miniaturadeimagen|Aislamiento multicapa de la sonda Huygens. El sistema de control térmico (en inglés, Thermal Control System o TCS) de una nave espacial se encarga de mantener todas sus partes en un intervalo de temperatura aceptable durante todas las fases de la misión, soportando las fuertes variaciones térmicas del entorno espacial, determinado por los flujos solar, planetario y del espacio lejano, y expulsando al espacio el calor disipado por los equipos de a bordo.

El control térmico es esencial para garantizar el rendimiento y el éxito de la misión, ya que si un componente tiene una temperatura fuera del intervalo de operación, podría dañarse o su rendimiento podría verse bastante afectado. El control térmico también es necesario para mantener ciertos componentes específicos (sensores ópticos, relojes atómicos) con una temperatura estable y uniformemente distribuida, para garantizar un funcionamiento adecuado y eficiente.

Elementos de control térmico El sistema de control térmico puede estar compuesto por elementos activos y pasivos:

miniaturadeimagen|Prototipo de un refrigerador de estado sólido, desarrollado por el NIST.

Elementos pasivos Los elementos pasivos del sistema de control térmico (PTCS, del inglés Passive Thermal Control Systems) incluyen:

Aislamiento multicapa (MLI, del inglés Multi-Layer Insulator), que protege la nave espacial tanto del exceso de radiación solar o planetaria como del enfriamiento por exposición al espacio lejano. Recubrimientos que cambian las propiedades termo-ópticas de las superficies externas. Masillas térmicas para mejorar el acoplamiento térmico en las superficies de interés. Por ejemplo, en la trayectoria térmica entre una unidad electrónica y su radiador. Arandelas térmicas para reducir el acoplamiento térmico en las superficies de interés. Duplicadores térmicos para difundir en el radiador de superficie el calor disipado por los equipos. Espejos de segunda superficie (en inglés, SSM) y reflectores solares ópticos (en inglés, OSR) para mejorar la capacidad de rechazo de calor de los radiadores externos y, al mismo tiempo, para reducir la absorción de los flujos solares externos. Calentadores de radioisótopos (en inglés, RHU), similares a los RTG, que utilizan algunas misiones interplanetarias para producir calor.

Elementos activos Los elementos activos del sistema de control térmico (ATCS, del inglés Active Thermal Control Systems) incluyen:

Calentadores eléctricos (en inglés, heaters) controlados con termostatos para mantener la temperatura de los equipos por encima de su límite inferior durante las fases frías de la misión. Circuitos de fluido (en inglés, heat pipes) para transferir el calor disipado por los equipos a los radiadores. Estos pueden ser: Bucles de una sola fase, controlados por una bomba. Bucles de dos fases, compuesto por tubos de calor (en inglés, heat pipes), conductos de calor cíclicos (en inglés, loop heat pipe) o conductos cíclicos por bombeo que aprovechan la capilaridad (en inglés, capillary pumped loops). Rejillas (en inglés, louvers), elementos con un movimiento semejante a un estor que cambian la capacidad de rechazo de calor en función de la temperatura. Refrigeradores termoeléctricos.

Sistemas de control térmico El sistema de control térmico cumple dos funciones:

Protege los equipos de las temperaturas demasiado altas, ya sea por el aislamiento térmico de los flujos de calor externos (como el Sol o el flujo de infrarrojos y el albedo planetario), o por la disipación de calor propia de fuentes internas (como el calor disipado por el equipo electrónico interno). Protege los equipos de las temperaturas demasiado bajas, por el aislamiento térmico de los sumideros externos, por una mayor absorción de calor de fuentes externas o por liberación de calor a partir de fuentes internas.

Los procesos de un sistema de control térmico incluyen:

Interacción con el entorno espacial. Incluye la interacción de las superficies externas de la nave espacial con el medio ambiente. Todas las superficies necesitan que se protejan del medio ambiente o necesitan una interacción mejor con este. Los objetivos principales de la interacción con el medio ambiente son la reducción o el aumento de los flujos ambientales que se han absorbido y la reducción o el aumento del calor que se pierde con el medio ambiente. Captación de calor. Incluye la eliminación de calor disipado desde el equipo en el que se crea para evitar un aumento no deseado de la temperatura de la nave espacial. Transporte de calor. Coge el calor desde donde se crea y lo lleva a un dispositivo radiante. Disipación de calor. El calor recogido y transportado se opone a una temperatura apropiada en un disipador de calor, que es generalmente el espacio de medio ambiente de alrededor. La temperatura opuesta depende de la cantidad de calor implicado, de la temperatura que se desea controlar y de la temperatura del medio ambiente en el que el dispositivo irradia el calor. Suministro y almacenamiento de calor. Consiste en mantener el nivel de temperatura deseada donde deba proporcionarse. Además, se tiene que prever la capacidad de almacenamiento de calor adecuado.

Entorno espacial Para una nave espacial, las principales interacciones con el entorno son la energía proveniente del Sol y el calor irradiado hacia el espacio lejano. También influyen otros parámetros en el diseño del sistema de control térmico, como la altitud de la nave, el tipo de órbita, el control de actitud y la forma de la nave espacial.

