基于高低溫分區熱管網絡的高軌通信衛星散熱能力提升方法

金 迪，韓崇巍，任振岳，邢志芹，王小雅，孟莉莉，趙啟偉

（1.北京空間飛行器總體設計部 空間熱控技術北京市重點實驗室； 2.北京衛星環境工程研究所：北京 100094）

0 引言

高軌通信衛星的散熱面通常選擇在外熱流變化幅度小的南、北表面，相應地，衛星的大多數設備也都安裝在通信艙和服務艙的南、北面板內表面上，通過南、北面板向冷空間輻射散熱[1-5]。隨著通信衛星技術發展，衛星功能日益豐富。鑒于我國通信衛星大多采用平臺化設計，頂層通信需求的復雜化使得衛星有效載荷占據了整星越來越多的功率和重量資源，而有效載荷熱耗增長的同時也限制了平臺分系統的重量和功率資源。以“東方紅四號”通信衛星平臺（下簡稱東四平臺）為例，衛星通信艙熱耗已由初期的2500 W 倍增到5000 W。這對衛星熱控設計提出了更高的要求：在保證衛星儀器設備工作溫度和設計可靠性且不增加分系統重量及功率需求的前提下，提升衛星的散熱能力。傳統的散熱方案已經不能滿足日益增長的散熱需求，于是新型散熱涂層、高低溫分區熱管網絡、南北耦合熱管、可展開式輻射器等技術應運而生。這些技術的發展顯著提高了通信衛星的散熱能力，為高功率、大容量通信衛星技術的發展提供了有力支撐。

本文以高軌通信衛星為背景，提出采用高低溫分區熱管網絡的熱設計方法，有效提升通信艙散熱能力。此外，基于近些年通信衛星研制中的經驗和教訓，歸納出高低溫分區熱管網絡設計中的注意事項。

1 熱管網絡輻射器散熱能力

以我國主流通信衛星平臺（東四平臺和東四增強平臺）為例，其散熱面開設在外熱流較小且穩定的南、北板，散熱面涂層通常選用鈰玻璃鍍銀二次表面鏡（OSR）。發熱設備安裝在南、北板內表面，設備熱耗通過預埋熱管網絡擴散至整個輻射器，最終通過南、北板OSR 排散至冷空間。

為便于設備布局，高軌通信衛星通信艙南、北板通常采用全預埋型熱管網絡的布局[6]，如圖1 所示：均溫熱管預埋在蜂窩板內靠近設備側，將儀器設備局部熱量傳遞到整個輻射器單元；平衡熱管預埋在蜂窩板內遠離設備側，將均溫熱管溫度拉平。

圖1 熱管輻射器布局示意Fig.1 Layout of heat-pipe radiator

大多數高軌通信衛星運行在地球靜止軌道，軌道高度35 786 km，傾角和偏心率為0。（下文分析靜止軌道衛星的南、北板散熱能力，軌道傾角不為0的地球同步軌道衛星的南、北板散熱能力分析詳見文獻[7]，本文不再贅述。）靜止軌道環境熱流可忽略地球紅外輻射與地球反照，衛星南、北板的太陽光最大入射角度出現在冬至和夏至（均為23.5°）。

衛星輻射器散熱能力qout的定義式為

其中，

式(1)～式(3)中：qout為輻射器單位面積散熱能力，W/m2；ε為輻射器外表面發射率，OSR 取為0.79；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)；Tout為輻射器外表面平均溫度，K；qe為輻射器外表面吸收環境熱流，W/m2；qns為通信艙南、北板內表面之間的輻射換熱，W/m2；qsun為輻射器外表面吸收的太陽輻射熱流，W/m2；qinf為輻射器外表面吸收的紅外輻射熱流，W/m2；α為OSR 的太陽吸收比，傳統OSR 在15 年末期的α值通常取為0.285；β為入射太陽光與軌道面的夾角，°；S為太陽常數，均值1367 W/m2（夏至附近遠日點1322 W/m2～冬至附近近日點1414 W/m2）。

qinf主要來源為散熱面可見的艙外部件，譬如太陽電池陣和天線。考慮東四和東四增強平臺的實際構型布局，假設散熱面僅可見太陽電池陣，則qinf=qns≈20 W/m2。

Tout與內表面儀器設備工作溫度相關，

式中：Teq-up為設備工作溫度上限，K；ΔTeq-plate為設備與艙板溫差，大多數設備ΔTeq-plate≤2 K；ΔTplate為艙板內表面至外表面的導熱溫差，K；ΔTcycle為日周期多層漏熱引起的溫度波動，與熱容相關，通常取為3 K；Tmarign為設計余量，通常取為5 K。

