GEO長壽命衛(wèi)星熱管在軌等溫性能分析

劉百麟，李一帆，胡幗杰，王錄

1. 中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094 2. 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

熱管是20世紀60年代[1]發(fā)展起來的一種傳熱元件，它利用工作介質(zhì)的相變過程進行傳熱，具有高導(dǎo)熱性能和等溫特性，可在空間微重力環(huán)境中可靠地實現(xiàn)長距離、大負荷熱傳輸。熱管技術(shù)因其具有的優(yōu)良特性，作為高效率熱傳輸技術(shù)[2-5]已成為航天器熱控的重要手段，尤其是槽道熱管在衛(wèi)星上的應(yīng)用[6-7]更為普遍，主要用于散熱輻射器等溫化與熱傳輸。高軌通信系列衛(wèi)星具有千瓦級以上的熱傳輸與排散需求，故在衛(wèi)星熱控系統(tǒng)設(shè)計中使用大量的槽道熱管(約占熱控重量的60%)構(gòu)成熱管網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)熱傳輸，其熱管傳熱性能的穩(wěn)定性與可靠性直接影響衛(wèi)星熱控效果與服務(wù)壽命，是衛(wèi)星熱控設(shè)計的關(guān)鍵特性之一。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶不僅對通信衛(wèi)星有效載荷使用數(shù)量需求劇增，對衛(wèi)星長壽命、高可靠的需求也日益提高[8]，從中容量衛(wèi)星平臺到大容量衛(wèi)星平臺，提供有效載荷功率由約1 kW增加到8 kW，服務(wù)壽命由8年提高到15年?？煽扛咝У臒峥叵到y(tǒng)是空間飛行器安全工作的首要前提。從國內(nèi)外已發(fā)射衛(wèi)星的故障分析[9-10]可以發(fā)現(xiàn)，因熱控系統(tǒng)的故障導(dǎo)致任務(wù)失敗的概率很小，因此在進行長壽命衛(wèi)星設(shè)計時，更應(yīng)重視熱控系統(tǒng)部件的性能衰退對衛(wèi)星壽命的限制，諸如熱管等關(guān)鍵傳熱元件性能衰退更應(yīng)受到關(guān)注，研究其性能衰退變化規(guī)律，以適應(yīng)衛(wèi)星壽命不斷延長的需要。

熱管作為星載高壓器械，經(jīng)過一套嚴格的設(shè)計、加工制造、性能測試等研制規(guī)范體系加以質(zhì)量保證，在地面階段通過嚴格的檢漏、制造工藝及環(huán)境應(yīng)力試驗篩選等手段來消除早期失效，而必經(jīng)的地面高溫處理與在軌高溫工況都會加速熱管內(nèi)積累不凝氣體[11]，仍存在引起性能衰退的風險，這是生產(chǎn)制造過程中不可避免的。有關(guān)熱管傳熱性能的研究幾乎都局限于設(shè)計階段早期的傳熱性能測試、機理分析與試驗研究[12-14]，僅有李國強等[15]，對資源衛(wèi)星所使用兩種矩形槽道熱管的在軌等溫性能進行了評價，獲得LEO衛(wèi)星熱管3～5年的等溫性能變化趨勢，研究結(jié)論對GEO長壽命衛(wèi)星熱管性能變化趨勢借鑒有限。GEO長壽命衛(wèi)星熱管在軌等溫性能實際變化規(guī)律有待研究，有必要基于在軌數(shù)據(jù)對高軌長壽命衛(wèi)星熱管等溫傳熱性能進行分析，以指導(dǎo)衛(wèi)星工程設(shè)計應(yīng)用與改進方向，這也是評估長壽命熱管全壽命周期在軌性能退化規(guī)律真實有效的方法，故本文對此展開相關(guān)分析與評價。

1 熱管在軌等溫性能分析

中國GEO長壽命衛(wèi)星熱設(shè)計常用矩形槽道熱管與Ω形槽道熱管，熱管截面外形如圖1所示[4]。衛(wèi)星熱設(shè)計時，熱管預(yù)埋或外貼安裝于散熱輻射器艙板上實現(xiàn)熱傳輸，通常對熱管復(fù)合于蜂窩板后的等溫性有不超過一定范圍的要求。預(yù)埋熱管安裝在大功率高發(fā)熱設(shè)備(如：行波管、電源等)安裝艙板內(nèi)作為勻溫熱管實現(xiàn)局部熱量的遠程傳輸，外貼熱管安裝在艙板表面作為平衡熱管，在構(gòu)成正交熱管網(wǎng)絡(luò)輻射器中拉平預(yù)埋熱管之間溫度水平，通過正交熱管網(wǎng)絡(luò)設(shè)計起到等溫化及熱量傳輸?shù)碾p重目的。

