CN113772131B - 热致变形展开式辐射器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热致变形展开式辐射器装置，包括温敏驱动器、柔性辐射膜、基板和连接骨架。温敏驱动器由弓形杆和弹簧耦合组成，弓形杆利用形状记忆合金通过温度变化改变自身形状，在较低温度下变形，加热到相变温度后可恢复变形前的形状，与弹簧耦合后可根据温度变化在两种形状间自适应往复运动；柔性辐射膜一面为反射面，另一面为吸热面，其反射面具有低太阳吸收高红外发射的辐射散热特性，吸热面具有高太阳吸收低红外发射的吸热特性，通过连接骨架与温敏驱动器相连，可以实现辐射器动态散热能力的调控。本发明结构简单，可以根据内部热流和外部环境的变化，在无需外部能量输入的情况下动态调整辐射器散热量，达到自适应控温的效果。
Description
技术领域
本发明属于航天热控技术领域，具体涉及一种热致变形展开式辐射器装置。
背景技术
随着航天技术的发展，航天器设备的功率越来越大，对航天器热控系统的要求也越来越严格，确保各种高精度仪器在规定温度范围内工作成为各国关注的焦点。此外，随着探月工程，探索火星计划乃至行星际探测的不断推进，航天器面临的外部热环境也越来越恶劣。比如，登月探测器需要面对月球表面昼夜温差高达300℃的恶劣条件；行星际航天器不仅要在巡航轨道上遇到差别很大的空间热环境，还要面对进入某行星轨道而采用大气阻尼时的气动加热等严重问题。所以，在内部电子器件功率越来越大以及外部热环境越来越恶劣的背景下，热控系统成为限制下一代航天器发展的关键因素。
航天器在轨运行时，产热主要通过辐射从表面向空间环境散热，所以辐射器是航天器热控系统中重要一环。辐射器散热能力的大小取决于辐射散热面的面积，红外发射率，太阳吸收率和温度水平。绝大多数辐射散热器的表面会选择低吸辐比涂层，即低太阳吸收率高红外发射率，最大限度向外排热。传统的辐射器为固定式辐射器，通常利用航天器的外部结构表面作为辐射面进行散热。然而这种辐射器散热量恒定，无法对内外变化的热载荷做出响应，已经不能满足新一代航天器热控系统的要求。
与传统的固定式辐射散热器相比，可展开式辐射散热器突破了航天器表面积的约束，并且具备双面散热能力。尽管国内外对可展开式辐射散热器开展了相关研究，但存在结构复杂，单位质量散热能力弱，稳定性不足，应用场合有限制等问题。其中，对比文献1(T.Tjiptahardja et al.Development of Deployable Radiators at Alcatel Space,SAE Technical Paper,2000)采用环路热管作为传热单元，使用金属作为散热面板，整体系统质量大，发射和维护成本高。对比文献2(H.Kawasaki et al.,Characteristics ofReservoir Embedded Loop Heat Pipe in Deployable Radiator on ETS-VIII atBeginning of the Experiment under Orbital Environment,40th ThermophysicsConference,2008,p.3926)采用电机驱动辐射面板展开，响应速度慢。对比文献3(C.L.Bertagne et al.,Testing and analysis of a morphing radiator concept forthermal control of crewed space vehicles,Applied Thermal Engineering 124(2017)986-1002)将形状记忆合金嵌入到基体材料中，通过通断电产生焦耳热的方式来调控形状记忆合金的相变特性，进一步控制辐射器展开折叠。这种需要额外能量输入的方式导致整体热控系统结构复杂。