航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统及设计方法

1.本发明涉及航天器热控制研究领域，具体涉及一种航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统及设计方法。


背景技术：

2.随着快速响应空间技术的发展，航天对快速响应卫星的功能、性能要求越来越高。功能密度大、有效载荷比高、多任务多模式等特征已成为快速响应卫星的发展趋势。受制于尺寸、重量等限制，光学遥感卫星的有效载荷(遥感相机)与卫星平台之间在布局上已不再有明显的舱段划分，载荷与平台的一体化设计已成为这类卫星发展的趋势。此外，高效能的任务需求同时要求卫星遥感相机几乎每轨都开机工作，且持续工作时间长。一方面，相机边界与卫星平台严重耦合；另一方面，相机短时功耗大，散热困难，给相机和卫星平台的热设计带来了严峻的挑战。传统的相机散热设计直接布置散热面和主动控温回路，或采用辐射板和控温回路，达到相机焦面电箱散热的目的。在高温工况时，相机焦面电箱温度偏高；而在低温工况下，又需要开启加热回路，造成了整星功耗的浪费。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统及设计方法，本发明利用耦合的散热面来实现散热，同时保证了相机焦面电箱和卫星平台的温度指标，能够显著降低相机焦面电箱的温度，同时降低热补偿的功耗，平衡了整星的温度，降低了相机载荷对整星的功耗要求。
4.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
5.一种航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统，其特征在于，包括辐射板、热管、卫星散热面和相机焦面电箱；所述相机焦面电箱是位于相机镜筒下方的可活动组件；所述辐射板安装于卫星舱板上，且所述辐射板与所述相机焦面电箱两者相对间隙布置；所述辐射板还通过所述热管与所述卫星散热面相连；
6.所述热管与辐射板之间固定连接，或者所述热管与辐射板之间活动连接且当活动连接时所述热管与辐射板之间设有导热填料；
7.所述热管与卫星散热面之间固定连接，或者所述热管与卫星散热面之间活动连接且当活动连接时热管与辐射板之间设有导热填料。
8.可选的，所述辐射板朝向相机焦面电箱的一侧设有黑色阳极氧化层或黑漆层。
9.可选的，所述辐射板靠卫星舱板侧的安装面上设有一层或多层第一隔热材料层；所述相机焦面电箱靠卫星舱板侧的安装面上设有一层或多层第二隔热材料层。
10.可选的，所述热管为铝-氨航天用热管，所述铝-氨航天用热管包括采用铝合金外壳制成的封闭管路，且所述封闭管路内部的导热工质为氨。
11.可选的，所述相机镜筒固定安装在除所述卫星舱板外的卫星其它舱板的安装面上。
12.进一步的，所述的航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统还包括温度补偿子系统，所述温度补偿子系统包括热敏电阻、加热器和控制单元，所述热敏电阻安装在卫星散热面上以检测卫星散热面的温度，所述加热器安装在卫星散热面上以加热卫星散热面，所述热敏电阻、加热器分别与控制单元相连。
13.可选的，所述加热器为聚酰亚胺薄膜型加热片，粘贴在卫星散热面的背面，且与热管安装在卫星散热面上的部分相邻布置。
14.此外，本发明还提出了一种航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统的设计方法，包括以下步骤：
15.s1，收集相机焦面电箱和卫星散热面的基本参数，包括：环境温度中的最高温度te、相机焦面电箱的最高允许温度t
max
、相机焦面电箱的发热功率q
in