圖1 中國GEO長壽命衛(wèi)星常用熱管截面示意Fig.1 Sectional schematic diagram of commonly used heat pipes for GEO long-life satellites in China

根據(jù)熱管工作原理，熱管的等溫傳熱性能綜合體現(xiàn)了熱管內(nèi)工質(zhì)泄漏程度、不凝氣體釋放量、傳熱能力等性能優(yōu)劣，熱管熱端(蒸發(fā)段)與冷端(冷凝段)溫差越小，即等溫性能越好，則表明工質(zhì)泄漏少、傳熱能力強、不凝氣體釋放量小，熱管性能就越優(yōu)良。衛(wèi)星在軌飛行期間，熱管等溫性能也是唯一可通過星上遙測數(shù)據(jù)采集分析的熱管性能表征參數(shù)。中國已成功發(fā)射了中容量和大容量平臺幾十顆GEO長壽命衛(wèi)星，衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定對地定向運行姿態(tài)(X軸指向飛行方向、Y軸垂直軌道面、Z軸指向地球)，部分衛(wèi)星在軌運行已長達10年以上。由衛(wèi)星熱管布局設(shè)計與測溫點設(shè)置，對同一根熱管兩端測溫點同一時刻的遙測溫度數(shù)值求差運算，即可獲得該時刻的熱管等溫性量值。按此方法，選取兩端均設(shè)置測溫點的熱管為研究對象，基于熱管兩端測溫點遙測數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計全壽命期內(nèi)不同飛行時刻的熱管等溫性量值，即可數(shù)值分析熱管在軌等溫性能隨飛行時間的變化規(guī)律。

1.1 中容量平臺衛(wèi)星熱管在軌等溫性能分析

中容量平臺某衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行長達12年，該星共使用20多根鋁-氨軸向槽道熱管，其中3根預(yù)埋熱管兩端均設(shè)置測溫點，且這3根熱管在空間獨立分布，無熱耦合關(guān)聯(lián)。以這3根熱管為研究對象，為使分析結(jié)果更加全面、可信，對在軌12年飛行期間每間隔4 h提取遙測數(shù)據(jù)進行抽樣分析。

該衛(wèi)星全壽命期內(nèi)熱管在軌等溫性統(tǒng)計分析結(jié)果詳見表1。由表1可知，在軌12年飛行期間，北板(-Y向)熱管溫差年均值變化范圍0.26～0.33℃，波動幅度均在4.2%以內(nèi)；溫差年最大峰值變化范圍0.73～1.06℃，與第一年相比，年最大峰值平均增長約35%，其中最大漲幅約40%，出現(xiàn)在第5年。南板(+Y向)熱管溫差年均值變化范圍0.45～0.68℃，年均值平均增長20%，其中最大漲幅約51.1%；溫差年最大峰值變化范圍0.52～1.60℃，與第一年相比，年最大峰值平均增長約97.9%，自第8年起最大峰值驟升，其中最大漲幅高達207.6%。

表1 中容量平臺衛(wèi)星熱管在軌等溫性統(tǒng)計分析結(jié)果

注：T — 溫度年變化范圍；ΔTave— 溫差年均值；ΔTmax— 溫差年最大峰值。

從表1熱管在軌溫差數(shù)據(jù)逐年變化來看，隨著在軌飛行時間推移，衛(wèi)星溫度水平逐漸升高，南板(+Y向)、北板(-Y向)熱管等溫性能均出現(xiàn)不同程度的退化趨勢，尤其是到壽命末期，其退化愈加明顯。圖2和圖3給出了全壽命期內(nèi)典型階段的南、北板熱管在軌等溫性變化趨勢。如圖2、圖3所示，每年內(nèi)熱管在軌等溫性能呈季節(jié)性變化規(guī)律，隨飛行時間推移，該規(guī)律性愈加突顯，其中，南板熱管兩端溫差在冬至(12月22日)前后達到最大峰值，北板熱管兩端溫差在夏至(6月22日)前后達到最大峰值。經(jīng)分析南、北板熱管溫度水平發(fā)現(xiàn)，受GEO空間外熱流變化規(guī)律影響，南板在冬至日前后受太陽外熱流輻照達到最強，南板熱管溫度水平達到年度最高(約37℃)，而北板在夏至日前后受太陽外熱流輻照達到最強，北板熱管溫度水平達到年度最高(約42℃)?？梢姡芡鉄崃髯兓瘜?dǎo)致熱管溫度水平變化，熱管溫度水平對其兩端溫差大小影響顯著，在軌高溫工況時熱管兩端溫差增大，其等溫性能下降，反之，在軌低溫工況時熱管兩端溫差則減小，等溫性能好。由此可知，熱管在軌等溫傳熱性能受其溫度水平影響較大，二者成反比關(guān)系。

