低傾角軌道微小遙感衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

柏 添，孔 林*，黃 健，姜 峰，張 雷，2

(1.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

光學(xué)遙感衛(wèi)星在包括資源調(diào)查、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及環(huán)境保護(hù)等空間對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，扮演著重要角色。世界各國對(duì)遙感衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)高時(shí)間、高空間分辨率和高穩(wěn)定性的要求不斷提高[1-2]。微小衛(wèi)星星座組網(wǎng)或編隊(duì)容易獲得高的時(shí)間分辨率和觀測(cè)覆蓋性，縮短重訪時(shí)間，達(dá)到甚至超越大型衛(wèi)星的功能，因此是世界航天發(fā)展的趨勢(shì)[3]。

美國的Skysat衛(wèi)星質(zhì)量約為90 kg，對(duì)地觀測(cè)和視頻成像的分辨率接近亞米級(jí)。“鴿群(Flock)”系列衛(wèi)星質(zhì)量則很輕，約為3 kg，傳感器視場(chǎng)角小，分辨率在米級(jí)水平，但憑借在衛(wèi)星數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更短的重訪周期[4]。阿根廷Satellogic公司也計(jì)劃創(chuàng)建一個(gè)大型對(duì)地觀測(cè)星座[5]，預(yù)計(jì)2023年實(shí)現(xiàn)300衛(wèi)星同時(shí)在軌的目標(biāo)。國內(nèi)的長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司也在積極組建光學(xué)遙感星座，2019年6月“吉林一號(hào)”星座入軌第十三顆衛(wèi)星，與之前發(fā)射的衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)。該衛(wèi)星是長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司探索短周期、低成本、高分辨率、高集成度衛(wèi)星技術(shù)的又一突破。星上主載荷是一臺(tái)低傾角軌道高分辨率推掃成像相機(jī)。該衛(wèi)星整星質(zhì)量約為40 kg，在573 km低傾角軌道下相機(jī)分辨率為1.06 m。為保證相機(jī)的在軌成像質(zhì)量和指向精度，相機(jī)的主要部組件需在全壽命周期內(nèi)保持較高的溫度穩(wěn)定性[6]。

目前，光學(xué)遙感衛(wèi)星主要采用太陽同步軌道，鮮有采用低傾角軌道的案例，對(duì)低傾角遙感衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的報(bào)道幾乎沒有。相比太陽同步軌道，低傾角軌道上的衛(wèi)星對(duì)低緯度地區(qū)有著更高的重訪周期，但低傾角軌道的熱流環(huán)境變化更為復(fù)雜，衛(wèi)星(特別是遙感相機(jī))的熱設(shè)計(jì)難度更大。

衛(wèi)星運(yùn)行的低傾角軌道β角在-67°～+67°間交替變化，導(dǎo)致空間熱流波動(dòng)大，衛(wèi)星最長會(huì)經(jīng)受約為7天的全陽照時(shí)間；整星承力筒既為衛(wèi)星單機(jī)安裝提供附著點(diǎn)和支撐，也充當(dāng)相機(jī)的“遮光罩”，承力筒一面長期對(duì)日，導(dǎo)致承力筒的溫度不均勻增大，影響光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性；衛(wèi)星質(zhì)量輕，受熱擾動(dòng)溫度變化明顯，單機(jī)一體化程度高，熱流密度大，單機(jī)自身散熱困難，且由于單機(jī)安裝于承力筒上，單機(jī)的溫度波動(dòng)會(huì)間接導(dǎo)致光學(xué)組件的溫度波動(dòng)，故亟待開辟新的散熱途徑。該星研制成本低、周期短，分配給熱控的資源少，除相機(jī)、蓄電池以外，其余單機(jī)均采用被動(dòng)熱控?？偟膩碚f，低傾角軌道所帶來的全陽照時(shí)間，單機(jī)一體化程度高、熱流密度大、安裝位置特殊，相機(jī)熱控精度要求高，承力筒材料導(dǎo)熱系數(shù)低、溫度不均勻等給整星熱控設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn)。

