劉百麟 董藝 魏巍

（1中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

（2北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)探討

劉百麟1董藝2魏巍1

（1中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

（2北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

針對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)和熱控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，挖掘二者設(shè)計(jì)的結(jié)合點(diǎn)與耦合性，基于大系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，突破現(xiàn)有“學(xué)科孤島”式設(shè)計(jì)模式，探討衛(wèi)星平臺(tái)的機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合分析國(guó)內(nèi)外集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展、應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，表明這些技術(shù)措施能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)與熱控協(xié)同設(shè)計(jì)、融合效應(yīng)最大化的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)的可行技術(shù)途徑，其應(yīng)用可顯著提高衛(wèi)星平臺(tái)的承載與散熱能力，有效降低衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)費(fèi)效比，提升衛(wèi)星平臺(tái)的性能指標(biāo)。

衛(wèi)星平臺(tái)；機(jī)熱一體化；被動(dòng)傳熱；主動(dòng)傳熱；高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料

1 引言

衛(wèi)星設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，包括有效載荷、控制、推進(jìn)、電源、測(cè)控、綜合電子（或數(shù)管）、結(jié)構(gòu)、熱控等多個(gè)分系統(tǒng)，需要多個(gè)領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)目標(biāo)，屬于典型的耦合關(guān)系復(fù)雜的多學(xué)科設(shè)計(jì)范疇。隨著衛(wèi)星任務(wù)需求的日益復(fù)雜化，工程系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)程度越來(lái)越高，分系統(tǒng)之間的相互耦合也日益明顯，傳統(tǒng)的單學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化無(wú)法滿足系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，單學(xué)科設(shè)計(jì)最優(yōu)結(jié)果的組合無(wú)法構(gòu)成整體最優(yōu)解，急須挖掘?qū)W科間相互耦合、融會(huì)作用最優(yōu)化的技術(shù)途徑，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方法面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［12］。如何充分利用各學(xué)科間相互作用產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)，是工程設(shè)計(jì)長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)注的焦點(diǎn)。20世紀(jì)90年代初，由此催生出適用于復(fù)雜系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）［3］，是一種通過(guò)充分探索和利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的方法，為解決衛(wèi)星各分系統(tǒng)的耦合性對(duì)整體系統(tǒng)性能影響提供一種有效手段。

隨著多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在工程設(shè)計(jì)上應(yīng)用需求的日益迫切，國(guó)內(nèi)外針對(duì)MDO技術(shù)進(jìn)行了大量研究、探索與實(shí)踐。文獻(xiàn)［4－6］中較全面地綜述了國(guó)內(nèi)外MDO的研究情況，表明應(yīng)用在衛(wèi)星設(shè)計(jì)領(lǐng)域的MDO技術(shù)還處于理論思路與方法的探討、環(huán)境與工具的開(kāi)發(fā)、概念設(shè)計(jì)等初級(jí)階段。MDO技術(shù)在衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方面，主要集中于低地球軌道（LEO）中小型衛(wèi)星總體概念設(shè)計(jì)階段的總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、建?；蚬ぞ唛_(kāi)發(fā)［79］，缺少與全生命周期設(shè)計(jì)的融合。相比衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，MDO技術(shù)在衛(wèi)星光學(xué)遙感部（組）件和單機(jī)級(jí)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用較成熟，如應(yīng)用于天基望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、紅外光學(xué)系統(tǒng)的集光機(jī)熱一體化的耦合分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［10］，輕型空間相機(jī)的熱補(bǔ)償與精密桁架結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)［11］，以及電子設(shè)備的機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)［12－13］。

本文基于衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)與熱控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，探討結(jié)構(gòu)與熱控協(xié)同設(shè)計(jì)的契合點(diǎn)、技術(shù)手段及優(yōu)勢(shì)，介紹了集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)，以及高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料的國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，著重探討上述技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)的可行性，以突破現(xiàn)有“學(xué)科孤島”式設(shè)計(jì)模式，可為衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)提供參考。

