劉百麟 董藝 魏巍

（1中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

（2北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計探討

劉百麟1董藝2魏巍1

（1中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

（2北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

針對衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)和熱控分系統(tǒng)的設(shè)計需求，挖掘二者設(shè)計的結(jié)合點(diǎn)與耦合性，基于大系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計思想，突破現(xiàn)有“學(xué)科孤島”式設(shè)計模式，探討衛(wèi)星平臺的機(jī)熱一體化設(shè)計。通過綜合分析國內(nèi)外集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展、應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，表明這些技術(shù)措施能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)與熱控協(xié)同設(shè)計、融合效應(yīng)最大化的優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計的可行技術(shù)途徑，其應(yīng)用可顯著提高衛(wèi)星平臺的承載與散熱能力，有效降低衛(wèi)星平臺設(shè)計費(fèi)效比，提升衛(wèi)星平臺的性能指標(biāo)。

衛(wèi)星平臺；機(jī)熱一體化；被動傳熱；主動傳熱；高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料

1 引言

衛(wèi)星設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多個學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，包括有效載荷、控制、推進(jìn)、電源、測控、綜合電子（或數(shù)管）、結(jié)構(gòu)、熱控等多個分系統(tǒng)，需要多個領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)目標(biāo)，屬于典型的耦合關(guān)系復(fù)雜的多學(xué)科設(shè)計范疇。隨著衛(wèi)星任務(wù)需求的日益復(fù)雜化，工程系統(tǒng)集成設(shè)計程度越來越高，分系統(tǒng)之間的相互耦合也日益明顯，傳統(tǒng)的單學(xué)科設(shè)計優(yōu)化無法滿足系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計的要求，單學(xué)科設(shè)計最優(yōu)結(jié)果的組合無法構(gòu)成整體最優(yōu)解，急須挖掘?qū)W科間相互耦合、融會作用最優(yōu)化的技術(shù)途徑，因此傳統(tǒng)的設(shè)計思路與方法面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［12］。如何充分利用各學(xué)科間相互作用產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計，是工程設(shè)計長期以來關(guān)注的焦點(diǎn)。20世紀(jì)90年代初，由此催生出適用于復(fù)雜系統(tǒng)工程設(shè)計的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）［3］，是一種通過充分探索和利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)及其分系統(tǒng)的方法，為解決衛(wèi)星各分系統(tǒng)的耦合性對整體系統(tǒng)性能影響提供一種有效手段。

隨著多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)在工程設(shè)計上應(yīng)用需求的日益迫切，國內(nèi)外針對MDO技術(shù)進(jìn)行了大量研究、探索與實(shí)踐。文獻(xiàn)［4－6］中較全面地綜述了國內(nèi)外MDO的研究情況，表明應(yīng)用在衛(wèi)星設(shè)計領(lǐng)域的MDO技術(shù)還處于理論思路與方法的探討、環(huán)境與工具的開發(fā)、概念設(shè)計等初級階段。MDO技術(shù)在衛(wèi)星系統(tǒng)級設(shè)計方面，主要集中于低地球軌道（LEO）中小型衛(wèi)星總體概念設(shè)計階段的總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、建?；蚬ぞ唛_發(fā)［79］，缺少與全生命周期設(shè)計的融合。相比衛(wèi)星系統(tǒng)級設(shè)計，MDO技術(shù)在衛(wèi)星光學(xué)遙感部（組）件和單機(jī)級設(shè)計上的應(yīng)用較成熟，如應(yīng)用于天基望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、紅外光學(xué)系統(tǒng)的集光機(jī)熱一體化的耦合分析與優(yōu)化設(shè)計方法［10］，輕型空間相機(jī)的熱補(bǔ)償與精密桁架結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計［11］，以及電子設(shè)備的機(jī)電熱一體化設(shè)計［12－13］。

本文基于衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)與熱控分系統(tǒng)的設(shè)計需求，探討結(jié)構(gòu)與熱控協(xié)同設(shè)計的契合點(diǎn)、技術(shù)手段及優(yōu)勢，介紹了集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)，以及高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料的國內(nèi)外研究基礎(chǔ)、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，著重探討上述技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計的可行性，以突破現(xiàn)有“學(xué)科孤島”式設(shè)計模式，可為衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計提供參考。

