức xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại, trong khi các bề mặt

nhiệt trong MLI .
MLI gồm nhiều lớp mỏng có độ bức xạ thấp, được mô tả như trong hình 3.5.
Hình 3: Cấu trúc bộ cách ly đa tâng
Nhiệt truyền qua MLI là tổ hợp của các yếu tố bức xạ, truyền nhiệt qua chất rắn,
truyền nhiệt qua chất khí. Các dạng truyền nhiệt này có thể được tối thiểu hóa bằng
nhiều cách. Để giảm khả năng truyền nhiệt bằng bức xạ, ta có thể sử dụng phương
pháp phủ bề mặt bằng kim loại xung quanh vật thể muốn cách ly nhiệt. Để giảm khả
năng truyền nhiệt qua chất rắn, ta có thể giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc giữa các lớp
trong MLI. Việc truyền nhiệt qua chất khí cũng được tối thiểu hóa bằng cách sử dụng
phương pháp cách ly chân không.
3.2.3. Bộ bức xạ (Radiators).
Nhiệt dư thừa trong vệ tinh được loại bỏ vào trong không gian thông qua các bề mặt
của bộ bức xạ. Các bộ bức xạ có thể ở nhiều loại khác nhau, ví dụ như bộ phát xạ
Passive Structure Radiator (PSR), bộ phát xạ Structural Panel, bộ phát xạ Body-
Mounted, …. Nhưng dù là loại nào, thì nguyên lý đưa nhiệt vào không gian cũng là
sử dụng phát xạ bức xạ hồng ngoại từ bề mặt bức xạ. Công suất bức xạ này phụ thuộc
vào hệ số phát xạ bề mặt và nhiệt độ của nó: Q = AεσT
4
. Trong đó, A là diện tích bề
mặt của bộ bức xạ, ε là hệ số phát xạ hồng ngoại, σ là hằng số Stefan – Boltzmann
(5,669.10
-8
W/m
2
.K
4
), T là nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt bộ bức xạ. Thường thi các bộ
bức xạ trên vệ tinh loại bỏ khoảng từ 100W đến 350W nhiệt lượng trên một met
vuông ra bên ngoài. Hầu hết các bộ bức xạ đều có hệ số phát xạ hồng ngoại bề mặt
cao (ε > 0.8) để nâng cao khả năng loại bỏ nhiệt và hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời thấp

3.10. Mặc dù ở dạng này chỉ sử dụng được trong một thời gian ngắn nhưng nó đã cho
ta thấy được nguyên lý tản nhiệt. Khi các thiết bị điện tử hoạt động, nhiệt của nó sẽ
được vật liệu chuyển pha hấp thụ để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, giữ
cho nhiệt độ của thiết bị không vượt quá giới hạn cho phép. Cách tản nhiệt này cực kì
thích hợp cho những ứng dụng tản nhiệt trên thiết bị điện tử công suất lớn.
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 14
Hình 3: Ứng dụng đơn giản sử dụng vật liệu chuyển pha
Để có thể sử dụng cách làm mát này trong một thời gian dài hơn, một hệ thống được
triển khai như ở hình 3.11. với cách bố trí này, khi thiết bị điện tử hoạt động và lượng
nhiệt tỏa ra từ thiết bị điện tử sẽ chuyển thành năng lượng chuyển pha vật liệu. Khi
thiết bị điện tử tạm ngừng hoạt động, năng lượng này sẽ được đưa ra bên ngoài thông
qua bộ bức xạ. Khi đó, chúng ta lại có một chu kì mới. Một hệ thống kiểm soát nhiệt
độ sử dụng nguyên lý nói trên đã được áp dụng triển khai trên tàu Apollo 15 để làm
mát cho bộ xử lý tín hiệu số (Signal Processing Unit – SPU). Nhiệt lượng tỏa ra khi
SPU hoạt động được hấp thụ bởi khối PCM và cuối cùng được thoát ra bên ngoài nhờ
bộ bức xa.
Hình 3: Ứng dụng sử dụng vật liệu chuyển pha một cách lâu dài
Một mô hình khác cho phép xử lý lượng nhiệt dư thừa một cách tập trung (hình 3.12).
Ở trong mô hình này, lượng nhiệt dư thừa từ một số thiết bị được dẫn về khối lưu trữ
nhiệt PCM (PCM TES) thông qua các ống dẫn nhiệt để hấp thụ.
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 15
Hình 3: Hệ thống PCM TES
Các loại vật liệu chuyển pha rất hay dùng đó là các vật liệu dễ hóa lỏng (solid –
liquid), vật liệu dễ hóa hơi (liquid to gas), vật liệu dễ thăng hoa (solid to gas). Hình
3.13 liệt kê các vật liệu chuyển pha được sử dụng cho ứng dụng kiểm soát nhiệt độ
trên vệ tinh.
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 16
Hình 3: Vật liệu chuyển pha
3.3. Phương pháp điều khiển nhiệt độ tích cực.
3.3.1. Bộ làm nóng (Heaters).