2 集傳熱與承載于一體的衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與熱控分系統(tǒng)結(jié)合最為緊密，相輔相成。結(jié)構(gòu)是熱控設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，熱控措施基于結(jié)構(gòu)本體得以實(shí)施，結(jié)構(gòu)的熱物特性對(duì)熱控是有貢獻(xiàn)的，通過(guò)改變衛(wèi)星結(jié)構(gòu)傳熱性能和表面熱物特性參數(shù)（如材料的導(dǎo)熱率、發(fā)射率）實(shí)現(xiàn)溫度控制，因此，在衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從選材、構(gòu)型等方面考慮熱控設(shè)計(jì)需求，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)滿足一定的強(qiáng)度和剛度以實(shí)現(xiàn)承載功能的同時(shí)，又要具備良好的傳熱性能，滿足星內(nèi)設(shè)備散熱需求。綜上所述，衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱控設(shè)計(jì)存在強(qiáng)耦合，奠定了衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過(guò)集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)。按傳熱實(shí)現(xiàn)的機(jī)理不同，多功能結(jié)構(gòu)又分為基于被動(dòng)式傳熱設(shè)計(jì)和基于主動(dòng)式傳熱設(shè)計(jì)。

2．1 集被動(dòng)傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)

在20世紀(jì)90年代初，文獻(xiàn)［14］中就提出了基于分布式熱管傳熱的復(fù)合結(jié)構(gòu)，即在蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的夾芯層內(nèi)預(yù)埋熱管，蜂窩夾芯用于承受力學(xué)載荷，而分布式的熱管用于被動(dòng)傳熱。目前，衛(wèi)星散熱輻射器普遍采用集傳熱與承載于一體的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種預(yù)埋熱管的方式會(huì)破壞蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的完整性，不可避免地削弱蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的抗力學(xué)機(jī)械性能。為了改進(jìn)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［15］中提出一種格柵結(jié)構(gòu)流體通道仿生式傳熱多功能結(jié)構(gòu)，將單根熱管線向傳熱衍變?yōu)閺?qiáng)耦合的熱管網(wǎng)絡(luò)面向傳熱（如圖2所示），將主、副熱管通道與壁板結(jié)構(gòu)結(jié)合構(gòu)成輻射器。當(dāng)輻射器局部區(qū)域過(guò)熱時(shí)，熱管中流體介質(zhì)會(huì)沿通道將熱量帶至其他低溫區(qū)域，顯著提高輻射器的整體傳熱性能。文獻(xiàn)［16］中基于輕質(zhì)點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)，按點(diǎn)陣形式，可分為直柱點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)和金字塔點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。由于點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的上下面板是由若干周期性桿件連接的，桿件間是中空的，因而具有足夠的容納空間，不僅能方便地埋置熱管，也可用于衛(wèi)星電纜鋪設(shè)，易于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星機(jī)電熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相對(duì)于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，這種點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能夠綜合衛(wèi)星設(shè)計(jì)需求，可根據(jù)熱管的排布規(guī)律及電纜的埋設(shè)要求，對(duì)點(diǎn)陣夾層中桿件的分布及幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使熱管的排布及電纜的走向更加合理、靈活，便于維修和管理，同時(shí)可提高結(jié)構(gòu)的壽命和可靠性，具有較好的工程設(shè)計(jì)適應(yīng)性基礎(chǔ)。

圖2 集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)Fig．2 Multi－functional structure with heat transfer and load carrying

圖3 集傳熱與承載于一體的輕質(zhì)點(diǎn)陣夾層多功能結(jié)構(gòu)Fig．3 Multi－functional structure of light weight lattice sandwich with heat transfer and load carrying

2．2 集主動(dòng)傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)