、相机焦面电箱的黑体辐射系数ε、相机焦面电箱的质量m、相机焦面电箱的热容c、卫星散热面的温度tr；
16.s2，配置辐射板的面积a
p
；
17.s3，选择热管的横截面类型，并设置热管的参数，包括：热管的长度l、热管的传热系数λ；
18.s4，采用以下热平衡方程，分别计算辐射板和相机焦面电箱的温度：
[0019][0020]
式中，t
p
为辐射板温度，t为相机焦面电箱温度，te为环境温度中的最高温度，tr为卫星散热面的温度，m
p
为辐射板质量，c
p
为辐射板热容，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，a
p
为辐射板面积，ae为相机焦面电箱与辐射板之间的热辐射有效面积，l为热管长度，λ为热管传热系数，m、c、ε和q
in
分别为相机焦面电箱的质量、热容、黑体辐射系数和发热功率，符号表示对时间微分；
[0021]
s5，判断相机焦面电箱温度t是否满足不大于最高允许温度t
max
的要求：如果满足，则设计结束；如果不满足，则调整辐射板和热管的参数，包括辐射板面积a
p
、热管长度l和热管传热系数λ，重复步骤s2～s4，直到焦面电箱温度t满足要求。
[0022]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果主要体现在以下几个方面：本发明包括辐射板、热管、卫星散热面和相机焦面电箱，辐射板和相机焦面电箱安装在卫星舱板上，辐射板和相机焦面电箱两者相对间隙布置，辐射板通过热管和卫星散热面相连，本发明利用耦合的散热面来实现散热，同时保证了相机焦面电箱和卫星平台的温度指标，能够显著降低焦面电箱的温度，同时降低热补偿的功耗，平衡了整星的温度，降低了相机载荷对整星的功耗要求。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明实施例中的散热系统结构示意图；
[0025]
图2为本发明实施例中辐射板、散热面与调焦机构示意图；
[0026]
图3为常规方法中相机焦面电箱的散热通道与方式示意图；
[0027]
图4为本发明中的相机焦面电箱的散热通道与方式示意图；
[0028]
图5为本发明实施例中的热平衡试验温度测量数据(低温工况)；
[0029]
图6为本发明实施例中的热平衡试验温度测量数据(高温工况)。
[0030]
附图标记：
[0031]
1——辐射板；2——热管；3——卫星散热面；4——热敏电阻；5——加热器；6——控制单元；7——调焦机构；8——第一隔热材料层；9——相机焦面电箱；10——卫星舱板；11——相机镜筒；91——cmos成像器件；92——pcb板；93——安装框架；94——机壳；95——导热脂。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
相机焦面电箱9是属于航天遥感相机上的一个可活动组件，如图1所示，它位于相机镜筒11下方，相机焦面电箱9会根据任务的需要进行一定范围的运动，因此不能直接通过热管2将相机焦面电箱9和卫星散热面3相连。
[0034]
相机焦面电箱9主要包括焦面电路板、视频处理电路板和电源电路板等组成，这些电路板上存在一些尺寸很小的大功率芯片，热耗峰值很大，对散热性、温度均匀性要求很高。可以说，相机焦面电箱9对温度的要求很高，但其活动部件的散热又受其结构的影响很大。正常情况下一般是将相机焦面电箱9所处环境设置为低温环境，这样才能保证在其工作时仍满足温度指标要求。
[0035]
参见图3所示的常规方法中相机焦面电箱的散热通道与方式示意图，为了实现的相机焦面电箱9的散热，常规方法的做法一般是，通过柔性的热管2或导热索将相机焦面电箱9与卫星散热面3相连，但由于热管2或导热索仍然有一定的刚度，它将会对高精度机构的运动产生一定的影响。