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种热致变形展开式辐射器装置，克服了传统固定式辐射器散热量无法调节的缺陷，避免了电机等复杂驱动机构对辐射器性能的影响，实现了无外部能量消耗情况下辐射器散热能力可调的功能，解决了柔性辐射膜与温敏驱动器耦合的难题，提升了热致变形展开式辐射器的自适应调控能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种热致变形展开式辐射器装置，包括柔性辐射膜、基板、连接骨架、一对机械臂、一对温敏驱动器，连接骨架设置在柔性辐射膜上，用于撑开柔性辐射膜，柔性辐射膜一端固定在基板顶面，另一端向上弯曲，整个柔性辐射膜呈U型，一对机械臂对称设置在柔性辐射膜两侧，且机械臂的底端与基板转动连接，一对温敏驱动器对称设置在柔性辐射膜两侧，所述温敏驱动器底端与基板转动连接，顶端与机械臂的上部转动连接，且温敏驱动器与柔性辐射膜的U型开口同侧；柔性辐射膜一面为反射面，一面为吸热面，反射面与温敏驱动器同侧。
进一步地，温敏驱动器包括弓形杆、弹簧和两个铰接件，弓形杆两端分别固定在铰接件上，弹簧位于弓形杆的开口侧，且弹簧两端分别固定在两个铰接件上，通过两个铰接件分别与基板和机械臂的上部转动连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)弓形杆与弹簧耦合而成的温敏驱动器，可以实现无外部能量消耗情况下的可逆往复运动。当温度低于相变温度时，本发明热致变形可展开式辐射器闭合；当温度高于相变温度，辐射器展开。
(2)高导热碳的涂层作为热量传输单元，与传统的金属辐射板相比，质量仅为其60％，热导率提升50％，能将热量在面内快速传导开，向空间辐射散热。
(3)柔性辐射膜由高导热碳的涂层和含氟聚合物的涂层复合而成，其辐射面具有低太阳吸收高红外发射的辐射散热特性，太阳吸收率小于0.1、红外发射率大于0.9；吸热面具有高太阳吸收低红外发射的吸热特性，太阳吸收率大于0.6、红外发射率小于0.3。
(4)与传统的固定式辐射器相比，本发明热致变形展开式辐射器可以针对内部电子器件功率的变化和外部热载荷的波动，自适应调整散热量的大小，将航天器温度控制在工作温度范围之内。
附图说明
图1是本发明的热致变形展开式辐射器装置结构示意图。
图2是热致变形展开式辐射器装置展开散热图。
图3是热致变形展开式辐射器装置闭合吸热图。
图4是热致变形展开式辐射器装置的局部示意图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1～图4，一种热致变形展开式辐射器装置，包括柔性辐射膜、基板4、连接骨架5、一对机械臂6、一对温敏驱动器，连接骨架5设置在柔性辐射膜上，用于撑开柔性辐射膜，柔性辐射膜一端固定在基板4顶面，另一端向上弯曲，整个柔性辐射膜呈U型，一对机械臂6对称设置在柔性辐射膜两侧，且机械臂6的底端与基板4铰连，一对温敏驱动器对称设置在柔性辐射膜两侧，所述温敏驱动器底端与基板4转动连接，顶端与机械臂6的上部转动连接，且温敏驱动器与柔性辐射膜的U型开口同侧；柔性辐射膜一面为反射面8，一面为吸热面7，反射面8与温敏驱动器同侧。
温敏驱动器包括弓形杆1、弹簧2和两个铰接件，弓形杆1两端分别固定在铰接件上，弹簧2位于弓形杆1的开口侧，且弹簧2两端分别固定在两个铰接件上，通过两个铰接件分别与基板4和机械臂6的上部转动连接。
进一步地，弓形杆1选用形状记忆合金，可以感知温度变化改变自身形状，在较低温度下变形，加热到相变温度后可恢复变形前的形状。
进一步地，形状记忆合金相变温度的范围是30℃～50℃，形状记忆合金根据温度变化实现柔性辐射膜的无能耗展开和关闭；形状记忆合金在温度低于相变温度时，柔性辐射膜U型开口减小，吸热面7朝向太阳；当温度高于相变温度时，U型开口打开，带动柔性辐射膜展开，反射面8朝向外太空。
进一步地，柔性辐射膜的反射面8设有含氟聚合物的涂层，吸热面7设有高导热碳的涂层。
进一步地，基板4作为支撑件，基板4底面通过散热元件连接载体，实现热致变形展开式辐射器装置的散热。
