星外快旋部件的热设计方法

彭方汉 耿利寅 王甜甜 李国强

（北京空间飞行器总体设计部 空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094）

1 引言

快旋部件的主要特点是工作时整个部组件绕转轴持续、快速地转动，目前星外快旋部件主要应用于气象卫星和海洋卫星且以微波类载荷居多。国内比较典型的是“风云”系列卫星上应用的多通道扫描成像辐射计［1-3］，国外比较典型的有美国诺阿（NOAA）系列气象卫星上应用的高级微波探测器AMSU-A和AMSU-B［4-5］、美国国防气象卫星计划（DMSP）系列气象卫星上应用的专用遥感器微波成像探测器（SSMIS）［6］、地 球 观 测 系 统（EOS）的“水”卫 星（Aqua）上应用的日本先进微波扫描辐射计（AMSRE）［7］、俄罗斯流星-3（MMETEOR-3）对地观测卫星上应用的微波辐射计MTVZA［8］。根据已有文献，上述快旋部件的主要热控措施相同，包括：①隔热设计，辐射计本体表面除散热面之外的区域包裹多层隔热材料；②散热设计，辐射计本体的部分表面设置OSR或白漆散热面；③等温设计，通过喷涂黑漆，安装热管等方式降低辐射计本体的温度梯度；④补偿加热设计，根据外部热环境特点以及电子设备温度要求，在局部区域安装加热回路进行低温工况的加热补偿。

虽然已应用的星外快旋部件的主要热控措施相同，但不同类型快旋部件的具体热控参数存在差异，已有文献都只是对某一类快旋部件的具体热设计方案进行了描述，未对此类快旋部件的热控特点和热设计方法作系统性分析和总结。本文通过分析星外快旋部件的热设计特点和难点，提出了适用于此类快旋部件的热设计方法，同时结合我国海洋-2（HY-2）卫星的两个典型快旋部件的热控方案对星外快旋部件热设计的效果进行了详细论述，最后根据HY-2卫星在轨温度效果评估得出合理可行且优化的星外快旋部件热控方案。

2 特点和难点分析

转动对快旋部件热设计的影响主要包括四个方面：

1）热量转移措施单一

如果在航天器其它区域为快旋部件设置散热面，快旋部件与散热面之间无法通过热管、铜条、导热索等方式连接，只能通过效率较低的辐射方式进行热量交换。当快旋部件的总热耗或投入外热流较大时，采用辐射散热的方式降低整体温度的效果不明显，需要通过优化航天器构型设计的方式来调节外部热环境。

2）热管布局要求严格

根据热管的工作特性［9］，快旋部件上的热管布局应满足“如果L2＞L1，则T2＞T1”的要求。见图1，L表示热管中心点与转轴的垂直距离，T表示热管中心点的温度。热流密度较大的局部区域需采用热管辅助散热时，快旋部件的结构设计以及设备布局应进行优化，以保证安装的热管在转动情况下能够正常工作。

图1 热管与转轴相对关系示意图Fig．1 Relative position of the heat pipe and the shaft

3）表面热流波动剧烈

快旋部件的所有表面均绕转轴周期性转动，外表面投入外热流周期变化，因此快旋部件上可直接设置高效率散热面的表面很少，大热流密度的区域很难通过设置散热面的方式解决局部温度过高的问题。

4）加热回路数量受限

快旋部件上的所有功率、信号电缆只能通过转轴上的滑环引出，滑环通道数量有限，而一个控温回路至少需要测温、加热共4个通道，因此控温加热回路数量受限制。当快旋部件的热量分布不均匀而导致不同区域的温度差异大时，热控设计很难通过加热方式来保证所有低温区域的温度满足要求。

3 热设计方法

由于快旋部件提升整体散热能力的空间较小，调节局部温度的措施和资源有限，因此合理的热控方案需要通过优化航天器的构型设计、优化快旋部件的设备布局和结构设计来配合完成，即采用“机-电-热”一体化的热设计思路。