本文給出了詳細(xì)的衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)方案，并經(jīng)過地面試驗(yàn)和在軌飛行驗(yàn)證了該熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

2 衛(wèi)星概述

衛(wèi)星主要由相機(jī)組件、承力筒、大綜電系統(tǒng)、飛輪以及推進(jìn)系統(tǒng)等部分組成。承力筒是整星的主承力結(jié)構(gòu)、材料為碳纖維。整星沒有嚴(yán)格意義的單機(jī)艙。根據(jù)坐標(biāo)系，衛(wèi)星外表面可劃分為+X，-X，+Y，-Y，+Z，-Z共6個(gè)方向，結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。相機(jī)通過隔振墊與承力筒相連，單機(jī)主要集中布置在承力筒-Y側(cè)。整個(gè)承力筒為整星所有單機(jī)組件提供固定安裝界面并承受作用在衛(wèi)星上的靜力和動(dòng)力載荷，同時(shí)起到相機(jī)“遮光罩”的作用，衛(wèi)星一體化程度高。

為了滿足光學(xué)相機(jī)的在軌成像要求，相機(jī)桁架的在軌全壽命溫度均勻性≤±0.4 ℃，全壽命溫度穩(wěn)定性≤±0.2 ℃，且溫度水平在15～25 ℃可調(diào)。

圖1 “吉林一號(hào)”衛(wèi)星總體布局

星上核心部件大綜電分系統(tǒng)由多個(gè)單機(jī)構(gòu)成，包括數(shù)傳端機(jī)、測(cè)導(dǎo)單元、中心機(jī)、配電熱控單元、電源控制器和成像處理單元等，峰值熱耗約為85 W。衛(wèi)星主要部件的控溫指標(biāo)如表1所示。

表1 熱控分系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3 外熱流分析

外熱流的準(zhǔn)確分析是熱設(shè)計(jì)和熱試驗(yàn)的基礎(chǔ)。衛(wèi)星軌道的β角越大，單軌陽照時(shí)間越長，衛(wèi)星散熱能力越差。當(dāng)?shù)厍蛭挥诙咙c(diǎn)時(shí)，太陽輻射熱流最強(qiáng)，衛(wèi)星的β角變化是-67°～67°。故本文利用軟件計(jì)算了兩個(gè)極端工況(β=0 ℃，夏至日和β=67 ℃，冬至日)的外熱流，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 低溫工況(夏至日& β=0)熱流

圖3 高溫工況(冬至日& β=67°)熱流

由熱流分析結(jié)果可知：衛(wèi)星三軸對(duì)日狀態(tài)下，除對(duì)日面(+X面)以外，其余各向熱流較小，均可做衛(wèi)星散熱面，但由于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)限制，僅-Y面為主要散熱面，且散熱面的散熱能力受到展開帆板溫度水平的影響。高溫工況中，從+X面熱流可以看出，衛(wèi)星處于全陽照軌道段，熱環(huán)境極為惡劣，對(duì)日面熱量累積比較大。與低溫工況熱流相比，-X面熱流有所減小，導(dǎo)致高溫工況下承力筒的溫度不均勻性加劇。且帆板長期處于高溫度水平，散熱面散熱能力下降，整星熱控面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

4 熱設(shè)計(jì)任務(wù)分析

熱控分系統(tǒng)在軌長期功耗不能超過12 W，質(zhì)量小于1.5 kg。所處空間熱環(huán)境復(fù)雜，熱設(shè)計(jì)難度大，主要體現(xiàn)在：相比太陽同步軌道，低傾角軌道衛(wèi)星所處空間熱環(huán)境更加復(fù)雜、惡劣。單軌陽照時(shí)間變化大，存在7 d左右的全陽照時(shí)間。全陽照會(huì)使整星熱量累積，散熱通道受阻，整星溫度升高，碳纖維承力筒溫度不均勻性加劇，相機(jī)所處環(huán)境條件更加惡劣。

