微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统的制作方法

文档序号:9812785
微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于微小卫星内的基于微通道热控系统,以磁性流体为工质,在微小的空间内实现单机局部的主动热控。
【背景技术】
[0002]传统的热控系统分为不具温度调节能力的被动热控技术和可依据温度要求能主动改变换热特性的主动温控两种类型。目前,航天器大多采用以被动为主、主动为辅的热控设计方案。被动热控主要依靠涂层、多层隔热材料和单机的特殊布置等,通过单一的渠道控制散热面对外的辐射热量。主动热控大多是在某些部位添加加热片,进而选择性地加热这些部位,但难以实现冷却控制。
[0003]近年来,随着卫星向着微小型化发展,传统热控方案的弱点越来越明显。第一、由于星内单机向着体积小型化、多功能集成化发展,单机单位体积的产热量明显增多。如果传统方案不能够使热量及时有效地散出去,那么单机将会由于温度过高而影响其性能,甚至损坏。这也是微小卫星热设计中的主要约束因素。第二、由于质量减小,比表面积增大,卫星的热惯性降低。当卫星进入轨道阴影时,外热流和单机的功率会产生突变,这时单机的温度将会产生较大的波动,如果不能及时有效实现热控,很容易使单机局部产生较大热应力,影响系统稳定性。第三、由于星内空间变小,各单机功耗的差距增大,会使得以温度均一化为原则布置单机的方案的难度增大。第四、微小卫星对星载能源的利用率和电源的质量要求都很苛刻,所以先进设计方案要求做到节能高效,而传统的主动热控大多只是在某些部位添加电加热片,无法实现对微小卫星内的有效热管理。
[0004]目前,针对以上传统方案在微小卫星热控设计中存在的问题,已经提出了一些新型的主动热控方案,其中包括:智能电加热器、智能型热涂层、微型百叶窗等方案。虽然这些方案在一定程度上起到了作用,但是并不能完全有效地解决传统方案中的问题。智能型电加热器虽然可以解决单机功率变化带来的问题,但是不能把星内其他单机的余热利用起来,不符合先进的热设计思想;智能型热涂层和微型百叶窗方案通过改变散热面的有效辐射来实现卫星内的热控制;但改变散热面的换热量,往往会同时影响该散热面附近的多个单机,不能针对某个需要控温的单机实现主动热控,在控温方面不够灵活。

