熱控涂層紅外發射率對GEO衛星蓄電池溫度波動的影響

劉百麟 周佐新

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

東方紅-3衛星平臺（GEO 衛星）采用氫鎳蓄電池作為一次能源貯能裝置，安裝于服務艙南板、北板內表面，主要在地影期為衛星供電。氫鎳蓄電池充放電性能受溫度影響顯著［1-2］，因此對工作溫度范圍與均勻性有嚴格要求。從東方紅-3 系列在軌衛星飛行溫度遙測數據來看，蓄電池溫度可滿足工作溫度范圍要求；但冬至全日照時，在氫鎳蓄電池加熱器完全關閉的情況下，蓄電池每天溫度波動幅度較大，約為6 ℃。由文獻［3］關于蓄電池在軌溫度波動機理分析可知，空間外熱流引起蓄電池艙艙板內表面溫度波動是導致蓄電池溫度波動的根本原因，降低其熱控涂層紅外發射率，可有效減小蓄電池的溫度波動幅度。基于文獻［3］的研究成果，本文結合幾種常用熱控涂層，優化組合蓄電池艙艙板內表面熱控涂層，通過熱分析的方法量化熱控涂層紅外發射率對蓄電池溫度波動的影響，以達到減小蓄電池溫度波動幅度，有效改善蓄電池在軌工作熱環境的目的。

2 熱分析模型

2．1 物理模型

氫鎳蓄電池組由蓄電池組件構成，蓄電池組件又由若干單體組成，單體借助卡套直接安裝在電池底板（鋁合金）上組成蓄電池組件［1，4-5］，蓄電池組件通過電池底板安裝在服務艙的南板、北板內表面。當衛星處于地影時，蓄電池向星上儀器設備供電，蓄電池放電時屬放熱反應；當衛星處于光照時，蓄電池涓流充電以保持充滿狀態，若涓流過充，電能將主要轉化為化學熱能，使電池內部溫度驟升［6］。為此，東方紅-3衛星平臺氫鎳蓄電池主要采用的熱控措施［1，7］如下：①在安裝蓄電池組的鋁蜂窩面板內預埋2根相互平行的熱管；②每個蓄電池組件外罩一個由低溫多層隔熱組件組成的隔熱罩（隔熱設計）；③每個蓄電池組件對應的安裝面板外表面布設一塊滿足散熱要求的散熱面；④為保證低溫情況下蓄電池的溫度不超出低溫限，在蓄電池單體上粘貼加熱片用于控溫。

在研究蓄電池艙艙板內表面熱控涂層紅外發射率對蓄電池溫度波動程度的影響時，考慮到衛星采用分艙隔熱設計，因而選取包括蓄電池組件在內的艙段，并進行合理簡化，作為熱分析模型。本文以南蓄電池組件、服務艙南板（南蓄電池組安裝板）、對地＋Y板、背地＋Y板、推進艙＋Y隔板、服務艙南隔板，以及相應的部分中板、西板，構成長方體封閉艙作為分析的物理模型，簡稱南電池艙。由于中板、西板僅為截取艙段部分，模型中簡稱為模擬中板和模擬西板。在南電池艙中，除了服務艙南板為鋁蜂窩板外，其他結構板均為碳纖維蜂窩板。在南電池艙的內表面，除了服務艙南板噴白漆外，其他結構板內表面均不作表面處理。另外，只有服務艙南板、西板、對地＋Y板和背地＋Y板為星表板，星表板的外表面除了服務艙南板蓄電池散熱面貼玻璃型二次表面鏡（OSR）外，均包敷多層隔熱組件。

東方紅-3衛星運行在地球靜止軌道，飛行姿態為對地定向。其軌道參數如下：軌道高度為36 000km，偏心率為0，傾角為0°，軌道周期為24h。只考慮太陽輻射［8］，冬至太陽常數按1399 W／m2取值。

2．2 熱數學模型

本文應用Navada和Sinda／G 軟件進行建模和數值求解，在滿足熱分析要求的前提下，進行如下合理簡化和假設：①服務艙內結構板（模擬中板、推進艙＋Y隔板）外表面（朝南電池艙外方向）作絕熱邊界處理；②忽略服務艙南板、推進艙＋Y隔板上儀器影響，不考慮對接錐、490 N 發動機等星外部件影響；③所有對象按其等效輻射面積簡化成規則的幾何形體；④熱容未知的儀器及熱管的比熱容均按鋁合金材料考慮；⑤忽略結構板之間的連接導熱影響，忽略艙板內結構預埋件的導熱影響；⑥只考慮蜂窩芯沿垂直蒙皮方向的導熱，而不考慮蜂窩芯沿平行蒙皮方向的導熱；⑦衛星外表面多層與艙板之間、蓄電池隔熱罩的內外表面之間，只考慮輻射換熱，其當量輻射系數為0．03；⑧星內涂層為灰體，其紅外發射率和紅外吸收率相等。

