彭方漢 耿利寅 王甜甜 李國強

（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）

1 引言

快旋部件的主要特點是工作時整個部組件繞轉(zhuǎn)軸持續(xù)、快速地轉(zhuǎn)動，目前星外快旋部件主要應(yīng)用于氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星且以微波類載荷居多。國內(nèi)比較典型的是“風(fēng)云”系列衛(wèi)星上應(yīng)用的多通道掃描成像輻射計［1-3］，國外比較典型的有美國諾阿（NOAA）系列氣象衛(wèi)星上應(yīng)用的高級微波探測器AMSU-A和AMSU-B［4-5］、美國國防氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）系列氣象衛(wèi)星上應(yīng)用的專用遙感器微波成像探測器（SSMIS）［6］、地 球 觀 測 系 統(tǒng)（EOS）的“水”衛(wèi) 星（Aqua）上應(yīng)用的日本先進微波掃描輻射計（AMSRE）［7］、俄羅斯流星-3（MMETEOR-3）對地觀測衛(wèi)星上應(yīng)用的微波輻射計MTVZA［8］。根據(jù)已有文獻，上述快旋部件的主要熱控措施相同，包括：①隔熱設(shè)計，輻射計本體表面除散熱面之外的區(qū)域包裹多層隔熱材料；②散熱設(shè)計，輻射計本體的部分表面設(shè)置OSR或白漆散熱面；③等溫設(shè)計，通過噴涂黑漆，安裝熱管等方式降低輻射計本體的溫度梯度；④補償加熱設(shè)計，根據(jù)外部熱環(huán)境特點以及電子設(shè)備溫度要求，在局部區(qū)域安裝加熱回路進行低溫工況的加熱補償。

雖然已應(yīng)用的星外快旋部件的主要熱控措施相同，但不同類型快旋部件的具體熱控參數(shù)存在差異，已有文獻都只是對某一類快旋部件的具體熱設(shè)計方案進行了描述，未對此類快旋部件的熱控特點和熱設(shè)計方法作系統(tǒng)性分析和總結(jié)。本文通過分析星外快旋部件的熱設(shè)計特點和難點，提出了適用于此類快旋部件的熱設(shè)計方法，同時結(jié)合我國海洋-2（HY-2）衛(wèi)星的兩個典型快旋部件的熱控方案對星外快旋部件熱設(shè)計的效果進行了詳細論述，最后根據(jù)HY-2衛(wèi)星在軌溫度效果評估得出合理可行且優(yōu)化的星外快旋部件熱控方案。

2 特點和難點分析

轉(zhuǎn)動對快旋部件熱設(shè)計的影響主要包括四個方面：

1）熱量轉(zhuǎn)移措施單一

如果在航天器其它區(qū)域為快旋部件設(shè)置散熱面，快旋部件與散熱面之間無法通過熱管、銅條、導(dǎo)熱索等方式連接，只能通過效率較低的輻射方式進行熱量交換。當(dāng)快旋部件的總熱耗或投入外熱流較大時，采用輻射散熱的方式降低整體溫度的效果不明顯，需要通過優(yōu)化航天器構(gòu)型設(shè)計的方式來調(diào)節(jié)外部熱環(huán)境。

2）熱管布局要求嚴格

根據(jù)熱管的工作特性［9］，快旋部件上的熱管布局應(yīng)滿足“如果L2＞L1，則T2＞T1”的要求。見圖1，L表示熱管中心點與轉(zhuǎn)軸的垂直距離，T表示熱管中心點的溫度。熱流密度較大的局部區(qū)域需采用熱管輔助散熱時，快旋部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及設(shè)備布局應(yīng)進行優(yōu)化，以保證安裝的熱管在轉(zhuǎn)動情況下能夠正常工作。

圖1 熱管與轉(zhuǎn)軸相對關(guān)系示意圖Fig．1 Relative position of the heat pipe and the shaft

