CN105346735A - 自适应散热面面积调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自适应散热面面积调节装置，包括：记忆合金板、隔热约束板、结构框架、隔热组件、太阳光吸收涂层；记忆合金板包括相连接的记忆合金板非卷曲部分、记忆合金板卷曲部分；记忆合金板非卷曲部分的内侧面通过隔热约束板连接至结构框架；记忆合金板卷曲部分的自由端面和内侧面覆盖设置有隔热组件；记忆合金板非卷曲部分、记忆合金板卷曲部分的外侧面均覆盖设置有太阳光吸收涂层；记忆合金板卷曲部分的内侧面覆盖设置有隔热组件。本发明能够自动根据光照强度情况进行展开与卷曲，配合高发射率的辐射器，具有自动无源调节、当量发射率高的特点，同时本发明没有运动部件，没有电器元件，还具备可靠性好的优势。

Description

自适应散热面面积调节装置
技术领域
本发明属于航天器热控制领域，涉及散热面调节装置，尤其涉及一种自适应散热面面积调节装置。
背景技术
随着航天技术的发展，高轨及倾斜轨道卫星越来越多。运行于高轨或倾斜轨道的卫星散热面外表面的光照角随时间变化剧烈，导致航天器在轨道运行中受照面的热流波动明显。为了适应航天器的热控需求，往往将此类受照面处理成空间辐射器的形式进行等温化处理。在空间辐射器受照面通过安装如热控百叶窗这类的散热面积调节装置来调整空间辐射器的对外辐射面积，以此来改变组合系统的当量发射率。
热控百叶窗是一种利用低发射率的可转动叶片不同程度的遮挡高发射率的辐射器表面的方法，用调节散热面的组合发射率来控制辐射器表面温度的装置。传统的热控百叶窗系统一般由叶片、驱动器、轴和轴承、动作室、底板和框架组成，有以双金属螺旋弹簧或金属波纹管构成的无源驱动式，也有电源或电机驱动的有源驱动式百叶窗。无源式百叶窗结构复杂，从全开到全关需要10～15℃的温差，控制精度差，调节效果有较大滞后性；有源式百叶窗需要消耗电能加热或者使用电机驱动，系统包含电机、蜗杆等机构系统复杂，可靠性差，控制开关过程需要人为参与，同时需要消耗星上宝贵的电能，因此在选用时应慎重考虑。
记忆金属全称为形状记忆合金(SMA)，其记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。最早由德国科学家Martens发现，直到1963年，美国海军军械研究所宣布在Ni-Ti合金丝中发现了形状记忆效应，才引起人们重视，积极考虑形状记忆合金的广泛应用。目前已知的形状记忆合金种类很多，主要分为Ni-Ti基形状记忆合金、Cu基形状记忆合金、Fe基形状记忆合金。Ni-Ti合金在延展性、有效记忆强度、应变量和耐高温能力等方面比铜基合金的要强得多，作为驱动元件能够提供更大的位移和力矩以及更高的稳定性。目前形状记忆合金应用发展最多的是美国、日本和中国。美国主要集中在航空航天领域，日本主要集中在日常用品领域，我国集中在医疗器械领域。
表1SMA的应用领域及应用举例
卫星天线是SMA典型的早期的应用实例之一。天线由Ni-Ti合金制成，在奥氏体相时将其加工成抛物面形的天线，然后冷却生成马氏体相。因为SMA处于马氏体相时很容易变形，所以可将天线折叠并揉成小团放入卫星中而不占用空间。卫星进入太空轨道后，通过加热或利用太阳能使SMA丝温度升高，当达到奥氏体相变温度后，被折叠成小团状的SMA丝完全打开，恢复为原来的抛物面形状天线。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自适应的散热面面积调节装置。与普通的百叶窗相比，本发明能够自动根据光照强度情况进行展开与卷曲，配合高发射率的辐射器，具有自动无源调节、当量发射率高的特点，同时本发明没有运动部件，没有电器元件，还具备可靠性好的优势。
根据本发明提供的一种自适应散热面面积调节装置，包括：记忆合金板、隔热约束板、结构框架、太阳光吸收涂层，还包括至少一层隔热组件；
记忆合金板包括相连接的记忆合金板非卷曲部分、记忆合金板卷曲部分；
记忆合金板非卷曲部分的内侧面通过隔热约束板连接至结构框架；
记忆合金板卷曲部分的自由端面和内侧面覆盖设置有隔热组件；隔热组件与结构框架之间存在间隙；
记忆合金板非卷曲部分、记忆合金板卷曲部分的外侧面均覆盖设置有太阳光吸收涂层；
记忆合金板卷曲部分的内侧面覆盖设置有隔热组件。
优选地，记忆合金板是具有全程记忆效应的Ni-Ti基形状记忆合金，在达到固有相变温度点后能够自动完成升温展开和降温卷曲动作。
