應(yīng)用可展開輻射器的大功率衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

劉慶志 黃磊 任紅艷 高宇純 鄭紅陽(yáng) 楊敏

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

目前，絕大多數(shù)衛(wèi)星采用自身結(jié)構(gòu)板表面作為散熱面，因此衛(wèi)星的尺寸包絡(luò)是影響散熱能力的重要因素。一般情況下，衛(wèi)星質(zhì)量越大，尺寸包絡(luò)越大。衛(wèi)星在軌工作時(shí)，電功率大部分轉(zhuǎn)化為熱耗。衛(wèi)星熱排散方面的壓力不僅來自于絕對(duì)熱耗，熱耗/質(zhì)量越大，衛(wèi)星熱排散越困難。近年來載荷功能的增強(qiáng)以及任務(wù)模式的多樣化使衛(wèi)星熱耗/質(zhì)量日益增大。我國(guó)高分三號(hào)衛(wèi)星長(zhǎng)期熱耗約2500 W，質(zhì)量約2.8 t[1]，熱耗/質(zhì)量為893 W/t；東方紅四號(hào)通信衛(wèi)星長(zhǎng)期熱耗約5000 W，質(zhì)量約5.5 t[2]，熱耗/質(zhì)量為909 W/t；基于東方紅五號(hào)平臺(tái)的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星長(zhǎng)期熱耗約10 000 W，質(zhì)量約8.0 t[3]，熱耗/質(zhì)量達(dá)到1250 W/t。在衛(wèi)星發(fā)射尺寸包絡(luò)增加有限的情況下，可展開輻射器可以大幅增加衛(wèi)星有效散熱面積，提高熱耗/質(zhì)量，成為大功率衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

在“國(guó)際空間站”建造過程中，為解決空間站散熱難題，美國(guó)艙段采用了可展開多段折疊輻射器[4-5]，展開后面積近100 m2。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)在工程試驗(yàn)衛(wèi)星(ETS-VIII)的熱控方案研制中，采用了基于環(huán)路熱管的單板可展開輻射器[6-7]，輻射器在軌散熱能力達(dá)到400 W。法國(guó)Alcatel宇航公司根據(jù)不同衛(wèi)星平臺(tái)的特點(diǎn)，研制了不同規(guī)格的可展開輻射器[8]，為衛(wèi)星提供了良好的散熱途徑。我國(guó)在2000年初開展可展開輻射器的研制工作[9]，直至2019年12月27日，實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空，可展開輻射器才正式得到在軌工程應(yīng)用?；跂|方紅五號(hào)平臺(tái)的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星質(zhì)量在8 t以上，載荷長(zhǎng)期工作，熱耗達(dá)到9 kW，南板和北板的有效散熱面積僅為19 m2左右，載荷艙散熱能力明顯不足。為了擴(kuò)展整星散熱能力，衛(wèi)星增加了2塊可展開輻射器，并利用單相流體回路收集和傳輸部分載荷的熱量，通過可展開輻射器將熱量排散至冷空間。實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星輻射器總面積為12 m2，能夠排散載荷艙1/3左右的熱量。

目前在研的某衛(wèi)星質(zhì)量?jī)H1.7 t，平臺(tái)在軌長(zhǎng)期工作，載荷在軌短期工作，短期熱耗達(dá)到6500 W，軌道周期平均熱耗達(dá)到3000 W，不僅絕對(duì)熱耗較大，熱耗/質(zhì)量更是達(dá)到了1765 W/t，超出了基于東方紅五號(hào)平臺(tái)的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星。衛(wèi)星運(yùn)行于近地軌道，地球紅外熱流進(jìn)一步降低了衛(wèi)星有效散熱能力。因此，采用可展開輻射器，增大衛(wèi)星有效散熱面積是解決衛(wèi)星散熱能力不足的唯一途徑。

