热控涂层红外发射率对GEO卫星蓄电池温度波动的影响

刘百麟 周佐新

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

东方红-3卫星平台（GEO 卫星）采用氢镍蓄电池作为一次能源贮能装置，安装于服务舱南板、北板内表面，主要在地影期为卫星供电。氢镍蓄电池充放电性能受温度影响显著［1-2］，因此对工作温度范围与均匀性有严格要求。从东方红-3 系列在轨卫星飞行温度遥测数据来看，蓄电池温度可满足工作温度范围要求；但冬至全日照时，在氢镍蓄电池加热器完全关闭的情况下，蓄电池每天温度波动幅度较大，约为6 ℃。由文献［3］关于蓄电池在轨温度波动机理分析可知，空间外热流引起蓄电池舱舱板内表面温度波动是导致蓄电池温度波动的根本原因，降低其热控涂层红外发射率，可有效减小蓄电池的温度波动幅度。基于文献［3］的研究成果，本文结合几种常用热控涂层，优化组合蓄电池舱舱板内表面热控涂层，通过热分析的方法量化热控涂层红外发射率对蓄电池温度波动的影响，以达到减小蓄电池温度波动幅度，有效改善蓄电池在轨工作热环境的目的。

2 热分析模型

2．1 物理模型

氢镍蓄电池组由蓄电池组件构成，蓄电池组件又由若干单体组成，单体借助卡套直接安装在电池底板（铝合金）上组成蓄电池组件［1，4-5］，蓄电池组件通过电池底板安装在服务舱的南板、北板内表面。当卫星处于地影时，蓄电池向星上仪器设备供电，蓄电池放电时属放热反应；当卫星处于光照时，蓄电池涓流充电以保持充满状态，若涓流过充，电能将主要转化为化学热能，使电池内部温度骤升［6］。为此，东方红-3卫星平台氢镍蓄电池主要采用的热控措施［1，7］如下：①在安装蓄电池组的铝蜂窝面板内预埋2根相互平行的热管；②每个蓄电池组件外罩一个由低温多层隔热组件组成的隔热罩（隔热设计）；③每个蓄电池组件对应的安装面板外表面布设一块满足散热要求的散热面；④为保证低温情况下蓄电池的温度不超出低温限，在蓄电池单体上粘贴加热片用于控温。

在研究蓄电池舱舱板内表面热控涂层红外发射率对蓄电池温度波动程度的影响时，考虑到卫星采用分舱隔热设计，因而选取包括蓄电池组件在内的舱段，并进行合理简化，作为热分析模型。本文以南蓄电池组件、服务舱南板（南蓄电池组安装板）、对地＋Y板、背地＋Y板、推进舱＋Y隔板、服务舱南隔板，以及相应的部分中板、西板，构成长方体封闭舱作为分析的物理模型，简称南电池舱。由于中板、西板仅为截取舱段部分，模型中简称为模拟中板和模拟西板。在南电池舱中，除了服务舱南板为铝蜂窝板外，其他结构板均为碳纤维蜂窝板。在南电池舱的内表面，除了服务舱南板喷白漆外，其他结构板内表面均不作表面处理。另外，只有服务舱南板、西板、对地＋Y板和背地＋Y板为星表板，星表板的外表面除了服务舱南板蓄电池散热面贴玻璃型二次表面镜（OSR）外，均包敷多层隔热组件。

东方红-3卫星运行在地球静止轨道，飞行姿态为对地定向。其轨道参数如下：轨道高度为36 000km，偏心率为0，倾角为0°，轨道周期为24h。只考虑太阳辐射［8］，冬至太阳常数按1399 W／m2取值。

