倾斜轨道卫星组合式散热面优化设计方法

提出一种基于传统被动热控设计思路的组合式散热面优化设计方法,通过优化散热面布局和合理利用空间外热流,实现热控系统热量合理分配,优化热控系统研制流程。以某卫星的优化设计实践为例,基于该方法建立的简化模型可以快速地确定散热面的布局和比例,并减小热控系统质量,表明该设计方法合理、可行。     

倾斜轨道六面体卫星极端外热流解析模型

卫星设计中,外热流分析是温度场计算的基础,也是极端工况选择的依据。非太阳同步倾斜轨道卫星外热流变化非常复杂,一般需要采用组合散热面的设计方法,这些都使得卫星极端外热流工况难于判断,给整星热分析以及热设计造成很大困难。通过合理的分析与简化,推导出倾斜轨道六面体卫星空间外热流的解析模型,提出一种新的地球反照周期平均值的简化计算方法,利用Nevada软件对数学模型进行了验证。最后以某倾斜轨道卫星为例对其空间外热流进行了详细的分析研究,结果表明：轨道空间外热流模型与专业软件计算结果之间误差很小,应用这一模型可以方便地分析倾斜轨道六面体卫星外热流的变化规律,进而得出卫星极端吸收外热流工况,为卫星高低温工况确定提供相关的设计依据。     

倾斜轨道卫星快速旋转高频箱轨道外热流的特点与分析

为准确进行热设计，对倾斜轨道快速旋转高频箱的外热流进行了研究。首先采用与太阳同步轨道卫星对比的方法研究了倾斜轨道卫星太阳光照角度的变化特点及热分析极端外热流工况与太阳光照角度的关系。然后理论推导了快速旋转高频箱各舱板轨道外热流的理论计算公式。最后定量分析了高频箱舱外大尺寸天线反射器对高频箱外热流的影响。研究表明倾斜轨道卫星高频箱外热流随β角的变化存在拐点，高频箱热分析的极端外热流出现在拐点处。快速旋转使得高频箱各舱板的外热流均匀化，但整个高频箱的到达外热流较静止高频箱增大，差值可达到数百瓦。舱外大尺寸天线反射器对高频箱的外热流影响较大，某环扫雷达反射器对高频箱散热面吸收太阳辐射热流密度的影响达到31.2 W/m2；同时天线反射器辐射达到高频箱散热面的红外辐射热流数量可观，某微波辐射计天线反射器的红外辐射热流占散热面总外热流的48%。     

圆形太阳同步轨道卫星的空间热环境分析

近年来得到广泛应用的微小型卫星大多运行于圆形的太阳同步轨道,空间外热流的计算对卫星热控制系统的设计至关重要。分析了圆形太阳同步近地轨道受太阳照射的特性,建立了运行于圆形太阳同步轨道的三轴稳定的长方体卫星的外热流模型,归纳了太阳辐射热流、地球反照热流和地球辐射热流的瞬时和周期平均值的计算公式,分析了外热流的变化规律。分析指出太阳同步轨道的受晒特性主要由轨道的降交点地方时决定,外热流中太阳辐射最强,地球反照最弱。通过计算卫星各表面的外热流特性,可选择合适的散热面及太阳能电池安装面。     

纳卫星隔热层厚度与散热面面积优化设计

在纳卫星热系统动态特性分析与热分析的基础上,根据纳卫星隔热层厚度与散热面面积对纳卫星温度调节的重要作用,提出了运用混沌遗传算法（CGA）对二者进行优化设计的模型与算法。算法以使纳卫星舱内发热元件、散热面及壳体温度尽可能接近设定的安全工作温度为优化目标,以隔热层厚度与散热面面积为优化变量。并以在不同热负荷下工作的太阳同步球形纳卫星为例进行一系列优化计算及分析。结果表明：利用混沌遗传算法进行的优化设计,可以使在不同工况下的纳卫星温度很好地维持在设定的安全工作温度附近。     

