微小卫星热控系统的研究现状及发展趋势

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1、第28卷第l期航天器环境T程20I

2、印2川SPA(’f!(’RAFTENVIRONMENTENGINEERING77微小卫星热控系统的研究现状及发展趋势刘佳1，李运泽2，常静1，盛江1(1．航天东方红卫星有限公司，北京100094；2．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：文章针对微小航天器研究现状和发展需求给热控系统设计带来的难点和挑战，从传热学和控制学两个角度，对近年来微小卫星热控领域出现的先进的热量收集、传输和排放装置展开论述：追踪了国内外学者提出的热控发展新的理论和方案。总之，开展各种智能、灵巧的航天器热控部件研究及针对高性能传热装置的控

3、制策略研究是由微小卫星的结构布局和任务特点所决定的必然要求和发展趋势．关键词：微小卫星；热控系统；热控器件：自主热控；控制策略中国分类号：V423．4+1；THl2文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)01-0077．06DOh10．3969巧．issn．1673一1379．2011．01．0150引言微小卫星具有功能密度高、灵活性强和研制周期短等优势，成为目前国际航天技术领域的三大研究热点与发展前沿之一，尤其是以编队或星座方式飞行的微小卫星群落更受到了国际宇航界的青睐。在1985年～2000年，全球小卫星(<1000kg)的发射量为660颗，占同期航

4、天器总发射量的1／3。而其中，微小卫星(100～500kg)的发射量又占到了小卫星发射总量的1／21¨。然而，微小卫星体积小、质量轻的结构特点；内部星载设备的日趋多样化以及工作模式的日趋复杂化；执行航天任务环境的不确定性等因素都对微小卫星热控系统的设计提出了新的挑战。本文针对这些挑战，追踪了国内外微小卫星热控系统的研究现状，概述了微小卫星热控器件的最新设计思想和热系统的自主控制策略理念。以及微小卫星热控技术的发展趋势。l微小卫星热控设计面临的问题与挑战由于微小卫星结构上对质量、体积和功耗的约束，给其热控设计带来了两个主要问题：一个是局部的高热流密度，一个是低的热惯性【

5、21。首先，随着电子芯片集成化，封装水平的不断提高，部分MEMS器件尺寸已经从微米量级进入了亚微米量级，且自1959年开始器件的集成度以每年40％～50％高速递增。由于器件的表面积与器件特征尺度的平方成反比，使得星载设备的局部热流密度最高可达100W／cm2以上量级。而微电子器件的可靠性对温度十分敏感，器件温度在70--．80℃水平上每增加l℃，可靠性就会下降5％。其次，是由于微小化带来的表面积／体积比增大，对外热流的热惯性变小。因此当微小卫星进入地球轨道的阴影时，卫星蒙皮的温度波动将会增大，加上仪器设备自身热功耗的变化，使星内仪器设备的温度增加，乃至超出其正常工作温

6、度范围。综上所述，研究微小型航天器已成为国际宇航界的发展趋势，高性能的微小航天器设计对传统主、被热控系统的控制品质和适用范围都提出了新的要求：1)具有局部高热流密度的收集、传输和排散能力；2)能在复杂或多种热环境下以高可靠性T作；3)能够提高星载能源的利用系数，减少重量体积和飞行代偿，满足节能降耗。2微小卫星自主热控技术的内涵传统的热控系统分为不具有自动调节能力的被收稿日期：2010．09．15；修回日期：2010．10．12作者简介：刘佳(1983一)．女，博士学位，研究方向为小卫星热控制及热管理技术；E-mail：liujia928@gmail．com。李运泽(1

7、972一)，男，博士学位。副教授，研究方向为复杂热控系统的先进设计与控制理论，飞行器机载能源与动力技术：E-mail：liyunze@buaa．edu．c11．78航天器环境工程第28卷动热控技术和能根据温度的要求主动改变换热特性参数的主动热控技术两种基本类型。对于轨道和姿态相对稳定的常规航天器来说，所处的热环境和星卜载荷的工作模式都比较固定，也不用考虑来自人为干扰的小利冈素。大多数航天器都采用被动为主、主动为辅的热控模式，而其针对周期性外热流的变化也可依靠涂层、多层隔热材料等简单的被动热控技术实现。对于微小卫星热控系统面临的问题和挑战，近年来“自主热控技术”的设计理

8、念成为了国内外的研究热点之一ljJ。卫星自主热控汲取了航天器自主运行的思想，意味着系统不依赖外界的信息注入或者尽可能少地依赖外界干预，而能够依据在线所感知的外部形势，并结合自身状态，合理、优化地调整控制策略，智能地采取行动，从而自主管理完成热控任务。提高航天器自主热控能力可以同时从部件和系统两个层次入手。部件级自主热控技术是利用材料本身热物理性能随温度的变化规律实现受控温度的闭环控制，无需专门的控制器介入，如变辐射率薄膜和智能电加热器等。虽然这种具有一定智能性的热控部件可以独立完成给定的温度控制任务，但却没有根据局势变化自动调整控制策略的自适应能力，