2 集傳熱與承載于一體的衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

衛(wèi)星平臺的結(jié)構(gòu)與熱控分系統(tǒng)結(jié)合最為緊密，相輔相成。結(jié)構(gòu)是熱控設(shè)計的基礎(chǔ)，熱控措施基于結(jié)構(gòu)本體得以實(shí)施，結(jié)構(gòu)的熱物特性對熱控是有貢獻(xiàn)的，通過改變衛(wèi)星結(jié)構(gòu)傳熱性能和表面熱物特性參數(shù)（如材料的導(dǎo)熱率、發(fā)射率）實(shí)現(xiàn)溫度控制，因此，在衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)從選材、構(gòu)型等方面考慮熱控設(shè)計需求，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)滿足一定的強(qiáng)度和剛度以實(shí)現(xiàn)承載功能的同時，又要具備良好的傳熱性能，滿足星內(nèi)設(shè)備散熱需求。綜上所述，衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱控設(shè)計存在強(qiáng)耦合，奠定了衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計的基礎(chǔ)，通過集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)平臺機(jī)熱一體化設(shè)計。按傳熱實(shí)現(xiàn)的機(jī)理不同，多功能結(jié)構(gòu)又分為基于被動式傳熱設(shè)計和基于主動式傳熱設(shè)計。

2．1 集被動傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)

在20世紀(jì)90年代初，文獻(xiàn)［14］中就提出了基于分布式熱管傳熱的復(fù)合結(jié)構(gòu)，即在蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的夾芯層內(nèi)預(yù)埋熱管，蜂窩夾芯用于承受力學(xué)載荷，而分布式的熱管用于被動傳熱。目前，衛(wèi)星散熱輻射器普遍采用集傳熱與承載于一體的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種預(yù)埋熱管的方式會破壞蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的完整性，不可避免地削弱蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的抗力學(xué)機(jī)械性能。為了改進(jìn)該結(jié)構(gòu)設(shè)計，文獻(xiàn)［15］中提出一種格柵結(jié)構(gòu)流體通道仿生式傳熱多功能結(jié)構(gòu)，將單根熱管線向傳熱衍變?yōu)閺?qiáng)耦合的熱管網(wǎng)絡(luò)面向傳熱（如圖2所示），將主、副熱管通道與壁板結(jié)構(gòu)結(jié)合構(gòu)成輻射器。當(dāng)輻射器局部區(qū)域過熱時，熱管中流體介質(zhì)會沿通道將熱量帶至其他低溫區(qū)域，顯著提高輻射器的整體傳熱性能。文獻(xiàn)［16］中基于輕質(zhì)點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種新型的集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)，按點(diǎn)陣形式，可分為直柱點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)和金字塔點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。由于點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的上下面板是由若干周期性桿件連接的，桿件間是中空的，因而具有足夠的容納空間，不僅能方便地埋置熱管，也可用于衛(wèi)星電纜鋪設(shè)，易于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星機(jī)電熱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。相對于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，這種點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，能夠綜合衛(wèi)星設(shè)計需求，可根據(jù)熱管的排布規(guī)律及電纜的埋設(shè)要求，對點(diǎn)陣夾層中桿件的分布及幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使熱管的排布及電纜的走向更加合理、靈活，便于維修和管理，同時可提高結(jié)構(gòu)的壽命和可靠性，具有較好的工程設(shè)計適應(yīng)性基礎(chǔ)。

圖2 集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)Fig．2 Multi－functional structure with heat transfer and load carrying

圖3 集傳熱與承載于一體的輕質(zhì)點(diǎn)陣夾層多功能結(jié)構(gòu)Fig．3 Multi－functional structure of light weight lattice sandwich with heat transfer and load carrying

2．2 集主動傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)