圖2 中容量平臺衛(wèi)星載荷艙南板熱管在軌等溫性變化趨勢Fig.2 On-orbit isothermal variation trend of the heat pipe on the south slab of satellites based on the medium capacity platform

圖3 中容量平臺衛(wèi)星載荷艙北板熱管在軌等溫性變化趨勢Fig.3 On-orbit isothermal variation trend of the heat pipe on the north slab of satellites based on the medium capacity platform

1.2 大容量平臺衛(wèi)星熱管在軌等溫性能分析

大容量平臺A、B兩顆衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行分別為10.5年和8.5年，兩顆衛(wèi)星均使用70余根鋁-氨軸向槽道熱管。A星有7根熱管兩端均設(shè)置測溫點，B星有4根熱管兩端均設(shè)置測溫點，以這11根熱管為研究對象，為使分析結(jié)果更加全面、可信，對其在軌飛行期間每間隔4 h提取遙測數(shù)據(jù)進行抽樣分析。

A星飛行期間熱管在軌等溫性統(tǒng)計分析結(jié)果詳見表2。由表2可知，在軌10.5年飛行期間，北板(-Y向)熱管溫差年均值變化范圍0.06～0.25℃，波動幅度均在11.6%以內(nèi)，但各熱管之間年均值差異較大；溫差年最大峰值變化范圍0.32～0.33℃，與第一年相比，年最大峰值漲幅約在3%以內(nèi)，幾乎穩(wěn)定不變。南板(+Y向)熱管溫差年均值變化范圍0.02～0.24℃，波動幅度均在25%以內(nèi)，但各熱管之間年均值差異較大；溫差年最大峰值變化范圍0.33～0.34℃，與第一年相比，最大峰值漲幅約在3%以內(nèi)，幾乎穩(wěn)定不變。

表2 大容量平臺A衛(wèi)星熱管在軌等溫性統(tǒng)計分析結(jié)果

從表2熱管在軌溫差數(shù)據(jù)逐年變化來看，隨著在軌飛行時間推移，南板(+Y向)、北板(-Y向)熱管等溫性能基本保持不變，未出現(xiàn)明顯的退化趨勢。圖4和圖5給出了在軌飛行期間典型階段的南、北板熱管在軌等溫性變化趨勢。如圖4、圖5所示，每年內(nèi)熱管在軌等溫性能仍呈季節(jié)性變化規(guī)律，但并不突出。通過分析該星載荷艙南、北板溫度水平逐年變化趨勢可知，該星載荷艙板在主動加熱控溫作用下，一年內(nèi)各季節(jié)乃至其各年的溫度水平基本維持不變，且溫度水平偏低(最高約21.8℃)，受此影響，熱管在軌等溫性能變化不大，尤其是在冬至或夏至前后，熱管兩端溫差僅略有增大。

圖4 大容量平臺A衛(wèi)星載荷艙南板熱管在軌等溫性變化趨勢Fig.4 On-orbit isothermal variation trend of the heat pipe on the south slab of the satellite A based on the large-capacity platform

圖5 大容量平臺A衛(wèi)星載荷艙北板熱管在軌等溫性變化趨勢Fig.5 On-orbit isothermal variation trend of the heat pipe on the north slab of the satellite A based on the large-capacity platform

B星飛行期間熱管在軌等溫性統(tǒng)計分析結(jié)果詳見表3。由表3可知，在軌8.5年飛行期間，北板(-Y向)熱管溫差年均值變化范圍0.04～0.29℃，波動幅度均在10%以內(nèi)，但各熱管之間年均值差異較大；溫差年最大峰值變化范圍0.32～0.38℃，與第一年相比，年最大峰值漲幅約在18.7%以內(nèi)。南板(+Y向)熱管溫差年均值變化范圍0.01～0.24℃，波動幅度均在37.5%以內(nèi)，但各熱管之間年均值差異較大；溫差年最大峰值變化范圍0.35～0.43℃，與第一年相比，最大峰值漲幅約在22.8%以內(nèi)。

