phần Mở đầu và ở đây được minh họa trong Hình 1. Với phân loại theo tiêu chí khối lượng thì vệ tinh cỡ nhỏ được xem là dưới 500 kg [nhóm trong khung hình được bao quanh bởi hình chữ nhật màu đỏ nét đứt].1 cũng minh họa một số vệ tinh thực đã được chế tạo và phóng vào không gian (nguồn: dữ liệu từ các trang web) ứng với từng thang đo khối lượng cụ thể. Trong khuôn khổ luận án, cụm từ “vệ tinh nhỏ” giới hạn xét ở phạm vi dưới 100 kg bởi vì luận án tính toán nhiệt cho vệ tinh với số nút hạn chế. Tuy nhiên, cách 6 tiếp cận và phương pháp tính toán cho các vệ tinh phức tạp hơn là hoàn toàn có thể thực hiện được.
Thang đo phân loại vệ tinh theo khối lượng b.Theo tiêu chí độ cao quỹ đạo Một vệ tinh có thể bay trên một quỹ đạo quanh Trái đất ở độ cao xác định, các vệ tinh thường được xếp theo độ cao của chúng. Theo tiêu chí này vệ tinh có thể được phân loại như sau: - Vệ tinh tầm thấp (LEO: 300 đến 1000 km bên trên bề mặt Trái Đất) - Vệ tinh tầm trung (MEO: 1000 đến 35786 km, quỹ đạo có dạng hình ellipse) - Quỹ đạo Trái Đất tầm cao (HEO: trên 35786 km, quỹ đạo có dạng hình ellipse khá dẹt) c.Theo tiêu chí chức năng, nhiệm vụ Theo tiêu chí chức năng, nhiệm vụ, vệ tinh được chia thành các loại sau : - Vệ tinh nghiên cứu khoa học: thực hiện các nhiệm vụ khoa học, viễn thám, nghiên cứu các hành tinh xa xôi, nghiên cứu hệ mặt trời… - Vệ tinh viễn thông: phục vụ thông tin liên lạc, phát thanh truyền hình… - Vệ tinh quan sát trái đất: gồm các vệ tinh khí tượng, vệ tinh tài nguyên, vệ tinh biển, vệ tinh giám sát môi trường và thiên tai. Các loại vệ tinh này cung cấp các thông tin có giá trị để dự báo thời tiết, điều tra tài nguyên rừng, đất đai, nước khoáng sản, giám sát thiên tai (lũ lụt, hạn hán…), vẽ bản đồ. 7 - Vệ tinh định vị: xác định nhanh và chính xác vị trí của mọi đối tượng và dẫn đường cho các phương tiện giao thông trên không, trên bộ và trên biển.
- Vệ tinh quân sự: làm nhiệm vụ do thám, định vị và dẫn đường cho các vũ khí (bom, tên lửa…), cảnh báo sớm. Các khối chức năng cơ bản của vệ tinh Vệ tinh gồm phân hệ kết cấu và các phân hệ chức năng do các khối thiết bị hoặc thành phần cụ thể của vệ tinh đảm nhiệm. Sau đây ta trình bày vắn tắt chức năng của một số phân hệ bên trong vệ tinh. Các phân hệ chính gồm: phân hệ điều khiển tư thế, phân hệ lực đẩy, phân hệ điều khiển nhiệt, phân hệ thông tin liên lạc, phân hệ xử lý dữ liệu, phân hệ năng lượng, phân hệ kết cấu.
Chức năng của các phân hệ được thể hiện trên Hình 1. Các phân hệ vệ tinh và chức năng của nó 1. Phân hệ điều khiển tư thế Chức năng của phân hệ điều khiển tư thế của vệ tinh là xác định và điều khiển các góc quay nhằm định hướng vệ tinh theo một tư thế xác định trong quá trình chuyển động trên quỹ đạo. Các tham số xác định tư thế vệ tinh gồm các góc tạo bởi hai hệ tọa độ, một hệ tọa độ gắn với vệ tinh gọi là hệ tọa độ địa phương, hệ tọa độ còn lại gắn với trái đất hay còn gọi là hệ tọa độ tham chiếu.
