Исследователи из университетов Сакарья и Дюздже совместно со специалистами из Совета по научно-техническим исследованиям Турции подробно изучили поведение литий-ионных аккумуляторов в условиях низкой околоземной орбиты. Это крайне важно для спутников: аккумулятор должен оставаться в безопасном температурном диапазоне как при ярком солнечном свете, так и в холодной тени Земли. В вакууме тепло рассеивается очень медленно, а разница температур снаружи может легко привести к переохлаждению элементов и способствовать деградации электроники. Вот почему уже на этапе проектирования необходимо создать цифровую модель, способную рассчитать температурный режим аккумулятора при любом сценарии полёта.
Чтобы создать эту модель, учёные провели испытание на термовакуумную балансировку – эксперимент, максимально приближенный к условиям открытого космоса. Полноразмерный макет батареи был помещён в термовакуумную камеру, где можно создать давление, близкое к космическому вакууму, и температуру от –10 до +40 °C. Макет батареи был изготовлен из тех же материалов и по той же конструкции, что и настоящая батарея, которая будет использоваться во время полёта. Нагреватели имитировали работу электроники, а 27 термодатчиков фиксировали температуру всех ключевых элементов – от платы управления до аккумуляторных элементов.
Собранные данные были использованы в качестве основы для тепловой модели узла: этот метод предполагает разделение сложной конструкции на несколько зон, внутри которых, как считается, температура распределяется равномерно. Например, каркас контрольной модели и её крышка нагревались практически одновременно, поэтому их объединили в одну зону. В первой версии модели учитывалась только теплопроводность, то есть передача тепла через материалы. Для умеренных температур этого было достаточно, и расчёты соответствовали экспериментальным данным.
Однако в «горячих» режимах эта простая модель не справлялась. Оказалось, что при высоких температурах важную роль начинает играть тепловое излучение – тот же физический эффект, из-за которого нагревается наша рука, когда мы подносим её к огню. Интенсивность излучения резко возрастает вместе с температурой, и без его учёта точный прогноз становится невозможным. Поэтому модель была усовершенствована за счёт добавления расчёта излучения и учёта влияния многослойной теплоизоляции, которой покрыто спутниковое оборудование.
После всех этих обновлений гибридная модель практически полностью совпала с результатами экспериментов во всём диапазоне рабочих температур – от 0 до +40 °C. Особенно важно, что она точно отражает температурное поведение наиболее чувствительных элементов: аккумуляторных элементов и электронной платы, а надёжность всей системы зависит от их стабильной работы.
В итоге исследователи получили компактную, но очень точную математическую модель, состоящую из семи узлов, которая способна описывать тепловые характеристики батареи как в стандартных, так и в экстремальных условиях. Разница между расчётной и измеренной температурой сократилась до нескольких градусов, что соответствует международным стандартам теплового моделирования космических аппаратов.