điện tử hoạt động, một phần điện năng biến đổi thành nhiệt và làm nhiệt độ của thiết
bị tăng lên. Khi nhiệt độ tăng lên tới một ngưỡng nhất định thì bộ chuyển mạch nhiệt
chuyển sang chế độ dẫn nhiệt. Nhiệt lượng từ thiết bị điện tử được truyền qua bộ
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 19
chuyển mạch nhiệt sang tấm thu nhiệt. Nhiệt độ càng cao so với ngưỡng thì độ dẫn
nhiệt càng lớn. Nhờ vào điều này cho phép giữ được nhiệt độ thiết bị điện tử trong
ngưỡng cho phép.
Hình 3: Ứng dụng của bộ chuyển mạch nhiệt để kiểm soát nhiệt độ của thiết bị
Ngoài ra, bộ chuyển mạch nhiệt cũng ứng dụng trong việc ổn định nhiệt độ của toàn
vệ tinh ở mức mong muốn (hình 3.18). Nguyên lý cơ bản của ứng dụng này như sau.
Khi các thiết bị bên trong hoạt động, nhiệt độ bên trong vệ tinh tăng lên, lúc này các
chuyển mạch nhiệt sẽ chuyển sang chế độ dẫn nhiệt, đưa nhiệt lượng ra bên ngoài.
Trong trường hợp các thiết bị không hoạt động, bộ chuyển mạch nhiệt đóng vai trò
cách nhiệt, lúc này, nhiệt độ của các thiết bị bên trong vệ tinh vẫn được duy trì mà
không bị hạ xuống quá thấp.
Hình 3: Ứng dụng của bộ chuyển mạch để ổn định nhiệt độ trên vệ tinh
3.3.4. Ống dẫn nhiệt (Heat Pipes).
Ống dẫn nhiệt sử dụng vật liệu chuyển pha liquid-flow để vận chuyển nhiệt từ nơi này
đến nơi khác.
Cấu trúc của ống dẫn nhiệt như hình 3.19. Ở đây, vật liệu chuyển pha loại liquid-flow
được chứa trong một đường ống. Thiết bị sinh nhiệt sẽ gắn vào một đầu của ống và
Nguyễn Tiến Đạt – KSTN – ĐTVT – K54 Trang 20
thiết bị thu nhiệt sẽ gắn vào đầu còn lại. Nguyên lý làm việc của ống dẫn nhiệt như
sau. Nguồn sinh nhiệt sẽ cung cấp nhiệt lượng thông qua thành ống cho vật liệu
chuyển pha. Nhiệt này sẽ làm vật liệu chuyển từ pha lỏng sang pha hơi. Luồng hơi
này theo đó sẽ di chuyển về phía đầu ống gắn thiết bị thu nhiệt do sự chênh lệch áp
suất hơi trong ống. Tại đầu gắn thiết bị thu nhiệt, do nhiệt độ ở đây thấp, hơi bị ngưng
tụ. Quá trinh ngưng tụ là quá trình tỏa nhiệt, nhiệt này được truyền qua thành ống cho
thiết bị thu nhiệt. Chất lỏng sau khi hóa hơi sẽ chảy về đầu ống gắn thiết bị thu nhiệt.
Chu trình mới lại được bắt đầu.