從表3熱管在軌溫差數(shù)據(jù)逐年變化來看，隨著在軌飛行時間推移，衛(wèi)星溫度水平逐漸升高，南板(+Y向)、北板(-Y向)熱管等溫性能均出現(xiàn)不同程度的退化趨勢，尤其是到壽命末期，其退化愈加明顯。圖6和圖7給出在軌飛行期間典型階段的南、北板熱管在軌等溫性變化趨勢。如圖6和圖7所示，每年內(nèi)熱管在軌等溫性能呈季節(jié)性變化規(guī)律，隨著飛行時間推移，該規(guī)律性愈加突顯，其中，南板(+Y向)熱管兩端溫差在冬至(12月22日)前后溫度水平最高(約35.3℃)時達到最大峰值，北板(-Y向)熱管兩端溫差在夏至(6月22日)前后溫度水平最高(約29.3℃)時達到最大峰值。熱管在軌等溫性能呈季節(jié)性變化規(guī)律機理分析如同前文1.1節(jié)所述。

1.3 綜合比較分析

綜合比較分析可知，大容量平臺A、B衛(wèi)星熱管在軌等溫性變化趨勢是一致的，無論是熱管等溫性年均值還是年最大峰值都基本相當，其溫差年均值小于0.29℃，溫差年最大峰值約0.43℃，由于A星載荷艙溫度水平比B星約低10℃，使得A星熱管等溫性年均值、年最大峰值分別比B星低16.0%和26.5%。

大容量平臺與中容量平臺衛(wèi)星熱管相比，兩個平臺的熱管在軌等溫性都呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律，即南板(+Y向)熱管兩端溫差在冬至(12月22日)前后溫度水平最高時達到最大峰值，北板(-Y向)熱管兩端溫差在夏至(6月22日)前后溫度水平最高時達到最大峰值；同期相比，中容量平臺衛(wèi)星熱管退化更加明顯，到壽命中末期(8年后)，熱管等溫性年最大峰值達到0.99～1.6℃，而大容量衛(wèi)星平臺熱管兩端溫差最大值僅為0.43℃，是大容量平臺衛(wèi)星熱管的2.3～3.7倍。相較而言，大容量平臺衛(wèi)星熱管在軌等溫性能穩(wěn)定性明顯優(yōu)于中容量平臺衛(wèi)星熱管，其穩(wěn)定性更好。這主要得益于大容量平臺衛(wèi)星熱管在設(shè)計、工藝上的改進，以及地面高溫不凝氣體老化試驗篩選等綜合改良的結(jié)果。

表3 大容量平臺B衛(wèi)星熱管在軌等溫性統(tǒng)計分析結(jié)果

圖6 大容量平臺B衛(wèi)星載荷艙南板熱管在軌等溫性變化趨勢Fig.6 On-orbit isothermal variation trend of the heat pipe on the south slab of the satellite B based on the large-capacity platform

2 改進分析與應(yīng)用建議

基于高軌長壽命衛(wèi)星熱管在軌等溫性能分析結(jié)果，應(yīng)用前經(jīng)過高溫不凝氣體老化試驗篩選的鋁-氨軸向槽道熱管在軌實際運行期間其等溫性優(yōu)于1℃，可較好地滿足衛(wèi)星熱控系統(tǒng)設(shè)計的一般要求，但某些具有高精密均溫設(shè)計需求的特殊對象，對熱管等溫性仍有改進需求。熱管的軸向溫度分布則可表征熱管的等溫性，是熱管設(shè)計中必須考慮的重要性能參數(shù)，取決于工質(zhì)物性、殼體導(dǎo)熱熱阻、熱流密度等因素。根據(jù)地面熱管壽命試驗及空間應(yīng)用實踐，確定出比較適合高軌衛(wèi)星熱控系統(tǒng)用熱管材料與工質(zhì)組合(鋁-氨)，鋁-氨具有良好的相容性，在氨熱管中，鋁-氨熱管的出氣量最小，且在高軌衛(wèi)星工作溫度范圍內(nèi)工質(zhì)氨具有優(yōu)良的熱物性，暫無可替代的性能更優(yōu)的工質(zhì)。熱管屬于壓力容器器械，殼體材料鋁合金具有高導(dǎo)熱、低比重的特性，是衛(wèi)星優(yōu)選的高導(dǎo)熱材料之一，在滿足耐壓安全性最小設(shè)計要求的情況下，通過減小殼體管壁厚度可減小殼體導(dǎo)熱熱阻，在衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計中，出于輕量化設(shè)計要求，目前星上使用熱管管壁厚度已接近最小允許設(shè)計值，因此通過減小殼體管壁厚度來改良熱管等溫性是有限的。除了從熱管自身設(shè)計改進外，從系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計層面改善熱管等溫性也是改進的主要方向。熱管傳熱系統(tǒng)溫差由多處熱阻造成，除熱管內(nèi)部本身的熱阻外，還與其熱負荷(傳熱量)、熱源分布、使用環(huán)境有關(guān)，從這幾個應(yīng)用設(shè)計方面可改進熱管等溫性。