3）表面熱流波動劇烈

快旋部件的所有表面均繞轉(zhuǎn)軸周期性轉(zhuǎn)動，外表面投入外熱流周期變化，因此快旋部件上可直接設(shè)置高效率散熱面的表面很少，大熱流密度的區(qū)域很難通過設(shè)置散熱面的方式解決局部溫度過高的問題。

4）加熱回路數(shù)量受限

快旋部件上的所有功率、信號電纜只能通過轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)引出，滑環(huán)通道數(shù)量有限，而一個控溫回路至少需要測溫、加熱共4個通道，因此控溫加熱回路數(shù)量受限制。當(dāng)快旋部件的熱量分布不均勻而導(dǎo)致不同區(qū)域的溫度差異大時，熱控設(shè)計很難通過加熱方式來保證所有低溫區(qū)域的溫度滿足要求。

3 熱設(shè)計方法

由于快旋部件提升整體散熱能力的空間較小，調(diào)節(jié)局部溫度的措施和資源有限，因此合理的熱控方案需要通過優(yōu)化航天器的構(gòu)型設(shè)計、優(yōu)化快旋部件的設(shè)備布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計來配合完成，即采用“機-電-熱”一體化的熱設(shè)計思路。

HY-2衛(wèi)星的散射計探測頭部和輻射計探測頭部安裝在星外，工作時轉(zhuǎn)速均超過了15r／min，為兩個典型的快旋部件。同時散射計探測頭部總功耗為150 W，輻射計探測頭部總功耗為39．4 W，因此兩個頭部分別代表了較大功率和小功率的快旋部件。本節(jié)將結(jié)合兩個頭部的熱設(shè)計方案，對快旋部件進行“機-電-熱”一體化熱設(shè)計的要點進行分析。

3．1 實例

HY-2衛(wèi)星構(gòu)型見圖2，衛(wèi)星采用降交點地方時為6：00的太陽同步軌道，-Y側(cè)長期受照。散射計探測頭部-Y側(cè)在軌長期受到陽光直接照射，＋Y側(cè)、-X側(cè)、-Z側(cè)則受到衛(wèi)星表面的遮擋，散熱環(huán)境惡劣；輻射計探測頭部受衛(wèi)星的遮擋，投入的外熱流較小，且只有＋Z側(cè)和-X側(cè)受衛(wèi)星表面遮擋，散熱環(huán)境較好。

圖2 HY-2衛(wèi)星構(gòu)型Fig．2 Structure of HY-2satellite

散射計探測頭部的構(gòu)型見圖3，工作時反射器及高頻箱繞中軸轉(zhuǎn)動，電子設(shè)備安裝在高頻箱的頂部及內(nèi)部。

輻射計探測頭部的構(gòu)型見圖4，工作時反射器及高頻箱繞中軸轉(zhuǎn)動，電子設(shè)備安裝在高頻箱的內(nèi)部。

圖3 散射計探測頭部構(gòu)型Fig．3 Structure of scattermeter head

圖4 輻射計探測頭部構(gòu)型Fig．4 Structure of radiometer head

3．2 熱設(shè)計要點

1）優(yōu)化航天器的構(gòu)型設(shè)計

根據(jù)航天器的外熱流特點，同時結(jié)合快旋部件的總熱耗大小，確定快旋部件在航天器的位置。當(dāng)快旋部件的總熱耗較小時，快旋部件在航天器上的安裝位置對熱設(shè)計的影響較?。划?dāng)快旋部件的總熱耗較大時，快旋部件在航天器上的安裝位置應(yīng)滿足投入外熱流小、受航天器表面遮擋少的條件。

2）優(yōu)化快旋部件的設(shè)備布局

根據(jù)設(shè)備功率調(diào)整設(shè)備布局，使快旋部件上的熱量分布均勻，同時保證為大熱耗設(shè)備安裝的熱管滿足正常工作的條件，從而減少加熱保溫所需的回路數(shù)量，以及避免局部區(qū)域的熱量過度集中。

