GEO通信衛星可變大功率器件散熱方法研究

黃勇 劉正山 郭亮 魏巍

(1 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033) (2 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

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GEO通信衛星可變大功率器件散熱方法研究

黃勇1劉正山2郭亮1魏巍2

(1 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033) (2 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

針對GEO通信衛星某可變大功率器件，提出散熱補償、散熱控制和蓄能散熱3種熱控設計方法，并按器件溫度指標要求進行了詳細的理論估算和仿真計算。結果表明3種方法都能滿足器件溫度指標要求,且仿真計算與理論估算結果偏差在10%以內。此外，基于功率和質量兩個方面，通過比較3種方法的優缺點，相關數據表明散熱控制方法不僅可減小熱控系統質量，且不消耗系統能源，是較為理想的散熱方法。實際工程應用時應綜合考慮質量、功耗、可靠性、安全性、工藝性等諸多影響因素，合理選擇可變大功率器件的散熱方法。

地球靜止軌道；變功率；散熱

1 引言

隨著衛星技術的發展，空間電子設備得到了大量應用，系統的組裝密度越來越高，能流密度越來越大，單個電子設備從幾瓦到現在的成百上千瓦[1]，導致電子設備的散熱問題成為越來越需要解決的問題之一。目前，國內外雖然對于整機級[2-4]、電路板級[5-6]以及器件級[7]的散熱研究均取得了不少研究成果。但對于功率隨時間發生變化的器件，其散熱技術亟待探索。

清華大學梁新剛[8]等人針對航天器短時大功率有效載荷散熱問題提出了多種散熱系統，利用流體回路、相變材料、熱泵等不同組合方式，從理論分析和數值計算上研究了散熱系統的性能，但整個散熱系統復雜、質量大，適合于整星和整個系統的散熱。但單個設備或組部件的短時大功率散熱技術國內研究還較少。

本文擬對某GEO通信衛星上的某個可變大功率器件展開散熱設計，由于GEO通信衛星器件多、分布廣、功率大、壽命長等任務需求對散熱技術提出了更高的設計要求[9-11]，散熱設計更為復雜。本文利用相變材料、熱管、熱開關等不同的熱控手段，提出了3種不同的散熱方法，通過3種方法進行理論估算和仿真分析，并比較其優缺點，為工程應用提供理論依據。

2 散熱方法分析

2.1 熱控問題描述

某GEO通信衛星支撐±Y板上各有2個器件S1，尺寸為300 mm×100 mm×100 mm，地球同步軌道光照區功率為3 W，地影區功率為106 W，工作溫度范圍為10～15 ℃(光照區)，地影區允許最高溫度到30 ℃。要求此器件始終在其工作溫度范圍內。器件在衛星中的位置如圖1所示。

器件的熱控設計難點在于：功耗大且可變，特別是進入地影區后，功耗發生突變，增大了30多倍；溫度適應性差，工作溫度范圍窄。

解決上述電子器件的問題，可采取多種方案：①按最大功率進行散熱設計，熱量不足時用加熱補償；②設計可變散熱面，如百葉窗；③空間熱開關技術[12]，當溫度高于設定值時，導熱路徑導通，熱量立即散出；④使用相變蓄能技術[13-14]，將短時大熱量蓄能后，再慢慢消散。由于百葉窗含有活動部件，對于在軌壽命長達15年以上的通信衛星，其可靠性會較差，因此本文不再研究而著重于另外的3種方法。

2.2 理論估算

本文對該器件的散熱問題提出了3種方法，分別命名為散熱補償、散熱控制和蓄熱散熱。由于南北板作為衛星的主散熱面，散熱需求達到4500 W，南北板溫度高達40 ℃，不適合做器件S1的散熱面，因此，考慮將其散熱面選在衛星的東西板，并用U型熱管將東西板散熱面耦合。東西板會受陽光照射影響，理論估算時按穩態和平均軌道外熱流進行估算。

1)散熱補償方法

散熱補償方法即在東西板上獨立開設散熱面，用熱管將器件與散熱面連接，能量不足時用加熱補償方式進行熱量補償。器件S1熱控措施如圖2所示。

(1)散熱面面積估算。東西板在春分和秋分點壽命末期，吸收太陽能量最大為338 W/m2，最小為0 W。該器件在地影區功耗高達106 W，此時吸收太陽能量為0 W。設計此時散熱面溫度為5 ℃，散熱面粘貼太陽反射鏡(OSR)，此時散熱能力為267.5 W/m2，散熱面面積需要0.4 m2。