隨著甚高功耗級(jí)電子器件在衛(wèi)星上的使用，多功能結(jié)構(gòu)的散熱成為首要問(wèn)題，須要引入強(qiáng)制對(duì)流、兩相換熱等高量級(jí)熱傳輸技術(shù)手段，由此出現(xiàn)了集主動(dòng)傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)。相對(duì)于預(yù)埋熱管的方式，這種結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量會(huì)得到很大幅度的減小，更易進(jìn)行熱傳導(dǎo)或者對(duì)流（或相變）換熱等主動(dòng)熱控方式，具有更高的傳熱性能。文獻(xiàn)［17］中最先提出了多功能熱管夾芯結(jié)構(gòu)，如圖4所示。此結(jié)構(gòu)除具有很強(qiáng)的力學(xué)承載能力，最主要的是具有高效導(dǎo)熱性能。結(jié)構(gòu)芯層由6061個(gè)十字開(kāi)槽鋁蜂窩胞元組成，每個(gè)胞元表面及上下面鋁板表面覆蓋了開(kāi)孔鎳泡沫芯膜，芯膜由液態(tài)工質(zhì)（如去離子水）浸潤(rùn)，構(gòu)成熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將整個(gè)結(jié)構(gòu)抽半真空再密封，組成閉合的兩相對(duì)流傳熱回路系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的某部分受熱，引起液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)，蒸氣迅速流動(dòng)到低溫區(qū)域冷凝，釋放潛熱，冷凝后又通過(guò)鎳泡沫芯膜的毛細(xì)力作用回流到蒸發(fā)處，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高效的熱傳導(dǎo)性能。

圖4 多功能熱管夾芯結(jié)構(gòu)Fig．4 Multi－functional heat pipe sandwich structure

超輕多孔材料的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了集主動(dòng)傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。多孔材料是一類由形成材料本身構(gòu)架的連接固體相和形成孔隙的流體相組成的孔隙材料［18］，按微結(jié)構(gòu)排列規(guī)則［19］可分為泡沫化（開(kāi)孔泡沫和閉孔泡沫）材料、類桁架點(diǎn)陣材料、金屬絲網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)及蜂窩材料等，見(jiàn)圖5。與傳統(tǒng)材料相比，多孔材料具有輕質(zhì)、多功能、可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)［20］，其中多功能特性表現(xiàn)為高比強(qiáng)度、高比剛度、高強(qiáng)韌，以及具有散熱、減震、降噪與電磁屏蔽等優(yōu)良特性。文獻(xiàn)［21］中利用高導(dǎo)熱的碳泡沫設(shè)計(jì)并制備出復(fù)合材料面板－碳泡沫夾層結(jié)構(gòu)，替代預(yù)埋熱管，提高了夾層結(jié)構(gòu)厚度方向的導(dǎo)熱性能，使得夾層結(jié)構(gòu)既具有高承載性能，又具有良好的傳熱性能。對(duì)于多孔金屬材料結(jié)構(gòu)的傳熱性能，除了利用多孔金屬骨架本身的熱傳導(dǎo)，還可以挖掘金屬表面與流體間的強(qiáng)制對(duì)流換熱，可大幅提高結(jié)構(gòu)整體的傳熱性能。文獻(xiàn)［19］中綜述了多孔金屬泡沫的主動(dòng)傳熱研究，表明金屬泡沫的綜合傳熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)所用的微通道。文獻(xiàn)［22－23］在有序多孔金屬傳熱研究中，對(duì)單層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)制對(duì)流換熱進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)與兩平板間的傳熱性能相比，引入點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層芯可使整體傳熱性能提高6倍。文獻(xiàn)［24］中將鋁泡沫金屬應(yīng)用于電子元器件，以空氣冷卻對(duì)流換熱，具有很好的冷卻效果（可達(dá)100W/cm2）。文獻(xiàn)［25］中將鋁泡沫金屬中的空氣冷卻效果與傳統(tǒng)翅片式換熱器進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)鋁泡沫金屬的傳熱效果明顯占優(yōu)。上述關(guān)于多孔金屬材料的主動(dòng)傳熱研究，均是針對(duì)單相對(duì)流傳熱特性，表現(xiàn)為多孔金屬結(jié)構(gòu)中的單相流體的湍流或?qū)恿髁鲃?dòng)換熱，其傳熱系數(shù)明顯低于兩相換熱。多孔金屬材料在兩相換熱方面具有優(yōu)勢(shì)，其特有的微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)及表面積，為強(qiáng)化凝結(jié)和沸騰的兩相傳熱提供了很好的基礎(chǔ)，因而將多孔金屬材料應(yīng)用于兩相換熱對(duì)改善其傳熱性能具有更大的潛力。

