Simulación solar en cámaras de vacío
Combinar la radiación y las condiciones térmicas de contorno de forma controlada
Las cámaras de vacío proporcionan un entorno de ensayo con presión ambiental reducida. Para los ensayos térmicos espaciales se combinan con sistemas adicionales: superficies interiores con temperatura controlada, soportes adecuados para el objeto de ensayo, equipos de medición y, cuando sea necesario, una irradiación definida.
La interacción entre estos componentes determina las condiciones en el objeto de ensayo. La simulación solar introduce una carga de radiación específica, mientras que las superficies interiores con temperatura controlada influyen en el intercambio de calor por radiación con el entorno.
Estas instalaciones se utilizan para investigar el diseño térmico de componentes y sistemas espaciales y para verificar modelos de cálculo mediante datos de medición. Organizaciones como la ESA y el DLR documentan conceptos de ensayo de este tipo.
Por qué el vacío modifica el balance térmico
En condiciones de vacío desaparece la transferencia de calor por convección a través del aire circundante. Por ello, la conducción térmica a través de las conexiones mecánicas y el intercambio de calor por radiación adquieren especial importancia.
La temperatura de las superficies interiores de la cámara, la fijación del objeto de ensayo y la radiación aplicada influyen conjuntamente en su distribución de temperatura. Por tanto, un ensayo representativo requiere un concepto térmico general coordinado.
En cuanto a la irradiación, esto significa que deben considerarse tanto la fuente de luz como el acceso óptico y las condiciones dentro de la cámara.
Combinar de forma específica las condiciones de ensayo térmico a presión reducida
Un ensayo de vacío térmico combina condiciones de presión reducida con un entorno térmico definido. También pueden utilizarse simulación solar u otras fuentes de calor adecuadas para aplicar determinadas cargas al objeto de ensayo.
Las magnitudes que deben combinarse dependen del objetivo del ensayo. En un ensayo de balance térmico se investigan el balance de calor y la distribución de temperatura bajo condiciones de contorno especificadas. Los ensayos de ciclos térmicos se centran en el comportamiento durante fases calientes y frías definidas.
También puede comprobarse la funcionalidad del objeto de ensayo en determinados estados de temperatura. Para ello debe definirse qué conjuntos están activos y cómo influye su generación interna de calor en el ensayo.
El DLR describe estos ensayos como una herramienta de apoyo para el desarrollo y la cualificación de sistemas térmicos y para la verificación de modelos numéricos.
Objetivos habituales de ensayo:
- Investigación de estados de equilibrio térmico
- Determinación de distribuciones espaciales de temperatura
- Ensayos funcionales en mesetas de temperatura definidas
- Evaluación del comportamiento durante ciclos térmicos
- Investigación de componentes y sistemas integrados
- Correlación y perfeccionamiento de modelos de cálculo térmico
Coordinar la fuente de radiación, el acceso óptico y el objeto de ensayo
En una simulación solar externa, la radiación se introduce en la cámara a través de una interfaz óptica diseñada para este fin. Las instalaciones reales utilizan, por ejemplo, una ventana adecuada o una sección de cámara óptica conectada.
El diseño no considera únicamente la fuente de luz. Las propiedades de transmisión de la interfaz óptica también influyen en la radiación que realmente alcanza el objeto de ensayo. Por ello, el espectro y la irradiancia deben evaluarse en la posición de referencia prevista.
Otros parámetros son el área útil del haz, la dirección de irradiación y la distribución angular de la radiación. En objetos de ensayo tridimensionales, estos factores pueden producir cargas diferentes en las distintas superficies.
Como alternativa o complemento, puede incorporarse una irradiación infrarroja adecuada para aplicar cargas térmicas. La elección depende de las condiciones de contorno necesarias para la investigación.
Parámetros importantes de diseño:
- Espectro e irradiancia en el objeto de ensayo
- Dimensiones y posición del campo útil de irradiación
- Propiedades ópticas de las ventanas y las interfaces
- Dirección de irradiación y geometría del haz
- Uniformidad sobre el área de referencia definida
- Posible combinación con otros sistemas de carga térmica
Entender el entorno térmico como parte del ensayo
Una instalación de vacío térmico consta de varios subsistemas coordinados. Estos pueden incluir la cámara estanca al vacío, las bombas, las superficies interiores con temperatura controlada, el soporte del objeto de ensayo, el equipo de irradiación y la instrumentación.
