航天器高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的熱控設(shè)計及驗證

童葉龍 李一凡 趙欣 史海濤 林文竹 肖朋

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094)

隨著對地、對天觀測航天器成像精度指標(biāo)要求的日益提高，高圖像定位精度成為高性能遙感航天器的典型特征。而航天器在軌結(jié)構(gòu)的變形會直接影響相機(jī)、星敏感器、陀螺等關(guān)鍵部件自身空間指向及彼此間的幾何關(guān)系，甚至影響相機(jī)內(nèi)部各鏡片間的空間位置關(guān)系，是決定圖像定位精度、相機(jī)成像質(zhì)量的重要因素之一[1-2]。

為滿足航天器高分辨率有效載荷設(shè)計及安裝要求，航天器必須具備高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)安裝平臺，安裝平臺既要起到支撐連接作用，又要具備耐受真空、溫變影響的高穩(wěn)定性[3]。因此，高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)安裝平臺對溫度場的穩(wěn)定性、均勻性提出了較高的要求。如何保證高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)安裝平臺溫度的均勻性和穩(wěn)定性是未來航天器面臨的重要技術(shù)難題。

目前，航天器精密控溫設(shè)計主要集中在光學(xué)類載荷，比如光學(xué)相機(jī)、空間光通信載荷、星敏感器等。國外大都采用了以被動熱控為主，電加熱主動熱控為輔的熱控方案，如美國為哈勃望遠(yuǎn)鏡鏡片提供高的溫度均勻性和一些高精度相機(jī)的溫度均勻性熱控制等[4-6]。但當(dāng)前缺少對空間大尺寸(2 m以上量級)高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的熱控制技術(shù)相關(guān)報道。國內(nèi)劉百麟等人[7]對星載二維轉(zhuǎn)臺伺服機(jī)構(gòu)等溫化設(shè)計進(jìn)行研究，采用低熱導(dǎo)率鈦合金結(jié)構(gòu)表面鍍高熱導(dǎo)率金屬鍍層(銅)的方法，提高了結(jié)構(gòu)當(dāng)量熱導(dǎo)率。但銅密度較大，與非金屬復(fù)合材料結(jié)合力差。

本文針對大尺寸、高穩(wěn)定載荷安裝平臺的熱控需求，提出了一種基于高導(dǎo)熱柔性材料的分區(qū)控溫設(shè)計方法，并以某測繪衛(wèi)星載荷適配結(jié)構(gòu)為例，在該方法指導(dǎo)下，進(jìn)行了熱設(shè)計，并通過熱試驗及熱分析綜合驗證。

1 高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的熱控設(shè)計

1.1 熱設(shè)計特點分析

高穩(wěn)定的載荷安裝平臺的熱設(shè)計存在如下特點。

(1)尺寸大，自身導(dǎo)熱較差。載荷安裝平臺尺寸大，為了減小熱變形，常采用碳纖維復(fù)材、鈦合金等熱膨脹系數(shù)較小的材料，它們的導(dǎo)熱系數(shù)均比較小。

(2)熱邊界條件復(fù)雜。載荷安裝平臺一般與衛(wèi)星平臺、相機(jī)、星敏感器等部件存在機(jī)械安裝接口，與星內(nèi)結(jié)構(gòu)、設(shè)備存在輻射換熱，因此，換熱關(guān)系較為復(fù)雜。

(3)所處的熱環(huán)境復(fù)雜。載荷安裝平臺暴露在冷空間，在空間外熱流驟變影響下，其溫度場分布嚴(yán)重不均，溫控難度大增。

1.2 基于高導(dǎo)熱柔性材料的分區(qū)控溫設(shè)計方法

在繼承常規(guī)熱設(shè)計方法及傳統(tǒng)的電加熱分區(qū)控溫、隔熱設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于高導(dǎo)熱柔性材料的分區(qū)控溫設(shè)計方法，具體如下。

(1)基于高導(dǎo)熱柔性材料的等溫化設(shè)計。采用機(jī)、熱一體化設(shè)計思路，以結(jié)構(gòu)熱變形最小為出發(fā)點，選擇與載荷安裝平臺(自身熱膨脹系數(shù)較小)熱膨脹系數(shù)匹配的高導(dǎo)熱石墨材料(約為1×10-6℃)，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自持熱穩(wěn)定性，同時提高結(jié)構(gòu)當(dāng)量熱導(dǎo)率，改進(jìn)結(jié)構(gòu)均熱設(shè)計基礎(chǔ)。