[0036]
本发明提出了与常规方法不同的散热系统设计思路，参见图4给出的本发明中的相机焦面电箱的散热通道与方式示意图。其散热通道为：相机的cmos成像器件91工作时产生大量的热，通过热传导将热量传递到pcb板92上；pcb板92与安装框架93之间涂覆导热硅脂95，pcb板92将热量传导到安装框架93和机壳94上；机壳94通过热辐射将热量传递给辐射板1；辐射板1通过热管2将热量传递给卫星散热面3，卫星散热面3再向宇宙深冷空间辐射热量。本发明提出了给相机焦面电箱9单独设置辐射板冷源的设计思路，该设计不对相机焦面电箱9的运动机构部分产生任何的干涉，这种辐射间接散热的方法，既能保证短期开机散热要求，同时在相机不工作时，散热面温度可以控制得低一些，以减小控温功率，节省卫星的整星能源。
[0037]
请再次参阅图1所示的本发明提出的相机焦面电箱散热系统结构示意图，本发明的航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统包括辐射板1、热管2、卫星散热面3和相机焦面电箱9，相机焦面电箱9位于相机镜筒11下方，相机镜筒11安装于卫星舱板上；辐射板1也安装于卫星舱板10上，且与相机焦面电箱9两者相对间隙布置；辐射板1通过热管2和卫星散热面3相连。本实施例利用耦合的散热面来实现散热，同时保证了相机焦面电箱9和卫星平台的温度指标，能够显著降低焦面电箱的温度，同时降低热补偿的功耗，平衡了整星的温度，降低了相机载荷对整星的功耗要求。在相机焦面电箱9工作时，相机焦面电箱9产生的热量辐射到辐射板1上，通过热管2传导至卫星散热面3以实现相机焦面电箱9的散热。
[0038]
为了减小热管2与辐射板1之间的界面热阻、降低温差，热管2与辐射板1之间焊接连接，或者热管2与辐射板1之间活动连接且热管2与辐射板1之间设有导热填料(例如硅脂等)。
[0039]
为了减小热管2与卫星散热面3之间的界面热阻、降低温差，热管2与卫星散热面3之间焊接连接，或者热管2与卫星散热面3之间活动连接且热管2与辐射板1之间设有导热填料(例如硅脂等)。
[0040]
为了提高相机焦面电箱9的红外发射率，辐射板1朝向相机焦面电箱9的一侧(正面)设有黑色阳极氧化层或黑漆层(例如e51-m黑漆)。
[0041]
如图1所示，为了减小与卫星舱内的辐射热交换，辐射板1靠卫星舱板10侧的安装面上设有一层或多层第一隔热材料层8。第一隔热材料层8可根据需要采用玻璃钢、聚酰亚胺或钛合金垫片，具有导热系数低的特点。根据导热系数和力学强度设计第一隔热材料层8的形状和尺寸。
[0042]
热管2实现降低辐射板1和卫星散热面3温差的目的。作为一种可选的实施方式，本实施例中热管2为铝-氨等航天用热管，铝-氨等航天用热管包括采用铝合金外壳制成的封闭管路，且该封闭管路内部的导热工质为氨。
[0043]
为了提高卫星散热面3的散热性能，卫星散热面3的正面(散热面)可为散热白漆、f46或铈玻璃镀银二次表面镜(osr)等，散热面向宇宙冷黑空间辐射散热，该散热面同时为卫星的散热面，卫星的高热耗设备也布置在此散热面上。
[0044]
如图1所示，为了减小与卫星舱内的辐射热交换，相机焦面电箱9靠卫星舱板10侧的安装面上设有一层或多层第二隔热材料层。第二隔热材料层可根据需要采用玻璃钢、聚酰亚胺或钛合金垫片，具有导热系数低的特点。根据导热系数和力学强度设计第二隔热材料层的形状和尺寸。
[0045]
此外，本实施例还包括温度补偿子系统，温度补偿子系统包括热敏电阻4、加热器5和控制单元6，热敏电阻4安装在卫星散热面3上以检测卫星散热面3的温度，加热器5安装在卫星散热面3上以加热卫星散热面3，热敏电阻4、加热器5分别与控制单元6相连。热敏电阻4采集卫星散热面的温度，将温度信号传送至控制单元6，控制单元6根据控制逻辑控制加热器5的开关。其中，控制单元6既可以单独设置，也可以集成在卫星的控制主机上，例如本实施例中将控制单元6集成在整星的热控下位机中。
