劉百麟 周佐新

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

東方紅-3衛(wèi)星平臺（GEO 衛(wèi)星）采用氫鎳蓄電池作為一次能源貯能裝置，安裝于服務(wù)艙南板、北板內(nèi)表面，主要在地影期為衛(wèi)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(wèi)星飛行溫度遙測數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)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(nèi)表面溫度波動是導(dǎo)致蓄電池溫度波動的根本原因，降低其熱控涂層紅外發(fā)射率，可有效減小蓄電池的溫度波動幅度?；谖墨I［3］的研究成果，本文結(jié)合幾種常用熱控涂層，優(yōu)化組合蓄電池艙艙板內(nèi)表面熱控涂層，通過熱分析的方法量化熱控涂層紅外發(fā)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(huán)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(gòu)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(wù)艙的南板、北板內(nèi)表面。當衛(wèi)星處于地影時，蓄電池向星上儀器設(shè)備供電，蓄電池放電時屬放熱反應(yīng)；當衛(wèi)星處于光照時，蓄電池涓流充電以保持充滿狀態(tài)，若涓流過充，電能將主要轉(zhuǎn)化為化學熱能，使電池內(nèi)部溫度驟升［6］。為此，東方紅-3衛(wèi)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(nèi)預(yù)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(shè)計）；③每個蓄電池組件對應(yīng)的安裝面板外表面布設(shè)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(nèi)表面熱控涂層紅外發(fā)射率對蓄電池溫度波動程度的影響時，考慮到衛(wèi)星采用分艙隔熱設(shè)計，因而選取包括蓄電池組件在內(nèi)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(wù)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(wù)艙南隔板，以及相應(yīng)的部分中板、西板，構(gòu)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(wù)艙南板為鋁蜂窩板外，其他結(jié)構(gòu)板均為碳纖維蜂窩板。在南電池艙的內(nèi)表面，除了服務(wù)艙南板噴白漆外，其他結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面均不作表面處理。另外，只有服務(wù)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(wù)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(wèi)星運行在地球靜止軌道，飛行姿態(tài)為對地定向。其軌道參數(shù)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(shù)按1399 W／m2取值。

2．2 熱數(shù)學模型

本文應(yīng)用Navada和Sinda／G 軟件進行建模和數(shù)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(shè)：①服務(wù)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)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(wù)艙南板、推進艙＋Y隔板上儀器影響，不考慮對接錐、490 N 發(fā)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(guī)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(jié)構(gòu)板之間的連接導(dǎo)熱影響，忽略艙板內(nèi)結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的導(dǎo)熱影響；⑥只考慮蜂窩芯沿垂直蒙皮方向的導(dǎo)熱，而不考慮蜂窩芯沿平行蒙皮方向的導(dǎo)熱；⑦衛(wèi)星外表面多層與艙板之間、蓄電池隔熱罩的內(nèi)外表面之間，只考慮輻射換熱，其當量輻射系數(shù)為0．03；⑧星內(nèi)涂層為灰體，其紅外發(fā)射率和紅外吸收率相等。

依據(jù)地球靜止軌道衛(wèi)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(shù)見表1。

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

3 優(yōu)化組合方案

由影響GEO衛(wèi)星蓄電池在軌飛行溫度波動的機理［3］可知：降低電池艙內(nèi)各結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面熱控涂層紅外發(fā)射率，尤其是蓄電池安裝板表面的紅外發(fā)射率，可減少因空間外熱流劇烈變化而引起蓄電池艙內(nèi)結(jié)構(gòu)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(wèi)星服務(wù)艙各艙板熱控涂層設(shè)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(jié)構(gòu)板內(nèi)表面的紅外發(fā)射率，優(yōu)化組合5種方案，詳見表2。

