被動熱控系統(tǒng)常用于解決因尺寸小、質(zhì)量輕、電量少、 熱容量小和熱流密度大等特點帶來的熱設(shè)計難題。

概念被動熱控制設(shè)計方法常用于解決因尺寸小、質(zhì)量輕、電量少、 熱容量小和熱流密度大等特點帶來的熱設(shè)計難題。分析TW-1B立方星熱控輸入條件，提出被動熱控制的具體措施，并建立了熱分析模型進(jìn)行仿真計算。結(jié)果表明，立方星各部件溫度計算結(jié)果均在要求的工作溫度范圍之內(nèi)，說明被動熱控制設(shè)計可以滿足立方星對熱控系統(tǒng)的要求。并提出應(yīng)采用地面熱環(huán)境試驗來驗證熱分析計算的準(zhǔn)確性，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對熱分析模型進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)熱設(shè)計，以確保衛(wèi)星在軌壽命。1

TW-1B立方星被動熱控制技術(shù)如果沒有熱控措施或采用的熱控措施不合理，衛(wèi)星上儀器設(shè)備的工作溫度得不到保證，就會導(dǎo)致構(gòu)件處于極高或超低的溫度環(huán)境，造成構(gòu)件失效或損壞。不均勻的溫度分布還會在設(shè)備內(nèi)部引起熱應(yīng)力和熱變形，造成設(shè)備疲勞損壞、機械性斷裂或永久變形，嚴(yán)重影響衛(wèi)星整體工作任務(wù)的完成。比如日本的“大隅號” 實驗衛(wèi)星、加拿大的通訊技術(shù)衛(wèi)星CTS、美國的“陸地衛(wèi)星－4”和美國的“天空實驗室”衛(wèi)星等，均因熱控制系統(tǒng)故障而造成重大損失。

由上海微小衛(wèi)星工程中心和南京理工大學(xué)聯(lián)合研制三顆立方星(TW- 1A、TW- 1B、TW- 1C) ，實現(xiàn)軌組網(wǎng)，北極航道觀測、拍照，檢測飛機和船舶位置等目的，其中南京理工大學(xué)負(fù)責(zé)TW- 1B立方星的研制工作。針對立方星的熱設(shè)計難點，提出了完全被動熱控制設(shè)計方法。詳細(xì)分析了TW- 1B立方星熱控輸入，提出了熱控系統(tǒng)的實施方案，建立熱分析模型進(jìn)行仿真計算。各分系統(tǒng)計算溫度均在部件正常工作溫度范圍內(nèi)，初步說明被動熱控設(shè)計是行之有效的，但地面熱環(huán)境試驗也是不可缺少的工作。

TW- 1B 立方星熱分析輸入條件TW- 1B立方星外形尺寸完全按照國際立方星標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，為227mm×100mm×100mm的雙單元立方星，主承力結(jié)構(gòu)由框架、上下端蓋、中間骨架、4根螺桿及4個端螺帽組成，整星質(zhì)量約為2kg。

TW- 1B立方星星體內(nèi)部所有分系統(tǒng)PCB板均由4根螺桿固定周向位置，并由隔柱隔開，確定軸向位置。各個分系統(tǒng)的正常工作溫度范圍各不相同，綜合各個分系統(tǒng)的電子元器件、材料等的特性以及供應(yīng)商提出的要求，確定了TW- 1B各分系統(tǒng)的工作溫度區(qū)間，超出該溫度范圍，系統(tǒng)或元件就不能正常工作。

