GEO通信衛(wèi)星可變大功率器件散熱方法研究

黃勇 劉正山 郭亮 魏巍

(1 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033) (2 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

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GEO通信衛(wèi)星可變大功率器件散熱方法研究

黃勇1劉正山2郭亮1魏巍2

(1 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033) (2 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

針對(duì)GEO通信衛(wèi)星某可變大功率器件，提出散熱補(bǔ)償、散熱控制和蓄能散熱3種熱控設(shè)計(jì)方法，并按器件溫度指標(biāo)要求進(jìn)行了詳細(xì)的理論估算和仿真計(jì)算。結(jié)果表明3種方法都能滿足器件溫度指標(biāo)要求,且仿真計(jì)算與理論估算結(jié)果偏差在10%以內(nèi)。此外，基于功率和質(zhì)量兩個(gè)方面，通過比較3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)表明散熱控制方法不僅可減小熱控系統(tǒng)質(zhì)量，且不消耗系統(tǒng)能源，是較為理想的散熱方法。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮質(zhì)量、功耗、可靠性、安全性、工藝性等諸多影響因素，合理選擇可變大功率器件的散熱方法。

地球靜止軌道；變功率；散熱

1 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，空間電子設(shè)備得到了大量應(yīng)用，系統(tǒng)的組裝密度越來越高，能流密度越來越大，單個(gè)電子設(shè)備從幾瓦到現(xiàn)在的成百上千瓦[1]，導(dǎo)致電子設(shè)備的散熱問題成為越來越需要解決的問題之一。目前，國內(nèi)外雖然對(duì)于整機(jī)級(jí)[2-4]、電路板級(jí)[5-6]以及器件級(jí)[7]的散熱研究均取得了不少研究成果。但對(duì)于功率隨時(shí)間發(fā)生變化的器件，其散熱技術(shù)亟待探索。

清華大學(xué)梁新剛[8]等人針對(duì)航天器短時(shí)大功率有效載荷散熱問題提出了多種散熱系統(tǒng)，利用流體回路、相變材料、熱泵等不同組合方式，從理論分析和數(shù)值計(jì)算上研究了散熱系統(tǒng)的性能，但整個(gè)散熱系統(tǒng)復(fù)雜、質(zhì)量大，適合于整星和整個(gè)系統(tǒng)的散熱。但單個(gè)設(shè)備或組部件的短時(shí)大功率散熱技術(shù)國內(nèi)研究還較少。

本文擬對(duì)某GEO通信衛(wèi)星上的某個(gè)可變大功率器件展開散熱設(shè)計(jì)，由于GEO通信衛(wèi)星器件多、分布廣、功率大、壽命長等任務(wù)需求對(duì)散熱技術(shù)提出了更高的設(shè)計(jì)要求[9-11]，散熱設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。本文利用相變材料、熱管、熱開關(guān)等不同的熱控手段，提出了3種不同的散熱方法，通過3種方法進(jìn)行理論估算和仿真分析，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 散熱方法分析

2.1 熱控問題描述

某GEO通信衛(wèi)星支撐±Y板上各有2個(gè)器件S1，尺寸為300 mm×100 mm×100 mm，地球同步軌道光照區(qū)功率為3 W，地影區(qū)功率為106 W，工作溫度范圍為10～15 ℃(光照區(qū))，地影區(qū)允許最高溫度到30 ℃。要求此器件始終在其工作溫度范圍內(nèi)。器件在衛(wèi)星中的位置如圖1所示。

器件的熱控設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：功耗大且可變，特別是進(jìn)入地影區(qū)后，功耗發(fā)生突變，增大了30多倍；溫度適應(yīng)性差，工作溫度范圍窄。

解決上述電子器件的問題，可采取多種方案：①按最大功率進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，熱量不足時(shí)用加熱補(bǔ)償；②設(shè)計(jì)可變散熱面，如百葉窗；③空間熱開關(guān)技術(shù)[12]，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，導(dǎo)熱路徑導(dǎo)通，熱量立即散出；④使用相變蓄能技術(shù)[13-14]，將短時(shí)大熱量蓄能后，再慢慢消散。由于百葉窗含有活動(dòng)部件，對(duì)于在軌壽命長達(dá)15年以上的通信衛(wèi)星，其可靠性會(huì)較差，因此本文不再研究而著重于另外的3種方法。