Órbitas terrestres bajas (LEO, en inglés) Esta órbita la utiliza con frecuencia la nave que controla o mide las características de la Tierra y su entorno y, además, los laboratorios espaciales con y sin tripulación, como Eureca y la Estación Espacial Internacional. La proximidad de la órbita de la Tierra tiene una gran influencia sobre las necesidades del sistema de control térmico, cuenta con una emisión infrarroja de la Tierra y un albedo que tienen gran importancia, así como un período orbital relativamente corto, es decir, menos de 2 horas, y una duración de eclipse larga. Los instrumentos pequeños o apéndices de la nave espacial, como los paneles solares que tienen inercias térmicas bajas, pueden estar afectados por este medio ambiente en continuo cambio y pueden requerir soluciones de diseño térmico muy específicas. Órbitas geoestacionarias (GEO, en inglés) En esta órbita de 24 horas, la influencia de la Tierra es casi insignificante, a excepción de la sombra durante los eclipses, que puede variar en su duración de cero en el solsticio hasta un máximo de 1,2 horas en el equinoccio. Los eclipses largos influyen en el diseño de los sistemas de aislamiento y de calefacción. Las variaciones estacionales en la dirección e intensidad de la entrada de energía solar tienen un gran impacto en el diseño, lo que complica el transporte de calor debido a la necesidad de transmitir la mayor parte del calor disipado al radiador en la sombra y, además, se necesitan sistemas de rechazo de calor mediante el aumento de radiadores en la zona. Casi todas las telecomunicaciones y muchos satélites meteorológicos están en este tipo de órbita. Órbitas muy excéntricas (HEO, en inglés) Estas órbitas pueden tener un intervalo amplio de altitudes de apogeo y de perigeo, en función de la misión determinada. Generalmente, se utilizan en observatorios astronómicos y los requisitos de diseño de TCS dependen del período orbital de la nave espacial, del número y de la duración de los eclipses, de la actitud relativa de la Tierra, el Sol y la nave, del tipo de instrumentos a bordo y de los requisitos de temperatura. Espacio lejano y exploración planetaria Una trayectoria interplanetaria expone las naves espaciales a un amplio intervalo de ambiente térmico más severo que el que se encuentra alrededor de las órbitas de la Tierra. La misión interplanetaria incluye muchos subsituaciones diferentes, en función del cuerpo celeste en particular. En general, las características comunes son la duración de la misión larga y la necesidad de hacer frente a las condiciones térmicas extremas, como los cruceros, ya sea cerca o lejos del Sol (de 1 a 4 a 5 UA), la órbita baja de cuerpos celestes muy fríos y muy calientes, los descensos a través de ambientes hostiles y la supervivencia en entornos (helados o polvorientos) extremos en las superficies de los organismos que se han visitado. El reto para el TCS es proporcionar suficiente capacidad de rechazo de calor durante las fases de funcionamiento caliente y aun así sobrevivir a las inactivas y frías. El principal problema suele ser el suministro de potencia que requiere esa fase supervivencia.

Requisitos de temperatura miniaturadeimagen|Modelo térmico-estructural de Solar Orbiter. Los requisitos de temperatura de los instrumentos y de los equipos de a bordo constituyen el principal factor en el diseño del sistema de control térmico. El objetivo del TCS es seguir todos los instrumentos de trabajo dentro del intervalo de temperatura permitida. La mayoría de todos los instrumentos electrónicos de a bordo, tales como cámaras, dispositivos de recopilación de datos, baterías, etc. de la nave, tienen un intervalo de temperatura de funcionamiento fijo. El mantenimiento de estos instrumentos en su intervalo de temperatura de funcionamiento es de vital importancia para cada misión. Algunos ejemplos de intervalos de temperatura incluyen:

Las baterías que tienen un intervalo de funcionamiento muy corto, por lo general entre -5 y 20 °C. Los elementos de propulsión tienen un intervalo típico de entre 5 y 40 °C, por razones de seguridad, aunque también aceptan un intervalo más amplio. Las cámaras tienen un intervalo de entre -30 y 40 °C. Los paneles solares tienen un intervalo de funcionamiento amplio de entre -150 y 100 °C. El espectrómetro de infrarrojos tiene un intervalo de entre -40 y 60 °C.

Tecnologías actuales

Recubrimiento El recubrimiento (en inglés, thermal coating o simplemente coating) es la técnica más simple y barata del TCS. El recubrimiento es la pintura o químico más sofisticado aplicado a las superficies de la nave espacial para bajar o aumentar la transferencia de calor. La característica del tipo de recubrimiento depende de su capacidad de absorción, de la emisividad, de la transparencia y de la reflectividad. La principal desventaja del recubrimiento es que se degrada rápidamente debido al entorno operativo.

Aislamiento multicapa (MLI) miniaturadeimagen|El desarrollo de las MLI propugnó el uso extendido de lasmantas isotérmicas.