TW- 1B立方星熱控設(shè)計與仿真擬采用被動熱控方法解決TW- 1B衛(wèi)星的熱控問題，以減小星內(nèi)溫度波動范圍和冷熱沖擊，從而延長在軌衛(wèi)星電子元器件和衛(wèi)星的壽命，使電池陣基板等溫化，減小太陽能電池因受熱應(yīng)力和熱變形而被破壞的機率；同時降低電池陣基板溫度，提高太陽能電池的效率。因此，依據(jù)國內(nèi)外衛(wèi)星熱控設(shè)計經(jīng)驗，擬定總體熱控方案包括：電池陣基板采用PCB-AL-PCB夾層板，星內(nèi)隔柱與結(jié)構(gòu)間加隔熱墊，電機與結(jié)構(gòu)間加隔熱墊，電池陣內(nèi)部設(shè)置多層隔熱組件，電池陣基板上布置有電池片，在電池片間的空隙處貼有鍍金膜。具體實施方案由以下的分析計算確定。

熱控設(shè)計是基于熱分析軟件I-DEAS TMG完成的。在Solidworks軟件中將主結(jié)構(gòu)框架、上端蓋、中間骨架、下端蓋分別進(jìn)行簡化，包括刪除倒角、圓角、連接孔等，將簡化模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再將網(wǎng)格模型導(dǎo)入I-DEAS TMG軟件中進(jìn)行修改及細(xì)化。

仿真結(jié)果討論及優(yōu)化設(shè)計各分系統(tǒng)仿真結(jié)果都在所需工作溫度范圍之內(nèi)。但太陽能電池陣溫度變化范圍較大，且高溫過高，這將嚴(yán)重影響電池陣的在軌壽命及效率，因此需對電池陣基板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。熱控涂層是衛(wèi)星熱控設(shè)計中較多使用的熱控
材料，是專門用來調(diào)整固體表面熱輻射性質(zhì)從而達(dá)到熱控制目的的表面材料。電池陣溫度變化范圍大，主要是因為基板表面高的吸收率和發(fā)射率，電池板對外界熱量的吸收多，發(fā)射也多，從而導(dǎo)致溫度變化范圍大。對其表面進(jìn)行優(yōu)化，采用鍍金的措施，這種涂層具有很低的發(fā)射率(ε =0.03)和很高的吸收/發(fā)射比(αS/ε=10)，可以減小外表面的溫度波動。

鍍金前范圍為-25～35℃，鍍金后為-14～35℃，穩(wěn)定溫度的效果明顯。而內(nèi)部設(shè)備溫度基本沒有變化，說明墊片及多層隔熱組件設(shè)計對星內(nèi)溫度的穩(wěn)定作用是可以的。初步說明本文提出的熱控制設(shè)計方案可以達(dá)到衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)要求。但由于在熱分析數(shù)學(xué)建模中做了若干基本簡化假設(shè)，且一些計算參數(shù)的選擇，如熱傳導(dǎo)系數(shù)、接觸熱阻、表面輻射參數(shù)等，皆有一定誤差，因此熱分析所得到的溫度與實際值之間必然存在偏差，有些甚至相差較大。因此，在衛(wèi)星的熱設(shè)計中，地面熱模擬試驗也是必要的。衛(wèi)星的地面熱模擬試驗數(shù)據(jù)可用來修正熱分析模型，提高熱分析精度，改進(jìn)衛(wèi)星熱設(shè)計措施。通過修正熱計算，還可以更準(zhǔn)確地預(yù)示整星在軌飛行溫度，并且對整星熱平衡試驗具有指導(dǎo)意義。

研究結(jié)論針對立方星熱設(shè)計困難，提出完全被動熱設(shè)計方法。并通過對TW- 1B立方星熱控輸入進(jìn)行詳細(xì)的分析，提出被動熱控設(shè)計的具體措施，建立了熱分析模型。由穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度場仿真結(jié)果可知，各部件溫度計算結(jié)果均在部件要求的工作溫度范圍之內(nèi)，通過優(yōu)化設(shè)計縮小了電池陣的溫度范圍。初步說明被動熱控措施的設(shè)計可以滿足立方星對熱控系統(tǒng)的要求。熱仿真計算具有一定誤差，還需后續(xù)地面熱環(huán)境試驗來驗證熱分析計算的準(zhǔn)確性，并由試驗結(jié)果對熱分析模型進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)熱設(shè)計，以確保衛(wèi)星在軌壽命。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)