2．2 热数学模型

本文应用Navada和Sinda／G 软件进行建模和数值求解，在满足热分析要求的前提下，进行如下合理简化和假设：①服务舱内结构板（模拟中板、推进舱＋Y隔板）外表面（朝南电池舱外方向）作绝热边界处理；②忽略服务舱南板、推进舱＋Y隔板上仪器影响，不考虑对接锥、490 N 发动机等星外部件影响；③所有对象按其等效辐射面积简化成规则的几何形体；④热容未知的仪器及热管的比热容均按铝合金材料考虑；⑤忽略结构板之间的连接导热影响，忽略舱板内结构预埋件的导热影响；⑥只考虑蜂窝芯沿垂直蒙皮方向的导热，而不考虑蜂窝芯沿平行蒙皮方向的导热；⑦卫星外表面多层与舱板之间、蓄电池隔热罩的内外表面之间，只考虑辐射换热，其当量辐射系数为0．03；⑧星内涂层为灰体，其红外发射率和红外吸收率相等。

依据地球静止轨道卫星建模准则［9］建立模型，南电池舱几何模型示意见图1。热分析中使用的材料热物理特性参数见表1。

表1 热物理特性参数Table 1 Thermal physical parameters

3 优化组合方案

由影响GEO卫星蓄电池在轨飞行温度波动的机理［3］可知：降低电池舱内各结构板内表面热控涂层红外发射率，尤其是蓄电池安装板表面的红外发射率，可减少因空间外热流剧烈变化而引起蓄电池舱内结构板之间的相互热辐射影响，从而达到减小蓄电池温度波动幅度的目的。因此，本文以东方红-3卫星服务舱各舱板热控涂层设计为基准方案，用白漆、镀铝膜等常用的热控涂层改变蓄电池舱各结构板内表面的红外发射率，优化组合5种方案，详见表2。

表2 南电池舱舱板内表面热控涂层组合方案Table 2 Thermal control coatings combination schemes of inner panel in south battery cabin

4 热控涂层红外发射率影响分析

4．1 与在轨飞行数据比较

以简化后的南电池舱为热分析模型，模拟寿命末期冬至时南蓄电池在轨涓流充电时温度，蓄电池涓流充电时单体发热量为0．85 W。寿命末期冬至时南蓄电池计算温度（基准方案）与在轨飞行温度遥测数据比较，如图2所示。结果表明，两者温度波动规律基本吻合，在冬至一天内温度波动幅度均约为6 ℃，只是两者温度水平不同。这是因为本文计算模型为整星的一部分（南电池舱），且不考虑舱内仪器（发热）的影响，因此本文中蓄电池计算温度水平要低于在轨飞行温度（整星），两者温差小于4 ℃。考虑到本文仅是舱板内表面热控涂层发射率对蓄电池温度波动幅度影响的方案比较分析，因此采用本文简化的热分析模型是可行的，能达到研究目的。

图2 冬至时蓄电池计算温度与在轨飞行温度Fig．2 Calculated battery temperature vs flight temperature in solstice

4．2 方案比较分析

表2中基准方案与方案1～方案5的蓄电池温度计算结果，如图3所示。各方案在冬至时南蓄电池日温度波动幅度统计与比较，详见表3。

图3 冬至时南蓄电池温度Fig．3 Temperatures of south battery in solstice

表3 冬至时南蓄电池温度波动幅度统计Table 3 Statistic of south battery temperature variation range in solstice

4．2．1 与基准方案比较

由图3和表3可知，与基准方案相比，方案1～方案5中冬至时南蓄电池日温度波动幅度均有不同程度的减小，日温度波动最大降幅可达50%。经比较可见，方案1、方案2和方案3中的南蓄电池温度波动变化规律是一致的，冬至一天内南蓄电池温度的最小值、最大值以及出现的时刻基本相同，其日温度波动幅度均约为4．3 ℃，相对基准方案降幅约为25%。在这3种方案中，蓄电池温度变化规律一致的原因在于：3种方案中影响蓄电池温度波动的关键结构板内表面热控涂层相同，即服务舱南板（南蓄电池安装板）内表面均为白漆，西板、对地＋Y板、背地＋Y板内表面均为镀铝膜。由于这些关键结构板受外热流光照变化直接引起其内表面温度波动，而其他结构板位于舱内，不受外热流直接影响；因此，当西板、对地＋Y板、背地＋Y板内表面热控涂层由碳蒙皮变为镀铝膜时，其内表面红外发射率由0．85降低到0．10，减小了这3块结构板对舱内其他结构板的辐射换热影响，从而使其他结构板内表面温度波动幅度降低。尤其是南蓄电池安装板（服务舱南板）的温度波动幅度降低，导致南蓄电池温度波动受其安装结构板温度波动影响降低，因而蓄电池温度波动幅度将明显小于基准方案。