2.2 理論估算

本文對(duì)該器件的散熱問題提出了3種方法，分別命名為散熱補(bǔ)償、散熱控制和蓄熱散熱。由于南北板作為衛(wèi)星的主散熱面，散熱需求達(dá)到4500 W，南北板溫度高達(dá)40 ℃，不適合做器件S1的散熱面，因此，考慮將其散熱面選在衛(wèi)星的東西板，并用U型熱管將東西板散熱面耦合。東西板會(huì)受陽光照射影響，理論估算時(shí)按穩(wěn)態(tài)和平均軌道外熱流進(jìn)行估算。

1)散熱補(bǔ)償方法

散熱補(bǔ)償方法即在東西板上獨(dú)立開設(shè)散熱面，用熱管將器件與散熱面連接，能量不足時(shí)用加熱補(bǔ)償方式進(jìn)行熱量補(bǔ)償。器件S1熱控措施如圖2所示。

(1)散熱面面積估算。東西板在春分和秋分點(diǎn)壽命末期，吸收太陽能量最大為338 W/m2，最小為0 W。該器件在地影區(qū)功耗高達(dá)106 W，此時(shí)吸收太陽能量為0 W。設(shè)計(jì)此時(shí)散熱面溫度為5 ℃，散熱面粘貼太陽反射鏡(OSR)，此時(shí)散熱能力為267.5 W/m2，散熱面面積需要0.4 m2。

(2)補(bǔ)償功耗估算。衛(wèi)星進(jìn)入光照區(qū)時(shí)，器件功率下降到3 W，為保證S1和其他器件溫度，散熱面最低溫度為0 ℃，此時(shí)最大散熱能力為193.8 W/m2(考慮外熱流影響，按夏至?xí)r刻?hào)|西板軌道外熱流平均計(jì)算，為55 W/m2)，補(bǔ)償功耗為74.5 W，考慮25%設(shè)計(jì)余量，最終設(shè)計(jì)補(bǔ)償功耗為100 W?？販啬繕?biāo)設(shè)為12±1 ℃。

2)散熱控制方法

散熱控制方法即在東西板上獨(dú)立開設(shè)散熱面，用熱管將器件與散熱面連接，其中一個(gè)連接端增加一個(gè)熱開關(guān)，控制熱量傳遞的通斷，不設(shè)置加熱補(bǔ)償。器件S1熱控措施如圖3所示。

散熱面面積計(jì)算同散熱補(bǔ)償方法，為0.4 m2，設(shè)計(jì)熱開關(guān)高于13 ℃時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)熱開關(guān)熱阻為0.8 ℃/W，斷開時(shí)熱開關(guān)熱阻為80 ℃/W，開關(guān)比為100。

3)蓄熱散熱方法

蓄熱散熱方法即在器件上安裝相變盒，盒內(nèi)放置相變材料，再用熱管將其連接到東西板獨(dú)立散熱面上，最后設(shè)置補(bǔ)償加熱。器件S1熱控措施如圖4所示。

(1)散熱面面積估算。散熱量按軌道平均計(jì)算，為8.1 5 W，設(shè)計(jì)散熱面溫度為8 ℃，散熱面粘貼OSR，此時(shí)散熱能力為222 W/m2(考慮外熱流影響，按春分時(shí)刻?hào)|西板軌道外熱流平均計(jì)算，為57 W/m2)，散熱面面積為0.04 m2。

(2)相變材料質(zhì)量估算。相變材料選用石蠟類正十五烷，溶點(diǎn)溫度為9.6 ℃，融化潛熱為168 kJ/kg，液態(tài)比熱為3.53 kJ/(kg·K)。器件在地影區(qū)放出的最大熱量為422.7 kJ，所需相變材料質(zhì)量約為2.5 kg。相變盒材料選用鋁合金?？販啬繕?biāo)設(shè)設(shè)為8～9.5 ℃。

(3)補(bǔ)償功耗估算。當(dāng)器件無地影區(qū)時(shí)(冬至和夏至?xí)r刻)，器件軌道平均功率為3 W，而散熱面最大散熱能力為10.15 W(東西板平均外熱流夏至?xí)r刻比春分時(shí)刻少2 W)，所以補(bǔ)償功耗需要7.15 W，考慮25%設(shè)計(jì)余量，最終設(shè)計(jì)補(bǔ)償功耗為10 W。

