CN109782829A

CN109782829A - 一种卫星机构部件热控方法

Info

Publication number: CN109782829A
Application number: CN201910095931.7A
Authority: CN
Inventors: 张晓峰; 赵璇; 刘会杰; 刘红; 漆庄平; 施蓉蓉
Original assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Current assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明提供了一种卫星机构部件热控方法，机构部件包括加热部件和受热部件，对加热部件进行加热，利用受热部件和加热部件的传热温差关系，使热量从加热部件传递至受热部件，以此间接控制受热部件的温度。热量的传递包括热传导和热辐射两种形式。热量与温差存在线性关系，热量是指热传导与热辐射传递的热量之和，温差是指加热部件与受热部件之间的温差。本发明对机构产品采用了间接热控设计方法，使得卫星机构产品设计不再需要过多依赖和依附于目标控温对象本体表面，提高热控设计的可控性、普适性、独立性，达到预期可调的控温要求。

Description

一种卫星机构部件热控方法

技术领域

本发明涉及一种热控方法，具体涉及一种受限于设计约束条件下采用间接热控方法来实现机构部件的控温，可应用于卫星特别是卫星的机构部件的热控，属于航天技术领域。

背景技术

卫星机构热控设计主要是根据其所处空间热环境特点和任务需求，通过合理的主、被动热控措施进行热隔离和热疏导，以保证其在轨正常工作温度要求，进而提高机构产品的可靠性。传统星外的机构部件，环境温度变化剧烈，遭受的温差最大可达±100℃。针对其正常工作温度指标需求，会在相应的区域选择导热、隔热、加热等一些措施，如直接粘贴加热器和包覆多层隔热材料等，基本都是直接对目标控温对象进行热控处理。其优点是控温效果较明显，温度也相对稳定，控温方案设计简洁有效，能够较好的满足温度指标要求，但缺点在于针对一些活动的部件，不宜在活动部件表面直接进行热控实施，会有故障风险，再加之受限于其温度需求的设计约束(如力矩、起爆温度等)，直接热控处理的方法适应性和通用性低，因此需要根据传热温差关系间接对目标对象控温。本设计方法旨在为针对特殊控温需求的活动机构部件的热控设计提供新的思路。

针对一些不能在机构部件活动区域表面进行热控实施并且受限于其温度需求的设计约束，现有直接在表面热控处理的方法已无法满足其正常工作需求。因此选择根据传热温差关系的间接控温手段成为机构产品热控设计时的新思路和新方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对受限于设计约束条件下不能采用直接在目标处热控处理的机构部件，引进一种间接热控方法来实现控温，为各类卫星应用的展开机构或者活动部件产品的热控设计提供一种设计新思路、新方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种卫星机构部件热控方法，机构部件包括加热部件和受热部件，对加热部件进行加热，利用受热部件和加热部件的传热温差关系，使热量从加热部件传递至受热部件，以此间接控制受热部件的温度。热量的传递包括热传导和热辐射两种形式。热量与温差存在线性关系，热量是指热传导与热辐射传递的热量之和，温差是指加热部件与受热部件之间的温差。

在一个实施例中，受热部件是高频电缆的活动部分，加热部件是高频电缆的固定部分。在固定部分设置电缆主动加热带，控制固定部分的温度及固定部分与活动部分的传热温差关系，以此来间接控制活动部分的温度。在电缆主动加热带包覆多层隔热组件。在活动部分仅包覆热控多层。

在另一个实施例中，受热部件是火工品，加热部件是火工品支架。在火工品支架处设置火工品支架主动加热带，控制火工品支架的温度及传热温差关系，来间接控制火工品的温度。在火工品支架主动加热带处包覆多层隔热组件。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明对机构产品采用了间接热控设计方法，使得卫星机构产品设计不再需要过多依赖和依附于目标控温对象本体表面，提高热控设计的可控性、普适性、独立性，达到预期可调的控温要求。根据目标控温对象和间接控温测点间的传热温差关系，选择合理的控温措施方案，进一步实现间接控温的效果。