应用于IGSO卫星的数字太阳敏感器热控设计

相对于传统太阳敏感器(热耗为零)而言,国内新研制的数字太阳敏感器线路板上的芯片具有一定热耗。为解决其散热问题,以应用于倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的数字一体化太阳敏感器为例,提出了较为简单有效的热控方案,建立热物理模型对数字太阳敏感器进行组件级热分析,并通过在轨飞行数据验证了设计的合理性。结果表明:对于具有一定热流密度的小尺寸部件而言,在辐射换热面积增幅较为有限的条件下,有效增大其传导换热的热控方案要明显优于加强辐射换热的方案;同时要结合外热流情况,优化选择散热面。此方案可较好地满足印制电路板(PCB)上各芯片结温的一级降额温度指标要求,也可为同类产品的设计提供参考。     

提高红外灯阵热流模拟均匀性的优化设计方法

真空热试验中通常使用红外灯阵作为整星试验和太阳电池板试验的外热流模拟装置。文章从平面灯阵的研究出发,建立了使用红外灯阵作为外热流模拟装置时到达被加热面热流密度的计算模型,对影响热流密度均匀性的因素进行了分析,提出了红外灯阵优化设计方法,以提高热流模拟时卫星表面的热流密度均匀性。研究结论可以用于指导真空热试验所用红外灯阵的工装设计。     

圆柱形红外加热笼优化设计研究

真空热试验中,圆柱形卫星通常选用圆柱形的红外加热笼作为外热流模拟装置。文章对卫星表面采用圆柱形红外笼进行热流模拟时的到达热流进行仿真计算,分别选用不同的红外笼覆盖系数、红外笼与卫星表面的距离以及红外笼边缘区域大小等参数进行分析,得到了对圆柱形红外笼优化设计的方法以提高卫星表面的热流模拟均匀性,可以用于指导圆柱形卫星进行真空热试验时的工装设计。     

固体微型推力器应用设计

为了使固体微型推力器阵列应用于微型卫星控制,须要解决推力器的布局设计以及推力器阵列设计问题。提出了一种以正六边形为基元的推力器阵列方法,研究了推力器阵列的特点及规律,进行了应用分析;研究了推力器阵列的最优布局方式,设计了一种基于解耦控制的推力器布局设计,分析了该布局下的冲量和冲量矩的包络面。以正六边形为基元的推力器阵列方式能够满足微型卫星姿轨控的需要,推力器分布规律性强,利于分配算法设计;采用正六面体方式的布局设计,其冲量和冲量矩包络面亦为正六面体。     

星载平板有源SAR天线热设计与验证

合成孔径雷达天线是微波遥感卫星的重要载荷之一,一般具有尺寸大、收发单元多、热耗大、工作模式多等特点。载荷热耗峰值可达7000W,同时为减小热变形对指向精度的影响,设备温度一致性需优于10℃。因此大功率组件散热和温度一致性保持是合成孔径雷达天线热控的主要难题。采用被动和主动相结合的热控手段,合理设计散热通道,解决设备的散热难题;采用等温化设计,布置热管网络,降低设备间温差;采用新型智能随动控温方法,解决不同工作模式切换、空间外热流变化、辐射耦合带来的温度梯度保持难题。采用Thermal Desktop软件对天线进行了热仿真分析,并进行了热平衡试验。分析、试验结果和在轨测试结果表明温度和温差均满足要求。该设计方法可为大功率有源合成孔径雷达天线热设计提供借鉴。     

倾斜轨道星敏感器热控设计及在轨分析

倾斜轨道卫星星敏感器空间外热流复杂多变,同时兼具内功率集中、热容小等特点,这为星敏感器的热设计带来了很大的困难。文章以某临界倾角轨道卫星星敏感器热设计为背景,在详细外热流分析的基础上,提出了一种倾斜轨道星敏感器热设计方案,利用热分析软件Thermal Desktop对此热控系统进行了具体的热分析。星敏感器在轨遥测温度在-19.8^-5.1℃之间,满足温度指标要求,表明星敏感器热设计合理、有效,可为今后倾斜轨道星敏感器热设计提供设计依据。在此基础上,文章利用在轨遥测数据对星敏感器热分析模型进行修正,得出入轨初期星表主要热控涂层退化约为50%的结果,这对于分析近地轨道卫星在轨温度具有一定的参考意义。     

辐射器展开角度对航天器热控能力影响的研究

为了在有限的结构尺寸下提高航天器热控系统的散热能力，提出与流体回路耦合的可展开式辐射器热控方案，建立可展开式辐射器空间散热模型，分析辐射器不同展开角度下系统的热控特性。结果表明，随着辐射器展开角度的变化，辐射器吸收的空间热流也随之发生变化，并最终决定热控回路的流量分配。在工程应用中，基于热控流体回路，通过调节可展开式辐射器的展开角度，可以有效提高航天器热控系统的能力范围。     