[0046]
本实施例中，热敏电阻4为ntc型mf501热敏电阻，测温区间为-40～+70℃，测温精度为
±
0.3℃，粘贴在散热面背面(星内一侧)，用于测量卫星散热面的温度，并反馈给控制单元6；加热器5为聚酰亚胺薄膜型加热片，粘贴在卫星散热面3的背面，且与热管2相邻布
置。加热器5的功率可按照散热面的大小进行相应设计。
[0047]
为保证可靠性，热敏电阻4和加热器5需进行冗余布置，本实施例中热敏电阻4、加热器5的数量均为两个以上。控制单元6的测温通道和控温通道数量应满足热敏电阻和加热器数量的要求。
[0048]
最后通过本发明的一应用例说明本实施例的航天遥感相机焦面电箱9辐射式散热系统的效果。相机焦面电箱9功率约20w，每轨工作时间6.5min。辐射板1为铝合金薄板，正面喷涂e51-m黑漆，靠卫星舱板10侧的安装面上设置多层第一隔热材料层8。卫星散热面3为卫星设备和相机焦面电箱9的耦合散热面，卫星散热面3外侧粘贴铈玻璃镀银二次表面镜(osr)。加热器5包括主份和备份两个通道，每个通道功率4w，卫星散热面3背面布置2个热敏电阻4作为控温输入。控制单元6集成在整星热控控制器中，采用最小值区间控温原理，控温区间为[-10，-5]℃，在轨可更改区间上下限。辐射板1与卫星之间、相机焦面电箱9与卫星之间通过聚酰亚胺隔热垫(第一隔热材料层8)隔热安装。图2给出了卫星热平衡实验低温工况下时辐射板1、卫星散热面3的温度曲线。辐射板1的温度范围为3.0～4.1℃，卫星散热面3的温度范围为2.2～3.7℃，热管2的导热情况较好。同时，低温工况下相机焦面电箱9的温度范围为16.0～16.5℃。图3给出了卫星热平衡实验高温工况下时辐射板1、卫星散热面3、相机焦面电箱9的温度曲线。辐射板1的温度范围为7.7～10.5℃，卫星散热面3的温度范围为7.0～11.2℃，相机焦面电箱9的温度范围为19.2～20.8℃。卫星在轨飞行初期相机焦面电箱9和卫星散热面3的温度如下：相机焦面电箱9保持在15.1～15.7℃的范围内，卫星散热面3的温度范围为1～3℃，根据[-10，-5]℃的区间控温逻辑，加热器5保持常关状态，符合低温工况的情况。
[0049]
此外，本实施例还提供一种航天遥感相机焦面电箱的辐射式散热系统的设计方法，包括以下步骤：
[0050]
s1，收集相机焦面电箱9和卫星散热面3的基本参数，包括：环境温度中的最高温度te、相机焦面电箱的最高允许温度t
max
，相机焦面电箱的发热功率q
in
，相机焦面电箱的黑体辐射系数ε，相机焦面电箱的质量m，相机焦面电箱的热容c，卫星散热面的温度tr。
[0051]
s2，设计并配置辐射板1的面积a
p
；
[0052]
s3，选择热管2的横截面类型，并设置热管2的参数，包括：热管2的长度l、热管2的传热系数λ等参数；
[0053]
s4，采用热平衡方程，计算辐射板1和相机焦面电箱9的温度；
[0054][0055]
式中，t
p
为辐射板温度，m
p
为辐射板质量，c
p
为辐射板热容，t为焦面电箱温度，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，a为焦面电箱与辐射板之间的热辐射有效面积，符号表示对时间微分。
[0056]
s5，判断焦面电箱温度t是否满足不大于最高允许温度的要求。如满足，则设计结束；如不满足，调整辐射板1和热管2的参数，主要包括辐射板1的面积a
p
和热管2的长度l、热
管传热系数λ等，重复步骤s2～s4，直到焦面电箱温度t满足要求，即t≤t
max
。
[0057]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。