优选地，隔热约束板通过面接触接触方式对记忆合金板非卷曲部分进行固定约束。
优选地，结构框架为航天器的外表面侧板或者两相、单相流体回路的辐射器。
优选地，隔热组件能够跟随记忆合金板展开与卷曲。
优选地，记忆合金板由整块记忆金属构成，无中间缝隙及框架件。
优选地，记忆合金板非卷曲部分的面积占记忆合金板总面积的10％以上。
优选地，记忆合金板非卷曲部分的面积占记忆合金板总面积的1/6。
优选地，隔热组件(4)的数量为多层，每层隔热组件均由双面镀铝聚酯薄膜和涤纶网箱间隔组成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的自适应性调节过程由具有全程记忆效应的Ni-Ti记忆合金驱动实现，能够根据光照强度自动调整百叶窗的展开与卷曲状态，相应的遮挡或敞开匹配的辐射器，改变组合系统的当量发射率，满足航天器的热控需求。
2、本发明的记忆合金板的受照面进行高太阳吸收比低发射率涂层处理，背面的非卷曲部分整体包覆隔热组件，能够整块卷曲起来，与普通百叶窗相比(见表2)，具有更高的当量发射率。百叶窗辐射器系统的当量发射率的定义是从装了百叶窗表面的净换热量与相同面积相同温度下的黑体辐射之比。
3、本发明的自适应散热面面积调节装置相比于普通百叶窗，不存在结构导致的支架漏热、动作室漏热、轴到片叶漏热等，关闭时仅存在缝隙漏热部分，而打开时辐射器对外辐射面积基本接近100％，以s781涂层为例，当量发射率在0.88以上，明显高于普通百叶窗，当量吸收比是普通百叶窗的十倍以上。
4、本发明不存在普通百叶窗结构的电机、轴、电器等运动部件，高可靠性是本发明的另一特点。
表2普通百叶窗与本发明的当量发射率与吸收比的对比
其中，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，一般取5.67·10-8W/m2·K4，T表示绝对温度，
单位K。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为热量传递与工作原理说明图。
图2为自适应散热面面积调节装置的展开时的轴向视图。
图3为展开的侧面视图。
图4为自适应散热面面积调节装置不受照时的卷曲状态侧面视图。
图5为自适应散热面面积调节装置的卷曲时的轴向视图。
图中：1.记忆合金板，2.隔热约束板，3.结构框架，4.隔热组件，5.太阳光吸收涂层，101.记忆合金板非卷曲部分，102.记忆合金板卷曲部分。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明利用记忆合金的温度相变特性，能够在受热至相变点温度时自动展开，同时在低温至相变点又能自动恢复到初始状态，是一种能够根据温度变化自动展开或卷曲的自适应散热面面积调节装置。当记忆合金板受照时，达到相变点温度，发生低温马氏体相变为奥氏体过程，表现为记忆合金板展开，遮挡后面的高效辐射器，降低整体对外当量发射率，对辐射板起到隔热作用；当记忆合金板不受照时，记忆合金发生逆相过程，百叶窗自动卷曲，后部辐射板不受遮挡，完全对外散热，当量发射率达到最大。展开与卷曲过程完全依靠记忆合金的相变应力产生，无源驱动，结构简单，可靠性好。同时记忆合金板是一块整体，相比于普通百叶窗，不存在叶片之间的缝隙漏热、支架与动作室支架间的漏热，因此，就百叶窗与辐射板构成的系统而言，其当量发射率更高，相比于普通百叶窗，本装置没有运动部件，因此可靠性更好，是一种能够高效自适应的散热面面积调节装置。
具体地，本发明公开了一种自适应散热面面积调节装置，主要包括记忆合金板1、隔热约束板2、结构框架3、隔热组件4、太阳光吸收涂层5组成。本发明特征在于具有根据受照强度自适应调节受照面积区域大小的功能。同时，本发明还具有更高的当量发射率、隔热效率高、可靠性高的优点。运行于地球同步轨道、倾斜轨道等轨道的航天器的外表面光照角随运行时间剧烈变化，存在无固定散热面的热控难题。
本发明装置的工作原理与热量传递过程如图1示。本发明记忆合金板1是具有形状记忆特性的记忆金属，具有在受照时自动展开，不受照时主动关闭的特点，配合于结构框架3能够自适应地进行调整卷曲与展开状态来改变对外辐射面积，进而改变当量发射率，满足其热控需求。整块记忆金属构成的记忆合金板1无中间缝隙及框架件，具有展开面积大，有效面积的当量辐射率高的优点；同时，由于没有运动部件，本发明还具有可靠性高的优势，是一种自适应的散热面面积调节装置。太阳光吸收涂层5优选为一种高太阳吸收比涂层，其当量发射率大于0.6，例如s781涂层。
