GEO卫星氢镍蓄电池在轨温度波动机理分析

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2011年4月第2期GEO卫星氢镍蓄电池在轨温度波动机理分析刘百麟周佐新(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要在某地球静止轨道通信卫星平台布局的基础上，通过合理地简化和假设建立了南蓄电池舱作为热分析计算模型，对影响蓄电池在轨温度波动的机理进行分析。分析结果表明：在冬至，西板、对地+y板和背地+y板受照外热流的日变化会引起其内表面温度大幅度波动，通过舱内热辐射又会引起服务舱南板等结构板内表面温度波动，而服务舱南板通过导热

2、将引起安装其上的蓄电池温度波动，这是导致蓄电池温度波动的根本原因。关键词氢镍蓄电池温度波动地球静止轨道卫星D()I：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．02．011引言蓄电池是卫星重要的一次能源储能装置，主要负责地影期卫星供电。其中，氢镍蓄电池具有长寿命高可靠和质量轻等优点，在航天器上广泛应用，特别是在地球静止轨道(GE())卫星上应用最为广泛。氢镍蓄电池组由蓄电池组件构成，蓄电池组件又由若干单体组成。氢镍蓄电池组对工作温度及单体问温度分布均匀性等温度指标有着苛刻的要求¨。，同一蓄电池

3、组件内单体间最大温差应小于3℃，同一蓄电池组问单体最大温差应小于5℃。从GE()卫星在轨温度数据来看，冬至全日照时，在氢镍蓄电池加热器完全关闭的情况下蓄电池每天温度波动幅度约为6℃。在温度大幅度波动的情况下，很难保证单体间温度一致性的要求，因此，通过研究引起蓄电池温度波动的机理，来改进蓄电池热设计，为其提供一个良好的稳定热环境是十分必要的，从而可以达到改善蓄电池性能和延长在轨服务寿命的目的。本文将通过热分析的方法对引起蓄电池在轨温度波动机理进行研究。2氢镍蓄电池组工作及热控简况每个氢镍蓄电池组件由单体组成，单

4、体借助硅橡胶装在卡套(铝合金)里，单体再通过卡套直接安装在电池底板(铝合金)上组成蓄电池组件-’3]，蓄电池组件通过电池底板安装在服务舱南板、北板(各两组)内表面，安装接触面之间涂导热硅脂。当卫星处于阴影期时，蓄电池向星上的仪器设备供电，蓄电池大电流放电并产生大量的热。当卫星处于日照区时太阳能电池向蓄电池充电，在充电初期吸热，随着充电量的增加吸热量减小，至充满后继续涓流充电以保持充满状态。若涓流设置不当，也可能造成蓄电池发热。GE()卫星氢镍蓄电池主要采用了如下热控措施¨j：1)在安装蓄电池组的铝蜂窝面板内预

5、埋两根相互平行的热管；2)每个蓄电池组件外罩一个由低温多层隔热组件组成的隔热罩(隔热设计)；收稿日期：20lo一1l-10。收修改稿日期：2010一12一09!!!!芏!旦主垦窒回型堂堇查§i3)每块蓄电池组件对应的安装面板外表面布置一块满足散热要求的光学太阳反射镜(Opticalsolarreflector，()SR)散热面；4)为维持低温情况下蓄电池的温度不超出低温限，在电池单体上粘贴加热片用于控温。3热分析模型(1)物理模型不同于求解蓄电池单体内部温度场的热模型研究-引，本文研究的重点是空间热环境对蓄电

6、池组件温度变化规律的影响，考虑到GE()轨道卫星采用分舱隔热设计，选取包括蓄电池组件在内的舱段并进行合理简化作为热分析模型是可行的。因此，本文以南蓄电池组件、服务舱南板(南蓄电池组安装板)、对地+y板、背地+y板、推进舱+y隔板、服务舱南隔板，以及相应的部分中板、西板构成长方体封闭舱作为分析的物理模型，简称南电池舱。由于中板、西板仅为截取舱段部分，模型中简称模拟中板、模拟西板。在南电池舱中，除了服务舱南板为铝蜂窝板外，其他结构板均为碳纤维蜂窝板。南电池舱的内表面除了服务舱南板喷白漆外，其他结构板均不做表面处理

7、；南电池舱的外表面除了蓄电池散热面贴0SR片外均包敷多层隔热组件。卫星采用地球静止轨道，飞行姿态为对地定向。轨道参数如下：轨道高度矗=36000km；倾角i—O。，轨道周期T一24h。只考虑太阳辐射¨一，冬至太阳常数按1399W／m2取值。(2)热数学模型本文应用NAVADA和Sinda／G软件进行建模和数值求解，在满足热分析要求的前提下，进行如下合理简化和假设：1)卫星舱内结构板(模拟中板、推进舱+y隔板)外表面(朝南电池舱外方向)作绝热边界处理；2)忽略服务舱南板、推进舱+y隔板上仪器影响，不考虑对接锥、

8、490N发动机等星外部件影响；3)热容未知的仪器及热管的比热容均按铝合金材料考虑；4)忽略结构板之间的连接导热影响，忽略舱板内结构预埋件的导热影响；5)只考虑蜂窝芯沿垂直蒙皮方向的导热，而不考虑蜂窝芯沿平行蒙皮方向的导热；6)星表多层与舱板之间、蓄电池隔热罩的内外表面之间只考虑辐射换热，其当量辐射系数为O．03。依据地球静止轨道卫星建模准则⋯建立模型，南电池舱几何模型示意如图1。图1南电池舱几何模型