ΔTplate與縱向傳熱熱流密度和艙板縱向導熱屬性相關。以東四和東四增強平臺南、北板為例，其鋁蜂窩芯采用LF2Y-0.03-5.0、厚度為25 mm，縱向導熱系數為1.4 W/(m·K)。蜂窩板內的預埋熱管可視為等溫體，因此預埋熱管占位位置內外蒙皮間熱阻小于無熱管位置的。假設均溫熱管、平衡熱管的寬度均為30 mm、高度均為12.5 mm，艙板尺寸為2.36 m（x向）×3.3 m（z向），均溫熱管長2.36 m、沿x方向布置，z向間隔160 mm、共20 根；平衡熱管長3.3 m、沿z向布置，共8 根。則ΔTplate可由式(5)計算，

式中：hplate為蜂窩芯縱向面熱導，W/(m2·K)；Ahp為預埋熱管面積，m2；Ano-hp為無預埋熱管面積，m2；λplate為蜂窩芯縱向導熱系數，W/(m·K)；tplate為蜂窩板厚度，mm。

將式(2)～式(5)代入式(1)，可得到靜止軌道15 年設計壽命通信衛星的南、北板散熱能力為

由式(6)可見：1）散熱能力主要受設備工作溫度上限制約；2）艙板縱向導熱溫差與散熱能力成正比，因此散熱能力需迭代求解。表1 給出15 年設計壽命東四增強平臺靜止軌道通信衛星（南、北板散熱面各7.4 m2）不同設備工作溫度上限對應的散熱能力，可以看到，設備工作溫度上限越高則散熱能力越大。

表1 某地球靜止軌道通信衛星的散熱能力Table 1 Thermal dissipation capacity of a GEO communication satellite

由以上散熱能力分析可得到設計啟示：若將不同溫度上限的設備混合布局，則高溫上限最低的設備將會“鉗制”熱管網絡設計溫度；而將這類設備分區域布局，則可將熱管網絡劃分為高、低溫區，從而提升散熱能力。

2 高低溫分區熱管網絡輻射器設計方法

2.1 設備分區布局設計

將通信艙設備分為2 類：1）工作溫度上限低于60 ℃的，稱為低溫設備，如各類應答機、變頻器、固放、輸入多工器、行波管電源等；2）工作溫度上限不低于65 ℃的，稱為高溫設備，如行波管、輸出多工器、射頻開關等。

根據有效載荷分系統原理框圖，若具備高低溫設備分區布局的條件，則可將高溫和低溫設備各自統一布局在一個區域內，分別稱之為高溫區和低溫區。應注意的是，低溫區可包含高溫設備，但高溫區不可放置低溫設備。

2.2 分區熱管網絡散熱面設計

首先，初步預算高、低溫區散熱面積需求。對高、低溫區的設備最大工作熱耗分別進行統計，記為Qhigh和Qlow，可得到初步散熱面積需求，

式中，qout-low、qout-high分別為高、低溫區單位面積散熱能力，詳見表1。

其次，進行散熱面積核對和設備初步布局調整。在初步確定高低溫分區拓撲圖（圖2）后，進行：1）核對初步布局高、低溫區所占面積與式(7)計算的散熱需求面積是否匹配，若不匹配應調整設備布局，使與之匹配；2）核對艙板可提供散熱面積是否匹配總需求散熱面積A=Alow+Ahigh，若需求面積大于艙板可提供面積，則應調整南、北板設備布局或進行散熱面拓展。

圖2 高低溫分區拓撲圖Fig.2 High-low temperature partition topology diagram

第三，根據高低溫分區拓撲圖進行分區散熱面詳細設計。此時須考慮高、低溫區之間的換熱Qhigh-low，包括結構板的橫向漏熱和艙內不同溫區之間的輻射熱交換，

式中：λplate為艙板面向導熱系數，W/(m·K)；tplate為艙板厚度，m；Lhigh-low為分區交界線長度，m；Thigh和Tlow分別為高溫區和低溫區熱管設計溫度，K；d為高、低溫區交界處熱管間距，m；k為反映輻射熱交換的系數，建議取為1.5。

以東四和東四增強平臺南、北板為例，其tplate為25.6 mm，λplate折合鋁蒙皮應取為3.45 W/(m·K)。需要說明的是，鑒于蜂窩芯導熱各向異性，λplate的取值應考慮蜂窩芯最大熱導方向對應的導熱系數，體現最大面向換熱，如圖3 所示。

圖3 蜂窩芯導熱系數Fig.3 Thermal conductivity of the honeycomb core

2.3 分區熱管網絡布局設計

根據設備布局和散熱面詳細設計的分區邊界，進行分區熱管布局，如圖4 所示。

圖4 高低溫分區熱管網絡布局示意Fig.4 Layout diagram of high-low temperature partition heatpipe network

熱管布局應遵循以下原則：1）分區內均溫熱管間距應控制在150～170 mm，以保證熱管網絡輻射器肋效率；2）根據均溫熱管熱負擔不均衡程度確定平衡熱管數量，數量確定后平衡熱管盡可能均勻分布，以進一步提高輻射器肋效率；3）分區熱管網絡設計需兼顧各分區所需散熱面積，將高、低溫區相鄰均溫熱管間艙板等分，使高、低溫區各占一半散熱面積；4）不同溫區相鄰的熱管相互間應保留足夠的安全間隙， 建議控制在160～200 mm，以盡可能降低高、低溫區之間的傳熱。