空间核电源热管式辐射散热器热分析与参数优化

针对空间热管辐射散热器的特殊工况对散热器进行热分析建模，通过分析其传热原理，建立出热阻模型，并通过和实际设计进行对比，验证模型和计算方法的可行性。选取翅根温度、翅片长度和翅片厚度等参量作为约束条件，分别对热管式空间辐射散热器的翅片散热效率和系统质量特性进行优化分析，获得最优设计参数。     

太阳同步轨道卫星热控分系统分析及优化

定义地心日照轨道坐标系,并在此坐标系下简化卫星与地球相对位置的复杂计算,以及卫星轨道外热流分析过程中相关角度的计算,使轨道外热流的分析仿真更加快速、简洁。以正六棱柱形卫星为例,建立热网络模型,对其表面在一圈轨道内所受的轨道外热流进行仿真,并结合仿真结果计算进出地影区时卫星内部的温度。在此基础上,建立以热控分系统多层隔热材料质量最小化为目标的优化问题;在满足高低温工况卫星内部温度在-10～＋35℃范围内的约束下,对多层隔热材料厚度和散热窗大小进行了优化。     

可展开式辐射器热控对航天器轨道调整的适应性分析

为提高航天器热控系统对轨道调整的适应能力，本文研究了与流体回路耦合的可展开式辐射器热控方案在不同轨道高度下的热控性能，分析了不同轨道高度时辐射器面临的热环境的影响，在不同轨道高度下比较了固定辐射器与可展开辐射器的热控特性。结果表明，随着辐射器展开角度的变化，辐射器吸收的空间热流随之发生变化，从而对热控系统的散热能力带来直接影响，调节辐射器的角度可以扩大其对外散热能力。在工程应用中，基于热控流体回路，通过调节可展开式辐射器的展开角度，可以有效提高航天器的轨道热适应能力。     

星外快旋部件的热设计方法

文章分析了星外快旋部件的热设计特点和难点,包括整体散热能力较小、热管工作条件苛刻、散热面外热流复杂、加热回路资源有限等多个方面;结合HY-2卫星散射计探测头部和辐射计探测头部的热设计方案,描述了星外快旋部件的热设计方法和热设计要点;最后对散射计探测头部和辐射计探测头部,采用"机-电-热"一体化的设计方法,得出了合理可行的星外快旋部件的热设计方案。     

航天器瞬态热平衡试验技术的新探索

文章以某型号航天器热平衡试验为工程应用背景,在正样星中用星内仪器按在轨飞行状态工作的方法实现仪器的内热源,用表面薄膜加热器模拟航天器表面多层部分的外热流,用红外加热笼模拟散热面的外热流,藉此实现了瞬态热平衡试验.     

倾斜轨道卫星能量平衡优化分析方法

倾斜轨道卫星的光照条件和外热流变化规律复杂,使得卫星负载功率和输入功率处于复杂动态变化之中,这给卫星能量平衡准确分析带来很大的困难。文章提出一种基于卫星能量动态关联模型的能量平衡优化分析方法,通过合理选择电源工作模式和准确定位卫星最恶劣能量平衡情况,实现电源系统合理配置,优化能量平衡分析流程。以某倾斜轨道卫星的能量平衡优化分析实践为例,应用该方法建立的能源动态关联模型,可以准确确定太阳电池阵输出能力和储能设备容量,减小电源系统质量和尺寸,由此表明该分析合理、可行。     

辐射器构型对载人航天器主动控温回路热负荷性能的影响分析

文章针对载人航天器主动控温回路系统中采用的分布式和集中式两类辐射器构型,分别建立了仿真分析模型,对它们在正常工作模式和辐射器支路故障工作模式下的工作性能进行了对比分析。结果表明,采用集中式辐射器的主动控温回路系统所能承受的热负荷水平要优于分布式辐射器对应的主动控温回路系统,且随着故障辐射器支路数目的增加,这两类流体回路所能承受的热负荷水平差异愈加明显。对于文章所设定的模型,正常工作情况下二者差异达到7.4%,单条支路故障时差异达到11%,2条支路故障时差异达到31.5%。