3 高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料助推機(jī)熱一體化

3．1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)材料的需求

為滿足空間環(huán)境的要求，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料必須具備質(zhì)量小、比剛度高、比強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、熱物理性能優(yōu)良和熱變形小的特點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料因具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)而成為優(yōu)選材料，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)約70%采用高模量聚丙烯腈（PAN）基碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料制造［26］，不過(guò)，這種復(fù)合材料導(dǎo)熱性能較差，無(wú)法達(dá)到散熱輻射器高效散熱的要求，因此散熱輻射器蒙皮使用鋁合金材料。

成熟衛(wèi)星平臺(tái)的升級(jí)換代及大型衛(wèi)星平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，必將伴隨著大功率、高熱流密度的有效載荷（如行波管放大器）劇增，以及星載天線（如SAR天線）、光學(xué)相機(jī)等高發(fā)熱、高精密設(shè)備的不斷研發(fā)，這些特殊載荷對(duì)散熱能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高的要求。當(dāng)前衛(wèi)星散熱輻射器多采用預(yù)埋熱管的鋁蒙皮鋁蜂窩芯夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)，存在散熱能力不高、承載能力低、剛度小、質(zhì)量大和熱變形大等缺點(diǎn)，對(duì)于星載天線及高精密光學(xué)設(shè)備而言，有必要發(fā)展集機(jī)熱一體的兼具高穩(wěn)定性與高效傳熱性能的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料，這也是滿足未來(lái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)需求的多功能復(fù)合材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3．2 高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用

國(guó)外以航天應(yīng)用為牽引，較早對(duì)高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維、高導(dǎo)熱樹(shù)脂基體及其結(jié)構(gòu)成型工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并已成功研制了基于高導(dǎo)熱瀝青基高模量碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料。其中：美國(guó)Cytec公司生產(chǎn)的K1100型纖維，其導(dǎo)熱率達(dá)到1100W·m－1·K－1；日本三菱化學(xué)公司生產(chǎn)的K13D型纖維，其導(dǎo)熱率達(dá)到800W·m－1·K－1，且導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能均顯著優(yōu)于現(xiàn)用的PAN基碳纖維。制備集結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能為一體的高模量復(fù)合材料，除高導(dǎo)熱的碳纖維外，還要用樹(shù)脂基體等材料進(jìn)行復(fù)合，樹(shù)脂基體的導(dǎo)熱性能普遍偏低，因此碳纖維復(fù)合材料的力、熱性能均要低于碳纖維本身，幾種碳纖維、碳纖維復(fù)合材料、高導(dǎo)熱金屬的力、熱性能對(duì)照見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，K1100瀝青基碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料沿纖維面向?qū)崧矢哌_(dá)490W·m－1·K－1，是純碳纖維導(dǎo)熱率的48%，高于銅、鋁合金的導(dǎo)熱性能，約是鋁合金（Al 2024）導(dǎo)熱率的4倍，密度卻僅約為銅的20%，鋁合金的64%。碳纖維及復(fù)合材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于金屬，熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)低于金屬，作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板蒙皮材料完全可以取代鋁合金。目前，國(guó)外采用的高導(dǎo)熱瀝青基樹(shù)脂復(fù)合材料導(dǎo)熱率為200～483W·m－1·K－1，因其具有的導(dǎo)熱率高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量小和力學(xué)性能優(yōu)等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于衛(wèi)星散熱輻射器、光學(xué)設(shè)備、天線等的機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)。例如：2007年，日本發(fā)射的工程試驗(yàn)衛(wèi)星－8（ETS－8，即菊花－8衛(wèi)星），采用可展開(kāi)的對(duì)地碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)散熱器；2008年，德國(guó)HPS公司采用高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料制造出Φ1200mm、3．4kg的Q/V頻段天線反射面，實(shí)現(xiàn)了50μm的表面精度；由高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料制成的太陽(yáng)電池板，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量小、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定與熱均衡設(shè)計(jì)，在空間冷熱交變環(huán)境中改善了電池板的熱、電性能。