HY-2卫星的散射计探测头部和辐射计探测头部安装在星外，工作时转速均超过了15r／min，为两个典型的快旋部件。同时散射计探测头部总功耗为150 W，辐射计探测头部总功耗为39．4 W，因此两个头部分别代表了较大功率和小功率的快旋部件。本节将结合两个头部的热设计方案，对快旋部件进行“机-电-热”一体化热设计的要点进行分析。

3．1 实例

HY-2卫星构型见图2，卫星采用降交点地方时为6：00的太阳同步轨道，-Y侧长期受照。散射计探测头部-Y侧在轨长期受到阳光直接照射，＋Y侧、-X侧、-Z侧则受到卫星表面的遮挡，散热环境恶劣；辐射计探测头部受卫星的遮挡，投入的外热流较小，且只有＋Z侧和-X侧受卫星表面遮挡，散热环境较好。

图2 HY-2卫星构型Fig．2 Structure of HY-2satellite

散射计探测头部的构型见图3，工作时反射器及高频箱绕中轴转动，电子设备安装在高频箱的顶部及内部。

辐射计探测头部的构型见图4，工作时反射器及高频箱绕中轴转动，电子设备安装在高频箱的内部。

图3 散射计探测头部构型Fig．3 Structure of scattermeter head

图4 辐射计探测头部构型Fig．4 Structure of radiometer head

3．2 热设计要点

1）优化航天器的构型设计

根据航天器的外热流特点，同时结合快旋部件的总热耗大小，确定快旋部件在航天器的位置。当快旋部件的总热耗较小时，快旋部件在航天器上的安装位置对热设计的影响较小；当快旋部件的总热耗较大时，快旋部件在航天器上的安装位置应满足投入外热流小、受航天器表面遮挡少的条件。

2）优化快旋部件的设备布局

根据设备功率调整设备布局，使快旋部件上的热量分布均匀，同时保证为大热耗设备安装的热管满足正常工作的条件，从而减少加热保温所需的回路数量，以及避免局部区域的热量过度集中。

散射计探测头部设备布局优化的内容主要包括：①热耗较大的设备1主／备份和设备2主／备份布置在高频箱外表面，且热流密度最大的设备1主／备份布置在顶板外部受反射器遮挡最小的＋X侧，外设备2主／备份布置在受反射器遮挡较小的±Y侧。②根据热量均布的原则布置高频箱内部设备，各个小舱中设备的主备份交叉布置，避免某个小舱的总热量太小。

辐射计探测头部设备布局优化比较简单，主要是所有设备在高频箱内部均匀分布。

3）优化快旋部件的结构设计

调整结构开孔以保证热管正常安装，改进局部的结构以提高局部的热传导能力，从而达到降低局部温度梯度的目的。

辐射计探测头部的所有设备热耗较小，未针对热设计而进行专门的结构优化设计。散射计探测头部进行了两项结构设计的优化：①通过调整结构开孔，在高频箱顶板预埋了5根弧形热管将局部的热量分散到整个顶板，见图5；②高频箱底板增加了3块1mm 厚的铝板，减小隔舱内的设备温差。

图5 散热计高频箱顶板预埋热管布置Fig．5 Layout of embodded heat pipes

4）从总体角度确定热设计思路

将快旋部件当作一个整体而不单独考虑转动的影响，根据总功耗以及外热流特点确定整个快旋部件的热设计思路以及周围环境的热控措施。

散射计探测头部的总功耗较大且外热流环境恶劣，热控方案以散热为主，主要散热措施包括：高频箱侧面粘贴铈玻璃镀银（OSR）二次表面镜；高频箱其它外表面以及反射器外表面均喷涂白漆；降低环境温度，具体措施见图6，P点为散射计探测头部的安装位置。

辐射计探测头部由于需排散的热量较小且外部环境良好，采取“适量散热，注重保温”的措施来完成热控设计，主要包括：在侧板外表面开设部分白漆散热面，其它表面包覆多层；在高频箱的4块剪切板上安装2路补偿加热回路；天线反射器背面及周围舱板表面均覆盖多层。