隨著甚高功耗級電子器件在衛(wèi)星上的使用，多功能結(jié)構(gòu)的散熱成為首要問題，須要引入強(qiáng)制對流、兩相換熱等高量級熱傳輸技術(shù)手段，由此出現(xiàn)了集主動傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)。相對于預(yù)埋熱管的方式，這種結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量會得到很大幅度的減小，更易進(jìn)行熱傳導(dǎo)或者對流（或相變）換熱等主動熱控方式，具有更高的傳熱性能。文獻(xiàn)［17］中最先提出了多功能熱管夾芯結(jié)構(gòu)，如圖4所示。此結(jié)構(gòu)除具有很強(qiáng)的力學(xué)承載能力，最主要的是具有高效導(dǎo)熱性能。結(jié)構(gòu)芯層由6061個十字開槽鋁蜂窩胞元組成，每個胞元表面及上下面鋁板表面覆蓋了開孔鎳泡沫芯膜，芯膜由液態(tài)工質(zhì)（如去離子水）浸潤，構(gòu)成熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將整個結(jié)構(gòu)抽半真空再密封，組成閉合的兩相對流傳熱回路系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的某部分受熱，引起液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)，蒸氣迅速流動到低溫區(qū)域冷凝，釋放潛熱，冷凝后又通過鎳泡沫芯膜的毛細(xì)力作用回流到蒸發(fā)處，因此整個結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高效的熱傳導(dǎo)性能。

圖4 多功能熱管夾芯結(jié)構(gòu)Fig．4 Multi－functional heat pipe sandwich structure

超輕多孔材料的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動了集主動傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。多孔材料是一類由形成材料本身構(gòu)架的連接固體相和形成孔隙的流體相組成的孔隙材料［18］，按微結(jié)構(gòu)排列規(guī)則［19］可分為泡沫化（開孔泡沫和閉孔泡沫）材料、類桁架點(diǎn)陣材料、金屬絲網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)及蜂窩材料等，見圖5。與傳統(tǒng)材料相比，多孔材料具有輕質(zhì)、多功能、可設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)［20］，其中多功能特性表現(xiàn)為高比強(qiáng)度、高比剛度、高強(qiáng)韌，以及具有散熱、減震、降噪與電磁屏蔽等優(yōu)良特性。文獻(xiàn)［21］中利用高導(dǎo)熱的碳泡沫設(shè)計并制備出復(fù)合材料面板－碳泡沫夾層結(jié)構(gòu)，替代預(yù)埋熱管，提高了夾層結(jié)構(gòu)厚度方向的導(dǎo)熱性能，使得夾層結(jié)構(gòu)既具有高承載性能，又具有良好的傳熱性能。對于多孔金屬材料結(jié)構(gòu)的傳熱性能，除了利用多孔金屬骨架本身的熱傳導(dǎo)，還可以挖掘金屬表面與流體間的強(qiáng)制對流換熱，可大幅提高結(jié)構(gòu)整體的傳熱性能。文獻(xiàn)［19］中綜述了多孔金屬泡沫的主動傳熱研究，表明金屬泡沫的綜合傳熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)所用的微通道。文獻(xiàn)［22－23］在有序多孔金屬傳熱研究中，對單層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)制對流換熱進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)與兩平板間的傳熱性能相比，引入點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層芯可使整體傳熱性能提高6倍。文獻(xiàn)［24］中將鋁泡沫金屬應(yīng)用于電子元器件，以空氣冷卻對流換熱，具有很好的冷卻效果（可達(dá)100W/cm2）。文獻(xiàn)［25］中將鋁泡沫金屬中的空氣冷卻效果與傳統(tǒng)翅片式換熱器進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)鋁泡沫金屬的傳熱效果明顯占優(yōu)。上述關(guān)于多孔金屬材料的主動傳熱研究，均是針對單相對流傳熱特性，表現(xiàn)為多孔金屬結(jié)構(gòu)中的單相流體的湍流或?qū)恿髁鲃訐Q熱，其傳熱系數(shù)明顯低于兩相換熱。多孔金屬材料在兩相換熱方面具有優(yōu)勢，其特有的微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)及表面積，為強(qiáng)化凝結(jié)和沸騰的兩相傳熱提供了很好的基礎(chǔ)，因而將多孔金屬材料應(yīng)用于兩相換熱對改善其傳熱性能具有更大的潛力。