國(guó)內(nèi)已研制出的瀝青基碳纖維導(dǎo)熱性能也達(dá)到了較高水平，約為900W·m－1·K－1［27］，但存在纖維性能不穩(wěn)定、力學(xué)性能差等問(wèn)題。此外，現(xiàn)有的用于制備復(fù)合材料的導(dǎo)熱樹(shù)脂性能普遍偏低，直接影響了瀝青基碳纖維復(fù)合材料的熱、力性能。長(zhǎng)期以來(lái)，受高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料研制的制約，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星散熱輻射器采用鋁蒙皮、鋁蜂窩芯夾層面板內(nèi)預(yù)埋熱管的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），這種結(jié)構(gòu)面板鋁蒙皮的導(dǎo)熱率為121W·m－1·K－1，若被導(dǎo)熱率為200～500W·m－1·K－1的瀝青基碳纖維復(fù)合材料替代，面板面向?qū)崧士商岣?．5～4．0倍，利于散熱輻射器的等溫化設(shè)計(jì)，可顯著提高散熱效率。在獲得相同的散熱效率時(shí)，若蒙皮采用高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料，散熱輻射器內(nèi)預(yù)埋平行熱管的間距可擴(kuò)大1．5～4．0倍，大幅減少熱管數(shù)量，使熱控系統(tǒng)顯著減小質(zhì)量（熱管約占熱控系統(tǒng)質(zhì)量的60%以上）。高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料的密度、強(qiáng)度、模量、熱膨脹系數(shù)等指標(biāo)，均明顯優(yōu)于鋁合金，因此間接帶來(lái)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小和穩(wěn)定性提高。

綜上所述，兼具優(yōu)良的力、熱性能的高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用，將是推動(dòng)衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)的重要引擎，也是衛(wèi)星平臺(tái)質(zhì)量減小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與傳熱性能增強(qiáng)的有效途徑之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

在衛(wèi)星設(shè)計(jì)領(lǐng)域，突破多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)將是未來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的主題之一。衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱控設(shè)計(jì)存在強(qiáng)耦合，為集傳熱與承載的機(jī)熱一體化衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)與熱控設(shè)計(jì)耦合仍處于初級(jí)技術(shù)狀態(tài)，衛(wèi)星平臺(tái)能力擴(kuò)展受到嚴(yán)重限制，尤其是大承載高熱耗的東方紅－4、5（DFH－4、5）大型衛(wèi)星平臺(tái)受此制約更為突出。被動(dòng)式、主動(dòng)式集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料，正是適應(yīng)衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)需求而發(fā)展的技術(shù)與材料，成為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)的可行、備選的技術(shù)手段，必將助推衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)進(jìn)程，其應(yīng)用將使衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)與熱控之間的協(xié)同設(shè)計(jì)效應(yīng)最大化，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)與熱控設(shè)計(jì)融合的優(yōu)勢(shì)，顯著提高衛(wèi)星平臺(tái)的承載能力與散熱能力，有效降低衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)的費(fèi)效比，改進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的性能指標(biāo)。

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）

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（編輯：夏光）

Discussion on Mechanical and Thermal Integrated Design of Satellite Platform

LIU Bailin1DONG Yi2WEI Wei1
（1Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2Beijing Spacecrafts，Beijing 100094，China）

According to the requirements of satellite platform structure and thermal control subsystems，this paper investigates the combination points and couplings of the two subsystems．Based on the theory of disciplinary optimization of a large system，this paper breaks through the“isolated island”design mode and discusses the mechanical and thermal integrated design of satellite platform．The paper introduces the investigation，application and development tendency on multi－functional structure of heat transfer and load carrying，and carbon fiber composite materials with high thermal conductivity．These measures can make full use of the advantages of structure and thermal control collaborative design，and can be one of the feasible technological approaches to the mechanical and thermal integrated design of satellite platform．These measures can improve load bearing and heat dissipation，decrease the cost efficiency ratio and improve the performances of the satellite platform．

satellite platform；mechanical and thermal integration；passive heat transfer；active heat transfer；high thermal conductivity carbon fiber composite material

V423．4；TK124

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．005

2015－11－16；

2016－01－28

國(guó)家重大航天工程

劉百麟，男，高級(jí)工程師，從事通信衛(wèi)星熱總體設(shè)計(jì)工作。Email：liubailin501@sina．cn。