图6 散热计高频箱预埋及外贴热管布置Fig．6 Layout of embedded and outside heat pipes

3．3 热分析验证情况

两个头部的热控方案均完成了一次热平衡试验验证，试验中由于试验电缆发热的影响，热控方案的正常验证受到了较大干扰，但根据试验状态及结果热分析模型成功完成了修正工作，详细分析见文献［10］。

热分析选择两个极端工况：低温工况，选择寿命初期、夏至的参数；高温工况，选择寿命末期、冬至的参数。计算结果见图7和图8，其中散射计探测头部选择工作热耗最大的设备1主／备份和设备2主／备份作为分析对象，辐射计探测头部的温度分布比较均匀，在4个小隔舱分别选择一台设备作为分析对象。

在高低温工况，散射计探测头部的设备1和2的温度范围为-8．3～＋55．8 ℃，满足-20～＋65 ℃的指标要求；辐射计探测头部的设备温度范围为15．2～39．2 ℃，满足-10～＋50 ℃的指标要求；两个头部的其它所有设备温度也均满足指标要求。计算结果表明，两个头部的热设计思路正确，采取的热控措施有效，热控方案合理。

图7 散射计探测头部温度计算结果Fig．7 Temperature results of scattermeter head

图8 辐射计探测头部温度计算结果Fig．8 Temperature results of radiometer head

4 在轨验证

两个头部的部分在轨遥测数据及预示温度统计见图9和图10，图中选择的设备温度与计算分析选择的对象相同。分析在轨遥测数据，所有设备的温度均满足要求；比较在轨遥测与计算分析的数据，所有设备的温度均包络在计算分析的高低温工况温度范围内，说明计算分析选择的极端工况合理；比较在轨遥测温度与预示温度，两个头部的温度差异均小于3 ℃，说明计算模型符合实际状态。

图9 散射计探测头部部分在轨温度及预示温度Fig．9 In-orbit and calculated temperatures of scattermeter head

图10 辐射计探测头部部分在轨温度及预示温度Fig．10 In-orbit and calculated temperatures of radiometer head

两个头部的热控方案及在轨温度的比较分析表明，散射计探测头部的热控方案复杂，在轨整体温度偏高，后续改进空间较小；辐射计探测头部热控方案比较简单，在轨温度适中，后续改进空间较大。两个快旋部件的热控方案复杂程度以及在轨温度水平存在明显差异，除了自身总功率不同带来的影响之外，在卫星上的安装位置不同而导致的外热流环境差异是另一个主要影响因素。因此受热量转移措施单一的限制，航天器和快旋部件结合进行的“机-电-热”一体化设计对快旋部件的热控方案影响非常大。

根据在轨温度，散射计探测头部的温度满足要求，主要是一些针对性的热控措施效果明显，特别是根据设备热功耗进行的布局优化设计以及结构优化设计对热控方案的成功起到了重要作用。辐射计探测头部在设备布局优化后，温度分布均匀，补偿加热回路数量需求少，通过调整散热面面积来调节设备温度容易实现。因此快旋部件自身的机电热一体化设计才能解决热管正常工作的要求，同时适应散热面外热流复杂和加热回路数量受限制的特点。

根据散射计探测头部和辐射计探测头部的热设计效果分析，对于各种类型的快旋部件，一个合理可行且优化的热控方案应结合“机-电-热”一体化设计的方式来完成。

5 结束语

快旋部件热设计应结合航天器、部件自身进行“机-电-热”一体化设计，以得到合理可行的热控方案，要点包括：

（1）根据快旋部件总功率优化航天器构型设计，保证快旋部件的外热流环境良好；

（2）根据设备的热耗优化快旋部件的设备布局，避免局部热量过度集中，同时保证大热耗设备安装的热管满足正常工作的条件；

（3）根据热量分布优化快旋部件的结构设计，减小局部的温度梯度，同时保证热管正常安装。

经过地面试验和在轨飞行验证，采用上述设计方法和设计方案的HY-2卫星散射计和辐射计头部在轨温度结果正常，与设计预期结果一致，说明上述方法可应用于星外大型旋转部件的热设计。

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