3 高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料助推機(jī)熱一體化

3．1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對材料的需求

為滿足空間環(huán)境的要求，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料必須具備質(zhì)量小、比剛度高、比強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、熱物理性能優(yōu)良和熱變形小的特點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料因具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)而成為優(yōu)選材料，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)約70%采用高模量聚丙烯腈（PAN）基碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制造［26］，不過，這種復(fù)合材料導(dǎo)熱性能較差，無法達(dá)到散熱輻射器高效散熱的要求，因此散熱輻射器蒙皮使用鋁合金材料。

成熟衛(wèi)星平臺的升級換代及大型衛(wèi)星平臺的開發(fā)，必將伴隨著大功率、高熱流密度的有效載荷（如行波管放大器）劇增，以及星載天線（如SAR天線）、光學(xué)相機(jī)等高發(fā)熱、高精密設(shè)備的不斷研發(fā)，這些特殊載荷對散熱能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高的要求。當(dāng)前衛(wèi)星散熱輻射器多采用預(yù)埋熱管的鋁蒙皮鋁蜂窩芯夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)，存在散熱能力不高、承載能力低、剛度小、質(zhì)量大和熱變形大等缺點(diǎn)，對于星載天線及高精密光學(xué)設(shè)備而言，有必要發(fā)展集機(jī)熱一體的兼具高穩(wěn)定性與高效傳熱性能的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料，這也是滿足未來機(jī)熱一體化設(shè)計需求的多功能復(fù)合材料發(fā)展的一個重要方向。

3．2 高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用

國外以航天應(yīng)用為牽引，較早對高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維、高導(dǎo)熱樹脂基體及其結(jié)構(gòu)成型工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并已成功研制了基于高導(dǎo)熱瀝青基高模量碳纖維樹脂基復(fù)合材料。其中：美國Cytec公司生產(chǎn)的K1100型纖維，其導(dǎo)熱率達(dá)到1100W·m－1·K－1；日本三菱化學(xué)公司生產(chǎn)的K13D型纖維，其導(dǎo)熱率達(dá)到800W·m－1·K－1，且導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能均顯著優(yōu)于現(xiàn)用的PAN基碳纖維。制備集結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能為一體的高模量復(fù)合材料，除高導(dǎo)熱的碳纖維外，還要用樹脂基體等材料進(jìn)行復(fù)合，樹脂基體的導(dǎo)熱性能普遍偏低，因此碳纖維復(fù)合材料的力、熱性能均要低于碳纖維本身，幾種碳纖維、碳纖維復(fù)合材料、高導(dǎo)熱金屬的力、熱性能對照見表1。

由表1可見，K1100瀝青基碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沿纖維面向?qū)崧矢哌_(dá)490W·m－1·K－1，是純碳纖維導(dǎo)熱率的48%，高于銅、鋁合金的導(dǎo)熱性能，約是鋁合金（Al 2024）導(dǎo)熱率的4倍，密度卻僅約為銅的20%，鋁合金的64%。碳纖維及復(fù)合材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于金屬，熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)低于金屬，作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板蒙皮材料完全可以取代鋁合金。目前，國外采用的高導(dǎo)熱瀝青基樹脂復(fù)合材料導(dǎo)熱率為200～483W·m－1·K－1，因其具有的導(dǎo)熱率高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量小和力學(xué)性能優(yōu)等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于衛(wèi)星散熱輻射器、光學(xué)設(shè)備、天線等的機(jī)熱一體化設(shè)計。例如：2007年，日本發(fā)射的工程試驗(yàn)衛(wèi)星－8（ETS－8，即菊花－8衛(wèi)星），采用可展開的對地碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)散熱器；2008年，德國HPS公司采用高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料制造出Φ1200mm、3．4kg的Q/V頻段天線反射面，實(shí)現(xiàn)了50μm的表面精度；由高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料制成的太陽電池板，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量小、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定與熱均衡設(shè)計，在空間冷熱交變環(huán)境中改善了電池板的熱、電性能。