依據地球靜止軌道衛星建模準則［9］建立模型，南電池艙幾何模型示意見圖1。熱分析中使用的材料熱物理特性參數見表1。

表1 熱物理特性參數Table 1 Thermal physical parameters

3 優化組合方案

由影響GEO衛星蓄電池在軌飛行溫度波動的機理［3］可知：降低電池艙內各結構板內表面熱控涂層紅外發射率，尤其是蓄電池安裝板表面的紅外發射率，可減少因空間外熱流劇烈變化而引起蓄電池艙內結構板之間的相互熱輻射影響，從而達到減小蓄電池溫度波動幅度的目的。因此，本文以東方紅-3衛星服務艙各艙板熱控涂層設計為基準方案，用白漆、鍍鋁膜等常用的熱控涂層改變蓄電池艙各結構板內表面的紅外發射率，優化組合5種方案，詳見表2。

表2 南電池艙艙板內表面熱控涂層組合方案Table 2 Thermal control coatings combination schemes of inner panel in south battery cabin

4 熱控涂層紅外發射率影響分析

4．1 與在軌飛行數據比較

以簡化后的南電池艙為熱分析模型，模擬壽命末期冬至時南蓄電池在軌涓流充電時溫度，蓄電池涓流充電時單體發熱量為0．85 W。壽命末期冬至時南蓄電池計算溫度（基準方案）與在軌飛行溫度遙測數據比較，如圖2所示。結果表明，兩者溫度波動規律基本吻合，在冬至一天內溫度波動幅度均約為6 ℃，只是兩者溫度水平不同。這是因為本文計算模型為整星的一部分（南電池艙），且不考慮艙內儀器（發熱）的影響，因此本文中蓄電池計算溫度水平要低于在軌飛行溫度（整星），兩者溫差小于4 ℃。考慮到本文僅是艙板內表面熱控涂層發射率對蓄電池溫度波動幅度影響的方案比較分析，因此采用本文簡化的熱分析模型是可行的，能達到研究目的。

圖2 冬至時蓄電池計算溫度與在軌飛行溫度Fig．2 Calculated battery temperature vs flight temperature in solstice

4．2 方案比較分析

表2中基準方案與方案1～方案5的蓄電池溫度計算結果，如圖3所示。各方案在冬至時南蓄電池日溫度波動幅度統計與比較，詳見表3。

圖3 冬至時南蓄電池溫度Fig．3 Temperatures of south battery in solstice

表3 冬至時南蓄電池溫度波動幅度統計Table 3 Statistic of south battery temperature variation range in solstice

4．2．1 與基準方案比較

由圖3和表3可知，與基準方案相比，方案1～方案5中冬至時南蓄電池日溫度波動幅度均有不同程度的減小，日溫度波動最大降幅可達50%。經比較可見，方案1、方案2和方案3中的南蓄電池溫度波動變化規律是一致的，冬至一天內南蓄電池溫度的最小值、最大值以及出現的時刻基本相同，其日溫度波動幅度均約為4．3 ℃，相對基準方案降幅約為25%。在這3種方案中，蓄電池溫度變化規律一致的原因在于：3種方案中影響蓄電池溫度波動的關鍵結構板內表面熱控涂層相同，即服務艙南板（南蓄電池安裝板）內表面均為白漆，西板、對地＋Y板、背地＋Y板內表面均為鍍鋁膜。由于這些關鍵結構板受外熱流光照變化直接引起其內表面溫度波動，而其他結構板位于艙內，不受外熱流直接影響；因此，當西板、對地＋Y板、背地＋Y板內表面熱控涂層由碳蒙皮變為鍍鋁膜時，其內表面紅外發射率由0．85降低到0．10，減小了這3塊結構板對艙內其他結構板的輻射換熱影響，從而使其他結構板內表面溫度波動幅度降低。尤其是南蓄電池安裝板（服務艙南板）的溫度波動幅度降低，導致南蓄電池溫度波動受其安裝結構板溫度波動影響降低，因而蓄電池溫度波動幅度將明顯小于基準方案。

由表2可知，基準方案、方案4的西板內表面均為高紅外發射率的碳蒙皮（紅外發射率為0．85），另外4種方案的西板內表面均為低紅外發射率的鍍鋁膜（紅外發射率為0．10），冬至時各方案的西板溫度變化規律如圖4所示。由圖4可知，方案1、方案2、方案3和方案5的西板溫度變化規律基本相同。與基準方案及方案4相比，西板受外熱流光照時，其高端溫度約高17℃；反之，低端溫度約低15℃。這正是由于西板內表面紅外發射率降低，導致與其他艙板輻射交換熱量減少，引起西板自身溫度升高或降低，減小了對其他艙板，尤其是蓄電池安裝板（服務艙南板）的溫度波動影響（見圖5），因此，安裝其上的南蓄電池溫度波動也隨之減小。從圖4和圖5所示的各方案冬至時西板、服務艙南板溫度變化規律，也可證明上述分析結論。

