朱尚龍，劉 欣，劉小旭，王明哲，王 瑾，賀元軍

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；2.中國載人航天辦公室，北京100720）

1 引言

某上面級搭載一系列載荷作為長征七號運載火箭首飛載荷進行演示驗證飛行，在軌時間約為2天［1］。作為未來載人航天的重要部件多功能返回艙縮比模型搭載了此次飛行任務。Ka頻段相控陣天線（以下簡稱“天線”）是其天基測控系統(tǒng)的重要單機，負責將測量系統(tǒng)的重要參數(shù)通過中繼星傳給地面測控站，具有尺寸小、熱功耗大、工作模式不確定的特點。熱控系統(tǒng)既要滿足天線工作期間的散熱問題，也要解決天線長時間不工作期間的保溫問題。對于工作模式確定的儀器設(shè)備，無論發(fā)熱功率小［2］或大［3］，熱控系統(tǒng)只需要單純考慮保溫問題或者散熱問題，設(shè)備均可通過包覆多層隔熱組件、墊隔熱墊或噴涂高發(fā)射率涂層、增加擴熱板等熱控方法使其溫度滿足溫控要求。而對于天線這種工作模式不確定的單機，若單純采用散熱措施，則可能導致長時間不開機時溫度偏低；若單純采取保溫措施，則可能導致開機過程中溫度偏高。因此，必須尋找一種新的熱控手段滿足其溫控需求。

為解決該問題，本文提出一種采用銅作為蓄熱材料的熱控方案，并針對相控陣天線開機時序的具體特點提出一種適當增加熱控開機的熱控方案對天線進行熱控制。系統(tǒng)方案的實際效果通過全箭熱分析計算、天線熱平衡試驗和實際飛行試驗進行驗證。

2 物理模型

采用周期性或者近似周期性規(guī)律工作模式的大功率電氣設(shè)備，一般采用蓄熱材料進行熱控［4］，其熱控理念在于：在設(shè)備工作期間，利用蓄熱材料的相變潛熱（或顯熱）吸收設(shè)備熱功耗而不至于使設(shè)備溫度過高，在不工作期間，利用蓄熱材料的相變潛熱（或顯熱）儲存的熱量補償設(shè)備的散熱量而不至于使設(shè)備溫度過低，從而適應設(shè)備的散熱量變化。

蓄熱材料既可以利用相變潛熱，也可以利用蓄熱材料的顯熱。其中，相變蓄熱材料的相變潛熱量大，并且在相變蓄熱過程中溫度基本保持不變，在相同質(zhì)量下具有更優(yōu)良的蓄熱性能，廣泛應用于工業(yè)、建筑、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域［5-8］，常用材料包括各種石蠟、鹽類水合物、液態(tài)金屬等，其價格一般較高；而利用顯熱的蓄熱材料一般選取導熱性能良好、比熱容大的材料，常用的材料主要是金屬，其在蓄熱過程中溫度變化，并且相同質(zhì)量下的蓄熱性能不如相變蓄熱材料。但由于相變材料存在液體形態(tài)，力學性能不佳，需要采用金屬材料進行封裝并填充導熱填料增強導熱，在應用時形成一個蓄熱裝置，該裝置在航天器上應用時需要承受嚴酷的力學環(huán)境，需要開展一系列的力學環(huán)境試驗進行驗證，進度及經(jīng)費要求嚴格。而銅作為一種常用結(jié)構(gòu)材料，無上述問題，兼具穩(wěn)定性好，傳熱能力強的優(yōu)點。因此，最終采用選用銅作為蓄熱材料。

常用的采用蓄熱材料進行熱控制的原理如圖1（左）。如圖所示，儀器設(shè)備通過右側(cè)的輻射器進行散熱，在儀器與熱輻射器之間放置蓄熱材料。當儀器工作時，熱量傳給蓄熱材料，利用相變潛熱（或顯熱）儲熱，同時通過輻射器進行散熱。當儀器停止工作時，通過熱輻射器散熱的熱量等于儀器設(shè)備與蓄熱材料的相變潛熱（或顯熱）之和，當后者設(shè)計恰到好處時，儀器設(shè)備的溫度能保持在合理范圍內(nèi)。