Các tác vụ phải 8 được thực hiện sao cho tư thế của vệ tinh được giữ ổn định với mức độ nhiễu rất nhỏ, tức là điều khiển vệ tinh với độ chính xác cao so với tư thế mong muốn. Phân hệ lực đẩy Phân hệ lực đẩy được sử dụng trong hầu hết các vệ tinh, có tác dụng cung cấp một lực đẩy cần thiết để đưa vệ tinh từ một vị trí mất độ cao về độ cao mong muốn khi vệ tinh hoạt động một thời gian dài trên quỹ đạo. Phân hệ điều khiển nhiệt Phân hệ điều khiển nhiệt có chức năng điều khiển nhiệt độ của các thành phần hoặc thiết bị vệ tinh, giữ cho nhiệt độ luôn nằm trong miền giới hạn nhiệt thiết kế trong quá trình vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo. Phân hệ thông tin liên lạc Để duy trì sự liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất, phân hệ điều khiển được thiết kế với nhiều mô đun khác nhau bao gồm các ăng ten thu phát, các thiết bị xử lý tín hiệu, các cảm biến quang học, điện tử, cùng với các cấu trúc cơ khí và nguồn cung cấp điện.
Phân hệ thông tin liên lạc hoạt động thông qua các trao đổi sóng vô tuyến giữa vệ tinh và trạm mặt đất với các dải băng tần: băng tần S (từ 2 GHz đến 4 GHz), băng tần C (từ 4 GHz đến 8 GHz), băng tần X (từ 8 GHz đến 12.4 GHz), băng tần Ku (từ 12.4 GHz đến 18 GHz). Phân hệ xử lý dữ liệu Phân hệ xử lý dữ liệu có chức năng tạo ra quá trình thông tin liên lạc hai chiều giữa vệ tinh và trạm mặt đất. Người ta có thể chia phân hệ này thành ba bộ phận: bộ phận truyền xuống có tác dụng truyền thông tin từ vệ tinh xuống trạm mặt đất; bộ phận tiếp nhận thông tin thực hiện chức năng thu nhận và xử lý thông tin từ trạm mặt đất; bộ phận phát đáp có chức năng xác định khoảng cách giữa vệ tinh và trạm mặt đất. Phân hệ năng lượng Chức năng chính của phân hệ năng lượng là thu năng lượng mặt trời, biến nó thành năng lượng điện nhờ các tấm pin mặt trời và phân phối điện cho các thành phần và phân hệ con khác của vệ tinh.
Ngoài ra, vệ tinh cũng có ắc quy, cung cấp năng lượng điện dự phòng khi vệ tinh ở trong vùng bóng tối, trong các tình huống 9 khẩn cấp hoặc trong giai đoạn phóng của vệ tinh khi các tấm pin năng lượng mặt trời chưa hoạt động. Phân hệ kết cấu Phân hệ kết cấu của vệ tinh là bộ phận khung chính dùng để đỡ các thiết bị vệ tinh đảm bảo toàn bộ cấu trúc vệ tinh tạo thành một khối chắc chắn và không bị hư hại trong quá trình chế tạo, phóng và đưa vệ tinh vào quỹ đạo. Cấu trúc này cần được nghiên cứu cẩn thận, tỉ mỉ đảm bảo độ cứng và độ ổn định của cấu trúc cơ học. Phân hệ kết cấu có chức năng chịu tải gồm các tải tựa tĩnh và tải động từ các tác động của môi trường như gia tốc, sự rung lắc.
Quá trình điều khiển nhiệt Thông thường một dự án vệ tinh có 4 giai đoạn, bao gồm: (i) giai đoạn xây dựng cấu hình và nhiệm vụ cho vệ tinh; (ii) giai đoạn kiểm tra tính phù hợp; (iii) giai đoạn phát triển toàn diện; (iv) giai đoạn đưa vệ tinh đi vào trạng thái hoạt động [4]. Các giai đoạn này nhằm mục đích xác minh rằng vệ tinh đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật. Sự hoạt động của vệ tinh được đảm bảo bởi nhiều nhân tố, trong đó điều khiển nhiệt là một nhân tố quan trọng. Trong nhiệm vụ điều khiển nhiệt, người ta thường khống chế nhiệt độ của các thiết bị nằm trong miền giới hạn cho phép.
