Analysis of the Effect of Layer Perforation Pattern on the Rate of Gas Leakage from Multilayer Thermal Insulation During Satellite Launch

Ramezani Najafi, Hamed; Karimian, S.M.Hossein; Pakmanesh, Mohammad Reza

doi:10.30699/jsst.2023.1407

Analysis of the Effect of Layer Perforation Pattern on the Rate of Gas Leakage from Multilayer Thermal Insulation During Satellite Launch

Document Type : Original Research Paper

Authors

Hamed Ramezani Najafi ¹

S.M.Hossein Karimian ²

Mohammad Reza Pakmanesh ³

¹ Ph.D., Aerospace Science and Technology Research Institute, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

² Professor, Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of technology, Tehran, Iran

³ Ph.D., Materials and Energy Research Institute, Iran Space Research Center, Tehran, Iran

10.30699/jsst.2023.1407

Abstract

One of the passive components of the satellite Thermal control subsystem is multilayer insulation. In order to prevent air from being trapped between the multilayer insulation layers, which causes the thin layers to inflate and disintegrate during satellite launches, holes are made in the layers. These holes in different layers may not be aligned due to heat transfer problems as well as manufacturing constraints. For maximum thermal efficiency of thermal insulation, gas outlets must be designed to have the least resistance to exhaust gas flow, because the air trapped between the layers will greatly reduce the insulation efficiency by leaving a convective heat transfer path between them. In this article, different perforation matrix that have been used in articles are reviewed. By analyzing the computational fluid dynamics of gas outflow from these insulators, the effect of various parameters has been studied.

Keywords

Multilayer insulation

Trapped air discharge

Perforation matrix

Launch

Hole Diameter

Drilling intervals

20.1001.1.20084560.1402.16.1.2.3

Subjects

Space subsystems design: (navigation, control, structure and…)

Article Title Persian

تحلیل اثر الگوی سوراخکاری لایه‌ها در میزان خروج گاز از عایق حرارتی چندلایه در طول پرتاب ماهواره

Authors Persian

حامد رمضانی نجفی ¹

سید محمد حسین کریمیان ²

محمد رضا پاکمنش ³

¹ دکتری، پژوهشکده علوم و فناوری هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

² استاد دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

³ دکتری، پپژوهشکده مواد و انرژی، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

Abstract Persian

یکی از اجزای غیر فعال زیرسیستم کنترل حرارت ماهواره عایق‌های چندلایه می باشند. به‌ منظور جلوگیری از محبوس شدن هوا میان لایه های عایق چند لایه که موجبات بادکنکی شدن و از هم گسیختگی لایه های نازک آن حین پرتاب ماهواره ها را فراهم می نماید، سوراخ هایی در لایه ها ایجاد می نمایند. این سوراخ ها در لایه های مختلف به دلیل مسائل انتقال حرارتی و همچنین محدودیت های ساخت ممکن است هم راستا نباشند. برای داشتن بیشترین راندمان عملکردی عایق‌های حرارتی، مسیرهای خروج گاز باید به نحوی طراحی گردند که کمترین مقاومت در برابر جریان گاز خروجی را داشته ‌باشند زیرا هوای محبوس در میان لایه ها با باقی گذاشتن مسیر انتقال حرارت همرفتی میان آنها راندمان عایق را به شدت کاهش خواهد داد. در این مقاله الگوهای مختلف سوراخکاری که در مقالات مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند، بررسی شده است. با تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی خروج گاز از میان این عایق ها، اثر پارامترهای مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.

Keywords Persian

عایق های چند لایه

تخلیه هوای محبوس شده

پرتاب

ماتریس سوراخکاری

قطر سوراخ

فواصل سوراخکاری

[1] G. Chen, T. Sun, J. Zheng, Z. Huang, and J. Yu, "Performance of multilayer insulation with slotted shield," Cryogenics, vol. 34, pp. 381-384, 1994.

[2] I. Cotoros and A. Hashemi, "Multilayer Insulation Venting During Payload Depressurization," in ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2005, vol. 42223, pp. 55-59.

[3] W. L. Johnson, A. O. Kelly, and K. M. Jumper, "Two dimensional heat transfer around penetrations in multilayer insulation," 2012.

[4] J. Fesmire, S. Augustynowicz, and C. Darve, "Performance characterization of perforated multilayer insulation blankets," Proceedings of the nineteenth international cryogenic, pp. 843-846, 2002.

[5] R. A. Efromson, "The performance of multilayer insulation in a rapidly depressurizing environment," in NASA, Goddard Space Flight Center, 16th Space Simulation Conference Confirming Spaceworthiness Into the Next Millennium, 1990.

[6] Hamed R. Najafi , Esmaiel Moeini, Seyed Mohammad Hossein Karimian , Hamed Alisadeghi "Evaluation of Effective Emissivity of a Multilayer Insulation Blanket Using Test " Journal of Space Science and Technology , vol. 8, pp. 19-25, 2015.

[7] T. Lewandowski and P. Doerffer, "Determination of an aerodynamic perforation of plates by means of numerical simulation," Aerospace Science and Technology, vol. 22, no. 1, pp. 58-63, 2012.

[8] R. Hatakenaka, M. TAKESHI, H. Sugita, M. Saitoh, and T. Hirai, "Thermal performance and practical utility of a mli blanket using plastic pins for space use," in 43rd International Conference on Environmental Systems, 2013, p. 3503.

[9] R. Tramel, S. Sutherlin, and W. Johnson, "Multilayer Insulation Ascent Venting Model," 2017.

[10] W. Johnson, K. Heckle, and J. Fesmire, "Heat Loads Due To Small Penetrations In Multilayer Insulation Blankets," in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, vol. 278, no. 1: IOP Publishing, p. 012197.

[11] B. Deng et al., "Experimental Research of Perforation Rate for Multilayer Insulation Used in Cryogenic Transfer Lines," in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 502, no. 1: IOP Publishing, p. 012118.

[12] Sheldahl A Flex Company, The Red Book, Rev C, p.p. 15-20, July 27, 2015. Available: https://www.sheldahl.com/sites/default/files/2017-09/RedBook.pdf