(2)補償功耗估算。衛星進入光照區時，器件功率下降到3 W，為保證S1和其他器件溫度，散熱面最低溫度為0 ℃，此時最大散熱能力為193.8 W/m2(考慮外熱流影響，按夏至時刻東西板軌道外熱流平均計算，為55 W/m2)，補償功耗為74.5 W，考慮25%設計余量，最終設計補償功耗為100 W。控溫目標設為12±1 ℃。

2)散熱控制方法

散熱控制方法即在東西板上獨立開設散熱面，用熱管將器件與散熱面連接，其中一個連接端增加一個熱開關，控制熱量傳遞的通斷，不設置加熱補償。器件S1熱控措施如圖3所示。

散熱面面積計算同散熱補償方法，為0.4 m2，設計熱開關高于13 ℃時導通，導通時熱開關熱阻為0.8 ℃/W，斷開時熱開關熱阻為80 ℃/W，開關比為100。

3)蓄熱散熱方法

蓄熱散熱方法即在器件上安裝相變盒，盒內放置相變材料，再用熱管將其連接到東西板獨立散熱面上，最后設置補償加熱。器件S1熱控措施如圖4所示。

(1)散熱面面積估算。散熱量按軌道平均計算，為8.1 5 W，設計散熱面溫度為8 ℃，散熱面粘貼OSR，此時散熱能力為222 W/m2(考慮外熱流影響，按春分時刻東西板軌道外熱流平均計算，為57 W/m2)，散熱面面積為0.04 m2。

(2)相變材料質量估算。相變材料選用石蠟類正十五烷，溶點溫度為9.6 ℃，融化潛熱為168 kJ/kg，液態比熱為3.53 kJ/(kg·K)。器件在地影區放出的最大熱量為422.7 kJ，所需相變材料質量約為2.5 kg。相變盒材料選用鋁合金。控溫目標設設為8～9.5 ℃。

(3)補償功耗估算。當器件無地影區時(冬至和夏至時刻)，器件軌道平均功率為3 W，而散熱面最大散熱能力為10.15 W(東西板平均外熱流夏至時刻比春分時刻少2 W)，所以補償功耗需要7.15 W，考慮25%設計余量，最終設計補償功耗為10 W。

2.3 仿真計算

本文利用IDEAS-TMG軟件，通過去除其他儀器設備和器件，僅保留器件S1，并依據器件S1的熱控措施及傳熱特點，建立如圖5所示的整星有限元模型。衛星南北板粘貼OSR，其他外表面包覆15單元多層隔熱組件。儀器S1與支撐板隔熱安裝，外表面包覆10單元多層隔熱組件，其他熱控措施根據方法的不同進行不同的設置，器件S1熱模型如圖6所示。

對于GEO衛星而言，春分時刻經歷地影區時長達到最長，為72 min，器件S1散熱需求最大。夏至時刻地影區時長為0 min，散熱需求最小，且外熱流最小，此時加熱補償需求達到最大。因此，分別按春分和夏至對3種控溫方法對器件及支撐板的溫度差變化趨勢進行了仿真分析，計算結果如圖7～圖9所示。圖中S1_東表示支撐板+X向的器件S1，S1_西表示支撐板-X向的器件S1。

從圖7～圖9中可以看出，春分時刻，器件與艙板的溫度在光照區都能保持在穩定的范圍內，但進入地影區后，由于器件S1功率的增大，釋放的熱量增多，自身溫度隨之升高，帶動散熱面溫度升高。散熱補償方法能夠保證器件自身最高溫度不超過21.5 ℃，散熱控制方法能夠保證器件自身最高溫度不超過30 ℃，蓄能散熱方法能夠保證器件自身最高溫度不超過25.7 ℃。蓄能散熱方法由于相變材料的導熱率較低，蓄能后熱量沒有完全散出去，導致下一軌在地影區出現S1和散熱面溫度較高現象，散熱面溫度高時散熱能力增強，逐漸將相變材料積蓄的熱量排空，S1和散熱面溫度降低。因此，出現高溫波動現象。散熱面溫度波動的原因在于：由于陽光照射影響，東西板散熱面熱耦合，導致每個軌道周期內會出現2次波動。對于散熱控制方法，由于熱開關自身熱阻的存在，進入陰影區器件功率增大，熱量釋放增強，溫度升高，合理設計熱開關的通斷溫度，從而調節器件的最高溫度，保證器件溫度不會超過規定溫度。熱開關斷開熱阻為80 ℃/W，且器件有3 W的熱量維持，散熱面不需要熱量補償，其溫度受外熱流影響，呈周期性變化。