更为具体地，如图1、2、3、4、5所示，一种自适应散热面面积调节装置包括：记忆合金板1、隔热约束板2、结构框架3、隔热组件4和太阳光吸收涂层5。结构框架3既可以是两相或单相流体回路辐射器，也可以是星体的外表面侧板。
以流体回路辐射器为例，记忆合金板1是具有全程记忆效应的Ni-Ti基记忆金属加工而成，记忆合金板非卷曲部分101用胶接等面接触方式连接在隔热约束板2上，隔热约束板2可选择环氧玻璃钢等隔热结构件。在卷曲状态下，仅预留的记忆合金板非卷曲部分101要能够在高受照强度下驱动下部记忆合金板卷曲部分102展开，对后面的流体回路辐射器进行隔热。对于Ni-Ti基记忆金属，母相的屈服强度在195～650Mpa级别，马氏体相的屈服强度在70～140Mpa级别，记忆金非卷曲部分101的面积在受照时必须能够提供足够的相变应力将卷曲部分展开；相反的，卷曲结束瞬间需要足够的相变应力将记忆合金板1完全卷曲。因此预留的记忆金非卷曲部分101面积应占记忆合金板1总面积的10％以上为宜。本装置的记忆合金板非卷曲部分占记忆合金板总面积的1/6。本发明的隔热约束板2与流体回路辐射器的连接方式以点连接如螺钉连接、点焊等方式连接。记忆合金板1受照面整体实施高太阳吸收比低发射率涂层，如s781涂层，卷曲部分102背面包覆15层隔热组件，每层由双面镀铝聚酯薄膜和T200A涤纶网箱间隔组成。以星体外表面侧板为例时的实施方式基本相同，区别在于隔热约束板2此时与星体的外表面侧板的连接方式，亦可采用螺栓连接。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种自适应散热面面积调节装置，其特征在于，包括：记忆合金板(1)、隔热约束板(2)、结构框架(3)、太阳光吸收涂层(5)，还包括至少一层隔热组件(4)；
记忆合金板(1)包括相连接的均为矩形的记忆合金板非卷曲部分(101)、记忆合金板卷曲部分(102)；
记忆合金板非卷曲部分(101)的内侧面通过隔热约束板(2)连接至结构框架(3)；
记忆合金板卷曲部分(102)的自由端面和内侧面覆盖设置有隔热组件(4)；隔热组件(4)与结构框架(3)之间存在间隙；
记忆合金板非卷曲部分(101)、记忆合金板卷曲部分(102)的外侧面均覆盖设置有太阳光吸收涂层(5)；
记忆合金板卷曲部分(102)的内侧面覆盖设置有隔热组件(4)。
2.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，记忆合金板(1)是具有全程记忆效应的Ni-Ti基形状记忆合金，在达到固有相变温度点后能够自动完成升温展开和降温卷曲动作。
3.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，隔热约束板(2)通过面接触接触方式对记忆合金板非卷曲部分(101)进行固定约束。
4.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，结构框架(3)为航天器的外表面侧板或者两相、单相流体回路的辐射器。
5.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，隔热组件(4)能够跟随记忆合金板(1)展开与卷曲。
6.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，记忆合金板(1)由整块记忆金属构成，无中间缝隙及框架件。
7.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，记忆合金板非卷曲部分(101)的面积占记忆合金板(1)总面积的10％以上。
8.根据权利要求7所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，记忆合金板非卷曲部分(101)的面积占记忆合金板(1)总面积的1/6。
9.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，隔热组件(4)的数量为多层，每层隔热组件均由双面镀铝聚酯薄膜和涤纶网箱间隔组成。
10.根据权利要求1所述的自适应散热面面积调节装置，其特征在于，当记忆合金板卷曲部分(102)展开时，记忆合金板(1)完全覆盖住结构框架(3)。
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