本发明涉及地球轨道通信卫星。
背景技术：
通信卫星从地球表面接收并向地球表面发射无线电信号。尽管地球轨道通信卫星已经使用了许多年，但是为这些卫星上的热敏电子组件提供足够的冷却仍是个问题。
有两种主要热源，卫星的热系统必须与之对抗。一种热源是太阳辐射。太阳辐射可以通过隔热屏蔽物吸收，或者通过为卫星提供具有适当反射性的外表面将其快速反射离开卫星。第二种热源是卫星上的电子器件。除去电子器件产生的热量这一问题更为严重，因为这种热量必须从卫星的不同位置收集，传输到一个可以被卫星排出的地方，然后辐射到太空中。
卫星越小，散热问题越严重。较小卫星的体积和质量自然限制了可用于散热器和热控制的表面面积。
热管和相变材料(“pcm”)是卫星通常用于解决热问题的两种技术。热管是一个封闭腔，通常以管的形式存在，其具有充满工作流体的内部毛细管结构。卫星的工作温度范围设定工作流体的选择；氨、乙烷和丙烯是典型的选择。热量输入(即来自发热电子器件)导致工作流体蒸发。蒸发的流体将热量携带到较冷的热输出部分，流体在该热输出部分处冷凝时会排出热量。排出的热量被热输出部分的较冷表面吸收，然后辐射到太空中。冷凝液通过毛细管力返回到热输入部分(靠近发热组件)以完成循环。
pcm用于通过在热负荷高时储存热量并在热负荷较低时释放热量来抑制瞬态温度极值。pcm通过熔化(即，pcm熔化)的潜热来吸收热量。热量被吸收而无明显温度上升。相反，使用散热器、热管、热带，或其它装置来除去这种吸收的热量，然后，pcm重新冻结。
pcm模块通常安装在相关的热源附近或热源上。使pcm模块暴露于热源的表面面积最大限度地达到了最大值。储热性能与传热界面面积和模块中pcm的深度直接相关。必要时，将热管安装到pcm模块和/或热源上，以将热量输送到热沉(例如，散热器等)。
技术实现要素：
本发明通过将热管和pcm结合在单个外壳中来提供改进的无源热系统。无源热系统尤其适用于卫星。
根据说明性实施方案，热管工作流体设置在容器的第一腔中，并且pcm容纳在基本上围绕第一腔的第二腔中。根据典型热管设计，第一腔包含用于热传输的芯。第一腔的外部具有延伸到pcm中用于散热和增大界面面积翅片等。
这种热管和pcm的合成具有以下优点：(i)在大多数情况下(如果不是所有情况的话)，改进了与耗散源的接近度，(ii)利用热管散热(输送)热能的能力，界面面积通常会大大提高，以及(iii)通过使低导热系数pcm保持在热源(即，电气组件)与热沉之间的直接热路径外部，改进了与热沉(例如，散热器面板)的热耦接。
根据本发明的一些实施方案提供了一种包括无源热系统的设备，其中，该无源热系统包括：
外壳，其中外壳具有内腔和外腔，其中外腔基本围绕内腔；
热管工作流体，其中热管工作流体容纳在内腔中；以及
相变材料(pcm)，其中pcm容纳在外腔中。
根据本教导的一些实施方案提供了一种包括无源热系统的设备，其中该无源热系统包括：
容纳在内腔中的热管工作流体；以及
容纳在外腔中的相变材料(pcm)，其中内腔和外腔布置成使得热量在热管工作流体与pcm之间传递。
根据本教导的一些实施方案提供了一种卫星，包括：
多个散热器面板，其向外部环境辐射热量；
第一多个电子组件，其容纳在第二多个容器中；以及
无源热系统，其中该无源热系统包括：
(a)外壳，其中外壳具有内腔和外腔，
(b)热管工作流体，其中热管工作流体容纳在内腔中，
(c)相变材料(pcm)，其中pcm容纳在外腔中；且其中：
(i)该第二多个容器中的一个耦合到无源热系统的第一端；且
(ii)散热器面板中的一个耦到无源热系统的第二端。
附图说明
图1描绘了根据本教导的卫星。
图2描绘了图1中的卫星的一些部分的分解图。
图3描绘了根据本发明的说明性实施方案的与图1和图2中的卫星一起使用的改进无源热系统。
图4a通过侧视图描绘了图3中的处于用于将热量从卫星电子器件传输到卫星散热器面板的布局中的改进无源热系统。
图4b示出了沿图4a中的线a-a截取的图4a中的布局的剖视图。
图4c描绘了沿图4a中的线b-b截取的图4a中的布局的剖视图。
具体实施方式
本发明的各实施方案可用于各种类型的卫星(例如，leo、geo等)。在讨论本无源热系统的具体细节之前，描述了可以使用这种系统的卫星。
卫星。图1描绘了根据本发明的卫星100。图2描绘了卫星100的一些特征的“分解”视图。现在参考图1和图2。卫星100包括如图所示布置的统一有效载荷模块102、推进模块114、有效载荷天线模块122、总线组件模块132和太阳能电池阵列系统140。值得注意的是，图1和图2中的卫星100的方向是“倒置的”，即在使用中，在图中面向“上”的天线124将面向“下”，朝向地球。