(2)強(qiáng)化隔熱設(shè)計。利用結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)雙重隔熱，提高多層隔熱組件的隔熱效果，大大地降低了空間外熱流以及星內(nèi)結(jié)構(gòu)溫度波動對載荷安裝平臺溫度場的影響。

1.2.1 等溫化設(shè)計

目前，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)航天器進(jìn)行等溫化設(shè)計的主要手段為電鍍或表貼熱控材料，通常是鋁箔、銅箔等金屬材料或熱管，金屬材料密度大、熱膨脹系數(shù)大，且常用金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)不超過400 W/(m·K)；而熱管應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)均溫時，存在熱控實施和地面熱試驗難度大的缺點。

本文采用機(jī)、熱一體化設(shè)計思路，在滿足功能和性能的前提下，選擇合理的熱材料，使整個結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)匹配。高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜由于具有導(dǎo)熱系數(shù)高、密度低、柔韌性好等優(yōu)異的性能，同時熱膨脹系數(shù)與碳纖維復(fù)合材料相近，因此被采用。目前，已研發(fā)出不同厚度的高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜，其中，0.25 mm厚的高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜(見圖1)導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)750 W/(m·K)，最大尺寸為5 m×0.2 m，其密度約為1.6 g/cm3，均溫效果可等效為2 mm厚的鋁合金，但質(zhì)量僅為鋁合金的9%，大大地降低了熱控材料的質(zhì)量。實施時可通過增加石墨材料之間搭接寬度(如大于25 mm)，以提高均溫的效果。

圖1 高導(dǎo)熱石墨材料Fig.1 High thermal conductivity graphite film material

1.2.2 強(qiáng)化隔熱設(shè)計

隔熱設(shè)計分為2種：一種是基于導(dǎo)熱性質(zhì)；另一種是基于輻射性質(zhì)。通常采用在被控對象與其他結(jié)構(gòu)連接處增加隔熱墊片的方法，減小被控對象與其他結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱耦合，達(dá)到導(dǎo)熱隔熱的目的。

本文在減小隔熱墊面積的同時，采用分層隔熱墊片，以增加隔熱墊片之間的接觸熱阻，在螺釘頭處加裝隔熱墊片，減小螺釘?shù)穆幔罱K達(dá)到弱化被控對象與其他結(jié)構(gòu)之間的導(dǎo)熱耦合，見圖2(a)。

工程中通常采用在被控對象上包覆多層隔熱組件的方法，減小空間外熱流或艙內(nèi)設(shè)備對被控對象溫度場的影響，達(dá)到輻射隔熱的目的。單位厚度的層數(shù)增多，層間接觸就會增加，通過接觸導(dǎo)熱傳遞的熱量也會增加，當(dāng)層數(shù)大于25～30，有效發(fā)射率幾乎不變[8]。

為了進(jìn)一步降低空間外熱流或艙內(nèi)設(shè)備對被控對象溫度穩(wěn)定性的影響，采用雙層多層強(qiáng)化隔熱，在被控對象上布置若干鋁條，多層隔熱組件1貼體包覆于被控對象上，多層隔熱組件2固定在鋁條上，2個多層之間沒有接觸換熱，增強(qiáng)了隔熱效果，如圖2(b)所示。

圖2 強(qiáng)化隔熱結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Design for the enhanced thermal insulation

2 分析與驗證

2.1 某測繪衛(wèi)星的載荷安裝平臺熱控設(shè)計

載荷適配結(jié)構(gòu)作為某測繪衛(wèi)星的載荷安裝平臺，其結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性直接關(guān)乎整星成像精度。因此，衛(wèi)星總體提出了較高的溫度穩(wěn)定性和均勻性指標(biāo)，見表1。

表1 熱控要求

載荷適配結(jié)構(gòu)由筒殼、變截面端框、主梁、次梁及輔梁組成，如圖3所示。采用碳纖維復(fù)合材料，自身導(dǎo)熱差。載荷適配結(jié)構(gòu)通過筒殼與平臺模塊承力筒對接，通過變截面端框與大型支架、測繪相機(jī)連接，熱耦合復(fù)雜。載荷適配結(jié)構(gòu)還受到空間外熱流的影響，尤其是+X側(cè)，直接暴露在冷空間中。