2.3 仿真計(jì)算

本文利用IDEAS-TMG軟件，通過去除其他儀器設(shè)備和器件，僅保留器件S1，并依據(jù)器件S1的熱控措施及傳熱特點(diǎn)，建立如圖5所示的整星有限元模型。衛(wèi)星南北板粘貼OSR，其他外表面包覆15單元多層隔熱組件。儀器S1與支撐板隔熱安裝，外表面包覆10單元多層隔熱組件，其他熱控措施根據(jù)方法的不同進(jìn)行不同的設(shè)置，器件S1熱模型如圖6所示。

對(duì)于GEO衛(wèi)星而言，春分時(shí)刻經(jīng)歷地影區(qū)時(shí)長達(dá)到最長，為72 min，器件S1散熱需求最大。夏至?xí)r刻地影區(qū)時(shí)長為0 min，散熱需求最小，且外熱流最小，此時(shí)加熱補(bǔ)償需求達(dá)到最大。因此，分別按春分和夏至對(duì)3種控溫方法對(duì)器件及支撐板的溫度差變化趨勢(shì)進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示。圖中S1_東表示支撐板+X向的器件S1，S1_西表示支撐板-X向的器件S1。

從圖7～圖9中可以看出，春分時(shí)刻，器件與艙板的溫度在光照區(qū)都能保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，但進(jìn)入地影區(qū)后，由于器件S1功率的增大，釋放的熱量增多，自身溫度隨之升高，帶動(dòng)散熱面溫度升高。散熱補(bǔ)償方法能夠保證器件自身最高溫度不超過21.5 ℃，散熱控制方法能夠保證器件自身最高溫度不超過30 ℃，蓄能散熱方法能夠保證器件自身最高溫度不超過25.7 ℃。蓄能散熱方法由于相變材料的導(dǎo)熱率較低，蓄能后熱量沒有完全散出去，導(dǎo)致下一軌在地影區(qū)出現(xiàn)S1和散熱面溫度較高現(xiàn)象，散熱面溫度高時(shí)散熱能力增強(qiáng)，逐漸將相變材料積蓄的熱量排空，S1和散熱面溫度降低。因此，出現(xiàn)高溫波動(dòng)現(xiàn)象。散熱面溫度波動(dòng)的原因在于：由于陽光照射影響，東西板散熱面熱耦合，導(dǎo)致每個(gè)軌道周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)2次波動(dòng)。對(duì)于散熱控制方法，由于熱開關(guān)自身熱阻的存在，進(jìn)入陰影區(qū)器件功率增大，熱量釋放增強(qiáng)，溫度升高，合理設(shè)計(jì)熱開關(guān)的通斷溫度，從而調(diào)節(jié)器件的最高溫度，保證器件溫度不會(huì)超過規(guī)定溫度。熱開關(guān)斷開熱阻為80 ℃/W，且器件有3 W的熱量維持，散熱面不需要熱量補(bǔ)償，其溫度受外熱流影響，呈周期性變化。

夏至?xí)r刻，由于地影區(qū)時(shí)長為0 min，S1功率恒定，補(bǔ)償加熱能滿足散熱面散出的熱量，因此，S1的溫度始終能保持穩(wěn)定，散熱補(bǔ)償方法器件S1溫度控制在11.0～13.0 ℃，散熱面的溫度在-1.4～2.2 ℃；散熱控制方法器件S1溫度控制在11.4～13.0 ℃，散熱面的溫度在-92.7～-31.1 ℃；蓄能散熱方法器件S1溫度控制在9.8 ℃左右，散熱面的溫度在8.0～8.6 ℃。

綜上所述，3種方法都能將器件S1的溫度控制在要求的范圍內(nèi)，滿足溫度指標(biāo)要求。

表1為不同時(shí)刻3種方法對(duì)應(yīng)的平均補(bǔ)償功耗。從表1中可以看出，夏至?xí)r刻，外熱流減小，補(bǔ)償功耗增大，且散熱補(bǔ)償方法所需補(bǔ)償功耗最大。表2為夏至?xí)r刻仿真所得平均功耗與理論估算結(jié)果的偏差，從表2中明顯地看出3種方法仿真分析結(jié)果與理論估算值偏差都在10%以下。

表1 三種方法平均補(bǔ)償功耗Table 1 Average compensation power of the three methods W

表2 仿真與理論估算平均補(bǔ)償功耗偏差Table 2 Deviation of average compensation power between simulation and theoretical estimation