圖1 蓄熱材料熱控示意圖Fig．1 Illustration of thermal control with thermal storage material

為定量獲得蓄熱材料的質(zhì)量，假定儀器設(shè)備的熱功耗如圖1（右）所示按照周期性規(guī)律變化，一個周期的時間和設(shè)備開機時間分別為 τ0、τp（單位均為s）。為保證儀器設(shè)備的溫控要求，需儀器設(shè)備一周期內(nèi)的總熱功耗與輻射器輻射散熱量相等，由于相控陣天線所在位置空間外熱流極小，其能量平衡方程近似為式（1）［4］：

其中，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，ε為輻射器的半球發(fā)射率，Tm為設(shè)備的平均溫度，A為輻射器的散熱面積。因此，可以獲得帶相變材料蓄熱所需的輻射器擴熱板面積為式（2）［4］：

為了保證系統(tǒng)正常工作，必須有足夠的蓄熱材料。蓄熱材料的質(zhì)量一方面要保證工作期間設(shè)備的溫度不超過最高溫度，另一方面也需要保證不工作期間設(shè)備溫度不低于要求的最低值。考慮設(shè)備工作期間溫度不超過溫度最高限，若蓄熱材料為相變材料，通常設(shè)計時不考慮相變材料顯熱的儲存和釋放，而僅考慮其熔化潛熱的儲存和釋放，則所需相變材料的質(zhì)量如式（3）［4］：

式中，Mmin為相變材料最小質(zhì)量，單位為kg；γ為相變材料熔化潛熱，單位為J／kg。若蓄熱材料僅利用顯熱進行蓄熱［7］，則所需的質(zhì)量如式（4）：

其中，Cp為材料比熱容，單位為 J／（kg·K）；ΔT為溫度差，單位為K?？紤]設(shè)備不工作期間溫度不低于溫度最低限，若蓄熱材料為相變材料，通常設(shè)計時不考慮相變材料顯熱的儲存和釋放，而僅考慮其熔化潛熱的儲存和釋放，則所需相變材料的質(zhì)量如式（5）：

本文在相變材料（顯熱蓄熱材料）設(shè)計過程中，質(zhì)量取兩者中較大值。

3 天線熱控方案

天線的尺寸約為200 mm×200 mm×200 mm，天線開機時功耗約為250 W。同時，根據(jù)結(jié)構(gòu)提供的約束條件，用于天線散熱的散熱面尺寸約為250 mm×250 mm。根據(jù)使用方要求，天線在軌期間存在的工作時序見表1。

熱控方案顯熱蓄熱材料選擇銅，它具有密度、比熱容較大的優(yōu)點，且具有良好的導熱性能。作為對比，相變材料選擇常用的十六烷，對應的參數(shù)相見參考文獻［4］。 根據(jù)公式（3） ～（6），所需的蓄熱銅和相變材料質(zhì)量分別為38.9 kg和6.1 kg，可以發(fā)現(xiàn)：當具有同樣的蓄熱功能時，相變材料在質(zhì)量上有較大的優(yōu)勢，根據(jù)上文論述之理由，本項目并未采用其作為蓄熱材料。

由于單純考慮銅作為蓄熱材料，其質(zhì)量高達38.9 kg，由于天線安裝在一個圓筒壁面，若結(jié)構(gòu)質(zhì)量過大，將造成結(jié)構(gòu)有較大的偏心，若存在較大偏心，則需要在對稱位置安裝同樣質(zhì)量的配重進行配平。根據(jù)該圓筒結(jié)構(gòu)及其上安裝的儀器設(shè)備的質(zhì)量特性，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提出銅的質(zhì)量不超過10 kg的限制條件，但簡單降低銅的質(zhì)量將導致天線的溫控不滿足要求。