散射計探測頭部設(shè)備布局優(yōu)化的內(nèi)容主要包括：①熱耗較大的設(shè)備1主／備份和設(shè)備2主／備份布置在高頻箱外表面，且熱流密度最大的設(shè)備1主／備份布置在頂板外部受反射器遮擋最小的＋X側(cè)，外設(shè)備2主／備份布置在受反射器遮擋較小的±Y側(cè)。②根據(jù)熱量均布的原則布置高頻箱內(nèi)部設(shè)備，各個小艙中設(shè)備的主備份交叉布置，避免某個小艙的總熱量太小。

輻射計探測頭部設(shè)備布局優(yōu)化比較簡單，主要是所有設(shè)備在高頻箱內(nèi)部均勻分布。

3）優(yōu)化快旋部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

調(diào)整結(jié)構(gòu)開孔以保證熱管正常安裝，改進局部的結(jié)構(gòu)以提高局部的熱傳導(dǎo)能力，從而達到降低局部溫度梯度的目的。

輻射計探測頭部的所有設(shè)備熱耗較小，未針對熱設(shè)計而進行專門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。散射計探測頭部進行了兩項結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化：①通過調(diào)整結(jié)構(gòu)開孔，在高頻箱頂板預(yù)埋了5根弧形熱管將局部的熱量分散到整個頂板，見圖5；②高頻箱底板增加了3塊1mm 厚的鋁板，減小隔艙內(nèi)的設(shè)備溫差。

圖5 散熱計高頻箱頂板預(yù)埋熱管布置Fig．5 Layout of embodded heat pipes

4）從總體角度確定熱設(shè)計思路

將快旋部件當(dāng)作一個整體而不單獨考慮轉(zhuǎn)動的影響，根據(jù)總功耗以及外熱流特點確定整個快旋部件的熱設(shè)計思路以及周圍環(huán)境的熱控措施。

散射計探測頭部的總功耗較大且外熱流環(huán)境惡劣，熱控方案以散熱為主，主要散熱措施包括：高頻箱側(cè)面粘貼鈰玻璃鍍銀（OSR）二次表面鏡；高頻箱其它外表面以及反射器外表面均噴涂白漆；降低環(huán)境溫度，具體措施見圖6，P點為散射計探測頭部的安裝位置。

輻射計探測頭部由于需排散的熱量較小且外部環(huán)境良好，采取“適量散熱，注重保溫”的措施來完成熱控設(shè)計，主要包括：在側(cè)板外表面開設(shè)部分白漆散熱面，其它表面包覆多層；在高頻箱的4塊剪切板上安裝2路補償加熱回路；天線反射器背面及周圍艙板表面均覆蓋多層。

圖6 散熱計高頻箱預(yù)埋及外貼熱管布置Fig．6 Layout of embedded and outside heat pipes

3．3 熱分析驗證情況

兩個頭部的熱控方案均完成了一次熱平衡試驗驗證，試驗中由于試驗電纜發(fā)熱的影響，熱控方案的正常驗證受到了較大干擾，但根據(jù)試驗狀態(tài)及結(jié)果熱分析模型成功完成了修正工作，詳細分析見文獻［10］。

熱分析選擇兩個極端工況：低溫工況，選擇壽命初期、夏至的參數(shù)；高溫工況，選擇壽命末期、冬至的參數(shù)。計算結(jié)果見圖7和圖8，其中散射計探測頭部選擇工作熱耗最大的設(shè)備1主／備份和設(shè)備2主／備份作為分析對象，輻射計探測頭部的溫度分布比較均勻，在4個小隔艙分別選擇一臺設(shè)備作為分析對象。

在高低溫工況，散射計探測頭部的設(shè)備1和2的溫度范圍為-8．3～＋55．8 ℃，滿足-20～＋65 ℃的指標(biāo)要求；輻射計探測頭部的設(shè)備溫度范圍為15．2～39．2 ℃，滿足-10～＋50 ℃的指標(biāo)要求；兩個頭部的其它所有設(shè)備溫度也均滿足指標(biāo)要求。計算結(jié)果表明，兩個頭部的熱設(shè)計思路正確，采取的熱控措施有效，熱控方案合理。