圖4 冬至時西板內表面溫度Fig．4 Inner panel temperatures of western board in solstice

圖5 冬至時服務艙南板（南蓄電池安裝處）內表面溫度Fig．5 Inner panel temperatures of south board in service module（where south battery is fixed）in solstice

方案4與基準方案唯一不同的是，服務艙南板內表面由白漆變為鋁蒙皮（詳見表2）。這一變化使服務艙南板內表面紅外發射率由0．87 減小到0．10，由上文分析同理可知，服務艙南板內表面紅外發射率降低，將減小其他結構板對其輻射熱影響，因此服務艙南板溫度波動幅度明顯減小，安裝其上的南蓄電池溫度波動也隨之減小，明顯小于基準方案，波動幅度降低36．2%。

同理，方案5中艙內所有結構板內表面均貼鍍鋁膜或鋁蒙皮（詳見表2），其內表面紅外發射率均降低到0．10；因此，該方案的南蓄電池溫度波動幅度在6種方案中最小，與基準方案相比降幅約50%。

4．2．2 優化組合方案比較

由圖3與表3可知，方案1、方案2和方案3因西板、對地＋Y板、背地＋Y板3塊影響蓄電池溫度波動的關鍵結構板內表面都貼鍍鋁膜，且蓄電池安裝板表面均為白漆，因此3種方案的蓄電池日溫度波動變化規律是一致的，其日溫度波動幅度均為4．3 ℃。與方案1～方案3 相比，方案4 中雖然西板、對地＋Y板、背地＋Y板等結構板內表面為高紅外發射率（0．85）的碳蒙皮，但由于服務艙南板內表面（蓄電池安裝板）為鋁蒙皮（紅外發射率和紅外吸收率均為0．10），因而有效減少了其他結構板對服務艙南板的熱輻射影響，由此引起服務艙南板溫度波動較小（見圖5）。方案4引起的蓄電池日溫度波動幅度為3．7 ℃，優于方案1～方案3。由此可見，蓄電池艙內各結構板內表面熱控涂層紅外發射率對蓄電池溫度波動均有影響，熱控涂層紅外發射率越小，對減小溫度波動越有利；相比而言，蓄電池安裝板的表面熱控涂層紅外發射率是影響蓄電池溫度波動的主導要素。

由于方案5中蓄電池艙內所有結構板內表面均貼低紅外發射率的鍍鋁膜，集合了方案1～方案4減小蓄電池溫度波動的全部優勢；因此，方案5是5種組合方案中的最優方案，對減小蓄電池溫度波動幅度最顯著，其冬至時日溫度波動幅度為2．9 ℃。這一結果僅是從降低溫度波動幅度角度比較，若綜合考慮各艙板熱控實施工藝、周期與成本等工程因素，方案4為最佳使用方案。

5 結束語

本文在東方紅-3衛星平臺熱設計的基礎上，提出5種蓄電池艙艙板內表面常用的熱控涂層組合方案，量化分析了蓄電池艙艙板內表面熱控涂層紅外發射率對蓄電池溫度波動幅度的影響。通過幾種方案對比分析發現，西板、對地＋Y板和背地＋Y板內表面使用低發射率的熱控涂層，可有效降低因空間外熱流變化引起蓄電池安裝板（服務艙南板）溫度波動幅度，從而能有效減小蓄電池溫度波動。定量比較蓄電池艙內各結構板內表面熱控涂層紅外發射率影響蓄電池溫度波動的程度可知：各結構板內表面熱控涂層紅外發射率對蓄電池溫度波動均有影響，其熱控涂層紅外發射率越小，越利于減少波動，其中蓄電池安裝板的表面熱控涂層紅外發射率是決定蓄電池溫度波動幅度的主導因素。

（References）

［1］周亦龍．氫鎳電池控溫技術的研究［C］／／中國宇航學會首屆學術年會論文集．北京：中國宇航學會，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，魯文東，趙吉詩，等．110Ah氫鎳電池溫度特性研究［C］／／第九屆中國宇航學會空間能源學術年會論文集．北京：中國宇航學會，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］劉百麟，周佐新．GEO 衛星氫鎳蓄電池在軌溫度波動機理分析［J］．中國空間科學技術，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］魯文東，徐全勝，李金章．千瓦級衛星H2-Ni蓄電池組的設計和試驗［J］．電源技術，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，魯文東，周亦龍．DFH-4衛星平臺氫鎳蓄電池組的研制［C］／／第二十六屆全國化學與物理電源學術年會論文集．北京：中國電子學會，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］吳鏞憲，劉同昶，陸榮，等．航天用35Ah氫鎳電池組性能［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，張東輝．通信衛星氫鎳蓄電池組熱控設計［C］／／第五屆空間熱物理會議論文集．北京：中國宇航學會，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］薛豐廷，湯心溢．空間目標熱分析建模研究［J］．紅外技術，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］麻慧濤，華誠生．通信衛星平臺的熱分析建模準則［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）