相機(jī)桁架桿熱控指標(biāo)高，給測(cè)溫精度和控溫精度都提出了較高的要求。在整星質(zhì)量較小、熱慣性較低的情況下，抑制外熱流擾動(dòng)，保持相機(jī)內(nèi)部溫度穩(wěn)定難度很大[7]。為滿足高分辨率成像需求，桁架桿在軌全壽命周期的溫度穩(wěn)定性要小于±0.2 ℃，均勻性小于±0.4 ℃。

大綜電分系統(tǒng)集成度高、熱流密度大、承力筒熱導(dǎo)率低，主要依靠散熱面進(jìn)行散熱，散熱通道單一，散熱效率受單軌陽照時(shí)間限制。

5 熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌主要工作模式有：三軸對(duì)日模式、推掃成像業(yè)務(wù)模式、對(duì)地?cái)?shù)傳業(yè)務(wù)模式以及實(shí)時(shí)數(shù)傳業(yè)務(wù)模式等等。其中，三軸對(duì)日整星功耗約為40 W，成像模式功耗約為100 W，數(shù)傳模式功耗約為140 W，實(shí)時(shí)數(shù)傳模式功耗約為170 W。最長數(shù)傳時(shí)間為600 s，最長成像時(shí)間為300 s，發(fā)熱功率主要集中在大綜電分系統(tǒng)，功耗非常集中，熱流密度大。結(jié)合衛(wèi)星的任務(wù)特點(diǎn)和所處的低傾角軌道環(huán)境，在“被動(dòng)熱控措施為主，主動(dòng)熱控手段為輔”的前提下，提出了一系列有針對(duì)性的熱控措施，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的高精度控溫，保證衛(wèi)星平臺(tái)工作在合適的溫度區(qū)間。

5.1 整星散熱面開設(shè)方案

總體上，除入光口、散熱面以及有視場(chǎng)要求的位置以外，其余表面基本都包覆了多層隔熱組件，盡可能減小外熱流變化對(duì)衛(wèi)星的影響[8]。

單機(jī)主要布置在整星的-Y側(cè)，且無結(jié)構(gòu)件將單機(jī)與空間環(huán)境隔離，故直接實(shí)施多層隔熱組件來滿足熱控、結(jié)構(gòu)及電子學(xué)方面的隔離需求。通過在多層隔熱組件上面開口的方式開設(shè)散熱面。為了使不常工作單機(jī)和大功耗單機(jī)均處于合適的溫度區(qū)間，需要精確計(jì)算散熱面面積。計(jì)算結(jié)果再代入仿真計(jì)算中進(jìn)行校核，最終確認(rèn)散熱面面積。

在估算中，衛(wèi)星布置單機(jī)的-Y側(cè)通過多層隔熱組件吸收和輻射的熱量可忽略，通過散熱面接收空間外熱流，并向空間輻射熱量。根據(jù)上述條件，散熱面吸收的熱量Q1為：

Q1=Q內(nèi)+α×q1×A+ε×q2×A，

(1)

其中：Q內(nèi)為內(nèi)熱源熱量，q1為太陽直射和地球返照的入射熱流，q2為地球紅外的入射熱流，α為散熱面太陽吸收率，ε為散熱面表面發(fā)射率，A為散熱面面積。

散熱面輻射的熱量Q2為：

Q2=A×ε×σ×T4，

(2)

其中σ為斯忒藩-玻爾茲曼常量。

當(dāng)熱平衡時(shí)，有：

Q1=Q2.