針對(duì)衛(wèi)星熱排散問題，本文在衛(wèi)星常規(guī)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3臺(tái)可展開式輻射器，同時(shí)對(duì)單機(jī)熱量收集和系統(tǒng)熱量傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，并通過地面整星熱試驗(yàn)對(duì)衛(wèi)星熱排散能力進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)

衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)除了采用本體散熱面設(shè)計(jì)、多層隔熱設(shè)計(jì)、均溫設(shè)計(jì)以及電加熱設(shè)計(jì)等常規(guī)熱設(shè)計(jì)措施外，還采用了基于可展開輻射器的主動(dòng)單相流體回路熱控技術(shù)。其中可展開輻射器是拓展衛(wèi)星散熱能力的關(guān)鍵要素，流體回路是實(shí)現(xiàn)大功率分布式熱量收集和遠(yuǎn)距離熱傳輸?shù)闹匾侄巍?/p>

1.1 可展開輻射器設(shè)計(jì)

衛(wèi)星運(yùn)行在近地傾斜軌道，軌道周期為100 min，任務(wù)期間內(nèi)太陽(yáng)光與軌道面夾角變化范圍為-90°～+90°。平臺(tái)設(shè)備在軌長(zhǎng)期工作，總熱耗約1000 W左右；載荷按照第一軌開機(jī)40 min，第二軌開機(jī)10 min循環(huán)模式工作，熱耗為6500 W左右。根據(jù)軌道周期及載荷在軌工作時(shí)長(zhǎng)分析，衛(wèi)星軌道周期平均熱耗為3000 W左右。衛(wèi)星表面布置大量設(shè)備，能夠用于為衛(wèi)星散熱面的有效面積僅為10 m2左右，按照近地軌道外熱流分析結(jié)果，衛(wèi)星散熱面的散熱能力不超過1200 W，因此仍有1800 W的熱量需要排散。

受衛(wèi)星布局限制，可用于安裝輻射器的位置僅限于星體的3個(gè)側(cè)面，由于太陽(yáng)光與軌道面的夾角變化范圍大，因此無論將輻射器布置在任意一側(cè)，在某一時(shí)期總會(huì)受到嚴(yán)重的太陽(yáng)直接影響。為此，熱控設(shè)計(jì)采用在衛(wèi)星3個(gè)側(cè)面各布置1塊可展開輻射器的組合式設(shè)計(jì)方法，同時(shí)在輻射器兩個(gè)側(cè)面均噴涂熱控涂層，提高了可展開輻射器整體散熱能力，輻射器展開后狀態(tài)見圖1。綜合考慮軌道外熱流和衛(wèi)星平均熱耗等因素，1臺(tái)大輻射器尺寸為1.8 m×2 m，2臺(tái)小輻射器尺寸為0.7 m×2 m，總散熱面積合計(jì)為12.8 m2，為衛(wèi)星總散熱面積的56%。3臺(tái)輻射器質(zhì)量為60 kg，為衛(wèi)星總質(zhì)量的3.5%。

圖1 輻射器展開狀態(tài)示意圖

衛(wèi)星本體的熱量利用單相流體回路傳輸至可展開輻射器?？烧归_輻射器采用蜂窩板內(nèi)預(yù)埋流體管路的結(jié)構(gòu)形式，大輻射器內(nèi)管路排布方式如圖2所示。為了適應(yīng)可展開輻射器與衛(wèi)星本體相對(duì)展開運(yùn)動(dòng)，輻射器管路與衛(wèi)星本體之間管路采用金屬軟管連接，金屬軟管收攏狀態(tài)如圖3所示。

圖2 輻射器預(yù)埋管路結(jié)構(gòu)形式

圖3 輻射器收攏狀態(tài)金屬軟管

1.2 熱收集設(shè)計(jì)

除了總熱耗較大以外，衛(wèi)星大熱耗單機(jī)數(shù)量也較多，其中工作熱耗在200 W以上的單機(jī)有20余臺(tái)，部分單機(jī)的熱耗達(dá)到600 W，需要采取高效熱收集和熱傳輸措施將大熱耗單機(jī)的熱量傳遞至輻射器。

