(1 上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201210)(2 哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱 150001)

航天器上暴露在空間環(huán)境下的活動機構(gòu)部件(如展開、分離、解鎖機構(gòu)等)因其需要實現(xiàn)的重要功能，往往定義為航天器上的關(guān)鍵部件，但其在軌工作時多處于艙外，熱空間環(huán)境變化劇烈，部件本身承受的溫差甚至可達±100 ℃以上。這些艙外關(guān)鍵部件和裝置，通常在這樣嚴酷的空間環(huán)境下難以正常工作。為了適應(yīng)在軌的這種極端熱環(huán)境下的正常工作要求，通常要采取相應(yīng)的熱控措施保證這些機構(gòu)的在軌溫度要求，以提高機構(gòu)產(chǎn)品的可靠性。

從目前來看，對航天器上電子學(xué)儀器熱控設(shè)計的研究很多，基本均采用傳統(tǒng)直接熱控的方法，即在電子學(xué)儀器本體或周圍采用被動或主動熱控設(shè)計，達到其控制要求。而針對機構(gòu)及附屬設(shè)備熱設(shè)計的研究，國內(nèi)外相關(guān)資料較少，且研究重點大都在機械的熱彈變形方面[1-8]，或是通過熱控涂層等簡易控制在一個較寬范圍內(nèi)[9-10]。航天器直接熱控設(shè)計方法簡便、高效，控溫直接，溫度穩(wěn)定性也較好。但對于展開機構(gòu)、解鎖機構(gòu)等運動部件，因其溫度敏感的鉸鏈、軸承、電纜等部位因其功能、可靠性和可測試性的要求，直接在這些部位進行熱控會導(dǎo)致機構(gòu)本身的功能受限，工藝上也有較大困難，甚至不可行。如在展開機構(gòu)上直接實施的熱控產(chǎn)品柔性狀態(tài)會帶來鉤掛的風(fēng)險，張緊狀態(tài)主動加熱帶等熱控產(chǎn)品在地面多次展開試驗過程中，大角度的運動也會帶來疲勞損傷和斷裂的風(fēng)險。此外，測溫元器件布置在運動部件上也會存在損傷的風(fēng)險。再比如，解鎖機構(gòu)火工品表面出于安全性故障規(guī)避的要求，也不能直接進行主動熱控實施處理。受限于這些約束，直接熱控方法在展開機構(gòu)熱設(shè)計中的適用性與通用性就較低，對展開機構(gòu)的活動部位的周圍安全區(qū)域開展新型間接熱控方法的研究就顯得尤為重要。

本文旨在摸索應(yīng)用于航天器艙外機構(gòu)活動部件的新型間接熱控設(shè)計方法，為機構(gòu)產(chǎn)品活動部件的熱控設(shè)計提供一種新的思路。

1 展開與解鎖機構(gòu)間接熱控設(shè)計原理及方法

展開與解鎖機構(gòu)一般可簡單分為固定部分、運動部分和關(guān)節(jié)部分，其中關(guān)節(jié)和運動部分是實現(xiàn)其功能的執(zhí)行部分，因此溫度要求一般較高。關(guān)節(jié)部分一般為彈簧、軸承、鉸鏈等，這些部件的表面由于潤滑、運動等功能要求，不可直接進行熱控包覆和設(shè)置測溫傳感器，直接熱控設(shè)計受限。而運動部分如采用熱控包覆、測溫、加熱等設(shè)計，其工藝上如處于張緊狀態(tài)，將降低測試過程中的可靠性；如工藝上處于柔性松開狀態(tài)，又會帶來鉤掛和干擾對系統(tǒng)造成安全性風(fēng)險。因此，對于展開與解鎖機構(gòu)的運動部分和關(guān)節(jié)需要采用間接熱控設(shè)計的方法。

1.1 設(shè)計原理

間接熱控設(shè)計方法的設(shè)計原則是在滿足溫度控制要求的情況下，確保高可靠性，而且要有良好的工藝性和較高的適應(yīng)性。因此熱設(shè)計時盡量避開展開機構(gòu)的運動部分，而選擇在其安全可靠的非運動部位進行熱控設(shè)計和實施。