(3)

將估算結(jié)果代入仿真計(jì)算中進(jìn)行迭代分析，最后確定在整星-X向、-Y向分別開設(shè)面積約為0.05，0.13 m2的散熱面，位置如圖4所示，散熱面為一層F46膜。

圖4 衛(wèi)星散熱面示意圖

5.2 相機(jī)熱設(shè)計(jì)

衛(wèi)星的主載荷為260 mm口徑同軸反射式相機(jī)，如圖5所示，次鏡安裝于桁架桿頂端，主要由三根桁架桿來保證主、次鏡的位置關(guān)系，桁架的材料為鈦合金，線脹系數(shù)約為9×10-6K-1，所以保證三根桁架桿溫度的均勻性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖5 相機(jī)布局示意圖

與太陽同步軌道的相機(jī)有所不同，該相機(jī)所處軌道外熱流變化復(fù)雜，且單機(jī)安裝位置離相機(jī)近，易對(duì)相機(jī)溫度造成擾動(dòng)，影響熱控調(diào)焦精度。采用的熱控措施如下：桁架共設(shè)置了4個(gè)主動(dòng)控溫加熱區(qū)，如圖6所示。加熱片直接粘貼在桁架表面，粘貼好加熱片以后，整體粘貼一層導(dǎo)熱石墨片，然后包覆10單元的多層隔熱組件。每根桁架桿的溫度都可單獨(dú)調(diào)整，通過合理分配加熱區(qū)功率，優(yōu)化控溫算法，保證了桁架的軸向溫差和徑向溫差都優(yōu)于0.8 ℃。

圖6 桁架加熱區(qū)布置局示意圖

在整星承力筒-Y側(cè)(單機(jī)安裝面)，即承力筒內(nèi)壁鋪設(shè)10單元多層隔熱組件，如圖7所示，以此來隔絕單機(jī)熱源對(duì)相機(jī)的影響。否則單機(jī)的熱耗會(huì)使桁架局部溫度偏高，無法滿足桁架桿的溫度均一性指標(biāo)，而且過大的單機(jī)熱量傳遞到相機(jī)會(huì)使桁架桿溫度調(diào)節(jié)范圍變窄。

圖7 承力筒內(nèi)部多層位置

桁架桿上粘貼兩層導(dǎo)熱石墨片，粘貼后鈦合金材料的桁架桿等效導(dǎo)熱系數(shù)可提升至80 W·m-1·K-1，從而提高桁架的等溫性。

由于桁架桿需要單獨(dú)的控溫區(qū)間，需要減小桁架桿與其他組件的溫度耦合，才能滿足精確控溫指標(biāo)；而采用聚酰亞胺隔熱墊不能滿足相機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度指標(biāo)，故將桁架底部安裝面銑出凸臺(tái)，并將凸臺(tái)鏤空，盡可能增大接觸熱阻，減小桁架桿與其他組件熱耦合的同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)安裝及力學(xué)特性。

為了保證桁架的測(cè)溫精度，需要標(biāo)定相機(jī)測(cè)溫用的熱敏電阻，熱敏電阻標(biāo)定后，在15～25 ℃具有小于±0.1 ℃的互換精度。

同時(shí)還需對(duì)星上的測(cè)溫電路進(jìn)行標(biāo)定。利用標(biāo)準(zhǔn)電阻模擬熱敏電阻對(duì)應(yīng)溫度下的電阻值，接入星上測(cè)溫電路，然后對(duì)測(cè)溫電路輸出的十六位碼值進(jìn)行修正，可使測(cè)溫電路的測(cè)溫精度在±0.03 ℃以內(nèi)，從而滿足測(cè)溫精度需求。承力筒采用均溫措施，主要通過在承力筒表面和承力筒多層隔熱組件最外層薄膜的內(nèi)表面鋪設(shè)導(dǎo)熱石墨片的方法，將熱量由承力筒受照面導(dǎo)向背陰面，從而減小承力筒各區(qū)域的溫度梯度[9]，保證相機(jī)桁架溫度的均一性和穩(wěn)定度，如圖8所示。

5.3 單機(jī)設(shè)備熱控設(shè)計(jì)