统一有效载荷模块102包括面板104、106和108。在一些实施方案中，使用各种连接器等将面板以已知方式连接在一起。支架109为连接的面板提供结构加固。
除了任何其它功能之外，面板104、106和108还用作辐射器来辐射来自卫星102的热量。在一些实施方案中，面板包括促进除热的适配件。在一些实施方案中，面板包括多种材料，例如夹在面片材之间的芯。适用于面板的材料包括通常用于航空航天工业的那些材料。例如，在一些实施方案中，芯包括轻质铝蜂窝，且面片材包括6061-t6铝。
推进模块114设置在面板112上，在一些实施方案中，面板112的构造方式与面板104、106和108相似(例如，铝蜂窝芯和铝面片材等)。图1中被遮挡的面板112与统一有效载荷模块102的面板104和106邻接。
推进模块114包括燃料箱116和推进控制系统118。推进控制系统利用一个或多个阀(未示出)通过布置在面板114的面向外的表面上的推进喷嘴(未示出)来控制推进气体的释放。对推进控制系统进行了适当装配(即，软件和硬件)以响应来自地面的命令或控制处理器产生的命令。
有效载荷天线模块122包括多个天线124。在说明性实施方案中，将十六个天线124布置成4×4阵列。在一些其他实施方案中，可以以不同的布置方式来组织天线124和/或可以使用不同数量的天线。天线124由支撑腹板120支撑。在一些实施方案中，支撑腹板是包括碳纤维的弯曲面板，具有用于容置和支撑天线124的合适数量的开口(即，在说明性实施方案中为十六个)。
在一些实施方案中，天线124在ku频带发射，该频带是电磁频谱的12至18ghz部分。在说明性实施方案中，天线124配置为通常用于通信卫星的指数曲线形喇叭形状。喇叭形天线是众所周知的，其从波导管发射无线电波，或将无线电波收集到波导管上，该波导管典型地实现为一个短矩形或圆柱形金属管，该波导管一端封闭，另一端张开成端部开口的喇叭(在说明性实施方案中为圆锥形)。每个天线124的波导管部分在图1中均被遮挡。每个天线124的闭合端都耦接到放大器(图1和图2中未示出；其位于面板104或108的内表面上)。
总线组件模块132布置在面板130上，其附接到统一有效载荷模块102的底部(从图1和图2的角度看)。面板130可以以与面板104、106和108相似的方式构造(例如，铝蜂窝芯和铝面片材等)。在一些实施方案中，面板130不包括用于除热的任何特定的适配件。
模块132包括主太阳能电池阵列电动机134、四个反作用轮136和主控制处理器164。通过角动量守恒，反作用轮在不使用推进剂的情况下使卫星100在太空中旋转。包括离心质量块(未示出)的每个反作用轮136均由相关联的驱动电动机(和控制电子器件)138驱动。正如本领域技术人员所理解的那样，只需要三个反作用轮136在x、y以及z方向上旋转卫星100。第四反作用轮作为备用。这样的反作用轮在卫星中通常用于此目的。
主控制处理器164处理从地面接收的命令，并且自主地执行卫星100的许多功能(包括但不限于姿态指向控制、推进控制和电力系统控制。
太阳能电池阵列系统140包括太阳能电池板142a和142b，以及相应的y形杆148a和148b。每个太阳能电池板均包括多个太阳能电池(未示出；它们被安置在太阳能电池板142a和142b的被遮挡的一面，以已知方式将阳光转换成电能。每个太阳能电池板均包括电动机144和无源旋转轴承146；y形杆的其中之一在电动机144和轴承146处附接到每一个太阳电池板。电动机144使得每个太阳能电池板都能够至少部分地绕轴线a-a旋转。这有助于将太阳能电池板142a从其收起位置展开成其平行于并抵靠面板104，以及将太阳能电池板142b从其收起位置展开成平行于并抵靠面板106。电动机144还用于通过上述绕轴线a-a的旋转来使面板142a和142b适当地倾斜，以获得最佳阳光照射。
每个y形杆148a和148b的构件150均穿过相应面板104和106上的开口152。在统一有效载荷模块102内，构件150连接到先前结合总线构件模块132提及的主太阳能阵列电动机134。如图所示，主太阳能阵列电动机能够至少部分地使每个构件150绕其轴线旋转。这是为了使太阳能电池板142a和142b倾斜，以获得最佳的日光照射。在一些实施方案中，构件150可以彼此独立地旋转；在一些其他实施方案中，构件150一起旋转。锁定释放构件154用于将太阳能电池板142a耦接到侧面板104并从侧面板104释放，以及将太阳能电池板142b耦接到侧面板106，并从侧面板106释放。锁定释放构件耦接到侧面板104和106上的开口156。