由表2可知，基准方案、方案4的西板内表面均为高红外发射率的碳蒙皮（红外发射率为0．85），另外4种方案的西板内表面均为低红外发射率的镀铝膜（红外发射率为0．10），冬至时各方案的西板温度变化规律如图4所示。由图4可知，方案1、方案2、方案3和方案5的西板温度变化规律基本相同。与基准方案及方案4相比，西板受外热流光照时，其高端温度约高17℃；反之，低端温度约低15℃。这正是由于西板内表面红外发射率降低，导致与其他舱板辐射交换热量减少，引起西板自身温度升高或降低，减小了对其他舱板，尤其是蓄电池安装板（服务舱南板）的温度波动影响（见图5），因此，安装其上的南蓄电池温度波动也随之减小。从图4和图5所示的各方案冬至时西板、服务舱南板温度变化规律，也可证明上述分析结论。

图4 冬至时西板内表面温度Fig．4 Inner panel temperatures of western board in solstice

图5 冬至时服务舱南板（南蓄电池安装处）内表面温度Fig．5 Inner panel temperatures of south board in service module（where south battery is fixed）in solstice

方案4与基准方案唯一不同的是，服务舱南板内表面由白漆变为铝蒙皮（详见表2）。这一变化使服务舱南板内表面红外发射率由0．87 减小到0．10，由上文分析同理可知，服务舱南板内表面红外发射率降低，将减小其他结构板对其辐射热影响，因此服务舱南板温度波动幅度明显减小，安装其上的南蓄电池温度波动也随之减小，明显小于基准方案，波动幅度降低36．2%。

同理，方案5中舱内所有结构板内表面均贴镀铝膜或铝蒙皮（详见表2），其内表面红外发射率均降低到0．10；因此，该方案的南蓄电池温度波动幅度在6种方案中最小，与基准方案相比降幅约50%。

4．2．2 优化组合方案比较

由图3与表3可知，方案1、方案2和方案3因西板、对地＋Y板、背地＋Y板3块影响蓄电池温度波动的关键结构板内表面都贴镀铝膜，且蓄电池安装板表面均为白漆，因此3种方案的蓄电池日温度波动变化规律是一致的，其日温度波动幅度均为4．3 ℃。与方案1～方案3 相比，方案4 中虽然西板、对地＋Y板、背地＋Y板等结构板内表面为高红外发射率（0．85）的碳蒙皮，但由于服务舱南板内表面（蓄电池安装板）为铝蒙皮（红外发射率和红外吸收率均为0．10），因而有效减少了其他结构板对服务舱南板的热辐射影响，由此引起服务舱南板温度波动较小（见图5）。方案4引起的蓄电池日温度波动幅度为3．7 ℃，优于方案1～方案3。由此可见，蓄电池舱内各结构板内表面热控涂层红外发射率对蓄电池温度波动均有影响，热控涂层红外发射率越小，对减小温度波动越有利；相比而言，蓄电池安装板的表面热控涂层红外发射率是影响蓄电池温度波动的主导要素。

由于方案5中蓄电池舱内所有结构板内表面均贴低红外发射率的镀铝膜，集合了方案1～方案4减小蓄电池温度波动的全部优势；因此，方案5是5种组合方案中的最优方案，对减小蓄电池温度波动幅度最显著，其冬至时日温度波动幅度为2．9 ℃。这一结果仅是从降低温度波动幅度角度比较，若综合考虑各舱板热控实施工艺、周期与成本等工程因素，方案4为最佳使用方案。