單機(jī)集中布置在碳纖維承力筒的-Y側(cè)，碳纖維承力筒導(dǎo)熱差，不利于單機(jī)間的熱量相互傳導(dǎo)，各單機(jī)溫度差異大。功率密度大的單機(jī)(如大綜電分系統(tǒng))溫度水平高，任務(wù)期間溫升快，連續(xù)任務(wù)后熱量難以及時(shí)導(dǎo)出，需要開設(shè)較大面積的散熱面。而不開機(jī)單機(jī)則無常值功耗(如S向飛輪)，要保證其零度以上的待機(jī)溫度且不消耗主動(dòng)熱控資源，散熱面不能過大。綜上，單機(jī)設(shè)備的熱控設(shè)計(jì)要統(tǒng)籌考慮各單機(jī)的在軌工作狀態(tài)，保證其在適宜的溫度區(qū)間工作，由于鋰電池安裝在綜合電箱上，為防止綜合電箱對(duì)其溫度產(chǎn)生影響，采用聚酰亞胺墊隔熱安裝，且安裝面也需要包覆多層聚酰亞胺以進(jìn)一步隔離綜合電箱對(duì)鋰電池的加熱。同時(shí)在鋰電池的其他面開設(shè)一定面積的散熱面，并輔以主動(dòng)熱控，可精確地將鋰電池控制在19～20 ℃。

圖8 承力筒均溫措施示意圖

S飛輪需要與承力筒隔熱安裝(S飛輪安裝位置的承力筒溫度低于-10 ℃)，并將S飛輪可與承力筒進(jìn)行輻射換熱的面用多層隔熱組件包覆，進(jìn)一步防止承力筒拉低S飛輪溫度，S飛輪其他面外漏并噴涂黑漆，加強(qiáng)與其他單機(jī)的輻射換熱。

大綜電分系統(tǒng)集成了數(shù)傳終端、測(cè)導(dǎo)一體機(jī)、中心機(jī)、配電熱控單元、電源控制器和成像處理箱等單機(jī)，質(zhì)量小于5 kg，峰值功耗大于80 W。單機(jī)主要通過-Y側(cè)的散熱面進(jìn)行散熱，該散熱面的散熱能力受展開帆板溫度的影響較大。45°低傾角軌道衛(wèi)星存在全陽照時(shí)間段，為散熱帶來巨大壓力。另一方面，推進(jìn)貯箱在軌無功耗，且位于艙外，僅依靠多層隔熱組件等被動(dòng)熱控手段，無法滿足其0 ℃以上的溫度接口要求。綜合考慮后，將推進(jìn)朝向大綜電單機(jī)側(cè)不用多層包覆，并用導(dǎo)熱石墨片將兩者連接(如圖7所示)?？蓪⒋缶C電單機(jī)熱量導(dǎo)向推進(jìn)貯箱，有效利用了星上廢熱進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，既滿足了大綜電系統(tǒng)的散熱需求，又滿足了推進(jìn)貯箱的保溫要求，節(jié)約了整星資源。

推進(jìn)貯箱為了在軌長期保持0 ℃以上的溫度，除了與大綜電分系統(tǒng)形成熱交換通道以外，還在推進(jìn)貯箱多層隔熱組件靠近帆板位置開設(shè)了吸收帆板熱量的窗口(如圖9所示)，進(jìn)一步確保在不消耗主動(dòng)熱控資源的情況下維持推進(jìn)貯箱及電磁閥長期處于0 ℃以上。

圖9 推進(jìn)貯箱換熱示意圖

5.4 主動(dòng)熱控措施

為滿足整星低熱控功耗的要求，在不影響衛(wèi)星性能的前提下，整星熱設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮被動(dòng)熱控手段，盡可能減少主動(dòng)熱控回路數(shù)量和功耗以降低衛(wèi)星成本、縮短研制周期。整星僅對(duì)含熱控調(diào)焦的主載荷相機(jī)、決定無控定位精度的星敏支架以及蓄電池提供主動(dòng)熱控手段，共計(jì)10路電加熱回路，設(shè)計(jì)功耗14 W。其中用于相機(jī)熱控及調(diào)焦共7路，蓄電池控溫2路，星敏支架1路。衛(wèi)星主動(dòng)熱控以最低的回路數(shù)量和熱控功耗滿足了總體對(duì)熱控分系統(tǒng)的要求。

