Dissipateur de chaleur à noyau radial pour améliorer le rejet de chaleur du générateur de radio-isotopes Stirling

6 février 2017

par la NASA

Le centre de recherche Glenn de la NASA développe la prochaine génération de générateurs de radio-isotopes Stirling (SRG) pour alimenter les missions scientifiques dans l'espace lointain. Une lacune technologique potentielle est l’approche de rejet de chaleur perdue pour les convertisseurs Stirling de plus grande puissance. Le précédent générateur de radio-isotopes Stirling avancé (ASRG) de 140 W utilisait une bride de conduction en alliage de cuivre pour transférer la chaleur du convertisseur à la surface du radiateur du boîtier du générateur. La bride de conduction entraînerait une pénalité substantielle en termes de masse et de performances thermiques pour les systèmes Stirling plus grands. Le Radial Core Heat Spreader (RCHS) est un dispositif passif de gestion thermique biphasé développé pour résoudre ce problème en utilisant de la vapeur d'eau au lieu du cuivre comme moyen de transport de chaleur.

Le RCHS est un disque en titane creux et alvéolé qui utilise de l'eau bouillante et condensée pour transférer la chaleur radialement du centre où se trouverait le convertisseur Stirling, jusqu'au diamètre extérieur où le boîtier du générateur serait fixé. Le RCHS expérimental pèse environ 175 grammes et est conçu pour transférer 130 W (thermique) du hub vers le périmètre. Il fonctionne à une température nominale de 90°C avec une plage d'utilisation comprise entre 50 et 150°C. Pour les tests, le convertisseur Stirling a été remplacé par un élément chauffant électrique et le boîtier du générateur a été remplacé par un absorbeur de chaleur.

Deux campagnes de vols paraboliques et un test en vol suborbital ont fourni des données essentielles dans plusieurs environnements gravitationnels pour évaluer les performances thermiques du RCHS. Les vols paraboliques ont eu lieu en 2013 et 2014. Le vol suborbital a eu lieu le 7 juillet 2015 et comprenait deux unités RCHS, une parallèle et une perpendiculaire par rapport au vecteur de lancement. La fusée Black Brant IX a transporté la charge utile RCHS à une altitude de 332 km avec plus de huit minutes de microgravité. Le but de cette expérience était de déterminer si le RCHS pouvait fonctionner pendant toutes les phases de la mission. Étant donné que les SRG sont alimentés et fonctionnent avant le lancement, il est crucial qu'une gestion thermique appropriée soit maintenue pendant les opérations au sol de 1 g, les lancements hyper-g et les environnements spatiaux micro-g. Les résultats des tests ont vérifié que le RCHS pouvait tolérer les transitoires gravitationnels tout au long du vol suborbital, tout en transférant la puissance thermique nécessaire pour maintenir un convertisseur Stirling dans ses limites de température prescrites.

Le RCHS testé en vol représente un quart de la masse de la bride de conduction en cuivre ASRG de pointe et offre un transfert de chaleur amélioré pour minimiser la résistance thermique. À mesure que le niveau de puissance du convertisseur Stirling augmente, les économies de masse et les avantages en matière de transport de chaleur fournis par le RCHS augmenteront considérablement. L'essai en vol de la fusée-sonde a prouvé que le RCHS pouvait maintenir un contrôle thermique approprié en hypergravité et en microgravité, quelle que soit l'orientation de l'appareil par rapport aux forces de lancement.

Le RCHS a atteint un niveau de préparation technologique (TRL) de six pour une utilisation dans les systèmes électriques de Stirling grâce à des tests rigoureux dans un large éventail d'environnements, notamment le lancement, la microgravité et le vide thermique. Si la technologie était adoptée dans la prochaine génération de SRG, des tests supplémentaires du système intégré seraient nécessaires.

Fourni par la NASA