表1 天線工作時序Table 1 Time sequence of antenna working

由于散熱面、發(fā)熱功率等參數(shù)已經(jīng)確定，根據(jù)（4）、（6），銅質(zhì)量由天線的工作時間和不工作時間確定。從表1可以看出：除最后一次外，天線單次工作的時間不超過600 s，而最后一次1100 s，使用方是不作要求的。按照公式（4），銅蓄熱材料的值較固定且小于10 kg；而不工作的時間間隔變化較大，最長的達到了25 800 s，最短的僅為1080 s。銅蓄熱材料質(zhì)量達到38.9 kg是根據(jù)最長關(guān)機時間計算而得到的。但是根據(jù)天線的工作時序，時間間隔較長的次數(shù)并不多，若為滿足這幾次不工作時間而提高銅的質(zhì)量，顯然對于總體方案優(yōu)化不合理。

為綜合解決該問題，有兩種方法可以解決：其一為電加熱，其二增加熱控開機，所謂熱控開機，即通過修改天線的工作時序，在關(guān)機時間很長的時間間隔中增加一次開機，天線只耗功率，不執(zhí)行其他數(shù)傳操作。

該上面級電加熱的方式采用“溫度傳感器＋電加熱片”閉環(huán)控制，溫度控制精度較好。但是，天線與主動熱控控制器分屬兩個不同的艙段，兩者之間的距離約4～5 m，若采用這種方案需要敷設(shè)較長的電纜，質(zhì)量較大且工程實現(xiàn)較麻煩。而采用天線增加熱控開機盡管需要將開機時刻以及時長預先寫進天線的工作時序中，由于天線的開機次數(shù)只能是有限次數(shù)，且一旦寫入不可更改，不能形成閉環(huán)控制，因此，熱控精度不如電加熱。

最終，本文選擇增加熱控開機的方案，用于補償長時間不工作期間銅蓄熱能力不夠的問題。

根據(jù)公式（6），對于一定質(zhì)量為M的顯熱蓄熱材料，其最長的開關(guān)機時間間隔可以通過式（7）計算獲得，具體開機時序見表1，其中，在工作時序中增加了約4次熱控開機，最長的不工作時間間隔為14 799 s。

4 熱控效果驗證

4.1 全箭熱分析計算驗證

為驗證銅蓄熱材料的熱設(shè)計正確性，本文首先開展了全箭熱分析計算，表2為上面級熱分析計算的外熱流極端工況設(shè)置情況。其中，太陽常數(shù)在高溫工況和低溫工況分別取20%的余量。

根據(jù)上述熱控方案開展的熱分析計算，天線的溫度控范圍為 －24℃ ～＋15℃，滿足天線－40℃ ～＋60℃的溫控范圍。圖2、圖3分別為天線所在艙段所有電氣設(shè)備在高溫工況、低溫工況下的溫度變化曲線，其中天線的溫度變化曲線由箭頭指出。

表2 外熱流極端工況Table 2 Extreme case of space heat flow

圖2 高溫工況計算設(shè)備溫度變化曲線Fig．2 Temperature variation of equipment in high heat flow case

圖3 低溫工況設(shè)備溫度曲線Fig．3 Temperature variation of equipment in low heat flow case

4.2 天線熱平衡試驗驗證

對于空間飛行器，一般采用熱平衡試驗對熱設(shè)計的正確性進行驗證［9］，該上面級研制過程中不開展全箭熱平衡試驗，天線的熱控方案存在驗證不充分的風險，為驗證天線熱設(shè)計的正確性，本文設(shè)計了一個天線熱平衡試驗，參試產(chǎn)品包括天線、銅蓄熱材料。該試驗在高真空環(huán)境下（真空度優(yōu)于10－3Pa）進行，試驗中天線通過位于真空艙外的工控機進行程序控制，并在試驗過程中按照箭上工作時序進行工作。圖4為天線熱平衡試驗的原理圖。

圖4 天線熱平衡試驗簡圖Fig．4 Illustration of heat balance experiment of the phase array antenna

由于天線工作時發(fā)射的電磁波功率較強，為防止電磁波對真空艙內(nèi)設(shè)備及電纜產(chǎn)生影響，試驗過程中采取兩種措施進行防護：其一，在天線發(fā)射方向設(shè)置具有吸波能力的吸波罩；其二為天線采用掃波的工作模式。