附图说明

图1是本发明所使用的间接热控方法的技术原理图；

图2是本发明一个较佳实施例中受间接热控的机构的示意图；

图3是本发明另一个较佳实施例中受间接热控的机构的示意图。

具体实施方式

本发明为卫星机构部件产品热控的间接设计方法。具体针对：

(1)不宜在活动部件表面直接进行热控工艺(有损伤钩挂风险)；

(2)受限于机构部件的温度需求的设计约束(活动力矩、起爆温度等)；

(3)考虑部件间的导热、辐射连接关系，利用部件间传热温差间接控制目标温度。

间接热控设计方法的设计原则是在满足温度控制要求的情况下，确保高可靠性，而且要有良好的工艺性和较高的适应性。因此热设计时尽量避开展开机构的运动部分，而选择在其安全可靠的非运动部位进行热控设计和实施。

如图1所示，当热控的目标点为展开机构的弹簧、轴承、铰链等活动部件时，这些部件上因其运动功能无法直接进行热控实施，而如果在机构运动进行热控设计又容易带来运动过程中的热控产品钩挂和地面测试疲劳的风险。因此，选择在机构上固定区域或相对安全的部位进行热设计和热实施，并在此设计一个控温点，通过展开机构各部位间的传热关系计算出控温点处与目标点处的温差，由控温点温度的调节间接控制目标区域的温度，从而解决展开机构的关节、活动部位等关键部件热控问题。

在确定机构热控指标要求后，要仔细分析热控设计约束，在其关注部位是否可以进行相应的热控设计和实施，如无法直接设计则要考虑间接热控设计的方法。在确定选用间接热控方式后，首先要分析可设计的安全部位，然后在该部位进行间接热控方案设计，并选择控制点，接着进行传热分析确定控制点与目标点间的传热关系。按此传热关系就可进行相关的数值分析和试验验证，最终确定间接点与目标点的温差，并将结果与指标要求进行比对，如满足指标要求即可确定最终的实施方案。如果不满足指标要求，需要重新进行间接方案设计，并进行分析与验证直到满足指标要求。

展开与解锁机构一般可简单分为固定部分、运动部分和关节部分，其中关节和运动部分是实现其功能的执行部分，因此温度要求一般较高。关节部分一般为弹簧、轴承、铰链等，这些部件的表面由于润滑、运动等功能要求，不可直接进行热控包覆和设置测温点，直接热控设计受限。而运动部分如采用热控包覆、测温、加热等设计，其工艺上如处于张紧状态，将降低测试过程中的可靠性；如工艺上处于柔性松开状态，又会带来钩挂和干扰对系统造成安全性风险。因此，对于展开与解锁机构的运动部分和关节需要采用间接热控设计的方法。

考虑到航天器机构产品的空间热环境，结构部件之间的传热关系只存在辐射和导热，其间的导热和辐射传热量计算如下式(1)、(2)所示：

q_rad＝σε_eq(T⁴ _H-T⁴ _C)＝σε_eq(T² _H+T² _C)(T_H+T_C)ΔT (2)

q_rad＝4σε_eqT³ΔT＝f_rad(ΔT)＝K₂ΔT (4)

q_sum＝q_cond+q_rad＝f_s(ΔT)＝(K₁+K₂)ΔT (5)

其中T_H和T_C分别表示部件组件中高温点和低温点的温度，在此代表部件目标点和间接测温点的温度，考虑到在一定的温度区间时段范围，导热和辐射传热热流密度连续，当量导热系数λ_eq和当量辐射率ε_eq为常值，σε_eq(T² _H+T² _C)(T_H+T_C)在该温区范内也可基本看成常值，为此定义了一个部组件的特征常值T如式(3)。因此可将总热量(含导热和辐射传热量)均看作成温差的线性连续函数如式(1)(4)(5)。也就是说在一定温区范围下，部件间的温差与连续的传热量对应存在着线性关系。为此本发明在不能直接对目标对象控温的情况下，可以采用部件间的传热温差来间接控制目标点的温度。

实施例1

针对展开机构及高频电缆控温的需求及上述设计要求以及展开时的运动约束，经仿真分析，若采用简单热控方案，电缆在轨的温度将会达到-60℃以下，无法满足任务要求。如在活动部位直接设计，热控产品会导致机构驱动力矩无法保障，而且热控产品在运动过程中的可靠性不高，综合考虑后选用了间接主动热控设计的方法。如图2所示，图中折弯区域为运动部分，即需要保证温度的目标区，其余部分为固定区。