2.4 分區熱管網絡散熱能力

以東四增強平臺通信艙為例，其單板本體散熱面積為7.4 m2，低溫和高溫設備總熱耗分別約占整星設備總熱耗的1/3 和2/3。

若采用混合熱管網絡布局，散熱面單位面積散熱能力決定于工作溫度上限50 ℃的設備，根據表1可知單板散熱總能力為1900 W 左右。若采用高低溫分區布局，低溫區設計溫度上限為50 ℃，高溫區設計溫度上限為65 ℃，則根據表1 可知單板散熱總能力為2250 W 左右。

可見，采用高低溫分區設計可使單板散熱能力提升15%～20%。

3 高低溫分區設計的注意事項

基于近些年采用高低溫分區設計的多顆通信衛星的研制經驗和教訓，本文歸納給出高低溫分區熱管網絡設計的經驗與禁忌：

經驗1——采用高低溫分區設計的通信衛星熱管網絡，建議根據熱管所處的溫區對其充裝溫度作出規定，應在規避液塞的前提下，兼顧傳熱能力。

經驗2——盡可能將互為備份的設備布局在同一分區；若無法布局在同一分區，則散熱面計算時應按照各自分區內最惡劣備份情況的最大熱耗來考慮。

經驗3——在進行分區設計時，必須關注射頻電纜、波導等過路部組件在低溫區的熱耗分布[8]；若電纜、波導數量多，還應關注高溫區部位向低溫區部位的熱量傳導。

經驗4——當高、低溫分區間的輻射換熱或波導電纜輻射換熱較大且無法精準評估熱耗時，應考慮保持低溫區艙板和設備表面低發射率狀態或包覆多層，同時在電纜、波導支架與艙板間加裝隔熱墊，以減少電纜或波導向低溫區的熱交換。需要注意的是，采用此類方法的前提是波導、電纜溫度不至于過高。

經驗5——建立熱分析模型時，艙板面向導熱必須考慮蜂窩芯的影響，且蜂窩板導熱系數應按照最大值選取[9]。

經驗6——熱分析模型需細化高、低溫區交界處的艙板熱網格，即加密溫度梯度方向網格。對低溫區散熱面鄰近的艙外部組件，必須詳細建模。

經驗7——低溫區的布局位置應盡量遠離星外部組件，如矢量調節機構、凸出對地面的天線發射器等。若星內外設備布局均不可調整，則在設計初期即應對星外部組件對低溫區的影響進行充分評估。

經驗8——熱試驗時，熱流計布置應兼顧高、低溫區，避免將全部熱流計布置在同一溫區[10-11]。其原因是，當使用紅外燈陣時，熱流計測量值包含燈陣輻出紅外熱流以及部分反射的OSR 紅外熱流，若全部熱流計布置在高溫區，當熱流計測量值與試驗目標值相等時，低溫區實際熱流較目標值偏低，致使低溫區設備試驗值偏低，可能會導致試驗后過度縮減散熱面；反之，若熱流計全部布置在低溫區，可能導致試驗后過度擴張散熱面。

禁忌1——高溫區對應的隔板不得放置溫度上限低的設備。

禁忌2——分區交界處不得采用“飛地”式布局。所謂“飛地”式布局如圖5 所示，高、低溫分區交界處存在“小飛地”或“鋸齒狀”邊界；或毗鄰高溫區的低溫區域邊界長度遠大于毗鄰本溫區邊界長度，此時高溫區對低溫區（圖中陰影處）的影響不容忽略。

圖5 “飛地”式布局示意Fig.5 Undesirable layout of “enclave”

4 設計驗證

近年來，隨著通信衛星轉發器規模不斷增長，已有多顆衛星采用了高低溫分區設計來提高散熱能力，并成功通過了熱試驗及在軌驗證。以民用商業衛星為例：

1）“鑫諾五號”衛星為首顆應用高低溫分區的東四平臺衛星，目前已在軌運行10 年，星上儀器設備溫度滿足設計要求。

2）“中星6E”衛星為首顆應用高低溫分區的東四增強平臺衛星，其通信艙北板散熱能力達2410 W，較混合熱管網絡布局的散熱能力提升400 W，為整星節約10 kg 重量資源，同時在轉移軌道時可減少400 W 的能源需求。目前該型號衛星已完成整星熱平衡試驗，星上儀器設備溫度同樣滿足設計要求。

5 結束語

為適應當前通信衛星日益增長的散熱需求，本文提出應用基于高低溫分區熱管網絡的熱設計方法，可在不增加熱控分系統重量和功率的前提下，將通信衛星的散熱能力提升15%～20%，且已經過衛星在軌或熱平衡試驗驗證，既適用于高功率、大容量通信衛星，又可為其他領域衛星熱設計提供參考。

本文面向型號工程實際，給出高低溫分區熱設計的適用對象和詳細設計方法；特別是結合近些年通信衛星研發的經驗和教訓，歸納給出高低溫分區熱管網絡設計的注意事項，可有效指導工程設計。