夏至時刻，由于地影區時長為0 min，S1功率恒定，補償加熱能滿足散熱面散出的熱量，因此，S1的溫度始終能保持穩定，散熱補償方法器件S1溫度控制在11.0～13.0 ℃，散熱面的溫度在-1.4～2.2 ℃；散熱控制方法器件S1溫度控制在11.4～13.0 ℃，散熱面的溫度在-92.7～-31.1 ℃；蓄能散熱方法器件S1溫度控制在9.8 ℃左右，散熱面的溫度在8.0～8.6 ℃。

綜上所述，3種方法都能將器件S1的溫度控制在要求的范圍內，滿足溫度指標要求。

表1為不同時刻3種方法對應的平均補償功耗。從表1中可以看出，夏至時刻，外熱流減小，補償功耗增大，且散熱補償方法所需補償功耗最大。表2為夏至時刻仿真所得平均功耗與理論估算結果的偏差，從表2中明顯地看出3種方法仿真分析結果與理論估算值偏差都在10%以下。

表1 三種方法平均補償功耗Table 1 Average compensation power of the three methods W

表2 仿真與理論估算平均補償功耗偏差Table 2 Deviation of average compensation power between simulation and theoretical estimation

3 分析與討論

本文從補償功耗和質量兩個方面分析此3種方法各自的優缺點，如表3所示。散熱補償方法補償功耗最大，為67.1 W，質量僅為加熱片和溫度傳感器自身的質量，約為0.1 kg。散熱控制方法不需要補償功耗，質量為熱開關的質量，約為0.5 kg。蓄能散熱方法需要加熱補償功耗為6.75 W，質量為相變材料、相變盒以及加熱片質量的總和，約為3 kg。

由此可見，散熱補償和蓄能散熱方法在補償功耗和質量方面各有缺點，功耗和質量成為各自的約束。隨復合相變材料技術的發展，提高相變材料的融化潛熱，可減小熱控系統質量，蓄能散熱將是未來熱控技術中廣泛使用的方法之一。散熱控制方法不僅可降低熱控系統質量，且不消耗任何系統能源，是較為理想的散熱方法。

表3 三種方法優缺點比較Table 3 Comparison of advantages and disadvantages of the three methods

在實際工程中，還應考慮質量、功耗、可靠性、安全性、工藝性等。散熱補償方法通過散熱面和補償加熱的方式進行熱控制，質量小、可靠性高，且安全和工藝簡單，應用較為廣泛，是常用的熱控措施之一。散熱控制方法運用熱開關的特性來實現散熱的目的，一般熱開關可靠性較高，但工藝較為復雜，對安裝的要求也較高，還需要選擇合適類型、合適開關比的熱開關，才能滿足實際工程應用。蓄能散熱方法通過相變材料的蓄能能力實現短時大功率器件的散熱，工程應用時根據需要選擇潛熱大相變溫度合適的相變材料，其可靠性較高，工藝也不復雜，但質量大，且對密封要求高，須防止發生泄漏危險。

4 結束語

本文對GEO通信衛星上某可變大功率器件提出了3種散熱方法，即散熱補償、散熱控制和蓄能散熱。通過理論估算和仿真計算，3種方法均能滿足溫度指標要求，且仿真結果與理論估算偏差在10%以內。同時，本文從補償功耗和質量兩方面分析了3種方法各自的優缺點，散熱補償和蓄能散熱在功耗和質量上有各自的約束，散熱控制不僅可減小熱控系統質量，且不消耗任何系統能源，是較為理想的散熱方法。實際工程應用時應綜合考慮質量、功耗、可靠性、安全性、工藝性等諸多影響因素，合理選擇可變大功率器件的散熱方法。

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(編輯：張小琳)

Study on Methods of Variable High Power Device Heat Dissipation for GEO Communications Satellite

HUANG Yong1LIU Zhengshan2GUO Liang1WEI Wei2

(1 Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China) (2 Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

For variable high power device for GEO communication satellite, three methods of thermal control are presented, including heat dissipation and compensation, heat dissipation and control, and heat storage and dissipation. Meanwhile, according to temperature index of the device, detailed theoretical calculation and simulation are carried out. The results show that the three methods can meet all the requirement of temperature of the device, and the deviation between theoretical and simulation results is less than 10%. In addition, by comparing the advantages and disadvantages of the three methods based on power and weight, the heat dissipation and control method is the ideal method because it can not only reduce the weight of system, but also not the consume of energy. In practical engineering applications, a reasonable method of variable high power device heat dissipation should be selected combing with the considering weight, power consumption, reliability, security, process and many other factors.

GEO；variable power；heat dissipation

2015-11-04；

2017-01-17

黃勇，男，博士，副研究員，從事航天航空光學遙感器熱設計。Email：huang001517@163.com。

V448

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.009