展开机构的间接热控设计是在机构上的高频电缆的固定端设计主动加热带，同时设置间接控温点，然后外部包覆多层隔热组件(不干涉机构展开)。而目标区域的活动部分仅包覆热控多层。利用间接热控方法，通过计算与地面试验确定控制点与目标点活动部分的传热温差关系，然后通过控制间接控制点来间接控制活动部分的温度。展开机构的结构部分均包覆多层隔热组件，为高频电缆提供相对稳定的温度边界。

采用间接主动热控设计的方法。在高频电缆的固定端设计主动加热带，然后包覆多层隔热组件。在每根电缆的活动部分仅包覆热控多层，如图2所示。由电缆固定部分的温度和活动折弯区域间的传热温差关系，来间接控制活动部分的高频电缆温度。

实施例2

解锁机构的温度指标要求保障火工品的起爆，而且安全性的原因不允许在火工品上直接热控设计，因此也采用了间接主动热控设计的方法，在锁紧装置支架处设计一路主动加热带间接控制火工品处的目标点温度，同时外部包覆多层隔热材料隔离外热流。

同理，采用间接主动热控设计的方法。在锁紧装置支架处设计主动加热带，然后包覆多层隔热组件。同样利用支架部分的温度和传热温差关系来间接控制火工品的温度，如图3所示。

考虑到该机构钛合金支架的导热性以及多层包覆后机构整体温度差异性较小，通过近似计算比较式中(1)、(2)结果的数量级大小，支架与火工品间的辐射传热量远小于导热的传热量可忽略不计，因此将该机构内部传热的计算可将其视为一个三维非稳态无内热源的导热问题，其热平衡方程如下式(6)所示，仅简化考虑火工品及其支架节点间导热连接关系。

T_p|_wall＝T_b|_wall＝T_bw

由于机构支架和火工品两者交界面处的热流密度及温度连续性，可得出式(7)：其中T_bw为支架与火工品边界处温度，q_bw为边界壁处热流密度。其中λ_p和λ_b分别为火工品和支架导热系数，为传热矢量方向。T_bw为边界壁面处的温度。

因此在稳态条件下，支架部分温度和火工品的稳态传热温差关系可简化为如下式(8)，为此在外部热流获悉的条件下，同理可计算出两者间的温差关系，通过控制支架温度间接控制火工品温度，式中T_p和T_b分别表示火工品和支架温度。δ_p、δ_b分别表示两者传热厚度。

本发明提出了一种针对星外机构产品或者活动部件的间接热控设计方法。使用这种方法，使得卫星活动机构部件的热控设计多了一种新的有效、合理的措施和手段。为以后机构产品的热控设计提供新思路、新方法借鉴。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，所述机构部件包括加热部件和受热部件，对所述加热部件进行加热，利用所述受热部件和所述加热部件的传热温差关系，使热量从所述加热部件传递至所述受热部件，以此间接控制所述受热部件的温度。

2.根据权利要求1所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，所述热量的传递包括热传导和热辐射两种形式。

3.根据权利要求2所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，所述热量与温差存在线性关系，所述热量是指所述热传导与所述热辐射传递的热量之和，所述温差是指所述加热部件与所述受热部件之间的温差。

4.根据权利要求1所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，所述受热部件是高频电缆的活动部分，所述加热部件是所述高频电缆的固定部分。

5.根据权利要求1所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，在所述固定部分设置电缆主动加热带，控制所述固定部分的温度及所述固定部分与所述活动部分的传热温差关系，以此来间接控制所述活动部分的温度。

6.根据权利要求5所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，在所述电缆主动加热带包覆多层隔热组件。

7.根据权利要求5所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，在所述活动部分仅包覆热控多层。

8.根据权利要求1所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，所述受热部件是火工品，所述加热部件是火工品支架。

9.根据权利要求8所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，在所述火工品支架处设置火工品支架主动加热带，控制所述火工品支架的温度及传热温差关系，来间接控制所述火工品的温度。

10.根据权利要求9所述的一种卫星机构部件热控方法，其特征在于，在所述火工品支架主动加热带处包覆多层隔热组件。