表2 南電池艙艙板內(nèi)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(fā)射率影響分析

4．1 與在軌飛行數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)比較，如圖2所示。結(jié)果表明，兩者溫度波動規(guī)律基本吻合，在冬至一天內(nèi)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(nèi)儀器（發(fā)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 ℃?？紤]到本文僅是艙板內(nèi)表面熱控涂層發(fā)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)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(guī)律是一致的，冬至一天內(nèi)南蓄電池溫度的最小值、最大值以及出現(xiàn)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(guī)律一致的原因在于：3種方案中影響蓄電池溫度波動的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面熱控涂層相同，即服務(wù)艙南板（南蓄電池安裝板）內(nèi)表面均為白漆，西板、對地＋Y板、背地＋Y板內(nèi)表面均為鍍鋁膜。由于這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)板受外熱流光照變化直接引起其內(nèi)表面溫度波動，而其他結(jié)構(gòu)板位于艙內(nèi)，不受外熱流直接影響；因此，當西板、對地＋Y板、背地＋Y板內(nèi)表面熱控涂層由碳蒙皮變?yōu)殄冧X膜時，其內(nèi)表面紅外發(fā)射率由0．85降低到0．10，減小了這3塊結(jié)構(gòu)板對艙內(nèi)其他結(jié)構(gòu)板的輻射換熱影響，從而使其他結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面溫度波動幅度降低。尤其是南蓄電池安裝板（服務(wù)艙南板）的溫度波動幅度降低，導(dǎo)致南蓄電池溫度波動受其安裝結(jié)構(gòu)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(nèi)表面均為高紅外發(fā)射率的碳蒙皮（紅外發(fā)射率為0．85），另外4種方案的西板內(nèi)表面均為低紅外發(fā)射率的鍍鋁膜（紅外發(fā)射率為0．10），冬至時各方案的西板溫度變化規(guī)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(guī)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(nèi)表面紅外發(fā)射率降低，導(dǎo)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(wù)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(wù)艙南板溫度變化規(guī)律，也可證明上述分析結(jié)論。

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

圖5 冬至時服務(wù)艙南板（南蓄電池安裝處）內(nèi)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(wù)艙南板內(nèi)表面由白漆變?yōu)殇X蒙皮（詳見表2）。這一變化使服務(wù)艙南板內(nèi)表面紅外發(fā)射率由0．87 減小到0．10，由上文分析同理可知，服務(wù)艙南板內(nèi)表面紅外發(fā)射率降低，將減小其他結(jié)構(gòu)板對其輻射熱影響，因此服務(wù)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(nèi)所有結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面均貼鍍鋁膜或鋁蒙皮（詳見表2），其內(nèi)表面紅外發(fā)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(yōu)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)板內(nèi)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(guī)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(jié)構(gòu)板內(nèi)表面為高紅外發(fā)射率（0．85）的碳蒙皮，但由于服務(wù)艙南板內(nèi)表面（蓄電池安裝板）為鋁蒙皮（紅外發(fā)射率和紅外吸收率均為0．10），因而有效減少了其他結(jié)構(gòu)板對服務(wù)艙南板的熱輻射影響，由此引起服務(wù)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(yōu)于方案1～方案3。由此可見，蓄電池艙內(nèi)各結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面熱控涂層紅外發(fā)射率對蓄電池溫度波動均有影響，熱控涂層紅外發(fā)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(fā)射率是影響蓄電池溫度波動的主導(dǎo)要素。

由于方案5中蓄電池艙內(nèi)所有結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面均貼低紅外發(fā)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(yōu)勢；因此，方案5是5種組合方案中的最優(yōu)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(jié)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(jié)束語

本文在東方紅-3衛(wèi)星平臺熱設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出5種蓄電池艙艙板內(nèi)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(nèi)表面熱控涂層紅外發(fā)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(fā)現(xiàn)，西板、對地＋Y板和背地＋Y板內(nèi)表面使用低發(fā)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(wù)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(nèi)各結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面熱控涂層紅外發(fā)射率影響蓄電池溫度波動的程度可知：各結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面熱控涂層紅外發(fā)射率對蓄電池溫度波動均有影響，其熱控涂層紅外發(fā)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(fā)射率是決定蓄電池溫度波動幅度的主導(dǎo)因素。

（References）

［1］周亦龍．氫鎳電池控溫技術(shù)的研究［C］／／中國宇航學會首屆學術(shù)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(shù)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(wèi)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(shù)，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(wèi)星H2-Ni蓄電池組的設(shè)計和試驗［J］．電源技術(shù)，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(wèi)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(shù)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(wèi)星氫鎳蓄電池組熱控設(shè)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(shù)，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(wèi)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）