5 结束语

本文在东方红-3卫星平台热设计的基础上，提出5种蓄电池舱舱板内表面常用的热控涂层组合方案，量化分析了蓄电池舱舱板内表面热控涂层红外发射率对蓄电池温度波动幅度的影响。通过几种方案对比分析发现，西板、对地＋Y板和背地＋Y板内表面使用低发射率的热控涂层，可有效降低因空间外热流变化引起蓄电池安装板（服务舱南板）温度波动幅度，从而能有效减小蓄电池温度波动。定量比较蓄电池舱内各结构板内表面热控涂层红外发射率影响蓄电池温度波动的程度可知：各结构板内表面热控涂层红外发射率对蓄电池温度波动均有影响，其热控涂层红外发射率越小，越利于减少波动，其中蓄电池安装板的表面热控涂层红外发射率是决定蓄电池温度波动幅度的主导因素。

（References）

［1］周亦龙．氢镍电池控温技术的研究［C］／／中国宇航学会首届学术年会论文集．北京：中国宇航学会，2005：513-517

Zhou Yilong．Thermal control technology of nickel hydrogen battery［C］／／Proceedings of the 1st Conference of Chinese Society of Astronautics．Beijing：Chinese Society of Astronautics，2005：513-517（in Chinese）

［2］檀立新，鲁文东，赵吉诗，等．110Ah氢镍电池温度特性研究［C］／／第九届中国宇航学会空间能源学术年会论文集．北京：中国宇航学会，2005：219-224

Tan Lixin，Lu Wendong，Zhao Jishi，et al．Study of temperature characteristic of 110Ah nickel hydrogen battery［C］／／Proceedings of the 9th Space Energy Conference of Chinese Society of Astronautics．Beijing：Chinese Society of Astronautics，2005：219-224（in Chinese）

［3］刘百麟，周佐新．GEO 卫星氢镍蓄电池在轨温度波动机理分析［J］．中国空间科学技术，2011，31（2）：64-71

Liu Bailin，Zhou Zuoxin．Analysis of H2-Ni battery temperature oscillation mechanism in satellites on GEO orbit［J］．Chinese Space Science and Technology，2011，31（2）：64-71（in Chinese）

［4］鲁文东，徐全胜，李金章．千瓦级卫星H2-Ni蓄电池组的设计和试验［J］．电源技术，2003，27（2）：76-80

Lu Wendong，Xu Quansheng，Li Jinzhang．Design and test on H2-Ni battery for kW level satellite［J］．Chinese Journal of Power Sources，2003，27（2）：76-80（in Chinese）

［5］檀立新，鲁文东，周亦龙．DFH-4卫星平台氢镍蓄电池组的研制［C］／／第二十六届全国化学与物理电源学术年会论文集．北京：中国电子学会，2004：253-254

Tan Lixin，Lu Wendong，Zhou Yilong．The H2-Ni battery research in DFH-4satellite platform［C］／／Proceedings of the 26th Chemistry＆Physics Power Supply Conference．Beijing：China Electron Association，2004：253-254（in Chinese）

［6］吴镛宪，刘同昶，陆荣，等．航天用35Ah氢镍电池组性能［J］．上海航天，2000，17（5）：37-41

Wu Yongxian，Liu Tongchang，Lu Rong，et al．Perform-ance of 35Ah nickel-hydrogen battery for aerospace［J］．Aerospace Shanghai，2000，17（5）：37-41（in Chinese）

［7］童德霖，张东辉．通信卫星氢镍蓄电池组热控设计［C］／／第五届空间热物理会议论文集．北京：中国宇航学会，2000：99-107

Tong Delin，Zhang Donghui．The thermmal design of H2-Ni battery in communication satellites［C］／／Proceedings of the 5th Space Thermal Physics Conference．Beijing：Chinese Society of Astronautics，2000：99-107（in Chinese）

［8］薛丰廷，汤心溢．空间目标热分析建模研究［J］．红外技术，2008，30（1）：35-38

Xue Fengting，Tang Xinyi．Study on thermal analysis of the space target［J］．Infrared Technology，2008，30（1）：35-38（in Chinese）

［9］麻慧涛，华诚生．通信卫星平台的热分析建模准则［J］．航天器工程，2002，11（4）：9-14

Ma Huitao，Hua Chengsheng．The modeling guide of thermal analysis in communication satellites platform［J］．Spacecraft Engineering，2002，11（4）：9-14（in Chinese）