Có những thiết bị đòi hỏi hoạt động ở nhiệt độ rất thấp chẳng hạn cảm biến hồng ngoại hoạt động trong miền từ -223oC đến -173oC; một số thiết bị có miền nhiệt độ hoạt động khá rộng, chẳng hạn tấm pin năng lượng mặt trời với miền nhiệt từ -100oC đến +120oC. Miền nhiệt độ hoạt động của một số thiết bị vệ tinh được minh họa trong Bảng 1. Ngưỡng nhiệt độ của các thiết bị vệ tinh [10] Miền nhiệt độ Tmin C Tmax C Thiết bị điện (hoạt động ở nhiệt độ phòng) -10 +50 Ắc qui 0 +20 Cánh vệ tinh -100 +120 Ăng ten đĩa -65 +95 Bể chứa Hidrazine +10 +50 Bộ cảm biến hồng ngoại -223 -173 Vỏ ngoài -100 +100 10 Quá trình điều khiển nhiệt bao gồm ba nhiệm vụ chính [6]: - Phân tích nhiệt: Người ta phân tích nhiệt cho cấu trúc của một vệ tinh cho trước và dự báo nhiệt độ của các thiết bị và kết cấu ở các giai đoạn của một nhiệm vụ vệ tinh. - Thiết kế nhiệt: Trong trường hợp các kết quả phân tích nhiệt cho thấy nhiệt độ của thiết bị và kết cấu nằm ngoài giới hạn nhiệt cho phép, ta phải đưa ra các giải pháp thích hợp, để điều khiển nhiệt cho chúng.
Đối với các vệ tinh nhỏ, có hình dạng đối xứng, cấu trúc đơn giản, được thiết kế hoạt động trên quỹ đạo với nhiệm vụ ngắn hạn, người ta có thể điều khiển nhiệt bằng các lớp phủ bề mặt, tức là điều khiển nhiệt thụ động, tạo ra sự cân bằng giữa nhiệt hấp thụ và nhiệt bức xạ ra ngoài không gian của vệ tinh. Đối với các vệ tinh cỡ lớn, quá trình điều khiển nhiệt sẽ phức tạp hơn, có thể đòi hỏi các phương pháp điều khiển nhiệt tích cực, chẳng hạn, khi nhiệt độ của các thiết bị quá lạnh thì ta phải sử dụng các bộ gia nhiệt, còn nếu quá nóng thì ta phải sử dụng các bộ tản nhiệt. - Thử nghiệm: Người ta phải thực hiện các thử nghiệm thích hợp và đầy đủ để xác nhận tính chính xác của việc phân tích và dự báo nhiệt cho nhiệm vụ cụ thể của vệ tinh. Mô hình toán học cho bài toán phân tích nhiệt vệ tinh Do vệ tinh có cấu trúc tương đối phức tạp, nên việc tính toán phân tích nhiệt cho các thành phần của vệ tinh một cách chặt chẽ, chi tiết là không dễ dàng [6].
Người ta cần phải đơn giản hóa bài toán bằng cách đưa ra một mô hình xấp xỉ biểu diễn nhiệt cho vệ tinh và có thể xử lý nó bằng toán học. Mô hình này được gọi tắt là mô hình toán nhiệt của vệ tinh [6]. Khi xây dựng một mô hình toán nhiệt cho vệ tinh, vệ tinh có thể được giả thiết như một cấu trúc gồm một số miền rời rạc mà trong phạm vi mỗi miền, nhiệt độ tại các điểm thuộc miền là gần như nhau. Những miền này được mô hình hóa bởi một nút đẳng nhiệt.
Mỗi nút được đặc trưng bởi một nhiệt độ, nhiệt dung và hao tán nhiệt (nếu có). Mỗi nút có sự tương tác nhiệt với các nút còn lại bằng các hình thức dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt, và cũng sẽ tương tác bức xạ nhiệt với môi trường không gian. Mô hình toán nhiệt bao gồm các nút nhiệt liên kết lại tạo thành một 11 mạng lưới các nút nhiệt, gọi tắt là mạng nhiệt.