被動熱控系統

被動熱控系統常用於解決因尺寸小、質量輕、電量少、 熱容量小和熱流密度大等特點帶來的熱設計難題。

基本介紹

• 中文名：被動熱控系統
• 外文名：Passive heat control system

概念

被動熱控制設計方法常用於解決因尺寸小、質量輕、電量少、 熱容量小和熱流密度大等特點帶來的熱設計難題。分析TW-1B立方星熱控輸入條件，提出被動熱控制的具體措施，並建立了熱分析模型進行仿真計算。結果表明，立方星各部件溫度計算結果均在要求的工作溫度範圍之內，說明被動熱控制設計可以滿足立方星對熱控系統的要求。並提出應採用地面熱環境試驗來驗證熱分析計算的準確性，並根據試驗數據對熱分析模型進行最佳化，改進熱設計，以確保衛星在軌壽命。

TW-1B立方星被動熱控制技術

如果沒有熱控措施或採用的熱控措施不合理，衛星上儀器設備的工作溫度得不到保證，就會導致構件處於極高或超低的溫度環境，造成構件失效或損壞。不均勻的溫度分布還會在設備內部引起熱應力和熱變形，造成設備疲勞損壞、機械性斷裂或永久變形，嚴重影響衛星整體工作任務的完成。比如日本的“大隅號” 實驗衛星、加拿大的通訊技術衛星CTS、美國的“陸地衛星－4”和美國的“天空實驗室”衛星等，均因熱控制系統故障而造成重大損失。

由上海微小衛星工程中心和南京理工大學聯合研製三顆立方星(TW- 1A、TW- 1B、TW- 1C) ，實現軌組網，北極航道觀測、拍照，檢測飛機和船舶位置等目的，其中南京理工大學負責TW- 1B立方星的研製工作。針對立方星的熱設計難點，提出了完全被動熱控制設計方法。詳細分析了TW- 1B立方星熱控輸入，提出了熱控系統的實施方案，建立熱分析模型進行仿真計算。各分系統計算溫度均在部件正常工作溫度範圍內，初步說明被動熱控設計是行之有效的，但地面熱環境試驗也是不可缺少的工作。

TW- 1B 立方星熱分析輸入條件

TW- 1B立方星外形尺寸完全按照國際立方星標準進行設計，為227mm×100mm×100mm的雙單元立方星，主承力結構由框架、上下端蓋、中間骨架、4根螺桿及4個端螺帽組成，整星質量約為2kg。

TW- 1B立方星星體內部所有分系統PCB板均由4根螺桿固定周向位置，並由隔柱隔開，確定軸向位置。各個分系統的正常工作溫度範圍各不相同，綜合各個分系統的電子元器件、材料等的特性以及供應商提出的要求，確定了TW- 1B各分系統的工作溫度區間，超出該溫度範圍，系統或元件就不能正常工作。

TW- 1B立方星熱控設計與仿真

擬採用被動熱控方法解決TW- 1B衛星的熱控問題，以減小星內溫度波動範圍和冷熱衝擊，從而延長在軌衛星電子元器件和衛星的壽命，使電池陣基板等溫化，減小太陽能電池因受熱應力和熱變形而被破壞的機率；同時降低電池陣基板溫度，提高太陽能電池的效率。因此，依據國內外衛星熱控設計經驗，擬定總體熱控方案包括：電池陣基板採用PCB-AL-PCB夾層板，星內隔柱與結構間加隔熱墊，電機與結構間加隔熱墊，電池陣內部設定多層隔熱組件，電池陣基板上布置有電池片，在電池片間的空隙處貼有鍍金膜。具體實施方案由以下的分析計算確定。

熱控設計是基於熱分析軟體I-DEAS TMG完成的。在Solidworks軟體中將主結構框架、上端蓋、中間骨架、下端蓋分別進行簡化，包括刪除倒角、圓角、連線孔等，將簡化模型導入Hypermesh軟體中進行格線劃分，再將格線模型導入I-DEAS TMG軟體中進行修改及細化。

仿真結果討論及最佳化設計

各分系統仿真結果都在所需工作溫度範圍之內。但太陽能電池陣溫度變化範圍較大，且高溫過高，這將嚴重影響電池陣的在軌壽命及效率，因此需對電池陣基板進行最佳化設計。熱控塗層是衛星熱控設計中較多使用的熱控
材料，是專門用來調整固體表面熱輻射性質從而達到熱控制目的的表面材料。電池陣溫度變化範圍大，主要是因為基板表面高的吸收率和發射率，電池板對外界熱量的吸收多，發射也多，從而導致溫度變化範圍大。對其表面進行最佳化，採用鍍金的措施，這種塗層具有很低的發射率(ε =0.03)和很高的吸收/發射比(αS/ε=10)，可以減小外表面的溫度波動。

鍍金前範圍為-25～35℃，鍍金後為-14～35℃，穩定溫度的效果明顯。而內部設備溫度基本沒有變化，說明墊片及多層隔熱組件設計對星內溫度的穩定作用是可以的。初步說明本文提出的熱控制設計方案可以達到衛星熱控分系統要求。但由於在熱分析數學建模中做了若干基本簡化假設，且一些計算參數的選擇，如熱傳導係數、接觸熱阻、表面輻射參數等，皆有一定誤差，因此熱分析所得到的溫度與實際值之間必然存在偏差，有些甚至相差較大。因此，在衛星的熱設計中，地面熱模擬試驗也是必要的。衛星的地面熱模擬試驗數據可用來修正熱分析模型，提高熱分析精度，改進衛星熱設計措施。通過修正熱計算，還可以更準確地預示整星在軌飛行溫度，並且對整星熱平衡試驗具有指導意義。

研究結論

針對立方星熱設計困難，提出完全被動熱設計方法。並通過對TW- 1B立方星熱控輸入進行詳細的分析，提出被動熱控設計的具體措施，建立了熱分析模型。由穩態及瞬態溫度場仿真結果可知，各部件溫度計算結果均在部件要求的工作溫度範圍之內，通過最佳化設計縮小了電池陣的溫度範圍。初步說明被動熱控措施的設計可以滿足立方星對熱控系統的要求。熱仿真計算具有一定誤差，還需後續地面熱環境試驗來驗證熱分析計算的準確性，並由試驗結果對熱分析模型進行最佳化，改進熱設計，以確保衛星在軌壽命。