卫星100还包括装配在统一有效载荷模块102的面板108“下方”(从图1和图2的角度看)的面板126。在一些实施方案中，面板为一块航天级材料(例如，6061-t6铝等)。电池模块128设置在面板126的面向内部的表面上。电池模块为卫星100上的各种能量消耗者供应电能。电池模块128通过太阳能电池板142a和142b产生的电力再充电；面板和模块128为此电耦接(在图1和图2中未描绘太阳能电池板142a/142b与电池模块128之间的电路径)。
卫星100还包括用于遥测和地面命令和控制的全向天线158。
面板108上设置了两个“网关”天线160。网关天线向地球上的网关站发送用户数据并接收用户数据。网关站与因特网通信。天线160通过可移动安装架162耦接到面板108，可移动安装架162使得天线能够沿着两个轴线移动，以便利用地面天线进行最佳定位。天线160通常在ka频带中进行发射和接收，ka频带覆盖26.5至40ghz范围内的频率。
设置在面板106的面向内的表面上的转换器模块110在ka无线电频率与ku无线电频率之间转换。例如，转换器模块110将来自网关天线160的ka频带上行链路信号转换为用于经由天线124的下行链路的ku频带信号。转换器模块110还在相反方向进行转换；即ku到ka。
在卫星100的操作中，对于数据请求，数据流如下：
(获取数据)：在网关站从因特网获取所请求的数据；
(上行链路)：通过大型地面天线向卫星的网关天线160传输数据信号(ka频带)；
(有效载荷)：将数据信号放大，路由到转换器模块110以转换为下行链路(ku)频带，然后再次放大；
将有效载荷信号路由到有效载荷天线124；
(下行链路)：天线124将放大后的经频率转换的信号发送到用户终端。
当用户发送(而不是请求)诸如电子邮件的数据时，该信号遵循相同的路径，但方向相反。
无源热系统。图3描绘了无源热系统370的剖视图。
无源热系统370包括外壳372，在示例性实施方案中，外壳372包括壁374和壁376。壁374的尺寸和形状设计成耦接到热沉/源396。在说明性实施方案中，热沉/源396是散热器面板，例如散热器面板104、106、108、112等。因此，热沉/源396作为热沉来工作。此外，由于散热器面板相对平坦，因此壁374也平坦。
内壁380从壁374延伸到壁376。壁380具有与壁376的形状大体对照的弯曲形状。外腔390限定在壁376、壁390以及壁374的某些部分之间。内腔386限定在壁380内。
热管流体388容纳在内腔386内。典型热管流体包括氨、乙烷、丙烯等。“热管流体”一词是为了用于本公开和所附权利要求而定义的术语，是指在其使用条件下用于在液体与蒸汽之间变相的流体。如本领域技术人员所熟知的那样，热管包括芯体结构，其目的是通过毛细作用在热管的长度内移动热管流体(当为液体形式时)。设置在内腔386中的芯体结构384用于相同目的。在说明性实施方案中，芯体结构384包括从壁380向内延伸的多个突起385。突起延长了内腔386的长度。本领域中已知了各种芯体设计，并且任何此类设计可均适于与本发明一起使用。
pcm或相变材料392容纳在外腔390中。“pcm”一词是为了用于本公开和所附权利要求而定义的术语，是指在其使用条件下用于在固体与液体之间变相的流体。各种材料中的任何一种都可以用作pcm392，如适用于热负荷和建筑材料那样。适合用作pcm392的典型材料包括石蜡或水合盐。从壁380向外延伸的翅片382伸入外腔390并伸入pcm392内。翅片382的目的是增大壁380的传热表面，以最大限度地使壁380/翅片382与pcm392之间的界面的表面面积最大化。
由于pcm392是一种(非常)高粘度的流体，因此其所接收到的热量(从壁380/翅片382)将不会在其内很好地传递。因此，翅片整个长度以及翅片与紧邻翅片周围的pcm392之间将存在较小的温度梯度。因此，重要的是使翅片382成锥形，使得翅片的基部(最近的壁380)厚于其尖端。这将有助于在翅片382本身范围内保持温度梯度(因为尖端处的质量相对于底部的质量较小，所以尖端将比相对较厚的部分更快地冷却)。根据本公开，本领域技术人员将能够设计和构建适用于其预期目的的翅片382，如上所述。