圖7 散射計探測頭部溫度計算結(jié)果Fig．7 Temperature results of scattermeter head

圖8 輻射計探測頭部溫度計算結(jié)果Fig．8 Temperature results of radiometer head

4 在軌驗證

兩個頭部的部分在軌遙測數(shù)據(jù)及預(yù)示溫度統(tǒng)計見圖9和圖10，圖中選擇的設(shè)備溫度與計算分析選擇的對象相同。分析在軌遙測數(shù)據(jù)，所有設(shè)備的溫度均滿足要求；比較在軌遙測與計算分析的數(shù)據(jù)，所有設(shè)備的溫度均包絡(luò)在計算分析的高低溫工況溫度范圍內(nèi)，說明計算分析選擇的極端工況合理；比較在軌遙測溫度與預(yù)示溫度，兩個頭部的溫度差異均小于3 ℃，說明計算模型符合實際狀態(tài)。

圖9 散射計探測頭部部分在軌溫度及預(yù)示溫度Fig．9 In-orbit and calculated temperatures of scattermeter head

圖10 輻射計探測頭部部分在軌溫度及預(yù)示溫度Fig．10 In-orbit and calculated temperatures of radiometer head

兩個頭部的熱控方案及在軌溫度的比較分析表明，散射計探測頭部的熱控方案復(fù)雜，在軌整體溫度偏高，后續(xù)改進空間較??；輻射計探測頭部熱控方案比較簡單，在軌溫度適中，后續(xù)改進空間較大。兩個快旋部件的熱控方案復(fù)雜程度以及在軌溫度水平存在明顯差異，除了自身總功率不同帶來的影響之外，在衛(wèi)星上的安裝位置不同而導(dǎo)致的外熱流環(huán)境差異是另一個主要影響因素。因此受熱量轉(zhuǎn)移措施單一的限制，航天器和快旋部件結(jié)合進行的“機-電-熱”一體化設(shè)計對快旋部件的熱控方案影響非常大。

根據(jù)在軌溫度，散射計探測頭部的溫度滿足要求，主要是一些針對性的熱控措施效果明顯，特別是根據(jù)設(shè)備熱功耗進行的布局優(yōu)化設(shè)計以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對熱控方案的成功起到了重要作用。輻射計探測頭部在設(shè)備布局優(yōu)化后，溫度分布均勻，補償加熱回路數(shù)量需求少，通過調(diào)整散熱面面積來調(diào)節(jié)設(shè)備溫度容易實現(xiàn)。因此快旋部件自身的機電熱一體化設(shè)計才能解決熱管正常工作的要求，同時適應(yīng)散熱面外熱流復(fù)雜和加熱回路數(shù)量受限制的特點。

根據(jù)散射計探測頭部和輻射計探測頭部的熱設(shè)計效果分析，對于各種類型的快旋部件，一個合理可行且優(yōu)化的熱控方案應(yīng)結(jié)合“機-電-熱”一體化設(shè)計的方式來完成。

5 結(jié)束語

快旋部件熱設(shè)計應(yīng)結(jié)合航天器、部件自身進行“機-電-熱”一體化設(shè)計，以得到合理可行的熱控方案，要點包括：

（1）根據(jù)快旋部件總功率優(yōu)化航天器構(gòu)型設(shè)計，保證快旋部件的外熱流環(huán)境良好；

（2）根據(jù)設(shè)備的熱耗優(yōu)化快旋部件的設(shè)備布局，避免局部熱量過度集中，同時保證大熱耗設(shè)備安裝的熱管滿足正常工作的條件；

（3）根據(jù)熱量分布優(yōu)化快旋部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小局部的溫度梯度，同時保證熱管正常安裝。

經(jīng)過地面試驗和在軌飛行驗證，采用上述設(shè)計方法和設(shè)計方案的HY-2衛(wèi)星散射計和輻射計頭部在軌溫度結(jié)果正常，與設(shè)計預(yù)期結(jié)果一致，說明上述方法可應(yīng)用于星外大型旋轉(zhuǎn)部件的熱設(shè)計。

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