6 熱分析計(jì)算

根據(jù)上述熱設(shè)計(jì)方案，利用有限元熱分析軟件對(duì)該衛(wèi)星進(jìn)行建模。衛(wèi)星主要?jiǎng)澐譃闅卧?duì)導(dǎo)熱石墨片、螺釘、隔熱墊等物體進(jìn)行簡化處理，用等效熱耦合的方式進(jìn)行代替，熱模型如圖10 所示。

在仿真計(jì)算中，根據(jù)前述外熱流分析和衛(wèi)星在軌長期姿態(tài)、單機(jī)工裝狀況、熱控涂層退化等情況，確定了兩個(gè)熱分析極端工況。

圖10 衛(wèi)星熱分析模型

6.1 低溫工況

太陽常數(shù)取最小值1 322 W/m2，取β角為0°；單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜性能按壽命初期定義，參數(shù)為αs/ε=0.36/0.69；F46膜性能按壽命初期定義，參數(shù)為αs/ε=0.13/0.69；天線等噴涂的S781白漆性能按壽命初期定義參數(shù)為αs/ε=0.17/0.85；帆板電池片按最大光電轉(zhuǎn)化效率計(jì)算，參數(shù)定義為：αs/ε=0.775/0.85；相機(jī)、數(shù)傳等任務(wù)系統(tǒng)均不工作，其余各單機(jī)按功耗最小配置；桁架桿目標(biāo)溫度分別為20 ℃和25 ℃。

6.2 高溫工況

太陽常數(shù)取最小值1 412 W/m2，取β角為67°，為全陽照模式；單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜性能按壽命末期定義，參數(shù)為αs/ε=0.5/0.69；F46膜性能按壽命末期定義，參數(shù)為αs/ε=0.3/0.69；天線等噴涂的S781白漆性能按壽命末期定義參數(shù)為αs/ε=0.4/0.85；帆板電池片按最小光電轉(zhuǎn)化效率計(jì)算，參數(shù)定義為：αs/ε=0.915/0.85；任務(wù)模式按一軌成像一軌數(shù)傳的模式配置，各單機(jī)按功耗最大配置；桁架桿目標(biāo)溫度分別為20 ℃和25 ℃。

依照上述工況進(jìn)行熱分析，相機(jī)桁架桿及各電子學(xué)單機(jī)的熱分析結(jié)果如表2所示。熱分析結(jié)果顯示，各熱控措施效果明顯，各單機(jī)均在要求范圍內(nèi)，桁架桿溫控滿足指標(biāo)要求，但余量較小，由于分析軟件的主動(dòng)熱控算法與衛(wèi)星溫控算法有差異，故桁架的溫控指標(biāo)需待熱試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 衛(wèi)星不同工況典型位置溫度

7 試 驗(yàn)

真空低溫環(huán)境下的熱平衡試驗(yàn)是驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)正確性的有效手段，也是對(duì)衛(wèi)星在軌溫度最精確的預(yù)測(cè)[10]。為此，衛(wèi)星進(jìn)行整機(jī)地面熱平衡試驗(yàn)，對(duì)整星熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了充分驗(yàn)證。低傾角軌道外熱流變化復(fù)雜，導(dǎo)致整星承力筒、星敏、磁強(qiáng)計(jì)、背板等組件外熱流模擬困難，試驗(yàn)利用紅外加熱籠與表貼加熱片相結(jié)合的方式，模擬整星的外熱流環(huán)境。根據(jù)熱分析的工況劃分情況，進(jìn)行了試驗(yàn)工況的設(shè)置，如表3所示，表3包含了衛(wèi)星在軌可能出現(xiàn)的極端工況與熱控調(diào)焦各工況的隨機(jī)組合。