根據(jù)單機(jī)不同結(jié)構(gòu)形式以及熱源分布特點(diǎn)，熱量收集方式主要有以下幾種。

(1)對(duì)于熱耗為400 W以上的單機(jī)，采用冷板、支架管路或二者結(jié)合的方式收集熱量，冷板和支架管路的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 冷板及支架管路熱量收集方式

(2)對(duì)于熱耗為100～400 W的單機(jī)，采用在蜂窩板內(nèi)預(yù)埋流體回路管路的方式收集熱量，預(yù)埋管路結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 蜂窩板預(yù)埋管路熱量收集方式

(3)對(duì)于熱耗更小的設(shè)備，采用預(yù)埋熱管擴(kuò)熱、結(jié)構(gòu)板導(dǎo)熱以及熱輻射方式收集熱量。

1.3 熱傳輸設(shè)計(jì)

機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)單相流體回路技術(shù)具有傳熱量大、傳熱效率高以及傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于載人航天器，包括神舟飛船、天宮實(shí)驗(yàn)室和空間站等。因此，衛(wèi)星單機(jī)熱源至可展開輻射器之間的熱量傳輸方式采用單相流體回路，流體回路運(yùn)行原理如圖6所示。

圖6 單相流體回路運(yùn)行原理圖

可展開輻射器增加了衛(wèi)星的散熱面積，由于載荷設(shè)備在軌短期工作，當(dāng)載荷不工作時(shí)，衛(wèi)星熱源大幅減少，面臨溫度偏低的風(fēng)險(xiǎn)，因此在流體回路中使用溫控閥。當(dāng)溫控閥下游控溫點(diǎn)溫度低于-2 ℃時(shí)，控制設(shè)備自動(dòng)調(diào)整溫控閥轉(zhuǎn)動(dòng)角度，減少流向輻射器的流體流量；當(dāng)控溫點(diǎn)溫度高于-2 ℃時(shí)，溫控閥向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，增加流向輻射器的流體流量。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)狀態(tài)

為了驗(yàn)證熱控設(shè)計(jì)的正確性及熱排散能力，在衛(wèi)星研制初樣階段開展了整星熱平衡試驗(yàn)。具體試驗(yàn)狀態(tài)如下。

(1)可展開輻射器在真空模擬室中處于展開狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 衛(wèi)星在真空模擬室中的狀態(tài)

(2)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、可展開輻射器和流體回路產(chǎn)品均為真實(shí)產(chǎn)品，保證熱傳遞路徑的準(zhǔn)確性。

(3)衛(wèi)星其余設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、殼體材料和質(zhì)量等重要特性與真實(shí)設(shè)備一致，保證與熱邊界的熱傳遞方式和熱容量與真實(shí)設(shè)備相當(dāng)。

(4)根據(jù)熱源分布及大小，采用多個(gè)聚酰亞胺薄膜型電加熱片模擬單機(jī)工作熱耗。

(5)為減小紅外背景干擾，可展開輻射器外熱流采用表貼聚酰亞胺薄膜型電加熱片模擬，與輻射器相鄰的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板外熱流也采用電加熱片模擬。其余衛(wèi)星表面采用紅外加熱籠模擬外熱流。

根據(jù)對(duì)衛(wèi)星軌道外熱流分析以及載荷設(shè)備工作模式，熱試驗(yàn)制定了2個(gè)低溫工況和3個(gè)高溫工況。3個(gè)高溫工況對(duì)應(yīng)的軌道光照角度不同，載荷工作模式均按照第一軌開機(jī)40 min，第二軌開機(jī)10 min的循環(huán)工作模式，軌道周期為100 min，單個(gè)試驗(yàn)循環(huán)周期為200 min。

由于流體回路采用溫控閥作為調(diào)溫手段，低溫工況下通過截止流向輻射器的流體，并采用一定的電加熱補(bǔ)償措施，設(shè)備的溫度水平可以得到保障。熱試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證高溫工況下可展開輻射器的熱排散能力以及單相流體回路的工作特性。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

