文:晟宇(视频讲解)

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本文主要参考:

Thermal Control Systems-Space System Design, MAE 342, Princeton University Robert Stengel

Spacecraft Thermal Control Systems-Col. John E. Keesee

https://www.zhihu.com/video/984945631013634048

前言

今天我们来聊聊卫星的热控系统。热控系统应该是卫星上比较好理解的一个分系统,为什么要对卫星进行热控制其实道理很简单,和我们冬天出门穿棉袄进门开暖气,夏天出门穿短袖进门开空调一样,就是为了舒服。

所谓舒服就是适宜的温度范围,比如我们人类大概二十多度的范围里就比较舒服,几度和三十几度就不舒服,再超过这个范围还可能生病而且有生命危险。

我们使用的电子产品例如手机什么的你翻开说明书也都会有一个使用的温度范围,超过这个范围使用要么容易坏要么就直接不工作了。而类似于手机,卫星上面也有大量的电子设备,所以卫星也需要工作在一个适宜的温度范围内。

但是很遗憾,卫星工作的空间热环境非常的极端,极端可以体现在两个方面,首先是温度的差异很大,面向太阳的一面可以非常热,面向深空的一面可以非常的冷,然后呢,这种冷热还会快速的变化,所以卫星的热控制就非常的必要了。也就是卫星为什么要穿着“棉袄”吃“冰棍”了。

“冰火”两重天

那么我们就来看看卫星到底处于什么样的空间热环境中吧。简单地说就是冰火两重天。非常类似于前面烤着火,后面吹着凛冽寒风。

处于近地轨道的卫星,主要的热量来源有那么几个,最主要的是来自太阳的辐射,折算到近地轨道一平米就有1300多瓦,随便照一会儿保证你马上灿烂。接下来是地球对太阳的反射,打了一个折扣,热量也不小。最后就是地球自己辐射出来的热量。打个不太恰当的比喻,如果说太阳是烤火的话,地球就好像一个热水袋了。太阳和地球是主要热源,星际旅行中,其它的行星也会成为热源。

而朝着浩瀚深空的地方就非常冷了,接近绝对零度,这可是零下200多度快300度啊。而这种冷热关系又在快速的变化中,例如我们的低地球轨道,一般的90多分钟卫星就能绕地球一圈,一圈里有光照有阴影,所以整个热环境也是快速变化的。这都是空间热环境比地面恶劣的地方。

大家都开心,各得其所就是热设计的目标啦

前面简单地做了比喻,说卫星的热控就是为了让卫星舒服。那么我们严肃一点的说,进行卫星的热设计就是为了让卫星以及卫星上的不同仪器工作在自己最适宜的温度范围内,从而保证卫星可以正常工作,高性能地工作。

但是这并不容易,就好像让一家人都开心不容易一样。卫星上的仪器可能并不是都需要相近的工作温度范围。例如很多电子器件要求的是保温,也就是类似于地面环境中的温度,而比如红外的探测就需要比较低的工作温度。而且还可能是非常低的温度,例如零下一两百度,差异就很大了。另外也有很多大功率的仪器可能在工作的时候产生大量的热从而对其他的仪器造成影响等等。

所以我们看到了,一颗卫星里面还存在不同的地方有着不同的温度要求,所以并不是想方法把卫星整体控制在一个范围内就好了的,还需要针对不同的需求进行针对性的设计。最后才能各得其所,让大家都快乐。

有问题就要有招啊

有问题就要有招啊。面对这些问题我们就需要找到对应的方法去解决。方法有很多啊,后面介绍,这里先讲讲主要的原理。

我们进行热设计主要的原理可以分为两个方面,一个方面是控制热在卫星内部的交换,一个方面是控制热量和外界环境的交换。可以交换的前提就是星上有热有冷,我们知道有了差,就有了势,就可以利用这种差来进行控制的设计。

主要的原理就包括了传导、对流和辐射。热的交换也可以通过材料的选择来控制其交换的关系和效率。同样的辐射也可以通过材料和面积的选择来控制辐射的效率。也就是通过这些原理的使用可以做到谁和谁交换,交换多少,交换速率多快。比如我希望热传递的快些,我们就选择导热好的材料,我们希望热不传递我们就想办法选择或者组合出阻热的材料和装置。

热控手段

有了原理就要上具体的手段。卫星热控的手段非常多,这次分享就选择性地挑选一些,找机会我们再来细聊。

热控的手段主要可以分成两大类,一种是被动热控,也就是通过材料选择,布置一次做好了不用后续操作的热控制手段。

使用比较广泛的就是热控涂层和热包覆。也就是我们经常看到了卫星的外观形态里有的包裹着金色的外衣,有的涂着不同的颜色。热控涂层通过选择不同的表面涂料最后能让确定一个平衡后的温度,很多使用在一些星体外的单机部件上。热包覆主要做的是热隔绝,使得卫星受到的环境尽可能的小。由于多数的卫星主要做的就保温,所以是广泛使用的一种热控手段,和用棉被裹着的雪糕箱一样(突然觉得举这个例子太暴露年龄)。

另外卫星内部还需要进行一些热的内部交换,这里就用到了热管,热管也有很多用法,比如可以使用相变热管来使得卫星整体实现一个等温化,好像睡水床一样,也可以通过热管连接热辐射器,将多余的热释放到空间里去。而对于热辐射器的控制就可能是主动的手段了。

主动热控的手段其实也很多,我们还是来讲讲典型的。先介绍电加热恒温装置,也就是通过电热片等加热装置对需要进行温度维持的部位进行加热。和家里冬天睡电热毯一样。电加热也可以分为两种模式,一种开环控制,就真的和电热毯一样了,反正夜里睡觉才开,醒了就关掉。卫星也可以是选择大概阴影时间里开始加热,出了阴影就停止。当然还有闭环控制,就是在加热的地方也有测温点,加热到预定温度就停止加热,降到临界温度又重新开始加热。

还有一种就是利用控制辐射器的辐射面积来实现制冷控制的手段。方法有很多,包括百叶窗控制开窗程度来控制辐射效率。防热毯表面是保温材料,热了就打开里面是辐射较强的材料,辐射得差不多了再关上。遮阳伞是差不多的功能,

热试验

一颗卫星完成了热设计,在进入太空之前,还需要通过热试验来考核热设计是否达标。热试验需要专门的场地,设备和环境要求,试验时间也比较久。也是很重要的一个成本项目,看未来是否有更好的方法来考验热设计的结果,从而简化流程,降低成本。

下次我们来聊个轻松点的话题,看看为什么卫星会有各式各样的模样,有啥讲究,下回分解。

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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:张晟宇

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