國內(nèi)已研制出的瀝青基碳纖維導(dǎo)熱性能也達(dá)到了較高水平，約為900W·m－1·K－1［27］，但存在纖維性能不穩(wěn)定、力學(xué)性能差等問題。此外，現(xiàn)有的用于制備復(fù)合材料的導(dǎo)熱樹脂性能普遍偏低，直接影響了瀝青基碳纖維復(fù)合材料的熱、力性能。長期以來，受高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料研制的制約，國內(nèi)衛(wèi)星散熱輻射器采用鋁蒙皮、鋁蜂窩芯夾層面板內(nèi)預(yù)埋熱管的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（見圖1），這種結(jié)構(gòu)面板鋁蒙皮的導(dǎo)熱率為121W·m－1·K－1，若被導(dǎo)熱率為200～500W·m－1·K－1的瀝青基碳纖維復(fù)合材料替代，面板面向?qū)崧士商岣?．5～4．0倍，利于散熱輻射器的等溫化設(shè)計，可顯著提高散熱效率。在獲得相同的散熱效率時，若蒙皮采用高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料，散熱輻射器內(nèi)預(yù)埋平行熱管的間距可擴(kuò)大1．5～4．0倍，大幅減少熱管數(shù)量，使熱控系統(tǒng)顯著減小質(zhì)量（熱管約占熱控系統(tǒng)質(zhì)量的60%以上）。高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料的密度、強(qiáng)度、模量、熱膨脹系數(shù)等指標(biāo)，均明顯優(yōu)于鋁合金，因此間接帶來衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小和穩(wěn)定性提高。

綜上所述，兼具優(yōu)良的力、熱性能的高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用，將是推動衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計的重要引擎，也是衛(wèi)星平臺質(zhì)量減小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與傳熱性能增強(qiáng)的有效途徑之一。

4 結(jié)束語

在衛(wèi)星設(shè)計領(lǐng)域，突破多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計將是未來系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)展的主題之一。衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱控設(shè)計存在強(qiáng)耦合，為集傳熱與承載的機(jī)熱一體化衛(wèi)星平臺設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，我國衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)與熱控設(shè)計耦合仍處于初級技術(shù)狀態(tài)，衛(wèi)星平臺能力擴(kuò)展受到嚴(yán)重限制，尤其是大承載高熱耗的東方紅－4、5（DFH－4、5）大型衛(wèi)星平臺受此制約更為突出。被動式、主動式集傳熱與承載于一體的多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料，正是適應(yīng)衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計需求而發(fā)展的技術(shù)與材料，成為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計的可行、備選的技術(shù)手段，必將助推衛(wèi)星平臺機(jī)熱一體化設(shè)計進(jìn)程，其應(yīng)用將使衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)與熱控之間的協(xié)同設(shè)計效應(yīng)最大化，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)與熱控設(shè)計融合的優(yōu)勢，顯著提高衛(wèi)星平臺的承載能力與散熱能力，有效降低衛(wèi)星平臺設(shè)計的費(fèi)效比，改進(jìn)衛(wèi)星平臺的性能指標(biāo)。

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）

［1］趙勇，劉霞，陳小前，等．衛(wèi)星總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程分析［J］．中國制造業(yè)信息化，2006，35（15）：20－24 Zhao Yong，Liu Xia，Chen Xiaoqian，et al．The analysis on the multidisciplinary design optimization process for satellite system［J］．Manufacturing Information Engineering of China，2006，35（15）：20－24（in Chinese）

［2］王書河，何麟書．飛行器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化概述［J］．宇航學(xué)報，2004，25（6）：697－701 Wang Shuhe，He Linshu．The summarization of multidisciplinary design optimization for flight vehicles［J］．Journal of Astronautics，2004，25（6）：697－701（in Chinese）

［3］AIAA Technical Committee for MDC．On current state art multidisciplinary design optimization，AIAA 91－60531［R］．Washington D．C．：AIAA，1991

［4］唐輝，侯俊杰．多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］．軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2007（10）：3－4 Tang Hui，Hou Junjie．Application of multidisciplinary design optimization in astronautics and aeronautics［J］．Dual Use Technologies ＆Products，2007（10）：3－4（in Chinese）

