Le camere di simulazione spaziale creano un ambiente unico per i riscaldatori a cartuccia. Le condizioni di vuoto impediscono il trasferimento di calore convettivo, rendendo tutto il riscaldamento radiativo o conduttivo. Il ciclo termico tra temperature criogeniche ed elevate-che simulano le condizioni orbitali-si verifica rapidamente e ripetutamente. I requisiti di degassamento limitano i materiali che potrebbero contaminare le superfici ottiche o gli strumenti sensibili. I materiali e i design standard dei riscaldatori industriali falliscono in questa applicazione impegnativa.
L'acciaio inossidabile 304, comune nelle applicazioni atmosferiche, degassifica in modo inaccettabile sotto vuoto a meno che non venga sottoposto a una lavorazione speciale. L'idrogeno e il monossido di carbonio si sviluppano dalla contaminazione del materiale sfuso e della superficie, depositandosi su superfici ottiche fredde e degradando le prestazioni. L'elettrolucidatura e la cottura sottovuoto riducono il degassamento ma non lo eliminano; 304 rimane marginale per la simulazione spaziale sensibile.
L'acciaio inossidabile 316L a basso contenuto di carbonio e l'aggiunta di molibdeno offre migliori prestazioni di vuoto. La microstruttura stabilizzata riduce l'evoluzione del carbonio e la migliore resistenza alla corrosione mantiene la pulizia della superficie. Il 316L-cotto sotto vuoto, con-trattamento termico sotto vuoto per eliminare le sostanze volatili, raggiunge tassi di degassamento accettabili per molte applicazioni di simulazione spaziale.
Inconel 600 e 625 offrono una compatibilità con il vuoto superiore. La matrice di nichel-cromo con elevata purezza e scaglie di ossido stabili sviluppa una quantità minima di gas. Queste leghe mantengono resistenza e duttilità in tutto l'intervallo di temperature, resistendo alla fessurazione che creerebbe nuove superfici di degassamento. Il sovrapprezzo-2-3 volte rispetto all'acciaio inossidabile è giustificato per applicazioni ottiche o strumentali critiche.
Secondo i dati di ingegneria del vuoto, i tassi di degassamento variano in base agli ordini di grandezza tra i materiali e le condizioni della superficie. L'Inconel adeguatamente preparato raggiunge 10^-12 Torr-litro/sec-cm²; 304 scarsamente preparato potrebbe essere 10^-8 o peggio. Questa differenza di 10.000 volte determina se la simulazione dello spazio sensibile avrà successo o meno.
Il titanio e le leghe di titanio forniscono un'alternativa per applicazioni specifiche. L'eccellente rapporto-resistenza-peso avvantaggia l'hardware aerospaziale e l'azione gettering del titanio può effettivamente migliorare la qualità del vuoto assorbendo i gas residui. Tuttavia, una conduttività termica inferiore a quella dell’acciaio crea sfide di progettazione per il trasferimento di calore, richiedendo una geometria interna del riscaldatore modificata.
La finitura superficiale influisce in modo critico sul degassamento. L'elettrolucidatura crea una superficie liscia e passiva con una minima contaminazione intrappolata. La lucidatura meccanica lascia uno strato indurito sulla superficie-con degassamento migliorato. La passivazione chimica migliora la stabilità dello strato di ossido. Questi trattamenti superficiali, combinati con la selezione del materiale di base, determinano le prestazioni del vuoto.
Le caratteristiche della radiazione termica sono importanti nel riscaldamento sotto vuoto. L'emissività superficiale determina l'efficienza del trasferimento di calore radiativo in assenza di convezione. Le superfici ossidate hanno un'elevata emissività; i metalli lucidati hanno un valore basso. Il trattamento superficiale della guaina del riscaldatore può essere ottimizzato per garantire efficienza di radiazione o degassamento minimo, richiedendo una decisione di compromesso.
Secondo l'esperienza degli impianti di simulazione spaziale, la scelta del materiale del riscaldatore è seconda solo alla progettazione della camera nel determinare le prestazioni del sistema. L'investimento in materiali di prima qualità e nella preparazione delle superfici ritorna grazie a una migliore fedeltà della simulazione, una ridotta contaminazione degli articoli di prova e intervalli di manutenzione prolungati per la pulizia della camera.
I protocolli di test convalidano la compatibilità del vuoto. L'analisi dei gas residui durante il ciclo termico identifica i prodotti e i tassi di evoluzione. Le misurazioni della perdita di massa quantificano il degassamento. Questi test specializzati, oltre alla qualificazione standard dei riscaldatori, garantiscono l'idoneità per il servizio di simulazione spaziale.
