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1、微型卫星热控制技术研究VO1.15NO.26航天器工程SPACECRAFTENGINEERING第15卷第2期2006年7月微型卫星热控制技术研究麻慧涛钟奇范含林文耀普(中国空间技术研究院总体部,北京100094)摘要对国内外微型卫星技术现状和发展趋势进行了调研,通过详细分析微型卫星的特点及对热控系统带来的挑战,指出了传统热控设计思想和技术的不足,提出了微型卫星整星级等温化设计和智能型热控制的新概念,并在此基础上,提出了几项有前途的微型卫星热控新技术,对其技术途径和应用前景进行了分析和展望.关键词微型卫星等温化设计智能型热控制1引言近年来,小卫星研制取得了飞速发展
2、,随着电子集成技术和有效载荷小型化技术的进步,比小卫星还要小的微型卫星也已展露头角,这也是当今科技领域微电子和微机械系统(MEMS)迅猛发展的必然产物.微型卫星的重量一般小于100kg,最小至十几千克,甚至几千克.微型卫星最大的优点是可以批量化生产,在空间大量部署,组成应用体系或星座.微型卫星主要基于MEMS技术,利用超微型加工技术和集成技术,将卫星的结构,电源,通信,遥控,数据处理,热控,推进与控制等系统高度集成,实现卫星的模块化,微型化和超轻量化.未来的微型卫星为了显着提高有效载荷比,必然要将星上电子系统和其它分系统进行高度集成,进行光,机,电,热一体化设计,
3、采用大规模集成电路(ASIC,FPGA等)技术,使星上电子系统的功能密度大大提高,打破原来星上光,机,电,热各分系统间的严格界限,对星上资源进行统一配置和利用.微型卫星可以将原来近十个设备完成的功能集成到一个统一的星上电子集成单元中,从而大大降低星上设备的体积和重量,提高卫星的有效载荷比,微型卫星的有效载荷比将大于50%.微型卫星技术将对我国航天器各分系统带来极大的挑战,其中就包括热控制技术.首先,由于微型卫星的小尺寸和星上电子系统的高度集成,其热流密度将非常大,很容易导致局部高温;其次,由于微型卫星热容量小,容易受到瞬态热载荷和空间外热流的影响,导致卫星温度水平
4、波动较大;另外,微型卫星的散热面积极为有限,如何有效解决;如何提高微型卫星的自主调控能力和自主管理能力;如何采用更加简单,有效,适合微型卫星特点的热控技术;热控产品如何小型化,轻量化和智能化都将是热控分系统有待解决的难题.像现在工业领域计算机芯片的散热问题制约着笔记本电脑的发展一样,热控问题也将成为微型卫星需要解决的首要问题之一.为了对未来我国微型卫星的实际应用在热控专业领域指明方向,目前迫切需要对微型卫星热控制技术进行研究.2国内外技术现状及发展趋势美国国防部(D0D)和NASA在21世纪规划中提出要研制和发射大量轻质量,低成本的小型航天器,以完成一系列科学研究
5、和军事探测任务.目前,美国等国家执行深空探测任务的航天器重量一般为500kg～2000kg,NASA计划在未来5至10年将航天器的重量减小到50kg量级,长期目标使航天器重量最终达到5kg水平.同时,NASA已制定了"片上集成系统"(System—OnA—Chip)项目,目标是将整个航天器的功能集成在一个芯片上.美国正在加紧研制能在2010年前就能投入使用的"智能卵石"(BrilliantPebbles).它实际上是一种集目标探测,跟踪,寻的,拦截等各种功能于一体的智能化的动能武器.据说每枚"卵石"净重45kg.据估计,届时将有数以万计的"卵石"将会被部署在环绕地
6、球的各类轨道上.为了具有一定的潜伏性和隐蔽性,"卵石"必然要具备高度智能化,实现自主管第2期麻慧涛等:微型卫星热控制技术研究7理和运行,这就对热控系统的自主管理和调节能力提出了很高的要求;"智能卵石"在功能上将进行光,机,电,热高度集成,大量采用微型机电技术(MEMS),而多功能复合结构在其中无疑将起到至关重要的作用.美国NASA的ST一5计划由3颗重量为21.5kg的微型卫星构成.据称将对7项具有革命意义的空间技术进行飞行试验验证,其中与热控有关的有3项,一项是基于MEMS技术制造的微型机械热控百叶窗,一项是电子热开关,一项是电致可变发射率热控涂层.这三项新的主
7、动热控技术对于对能源和重量要求非常苛刻的微型卫星来说都是非常有吸引力的….目前国内对现代小卫星和微型卫星的发展也很重视,我院先后成功发射了sJ一5,HY一1小卫星,形成了CAST968平台;哈工大,清华,中科院都在开展微小卫星和纳卫星的研究工作,并取得了一些成果.目前在微型卫星热控制领域方面尚未开展系统的,深入的研究,基本上仍然在沿用传统大卫星的设计思想和技术,并没有形成适合微型卫星特点的热控技术,迫切需要开展有关微型卫星热控制技术研究3微型卫星发展对热控制技术带来的挑战3.1小热容量带来的挑战由于微型卫星的重量很轻,通常在几十千克左右,因此其热容量比起上吨级的大
8、卫星甚至几