［5］陳余軍，周志成，曲廣吉．多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)在衛(wèi)星設(shè)計中的應(yīng)用［J］．航天器工程，2013，22（3）：16－24 Chen Yujun，Zhou Zhicheng，Qu Guangji．Application of multidisciplinary design optimization in satellite design［J］．Spacecraft Engineering，2013，22（3）：16－24（in Chinese）

［6］趙伶豐，王海龍，白光明，等．航天器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)綜述［J］．航天器工程，2007，16（5）：104－109 Zhao Lingfeng，Wang Hailong，Bai Guangming，et al．Overview of multidisciplinary design optimization of spacecraft［J］．Spacecraft Engineering，2007，16（5）：104－109（in Chinese）

［7］李明．遙感衛(wèi)星總體參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計方法研究［D］．北京：中國空間技術(shù)研究院，1996 Li Ming．Study on the method of satellite system parameters analysis and optimization［D］．Beijing：China Academy of Space Technology，1996（in Chinese）

［8］譚春林，龐寶君，張凌燕，等．對地觀測衛(wèi)星的總體參數(shù)多學(xué)科優(yōu)化［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2008，34（5）：529－532 Tan Chunlin，Pang Baojun，Zhang Lingyan，et al．Multidisciplinary optimization in earth observation satellite main parameters［J］．Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2008，34（5）：529－532（in Chinese）

［9］吳文瑞，黃海，吳蓓蓓．遙感衛(wèi)星總體參數(shù)設(shè)計的建模與協(xié)同優(yōu)化［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012，38（10）：1363－1368 Wu Wenrui，Huang Hai，Wu Beibei．Modeling and collaborative optimization of remote sensing satellite system parameters design［J］．Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2012，38（10）：1363－1368（in Chinese）

［10］胡玉禧，周紹祥，楊建峰，等．紅外系統(tǒng)的光機(jī)熱一體化設(shè)計［J］．紅外技術(shù)，2000，22（2）：32－35 Hu Yuxi，Zhou Shaoxiang，Yang Jianfeng，et al．The optical－mechanical integrated design of a thermal infrared optics［J］．Infrared Technology，2000，22（2）：32－35（in Chinese）

［11］張雷，王棟，金光．輕型空間相機(jī)熱補(bǔ)償與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計研究［C］//中國空間科學(xué)學(xué)會空間機(jī)電與空間光學(xué)專業(yè)委員會－空間材料專業(yè)委員會聯(lián)合學(xué)術(shù)交流會論文集．北京：中國空間科學(xué)學(xué)會，2009：246－250 Zhang Lei，Wang Dong，Jin Guang．Integrated design of athermalization and supporting structure for space camera［C］//Proceedings of Academic Conference of Space Mechatronics and Space Optical Professional Committee－Space Material Professional Committee，China Space Science Society．Beijing：China Space Science Society，2009：246－250（in Chinese）

［12］關(guān)奉偉，劉巨，曹乃亮，等．空間光學(xué)遙感器控制器機(jī)電熱一體化設(shè)計［J］．光學(xué)技術(shù)，2012，38（3）：310－316 Guan Fengwei，Liu Ju，Cao Nailiang，et al．Structural/electrical/thermal integrated design of electric controller for space optical remote sensor［J］．Optical Technique，2012，38（3）：310－316（in Chinese）

［13］馮剛英．電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用［J］．電訊技術(shù)，2012，52（3）：379－383 Feng Gangying．Multidisciplinary design optimization and its application in electronic equipment［J］．Telecommunication Engineering，2012，52（3）：379－383（in Chinese）

［14］G T David，Curran，T Tung．Weight optimization for honeycomb radiators with embedded heat pipes［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，1996，33（6）：822－828

［15］Williams A D，Underwood R L，Arritt B J．Biologically inspired multifunctional composite panel with integrated thermal control［C］//Proceedings of the 51st AIAA Structures，Structural Dynamics and Materials Conference．Washington D．C．：AIAA，2010：1－11

［16］趙望安．復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)熱載荷下的熱力性能分析與優(yōu)化［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010 Zhao Wang’an．The analysis and optimization of the thermo－mechanical properties for composite lattice structure［D］．Harbin：Harbin Institute of Technology，2010（in Chinese）