熱試驗(yàn)開展了3個(gè)高溫工況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)軌道外熱流最大，載荷設(shè)備按照第一軌開機(jī)40 min，第二軌開機(jī)10 min的模式循環(huán)工作時(shí)，衛(wèi)星溫度水平最高，圖8為此工況下典型載荷設(shè)備的溫度曲線。根據(jù)熱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，載荷設(shè)備溫度已經(jīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。載荷設(shè)備具體溫度水平與載荷的熱耗、換熱方式以及熱容量有關(guān)。圖8顯示的載荷設(shè)備1熱耗為210 W，熱容量為8 kJ/℃，采用蜂窩板內(nèi)預(yù)埋管路集熱方式；載荷設(shè)備2熱耗為590 W，熱容量為14 kJ/℃，采用底面冷板集熱方式；載荷設(shè)備3熱耗為480 W，熱容量為45 kJ/℃，采用雙側(cè)面冷板集熱方式。

圖8 熱平衡試驗(yàn)典型設(shè)備溫度曲線

設(shè)備熱耗與熱容量的比值反映了設(shè)備溫度在自身熱耗影響下的變化速率，在同樣的外部散熱條件下，熱耗越大，熱容量越小，載荷溫度變化速率越大。載荷設(shè)備1的熱耗/熱容量為0.026 ℃/s，載荷設(shè)備2的熱耗/熱容量為0.042 ℃/s，載荷設(shè)備3的熱耗/熱容量為0.011 ℃/s。從圖8可以看出，載荷設(shè)備2的熱耗/熱容量大，但溫度總體上升幅度卻小于載荷設(shè)備1，表明采用冷板的集熱效率高于采用蜂窩板內(nèi)預(yù)埋管路的集熱效率。載荷設(shè)備3與載荷設(shè)備2都采用冷板集熱，由于載荷設(shè)備3的熱耗/熱容量小，因此總的溫度變化幅度小于載荷設(shè)備2。

根據(jù)圖8，載荷設(shè)備1采用蜂窩板內(nèi)預(yù)埋管路的集熱方式，設(shè)備與流體回路之間的熱阻較大，在每次關(guān)機(jī)后至下次開機(jī)前溫度不能降低至流體回路控溫點(diǎn)(-2 ℃)。載荷設(shè)備2和載荷設(shè)備3采用冷板集熱方式，設(shè)備與流體回路之間的熱阻較小，每個(gè)軌道周期工作10 min時(shí)，載荷設(shè)備溫度上升幅度較小，關(guān)機(jī)后至下次開機(jī)前溫度能夠降低至流體回路控溫點(diǎn)；每個(gè)軌道周期工作40 min時(shí)，載荷設(shè)備溫度上升幅度較大，關(guān)機(jī)后至下次開機(jī)前溫度不能降低至流體回路控溫點(diǎn)。在熱試驗(yàn)各個(gè)工況中，載荷設(shè)備1的溫度水平最高，但仍低于40 ℃。載荷設(shè)備為電子產(chǎn)品，工作溫度要求范圍為-15～+50 ℃，因此，基于可展開輻射器的衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)能夠滿足載荷熱排散需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

受尺寸和質(zhì)量等設(shè)計(jì)要素的約束，大功率衛(wèi)星本體熱排散能力嚴(yán)重不足。本文將可展開輻射器首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)質(zhì)量不足2 t的衛(wèi)星，在此基礎(chǔ)上開展了集熱量收集、傳輸和排散的一體化設(shè)計(jì)工作，大幅增加了衛(wèi)星有效散熱面積，提升了衛(wèi)星的熱耗質(zhì)量比。通過整星初樣階段熱平衡試驗(yàn)，在極端外熱流條件和工作模式下，載荷最高溫度不超過40 ℃，驗(yàn)證了衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)和可展開輻射器的熱排散能力。本文的設(shè)計(jì)思路和方法對(duì)于解決相似大功率衛(wèi)星的熱排散問題具有一定的借鑒意義。