首先，熱管的橫向等溫性與傳輸?shù)臒嶝摵纱笮≈苯酉嚓P(guān)，在低熱流量傳輸時具有更好的軸向等溫性，隨熱流量增大達到最大傳熱能力，若再增加熱負荷，蒸發(fā)段由于毛細極限的限制而得不到液體及時回流補充，從而發(fā)生局部或完全干涸現(xiàn)象，即已達到毛細極限時熱阻突然增大，熱管蒸發(fā)端和冷凝端的溫差也將增大。為了有效控制熱管軸向溫差，在熱管熱負荷承載設(shè)計時，應(yīng)按其最大傳熱能力采取降額使用設(shè)計，通常熱管使用時的傳熱能力需求不超過其極限傳熱能力的70%，針對高發(fā)熱設(shè)備安裝面可采取增加熱管數(shù)量來降低單根熱管承載的熱流，使設(shè)備與熱管接觸面的熱流密度及熱負荷承載量均在降額使用內(nèi)，避免局部產(chǎn)生“干熱斑”。其次，儀器設(shè)備布局時，應(yīng)使各發(fā)熱設(shè)備沿熱管長度均布在整根熱管上，避免過大熱源集中在熱管局部，為熱管提供一個均熱源分布的設(shè)計條件，最大程度地降低熱管蒸發(fā)段與冷凝段間的溫差，有利于熱管等溫性減小。最后，從使用環(huán)境上控制熱管等溫性，熱管的傳熱能力受其工作溫度影響較大，研究發(fā)現(xiàn)，在高溫工況時冷凝端出現(xiàn)液塞，液塞區(qū)域溫度比冷凝段非液塞區(qū)域低3℃以上，熱管冷熱兩端溫差隨其溫度升高而增大，因此通過系統(tǒng)熱設(shè)計，使熱管工作在較低的溫度水平范圍內(nèi)，有助于熱管等溫性改善；此外，對于有旋轉(zhuǎn)的特殊應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)考慮因旋轉(zhuǎn)引起的離心力對熱管溫差的影響，系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)充分利用離心力輔助工質(zhì)回流，有助于熱管的傳熱及溫差減小，并采取措施規(guī)避離心力阻礙管內(nèi)工質(zhì)回流造成溫差變大現(xiàn)象發(fā)生。

3 結(jié)束語

通過對中國GEO長壽命衛(wèi)星熱管在軌等溫性能分析研究，分析覆蓋了在軌長期穩(wěn)定飛行的中容量、大容量衛(wèi)星平臺，得出主要結(jié)論如下：

1)高軌長壽命衛(wèi)星熱管具有良好的在軌等溫性能，隨在軌飛行時間推移均出現(xiàn)不同程度的退化趨勢，退化后均能滿足工程設(shè)計指標(小于2℃)要求[15]，且仍有較大余量。

2)熱管在軌等溫性能的年周期變化規(guī)律呈現(xiàn)季節(jié)性，熱管等溫性最大峰值出現(xiàn)在冬至或夏至光照期高溫工況；熱管在軌等溫性能的全壽命周期變化規(guī)律呈現(xiàn)為隨飛行時間推移其性能衰減下降。

3)熱管等溫性能受熱管自身溫度水平影響明顯，隨熱管溫度升高，其等溫性能下降，即熱管冷、熱兩端溫差增大，反之，溫差減小。

4)熱管等溫性改進，可從熱管自身設(shè)計、環(huán)境試驗篩選、系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計等方向進行，譬如管體結(jié)構(gòu)設(shè)計、工質(zhì)、熱負荷大小與分布、使用環(huán)境等都是改進熱管等溫性的要素，后續(xù)將對上述影響因素開展進一步深入研究。