3 分析與討論

本文從補(bǔ)償功耗和質(zhì)量兩個(gè)方面分析此3種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表3所示。散熱補(bǔ)償方法補(bǔ)償功耗最大，為67.1 W，質(zhì)量僅為加熱片和溫度傳感器自身的質(zhì)量，約為0.1 kg。散熱控制方法不需要補(bǔ)償功耗，質(zhì)量為熱開關(guān)的質(zhì)量，約為0.5 kg。蓄能散熱方法需要加熱補(bǔ)償功耗為6.75 W，質(zhì)量為相變材料、相變盒以及加熱片質(zhì)量的總和，約為3 kg。

由此可見，散熱補(bǔ)償和蓄能散熱方法在補(bǔ)償功耗和質(zhì)量方面各有缺點(diǎn)，功耗和質(zhì)量成為各自的約束。隨復(fù)合相變材料技術(shù)的發(fā)展，提高相變材料的融化潛熱，可減小熱控系統(tǒng)質(zhì)量，蓄能散熱將是未來熱控技術(shù)中廣泛使用的方法之一。散熱控制方法不僅可降低熱控系統(tǒng)質(zhì)量，且不消耗任何系統(tǒng)能源，是較為理想的散熱方法。

表3 三種方法優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 3 Comparison of advantages and disadvantages of the three methods

在實(shí)際工程中，還應(yīng)考慮質(zhì)量、功耗、可靠性、安全性、工藝性等。散熱補(bǔ)償方法通過散熱面和補(bǔ)償加熱的方式進(jìn)行熱控制，質(zhì)量小、可靠性高，且安全和工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用較為廣泛，是常用的熱控措施之一。散熱控制方法運(yùn)用熱開關(guān)的特性來實(shí)現(xiàn)散熱的目的，一般熱開關(guān)可靠性較高，但工藝較為復(fù)雜，對(duì)安裝的要求也較高，還需要選擇合適類型、合適開關(guān)比的熱開關(guān)，才能滿足實(shí)際工程應(yīng)用。蓄能散熱方法通過相變材料的蓄能能力實(shí)現(xiàn)短時(shí)大功率器件的散熱，工程應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要選擇潛熱大相變溫度合適的相變材料，其可靠性較高，工藝也不復(fù)雜，但質(zhì)量大，且對(duì)密封要求高，須防止發(fā)生泄漏危險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)GEO通信衛(wèi)星上某可變大功率器件提出了3種散熱方法，即散熱補(bǔ)償、散熱控制和蓄能散熱。通過理論估算和仿真計(jì)算，3種方法均能滿足溫度指標(biāo)要求，且仿真結(jié)果與理論估算偏差在10%以內(nèi)。同時(shí)，本文從補(bǔ)償功耗和質(zhì)量兩方面分析了3種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，散熱補(bǔ)償和蓄能散熱在功耗和質(zhì)量上有各自的約束，散熱控制不僅可減小熱控系統(tǒng)質(zhì)量，且不消耗任何系統(tǒng)能源，是較為理想的散熱方法。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮質(zhì)量、功耗、可靠性、安全性、工藝性等諸多影響因素，合理選擇可變大功率器件的散熱方法。

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(編輯：張小琳)

Study on Methods of Variable High Power Device Heat Dissipation for GEO Communications Satellite

HUANG Yong1LIU Zhengshan2GUO Liang1WEI Wei2

(1 Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China) (2 Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

For variable high power device for GEO communication satellite, three methods of thermal control are presented, including heat dissipation and compensation, heat dissipation and control, and heat storage and dissipation. Meanwhile, according to temperature index of the device, detailed theoretical calculation and simulation are carried out. The results show that the three methods can meet all the requirement of temperature of the device, and the deviation between theoretical and simulation results is less than 10%. In addition, by comparing the advantages and disadvantages of the three methods based on power and weight, the heat dissipation and control method is the ideal method because it can not only reduce the weight of system, but also not the consume of energy. In practical engineering applications, a reasonable method of variable high power device heat dissipation should be selected combing with the considering weight, power consumption, reliability, security, process and many other factors.

GEO；variable power；heat dissipation

2015-11-04；

2017-01-17

黃勇，男，博士，副研究員，從事航天航空光學(xué)遙感器熱設(shè)計(jì)。Email：huang001517@163.com。

V448

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.009