天線安裝在艙體表面，天線陣面所在的表面朝向空間，受空間外熱流影響且有很大的電磁輻射，試驗過程中采用具有溫度可控的吸波罩模擬外熱流；其余部分位于艙體內(nèi)部，主要受上面級自身紅外輻射的熱影響，試驗過程中采用一個溫度可控的銅制熱防護罩進行模擬。

天線熱平衡試驗包括低溫工況、高溫工況2個試驗工況，設(shè)置如表3。其中，空間外熱流是根據(jù)天線在上面級上安裝位置計算獲得，熱防護罩溫度是通過提取天線所在艙段的各節(jié)點溫度的平均值并取一定余量而獲得的。

表3 試驗工況設(shè)置Table 3 Settings of experiment

低溫工況下相控陣天線不同位置的溫度變化曲線如圖5。從結(jié)果可以看出：相控陣天線溫度變化范圍為－8.3℃ ～24.6℃。

圖5 熱平衡試驗低溫工況天線溫度變化曲線Fig．5 Variation of antenna temperature in low heat flow thermal balance experiment

熱防護罩溫度模擬與試驗方案要求相差很小，而相控陣天線空間外熱流則與要求相差較大，因此需要修正低溫工況相控陣天線的溫度值。試驗的平均外熱流為78.9 W／m2。為簡化起見，不考慮相控陣天線與內(nèi)部換熱，考慮相控陣天線達到平衡狀態(tài)時，滿足式（8）所示關(guān)系：

其中，Qin為天線小功率熱功耗，21.8 W；Qout為低溫工況外熱流，15.9 W／m2。計算可得天線平衡溫度為－12.6℃。滿足天線溫控要求。

高溫工況下相控陣天線不同位置的溫度變化曲線如圖6。試驗過程中，天線外熱流設(shè)置的兩個熱流計的平均外熱流測量結(jié)果為179.3 W／m2、185.8 W／m2，略嚴酷于試驗要求；此外，箭體溫度也大于0℃。從結(jié)果可以看出，天線溫度變化范圍為11.5℃ ～42.8℃，滿足溫控要求。

圖6 熱平衡試驗高溫工況天線溫度變化曲線Fig．6 Variation of antenna temperature in high heat flow thermal balance experiment

4.3 飛行遙測數(shù)據(jù)

天線遙測數(shù)據(jù)曲線如圖7，從遙測結(jié)果可以看出：相控陣天線的溫度范圍為2.9℃ ～20.8℃，滿足天線－40℃ ～＋60℃的溫控范圍。某上面級的發(fā)射窗口接近夏至日，空間外熱流接近低溫工況，與圖5所示低溫工況數(shù)值計算結(jié)果接近，證明了熱設(shè)計和熱分析計算的正確性。

圖7 天線遙測溫度變化曲線Fig．7 Variation of telemetered temperature in phase array antenna

5 結(jié)論

本文針對一個具有尺寸小、熱功耗大、工作模式不確定的相控陣天線的熱控需求（工作期間的大功率散熱以及長時間不工作期間的保溫），通過開展理論分析，得到需要采用蓄熱材料結(jié)合增加熱控開機的熱控方案。通過綜合對比相變材料和顯熱蓄熱材料并綜合上面級實際情況，提出采用銅作為蓄熱材料，并通過理論方法確定了作為蓄熱材料的銅的所需質(zhì)量。后續(xù)熱分析計算、天線熱平衡試驗以及飛行遙測數(shù)據(jù)均證實了該熱控方案設(shè)計的正確性，得到了以下結(jié)論：

1）為滿足天線的熱控需求，采用銅或者相變材料作為蓄熱材料的質(zhì)量需求分別為38.9 kg和6.1 kg，相變材料的性能更具有優(yōu)勢，由于相變材料存在液體形態(tài)，力學性能不佳，需要采用金屬材料進行封裝并采用填充導熱增強導熱，需要開展一系列的力學環(huán)境試驗驗證結(jié)構(gòu)可靠性，與銅在進度和經(jīng)費消耗存在一定差距。因此，天線最終采用選用銅作為蓄熱材料。