【发明内容】

[0005]本发明是为解决现有微小卫星热控系统温控性差,单机主动散热性差以及无法实现对微小卫星内有效热利用的问题,进而提供一种微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统。
[0006]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:
[0007]本发明的一种微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统包括电磁栗、磁性流体管道、热端磁性流体微通道和冷端磁性流体微通道;
[0008]电磁栗的出口通过磁性流体管道与热端磁性流体微通道的入口连通,电磁栗的入口通过磁性流体管道与冷端磁性流体微通道的出口连通,热端磁性流体微通道的出口通过磁性流体管道与冷端磁性流体微通道的入口连通。
[0009]本发明的有益效果是:
[0010]1、微通道热控结构换热效率高、能耗低、控温灵敏、节省空间。微通道热控结构具有很高的表面积-体积比,致使磁性流体与微通道单位体积的接触面积远大于常规通道,这种微尺度效应极大提高了换热效率,且在较低流速下也可以达到很好的换热效果;此外大多数磁性流体在微通道内流动时会产生边界速度滑移,流动阻力变小,能耗降低;由于微通道热控结构的体积和质量小,热惯性低,且磁性流体导热性好,所以磁性流体微通道热控结构可以快速响应环境提出的热控需求,实现灵敏热控;微小卫星对其内部空间的利用效率要求非常苛刻,而微通道热控结构不仅尺寸小,而且可以镶嵌在结构板内,简化系统设计,节省空间,实现微小卫星关键单机可靠散热。单机体积小、功耗大、工作时间长、卫星整体结构紧凑、散热渠道单一等因素,造成关键单机局部温度过高,本发明的换热结构简单、换热效率高,可以有效地解决单机局部温度过高的问题。微通道换热结构具有很大的比表面积,磁性流体与单位体积微通道接触的面积远大于常规尺寸,系统有效换热系数高。微通道换热能力高达100-150W/cm2,而常规尺寸的换热能力只有10-20W/cm2,可见本方案可以在小空间内实现高效的散热效果。
[0011]2、实现微小卫星关键单机主动散热。目前卫星散热方案大多为被动散热,即通过表面涂层材料、安装方式等卫星设计之初的固定模式进行被动散热,在卫星实际工作过程中,温度调节性能差。本发明可以有效解决单机实际工作过程中温度控制问题,通过调节电极电压改变微通道系统的换热效率,进而有效控制系统散热量多少,实现星载单机主动散热量化控制。
[0012]3、实现微小卫星关键单机制冷、制热双重主动热控。卫星内单机工作时间变动、卫星向日背日姿态变化等原因,造成单机工作环境温度波动较大,有时需要强化散热,有时需要辅助加热以避免单机损坏。本发明的热端磁性流体微通道和冷端磁性流体微通道可以根据其所处区域的温度的相对高低,实现热端和冷端的功能转换。比如星载电源管理器,处于向日面时,局部可达30多摄氏度;处于被日面时,局部可达零下10摄氏度,最大温差高达40摄氏度,如果结合卫星结构合理布置热端和冷端磁性流体微通道,可以实现当电源管理器处于向日面时,将多余热量带走;当处于背日面时,为其补充热量,达到双重主动热控效果。
[0013]4、降低星内局部温度梯度,增强结构稳定性。不同单机功耗、材料、工作时间等不同,造成微小卫星内局部较大温度梯度,进而产生热应力,影响运行稳定性。本发明中的热控结构包括热端和冷端磁性流体微通道,两端的形状和安装位置的自由度很大,可以根据单机的热控需要,结合卫星整体结构,灵活布置热端和冷端的位置,实现星内局部温度的有效调节,降低温度梯度,增强结构稳定性。此外,本设计可以有效减少热效应对卫星整体结构设计的约束。
[0014]5、节约卫星热控能耗。提高微小卫星对星载能源的利用率是降低运行成本、延长整星寿命的关键。因本发明的磁性流体微通道可以依据局部温度的变化实现热端和冷端的功能转换,因此,结合卫星整体设计,可以通过合理布置磁性流体微通道位置,将高温单机多余热量传给有待加热的低温单机,实现星内热能的合理分配管理,减少使用额外加热元件,有效降低卫星热控能耗。本发明提出的磁流体微通道热控设计方案,不仅能有效地解决传统方案应用在微小卫星上时的诸多问题,而且具有小巧灵活、简单高效、节能稳定等优点。
【附图说明】
[0015]图1为本发明整体结构示意图;
[0016]图2为磁流体微通道结构示意图;
[0017]图3为电磁栗结构示意图;
[0018]图4为电磁栗电场和磁场分布不意图;
[0019]图5为电磁栗工作时洛伦兹力分布不意图;
[0020]图6为电磁栗驱动下磁性流体管道速度场分布图;
[0021]图7为实施例结构不意图;
[0022]图8为实施例温度分布图。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:结合图1-图3说明,本实施方式的微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统,它包括电磁栗1、磁性流体管道2、热端磁性流体微通道3和冷端磁性流体微通道4;
[0024]电磁栗I的出口通过磁性流体管道2与热端磁性流体微通道3的入口连通,电磁栗I的入口通过磁性流体管道2与冷端磁性流体微通道4的出口连通,热端磁性流体微通道3的出口通过磁性流体管道2与冷端磁性流体微通道4的入口连通。
[0025]电磁驱动磁性流体工质换热设计,工质热性能优越、驱动装置简单紧凑、调节方便高效、空间结构适应性强。磁性流体一般具有较高的热导率,比如液态金属汞的导热系数为8.34ff/(K.m),镓的导热系数可达30W/(K.m),热性能优越;驱动装置如附图2所示,只需要两块小型的永磁体或电磁铁,两个镶嵌在管壁内的电极,做好电绝缘和防漏磁处理后封装起来即可,体积小,结构简单;磁流体速度的大小和电极两端的电压成正比,流速越大换热效率越高,所以可以通过调节电极两端的电压来实现换热能力的连续调节控制,方便高效;磁性流体驱动装置可
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