圖3 載荷適配結(jié)構(gòu)Fig.3 High-stability structure

載荷適配結(jié)構(gòu)熱控設(shè)計狀態(tài)如下。

(1)等溫化設(shè)計：選用厚度為0.25 mm、導(dǎo)熱系數(shù)為750 W/(m·K)、尺寸為0.2 m×0.3 m的高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜，采用硅橡膠粘貼至載荷適配結(jié)構(gòu)，相互搭接寬度不小于25 mm。

(2)隔熱設(shè)計：①載荷適配結(jié)構(gòu)與測繪相機(jī)、大型支架、平臺模塊承力筒的連接點處加裝分層聚酰亞胺隔熱墊片，并在螺釘頭處加裝厚度不小于2 mm的聚酰亞胺隔熱墊，最終達(dá)到弱化載荷適配結(jié)構(gòu)與這些結(jié)構(gòu)之間的熱耦合。②筒殼、變截面端框內(nèi)外表面、主梁、次梁外表面均包覆15單元的多層隔熱組件，+X側(cè)端框及主、次梁外露在冷空間部分包裹雙層多層，以減小外熱流對載荷適配結(jié)構(gòu)溫度場的影響。

(3)主動控溫設(shè)計：將載荷適配結(jié)構(gòu)分為多個等溫加熱器區(qū)，在等溫加熱區(qū)布置主動控溫回路。經(jīng)詳細(xì)分析確定，端框及主次梁一共布置了主備各16路控溫回路，閾值為(23±0.3)℃，筒殼布置了主備各7路控溫回路，閾值為(19.5±0.3)℃。

2.2 仿真分析與對比

根據(jù)載荷適配結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計狀態(tài)，采用Thermal Desktop軟件建立了熱分析模型，根據(jù)外熱流條件及整星工作模式，確立了高低溫工況，進(jìn)行了詳細(xì)熱分析，分析工況見表2。

表2 計算工況

載荷適配結(jié)構(gòu)各部件計算溫度結(jié)果見表3，均滿足指標(biāo)要求。圖4、圖5分別給出了高低溫工況下載荷適配結(jié)構(gòu)端框相機(jī)安裝點處溫度曲線。

表3 分析結(jié)果對比

圖4 高溫工況端框相機(jī)安裝點處溫度曲線Fig.4 Temperature curve of camera mounting point in hot case

圖5 低溫工況端框相機(jī)安裝點處溫度曲線Fig.5 Temperature curve of camera mounting point in cold case

2.2.1 等溫化設(shè)計材料對溫度場的影響分析

采用0.25 mm厚的鋁箔或銅箔作為載荷適配結(jié)構(gòu)的等溫化設(shè)計材料，保持其他設(shè)計狀態(tài)不變。表3給出了低溫工況下載荷適配結(jié)構(gòu)端框溫度場，與鋁箔相比，采用同樣厚度的銅箔可使端框溫度梯度降低約4.5 ℃；與銅箔相比，采用同樣厚度的高導(dǎo)熱柔性石墨可使端框溫度梯度降低約1.3 ℃。因此，高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜應(yīng)用于載荷適配結(jié)構(gòu)的等溫化設(shè)計，可有效地降低溫度梯度和質(zhì)量。

2.2.2 雙層多層對溫度場的影響分析

本節(jié)對比了+X側(cè)端框外露在冷空間部分多層實施狀態(tài)對端框溫度波動的影響，當(dāng)包覆常規(guī)單層多層時，+X側(cè)端框低溫工況下的相機(jī)安裝點處峰值溫度約為27.0 ℃；包覆雙層多層時，則峰值溫度降至23.57 ℃，如圖6所示。因此，雙層多層可降低端框的溫度波動，約3.4 ℃。

圖6 低溫工況端框+X側(cè)相機(jī)安裝點處溫度曲線Fig.6 Temperature curve of +X side camera mounting point in cold case

2.3 試驗結(jié)果與討論

為驗證載荷適配結(jié)構(gòu)熱設(shè)計的正確性，根據(jù)載荷適配結(jié)構(gòu)熱邊界條件，進(jìn)行了熱平衡試驗。試驗采用真空罐模擬空間深冷環(huán)境，外熱流采用加熱器模擬，試驗時施加6個臺階外熱流，光照區(qū)分為5個臺階，陰影區(qū)分為1個臺階。