2）為避免銅質(zhì)量過大而帶來的質(zhì)量偏心，需要將銅的質(zhì)量控制在一定范圍內(nèi)。這就需要在在長時間不開機狀態(tài)下補充能量，通過分析對比，確定了采用增加熱控開機的方案。在進行相控陣天線時序中增加熱控開機的設(shè)置方面，應該盡量保證其平均熱功耗的在一定范圍內(nèi)。

3）由于這種方案熱控效果與天線開機時序相關(guān)，且一經(jīng)確定不可更改，若驗證不充分，可能導致任務失敗。為確保設(shè)計的正確性，本文開展了全箭熱分析計算和熱平衡試驗兩種方法進行驗證，最終的飛行試驗結(jié)果也證明了設(shè)計的正確性。

參考文獻（References）

［1］ 怡園.遠征一號甲——升級版太空擺渡車［J］.太空探索，2016（7）：16.Yi Yuan.Yuanzheng 1A： Advanced space shuttle bus［J］.Space Exploration， 2016（7）： 16.（in Chinese）

［2］ 麻慧濤，鐘奇，范含林，等.微型衛(wèi)星熱控制技術(shù)研究［J］.航天器工程，2006，15（2）：6-13.Ma Huitao， Zhong Qi， Fan Hanlin， et al.Study on the thermal control technology of micro satellites［J］.Spacecraft engineering， 2006， 15（2）： 6-13.（in Chinese）

［3］ 于峰，徐娜娜，趙宇，等.“高分四號”衛(wèi)星相機熱控系統(tǒng)設(shè)計及驗證［J］.航天返回與遙感，2016，37（4）：72-79.Yu Feng， Xu Nana， Zhao Yu， et al.Design and examination of Gaofen IV satellite camera thermal control system［J］.Return and Remote of Space， 2016， 37（4）：72-79.（in Chinese）

［4］ 侯增祺，胡金剛.航天器熱控制技術(shù)——原理及其應用［M］.北京：中國科學技術(shù)出版社，2007：179-181.Hou Zengqi，Hu Jingang.Spacecraft Thermal Control Technology： Principle and its Application［M］.Beijing： China Science Technology Press， 2007： 179-181.（in Chinese）

［5］ 宋婧，曾令可，稅安澤，等.復合蓄熱材料的研制與應用［J］.硅酸鹽通報，2007，26（1）：173-176.Song Jing， Zeng Lingke， Shui Anze， et.al.Research and application of composite thermal storage material［J］.Silicate Bulletin， 2007， 26（1）： 173-176.（in Chinese）

［6］ 葉宏，趙曉，程丹鵬，等.管殼式相變換熱器貯熱換熱效果的數(shù)值研究［J］.太陽能學報，2008，29（12）：1499-1503.Ye Hong， Zhao Xiao， Cheng Danpeng， et.al.Numerical research of tube-shell phase change thermal storage result［ J］.Journal of Solar Energy， 2008， 29（12）： 1499-1503.（in Chinese）

［7］ 王永川，陳光明，洪峰，等.組合相變儲熱材料應用于太陽能供暖系統(tǒng)［J］. 熱力發(fā)電，2004，33（2）：7-9.Wang Yongchuan， Chen Guangming， Hong Feng， et.al.Application in solar heating system using composite thermal storage material［J］.Thermodynamic Electricity， 2004， 33（2）：7-9.（in Chinese）

［8］ 張仁元.相變材料與相變儲能技術(shù)［M］.北京：科學出版社，2009：1-3.Zhang Renyuan.Phase Change Material and Phase Change Thermal Storage Technology［M］.Beijing： Science Press，2009： 1-3.（in Chinese）

［9］ 黃本誠.空間環(huán)境工程學［M］.北京：中國宇航出版社，1993：15-27.Huang Bencheng.Space Environment Engineering［M］.Beijing： China Aerospace Press， 1993：15-27.（in Chinese）