Las superficies interiores con temperatura controlada suelen denominarse pantallas térmicas o shrouds. Influyen en el intercambio de calor por radiación entre el objeto de ensayo y su entorno. Por ello, su temperatura constituye una condición de contorno esencial del ensayo.
También influyen las vías de conducción térmica a través de fijaciones y cables. La posición del objeto de ensayo dentro de la cámara puede ser igualmente relevante, por ejemplo, en relación con el área irradiada o con su exposición a las superficies circundantes de temperatura controlada.
Por ello, durante la planificación se consideran conjuntamente la geometría de la cámara, el acondicionamiento térmico y la irradiación. Una configuración claramente documentada facilita la repetición y la evaluación posteriores del ensayo.
Aspectos centrales del diseño del sistema:
- Espacio útil de la cámara y posición del objeto de ensayo
- Disposición y control de temperatura de las pantallas térmicas
- Accesos ópticos y geometría de irradiación
- Propiedades térmicas del soporte del objeto de ensayo
- Pasamuros eléctricos y de medición adecuados
- Accesibilidad para el montaje, la inspección y el mantenimiento
Documentar conjuntamente la presión, la temperatura y la irradiación
La evaluación de un ensayo de vacío térmico requiere una descripción completa de las condiciones de contorno. Además de las temperaturas del objeto de ensayo, son relevantes, entre otros parámetros, la evolución de la presión, los estados de las superficies con temperatura controlada y los ajustes de irradiación.
Los puntos de medición se definen según la finalidad del ensayo. Deben registrar las zonas térmicamente importantes y permitir la comparación con el modelo de cálculo. Las posiciones de los sensores y sus métodos de fijación deben documentarse.
La propia disposición de medición también puede influir en el resultado. Los cables de los sensores pueden conducir calor hacia los componentes o alejarlo de ellos, mientras que unas fijaciones inadecuadas pueden modificar el contacto térmico. Estas influencias deben considerarse durante la instrumentación.
En las mediciones sin contacto a través de interfaces ópticas también deben tenerse en cuenta las propiedades de la ventana y el método de medición seleccionado. Por ello, el concepto de medición se desarrolla conjuntamente con el montaje de la cámara y de irradiación.
Magnitudes relevantes de medición y documentación:
- Temperaturas en el objeto de ensayo y en las interfaces térmicas
- Temperaturas de las pantallas térmicas y, cuando corresponda, de la placa base
- Evolución de la presión durante las fases de ensayo
- Irradiancia y propiedades espectrales relevantes
- Estados de funcionamiento y generación interna de calor del objeto de ensayo
- Posiciones de los puntos de medición, fijaciones de los sensores y tendido del cableado
Establecer interfaces claras entre la irradiación y el funcionamiento de la cámara
La integración de un equipo de irradiación comienza con la evaluación de las conexiones existentes de la cámara, el espacio de instalación y las condiciones de funcionamiento. En una modernización debe determinarse qué accesos ópticos y mecánicos pueden utilizarse y qué modificaciones son necesarias.
El equipo de irradiación debe funcionar de forma coordinada con la cámara. Esto incluye la coordinación con la evacuación, el acondicionamiento térmico y la ventilación, así como condiciones de habilitación adecuadas para los distintos estados de funcionamiento.
También se consideran la alimentación y la evacuación del calor del equipo de irradiación. La ubicación de los componentes dentro o fuera de la cámara influye en los requisitos de materiales, cables y concepto de refrigeración.
BF Engineering coordina el equipo de irradiación con el operador y con los socios responsables de la cámara y de los sistemas. El objetivo es un montaje técnicamente coordinado, con responsabilidades definidas y procedimientos de funcionamiento claramente documentados.
Aspectos relevantes para la integración:
- Bridas, ventanas y conexiones mecánicas existentes
- Acoplamiento óptico y alineación con el objeto de ensayo
- Alimentación eléctrica y pasamuros para cables
- Coordinación con los sistemas de vacío y control de temperatura
- Condiciones de habilitación, enclavamientos y funciones de seguridad
- Interfaces de control y adquisición conjunta de datos
- Accesibilidad para el mantenimiento y las mediciones de verificación
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