［17］T Douglas，Queheillalt．A multifunctional heat pipe sandwich panel structure［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51（3）：312－326

［18］劉培生．多孔材料引論［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004 Liu Peisheng．Introduction to porous materials［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2004（in Chinese）

［19］盧天健，何德坪，陳常青，等．超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用［J］．力學(xué)進(jìn)展，2006，36（4）：517－535 Lu Tianjian，He Deping，Chen Changqing，et al．Themulti－functionality of ultra－light porous metals and their applications［J］．Advances in Mechanics，2006，36（4）：517－535（in Chinese）

［20］盧天健，劉濤，鄧子辰．多孔金屬材料多功能化設(shè)計的若干進(jìn)展［J］．力學(xué)與實(shí)踐，2008，30（1）：1－9 Lu Tianjian，Liu Tao，Deng Zichen．Multifunctional design of cellular metals：a review［J］．Mechanics in Engineering，2008，30（1）：1－9（in Chinese）

［21］Sihn S，Ganguli S，Anderson D P，et al．Enhancement of through thickness thermal conductivity of sandwich construction using carbon foam［J］．Composites Science and Technology，2012，72（7）：767－773

［22］T Kim，H P Hodson，T J Lu．Fluid－flow and endwall heat－transfer characteristics of an ultralight latticeframe material［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47（6/7）：1129－1140

［23］T Kim，C Y Zhao，T J Lu，et al．Convective heat dissipation with lattice－frame materials［J］．Mechanics of Materials，2004，36（8）：767－780

［24］Lee Y C，Zhang W，Xie H，et al．Cooling of a FCHIP package with 100W/cm2chip［C］//Proceedings of ASME International Electronic Packaging Conference．New York：ASME，1993：419－423

［25］Kim S Y，Paek J W，Kang B H．Flow and heat transfer correlations for porous fin in a plate－fin heat exchanger［J］．Journal of Heat Transfer－Transactions of the ASME，2000，122（3）：572－578

［26］宮頊，嚴(yán)利娟，董藝，等．淺析影響高模量碳纖維/樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的因素［J］．宇航材料工藝，2011，41（4）：41－44 Gong Xu，Yan Lijuan，Dong Yi，et al．Factors affecting mechanical properties of high modulus carbon fiber with resin matrix［J］．Aerospace Materials ＆Technology，2011，41（4）：41－44（in Chinese）

［27］賀福，楊永崗．超級導(dǎo)熱型瀝青基碳纖維［J］．高科技纖維與應(yīng)用，2003，28（5）：27－31 He Fu，Yang Yonggang．Super thermal conductive mesosphase pitch－based carbon fibers［J］．Hi－Tech Fiber ＆Application，2003，28（5）：27－31（in Chinese）

（編輯：夏光）

Discussion on Mechanical and Thermal Integrated Design of Satellite Platform

LIU Bailin1DONG Yi2WEI Wei1
（1Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2Beijing Spacecrafts，Beijing 100094，China）

According to the requirements of satellite platform structure and thermal control subsystems，this paper investigates the combination points and couplings of the two subsystems．Based on the theory of disciplinary optimization of a large system，this paper breaks through the“isolated island”design mode and discusses the mechanical and thermal integrated design of satellite platform．The paper introduces the investigation，application and development tendency on multi－functional structure of heat transfer and load carrying，and carbon fiber composite materials with high thermal conductivity．These measures can make full use of the advantages of structure and thermal control collaborative design，and can be one of the feasible technological approaches to the mechanical and thermal integrated design of satellite platform．These measures can improve load bearing and heat dissipation，decrease the cost efficiency ratio and improve the performances of the satellite platform．

satellite platform；mechanical and thermal integration；passive heat transfer；active heat transfer；high thermal conductivity carbon fiber composite material

V423．4；TK124

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．005

2015－11－16；

2016－01－28

國家重大航天工程

劉百麟，男，高級工程師，從事通信衛(wèi)星熱總體設(shè)計工作。Email：liubailin501@sina．cn。