结合图2、图3、图4，基板4(铝制)长度为600mm，宽度为400mm，厚度为10mm。柔性辐射膜完全展开时长度为400mm，宽度为300mm，厚度为1mm；弓形杆1长度为150mm，宽度为5mm，厚度为1mm。具体尺寸可根据应用场景需求做出调整。弓形杆1相变温度为30℃；吸热面7太阳吸收率0.6、红外发射率0.3，反射面8太阳吸收率0.1、红外发射率0.9。
本发明的热致变形展开式辐射器装置的工作过程为：
所述弓形杆1选用形状记忆合金，可以感知温度的变化，形状记忆合金在温度低于相变温度时，柔性辐射膜的U型开口减小，吸热面7朝向太阳，吸热面7在太阳波段具有高吸收、红外波段具有低发射的辐射特性，均有利于装置保温；当温度高于相变温度时，U型开口打开，带动柔性辐射膜展开，反射面8朝向外太空，反射面8在太阳波段具有低吸收、红外波段具有高发射的辐射特性，均有利于装置散热。这样，随着温度的变化，本发明所述的热致变形展开式辐射器装置能够自适应的展开闭合，通过调整柔性辐射膜中吸热面7侧和反射面8侧的朝向来调控装置的散热量，从而将被控对象温度维持在工作范围之内。
例如：我们将热致变形展开式辐射器装置运用于空间领域，在火箭到达空间工作地点之前将其保护在火箭外壳内，空间设备在太空工作室打开保护外壳将该结构放出，我们选用吸热面为高导热碳的涂层，太阳吸收率0.6、红外发射率0.3，反射面为含氟聚合物的涂层，太阳吸收率0.1、红外发射率0.9；弓形杆选用形状记忆合金相变温度30℃；热源功率100W时，形状记忆合金发生奥氏体相变，回复力大于偏置弹簧弹力，本发明的热致变形展开式辐射器装置展开角度达120°，柔性辐射膜中的反射面侧朝外，强化辐射散热。
例如：我们将热致变形展开式辐射器装置运用于空间领域，在火箭到达空间工作地点之前将其保护在火箭外壳内，空间设备在太空工作室打开保护外壳将该结构放出，我们选用吸热面为高导热碳的涂层，太阳吸收率0.6、红外发射率0.3，反射面为含氟聚合物的涂层，太阳吸收率0.1、红外发射率0.9；弓形杆选用形状记忆合金相变温度30℃；热源功率0W时，形状记忆合金发生马氏体相变，回复力小于偏置弹簧弹力，本发明的热致变形展开式辐射器装置闭合，柔性辐射膜中的吸热面侧朝外，削弱辐射散热，装置处于保温状态。
Claims (3)
1.一种热致变形展开式辐射器装置，其特征在于：包括柔性辐射膜、基板（4）、连接骨架（5）、一对机械臂（6）、一对温敏驱动器，连接骨架（5）设置在柔性辐射膜上，用于撑开柔性辐射膜，柔性辐射膜一端固定在基板（4）顶面，另一端向上弯曲，整个柔性辐射膜呈U型，一对机械臂（6）对称设置在柔性辐射膜两侧，且机械臂（6）的底端与基板（4）转动连接，一对温敏驱动器对称设置在柔性辐射膜两侧，所述温敏驱动器底端与基板（4）转动连接，顶端与机械臂（6）的上部转动连接，且温敏驱动器与柔性辐射膜的U型开口同侧；柔性辐射膜一面为反射面（8），一面为吸热面（7），反射面（8）与温敏驱动器同侧；
温敏驱动器包括弓形杆（1）、弹簧（2）和两个铰接件，弓形杆（1）两端分别固定在铰接件上，弹簧（2）位于弓形杆（1）的开口侧，且弹簧（2）两端分别固定在两个铰接件上，通过两个铰接件分别与基板（4）和机械臂（6）的上部转动连接；
弓形杆（1）选用形状记忆合金；
形状记忆合金相变温度的范围是30℃~50℃，形状记忆合金根据温度变化实现柔性辐射膜的无能耗展开和关闭；形状记忆合金在温度低于相变温度时，柔性辐射膜U型开口减小，吸热面（7）朝向太阳；当温度高于相变温度时，U型开口打开，带动柔性辐射膜展开，反射面（8）朝向外太空。
2.根据权利要求1所述的热致变形展开式辐射器装置，其特征在于：柔性辐射膜的反射面（8）设有含氟聚合物的涂层，吸热面（7）设有高导热碳的涂层。
3.根据权利要求1所述的热致变形展开式辐射器装置，其特征在于：基板（4）作为支撑件，基板（4）底面通过散热元件连接载体，实现热致变形展开式辐射器装置的散热。
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