希望使壁380的外表面与壁376的内表面之间的pcm392中的温度梯度最小化。由于上述原因，翅片382应该很好地延伸到外腔392中。基于各种考虑，在一些实施方案中，翅片382延伸长度为壁380的外表面与壁376的内表面之间的距离的40％或更多。在一些其它实施方案中，翅片382延伸长度为壁380的外表面与壁376的内表面之间的距离的45％或更多。在一些进一步的实施方案中，翅片382延伸长度为壁380的外表面与壁376的内表面之间的距离的50％或更多。
外壳372经由界面材料394耦接到热源/热沉396。界面材料的主要功能是尽可能地最小化外壳372与热源/热沉396之间的热阻。因此，界面材料的特征在于高导热性，形成细结合线的能力，以及在使用寿命内具有很少或无形成空隙的趋势。至于“高”导热性，大于大约500w/(m2k)的传热系数是理想的。虽然外壳372与热源/热沉396之间的耦接可以由机械紧固件加以补充，但重要的是使界面材料394很好地粘附(例如，均匀接触、无空隙等)至两个耦接表面，以使热阻切实可行地保持很低。
在一些实施方案中，界面材料394是室温硫化硅树脂(rtv)。用作界面材料394的其它合适材料包括但不限于压敏粘合剂、薄膜粘合剂、垫片和环氧树脂。当然，界面材料394必须与热源/热沉396和外壳372的构造材料兼容。在说明性实施方案中，热源/热沉396是通常由铝形成的散热器面板，外壳372包括铝，铝通常与上述候选界面材料兼容。
图4a通过侧视图描绘了布局400，其中，无源热系统370配置为将来自卫星电子器件401的热量传递到卫星散热器面板402。图4b描绘了沿a-a线截取的图4a中的布局的剖视图，图4c示出了沿b-b线截取的图4a中的布局的剖视图。
卫星电子器件401代表卫星100上的用于各种目的的许多不同电子系统中的任何一种。所有这些电子器件通常都会产生需要排出卫星的热量。卫星散热器面板402代表卫星100的散热器面板104、106、108、112等，如图1和图2所示，这些面板可用于排出卫星电子器件401产生的热量。
如图4a所示，卫星电子器件401设置在无源热系统370的第一端附近，散热器面板402设置在无源热系统370的第二端附近。无源热系统370通过先前讨论的界面材料394(参见图3以及图4b和图4c)耦接到卫星电子器件401和散热器面板402。卫星电子器件401产生热量q，该热量被无源热系统370收集并输送到散热器402，热量q在散热器402处被排放到太空中。
无源热系统370以如下方式操作。热管流体388收集卫星电子器件401产生的热量。选择流体388使得其在非常低的温度下蒸发。例如，饱和氨(其为典型热管材料)在零下33℃蒸发。pcm392通常在相当高的温度下(根据材料的不同通常在约20至60℃的范围内)才会发生相变(液体/固体)。因此，无源热系统370收集的大部分热量q转移到内腔386中的热管流体388。热管流体立即开始蒸发，以接近声速的速度在内腔386内传递热量。在实践中，可将内腔386看作是等温环境，因为热传递在该温度范围内非常有效且快速。
这种快速热传递的目的是增大内腔386中的热管流体388与外腔390中的pcm392之间的热导率表达式[1]中的表面积项a：
g＝h×a(1)
其中：g是热导率；
h是热传递系数；以及
a是接触面积。
当热导率g很大时，热量更容易转移到pcm392中，使得pcm更有效并且允许更大量的pcm可供使用。
值得注意的是，一些热量直接从热源传递到pcm。然而，典型pcm(例如，水合盐等)是非常差的热导体，使得沿着pcm392的长度不会有太多的热传递，特别是在不存在热管流体388的现有技术的布置中。
随着pcm392从热管流体388吸收热量，其会液化。随着pcm392熔化，热管流体388的温度将达到平稳。如果pcm392全部熔化并且当其全部熔化时，热管流体388的温度再次开始上升。在优选实施方案中，在外腔390中存在足够量的pcm392，使得pcm绝不会完全熔化。
如果热管道流体388的温度总是不会达到pcm392的相变温度，则在pcm中不会发生储热。在这种情况下，无源热系统370就像传统热管一样。
一旦卫星电子器件401停止产生大量热量，并且达到pcm392已存储(通过熔化的潜热)的热量范围，pcm将已存储的热量缓慢地释放回腔386内的热管流体388中。然后，热管流体与散热器402交换热量，并将其辐射到太空中。
因此，pcm392类似于一个大电容器，其储存能量，直到热量被完全释放。并且，其还提供了安全网，准备抑制热管流体388的任何温度上升，防止流体超出温度限制。
应理解，本发明描述了一些实施方案，本发明的技术人员在阅读本发明后可以容易地对发明本发明进行改变，并且本发明的范围由以下权利要求确定。