根據(jù)表3的工況劃分，在極端低溫工況和極端高溫工況都需進(jìn)行桁架桿溫度調(diào)節(jié)，以確保在軌各衛(wèi)星運(yùn)行工況中，桁架桿都能滿足溫度調(diào)節(jié)范圍、均一性和穩(wěn)定性的要求。

表3 熱平衡試驗(yàn)工況

統(tǒng)計(jì)了半年的衛(wèi)星在軌溫度數(shù)據(jù)，相機(jī)桁架桿的溫度波動(dòng)如圖11所示，其余位置的熱平衡試驗(yàn)結(jié)果與在軌飛行溫度數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。可以看出，桁架桿在軌進(jìn)行了兩次溫度調(diào)整，在當(dāng)前的熱控措施下，桁架桿溫度穩(wěn)定性、均一性小于±0.15 ℃，符合指標(biāo)要求。衛(wèi)星各組件、單機(jī)溫度均能滿足指標(biāo)要求，且在軌溫度處于試驗(yàn)高溫工況溫度和低溫工況溫度之間，這是符合預(yù)期的。

圖11 桁架桿在軌溫度波動(dòng)狀態(tài)

表4 熱平衡試驗(yàn)和在軌飛行溫度數(shù)據(jù)

熱控分系統(tǒng)在軌平均功耗約為9.3 W，其中相機(jī)熱控功耗為8.3 W。這說明除需精密控溫的相機(jī)組件，整星熱控資源消耗少，符合衛(wèi)星低成本的需求。

針對(duì)推進(jìn)貯箱和大綜電分系統(tǒng)開辟的熱交換通道在軌表現(xiàn)也十分明顯。通過圖12可以明顯看到，在衛(wèi)星任務(wù)期間，貯箱溫升趨勢(shì)與大綜電一致，表明利用大綜電廢熱對(duì)推進(jìn)貯箱加熱的方法作用明顯，提升了大綜電的散熱能力，并以最低的資源損耗滿足了貯箱熱控需求。

8 結(jié) 論

本文結(jié)合低傾角衛(wèi)星在軌任務(wù)模式、相機(jī)及單機(jī)溫度要求、所處空間環(huán)境以及整星資源約束，詳細(xì)分析了低成本、低功耗、商業(yè)遙感衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的難點(diǎn)以及重點(diǎn)，并提出了一些有針對(duì)性的熱控措施。對(duì)于相機(jī)桁架精密控溫需求，采用單機(jī)安裝平面與相機(jī)艙隔熱設(shè)計(jì)；桁架桿與背板隔熱設(shè)計(jì)；承力筒均溫設(shè)計(jì)；測(cè)溫電路標(biāo)定方法等，保證了桁架桿溫度的均一性和穩(wěn)定性。單機(jī)熱設(shè)計(jì)方法如下：不依靠結(jié)構(gòu)件，利用F46膜作為單機(jī)散熱面，鋰電池開設(shè)散熱面，S飛輪局部多層包覆法，大綜電分系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)合熱設(shè)計(jì)，開設(shè)帆板與推進(jìn)貯箱傳熱通道等，用最小的熱控資源達(dá)到了最優(yōu)的熱控效果。衛(wèi)星的熱平衡試驗(yàn)和在軌飛行溫度數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星各單機(jī)處于-0.5～35.4 ℃，相機(jī)桁架的溫度波動(dòng)和均一性小于±0.15 ℃，熱控分系統(tǒng)質(zhì)量小于1.5 kg，在軌平均功耗為9.3 W，滿足衛(wèi)星在軌溫度需求。該衛(wèi)星的成功在軌運(yùn)行為未來低成本、低質(zhì)量、高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)提供了參考。