根據(jù)載荷適配結(jié)構(gòu)熱分析情況，試驗對在軌高溫、低溫工況均進(jìn)行了驗證。試驗中控溫回路功率及布局、控溫閾值設(shè)置、外熱流情況均與熱分析模型中的數(shù)據(jù)一致。載荷適配結(jié)構(gòu)各部件試驗溫度見表4。高溫工況下，載荷適配結(jié)構(gòu)端面及主次梁試驗溫度范圍為20.8～24.5 ℃，最大溫度波動為0.37 ℃，溫度梯度最大為3.1 ℃，滿足溫度指標(biāo)要求。載荷適配結(jié)構(gòu)筒殼溫度范圍為20.8～24.2 ℃，滿足15～28 ℃溫度指標(biāo)要求。圖7給出了2016年11月13日高溫工況下載荷適配結(jié)構(gòu)端框相機(jī)安裝點處溫度曲線。低溫工況下，載荷適配結(jié)構(gòu)端面及主次梁試驗溫度范圍為20.0～24.1 ℃，最大溫度波動為0.38 ℃，最大溫度梯度4.0 ℃，滿足指標(biāo)要求。載荷適配結(jié)構(gòu)筒殼溫度范圍為17.6～22.0 ℃，滿足指標(biāo)要求。圖8給出了2016年11月17日低溫工況下載荷適配結(jié)構(gòu)端框相機(jī)安裝點處溫度曲線。

表4 熱分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比

表4對比了熱分析結(jié)果與試驗結(jié)果，具體如下。

(1)高低溫工況下，載荷適配結(jié)構(gòu)溫度水平計算值與試驗值相近；在低溫工況下，熱分析模型預(yù)測的適配結(jié)構(gòu)控溫平均功率為89.7 W，試驗值為76.3 W，偏差為9.5%，表明熱分析模型正確、可信。

(2)載荷適配結(jié)構(gòu)溫度梯度計算值與試驗值相近，并小于試驗值，表明高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜與適配結(jié)構(gòu)之間的換熱良好，實施工藝滿足設(shè)計要求。

(3)載荷適配結(jié)構(gòu)溫度波動計算值比試驗值約高2.5 ℃，主要原因如下：①試驗過程中，適配結(jié)構(gòu)通過加熱器來模擬其吸收的外熱流，光照區(qū)分為5個臺階，無法模擬在軌連續(xù)變化的外熱流，導(dǎo)致溫度波動偏小，約0.2～0.4 ℃。②熱分析模型中未考慮結(jié)構(gòu)膠及連接角條等部件的質(zhì)量(約占總質(zhì)量的20%)，導(dǎo)致適配結(jié)構(gòu)熱容取值偏小，導(dǎo)致溫度波動偏小，約0.5 ℃。③熱分析模型中多層有效發(fā)射率取0.032相對比較保守；當(dāng)多層有效發(fā)射率取0.022時，可使適配結(jié)構(gòu)溫度波動計算值與試驗值一致。

圖7 高溫工況端框相機(jī)安裝點處試驗溫度曲線Fig.7 Test temperature curve of camera mounting point in hot case

圖8 低溫工況端框相機(jī)安裝點處試驗溫度曲線Fig.8 Test temperature curve of camera mounting point in cold case

3 結(jié)論

本文針對大尺寸高穩(wěn)定載荷安裝平臺高溫度均勻性、穩(wěn)定性的熱控需求，提出了一種基于高導(dǎo)熱柔性材料的分區(qū)控溫設(shè)計方法，以某測繪衛(wèi)星載荷適配結(jié)構(gòu)為例，通過熱分析及熱試驗驗證了該設(shè)計方法的合理性與正確性，結(jié)論如下。

(1)高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜具有導(dǎo)熱系數(shù)高、密度小、柔韌性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異的性能，可應(yīng)用于對溫度均勻性要求高的結(jié)構(gòu)或衛(wèi)星載荷的等溫化設(shè)計，有效地降低溫度梯度和質(zhì)量。

(2)采用機(jī)、熱一體化設(shè)計思路，巧妙設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得雙層多層隔熱組件之間無接觸換熱，提高隔熱效果，大大降低空間外熱流以及星內(nèi)結(jié)構(gòu)溫度波動對被控對象溫度場的影響。

本文提出的方法可為有高精度控溫需求部件的熱設(shè)計提供參考。

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