如圖1所示，當熱控的目標點為展開機構(gòu)的彈簧、軸承、鉸鏈等活動部件時，這些部件上因其運動功能無法直接進行熱控實施，而如果在機構(gòu)運動部件上進行熱控設(shè)計又容易帶來運動過程中的熱控產(chǎn)品鉤掛和地面測試疲勞的風(fēng)險。因此，選擇在機構(gòu)上固定區(qū)域或相對安全的部位進行熱設(shè)計和熱實施，并在此設(shè)計一個間接控制點，通過展開機構(gòu)各部位間的傳熱關(guān)系計算出間接控制點處與目標點處的溫差，由間接控制點溫度的調(diào)節(jié)間接控制目標區(qū)域的溫度，從而解決展開機構(gòu)的關(guān)節(jié)、活動部位等關(guān)鍵部件熱控問題。

圖1 間接熱控設(shè)計原理圖

1.2 間接熱控設(shè)計方法

間接熱控設(shè)計采用如圖2所示流程。在確定機構(gòu)熱控指標要求后，要仔細分析熱控設(shè)計約束，在其關(guān)注部位是否可以進行相應(yīng)的熱控設(shè)計和實施，如無法直接設(shè)計則要考慮間接熱控設(shè)計的方法。在確定選用間接熱控方式后，首先要分析可設(shè)計的安全部位，然后在該部位進行間接熱控方案設(shè)計，并選擇間接控制點，接著進行傳熱分析確定間接控制點與目標點間的傳熱關(guān)系。按此傳熱關(guān)系就可進行相關(guān)的數(shù)值分析和試驗驗證，最終確定間接控制點與目標點的溫差，并將結(jié)果與指標要求進行比對，如滿足指標要求即可確定最終的實施方案。如果不滿足指標要求，需要重新進行間接方案設(shè)計，并進行分析與驗證直到滿足指標要求。

圖2 間接熱控設(shè)計流程

1.3 間接控制點與目標點的溫差確定方法

間接控制點與目標的的溫差確定是間接熱控設(shè)計的關(guān)鍵。考慮到機構(gòu)部件所處的空間熱環(huán)境，間接控制點與目標點的傳熱關(guān)系只存在輻射、導(dǎo)熱以及運動部件間的接觸熱阻。接觸熱阻由于表面狀態(tài)、裝配預(yù)緊力、熱流量等眾多影響因素，一般采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)或試驗測試結(jié)果。在接觸熱阻直接采用經(jīng)驗值后，根據(jù)傳熱學(xué)原理，目標點與間接控制點間的導(dǎo)熱和輻射傳熱量計算如式(1)、(2)所示。

fcond(ΔT)=K1ΔT

(1)

(TH+TC)ΔT

(2)

式中：σ為波爾茲曼常量，δ為導(dǎo)熱方向的厚度，qcond、qrad為導(dǎo)熱量、輻射熱量，λeq為當量導(dǎo)熱系數(shù)λeq，εeq為當量輻射率，TH、TC為高溫和低溫對象溫度，ΔT為兩端溫差。

(3)

qrad=σεeqT3ΔT=frad(ΔT)=K2ΔT

(4)

qsum=qcond+qrad=fs(ΔT)=(K1+K2)ΔT

(5)

式中：qcond、qrad、qsum為導(dǎo)熱量、輻射熱量和總傳熱量，T為特征常值溫度，TH和TC分別表示高溫和低溫對象，此處指代其中的間接對象和目標對象，ΔT表示兩者溫差，K1和K2定義為相關(guān)恒定比例系數(shù)值，此處可分別表征為導(dǎo)熱熱阻和輻射熱阻的倒數(shù)。

通過理論分析，在一定溫區(qū)范圍下，部件間的溫差與連續(xù)的總傳熱量對應(yīng)存在著線性函數(shù)關(guān)系，再結(jié)合目標點的能量平衡方程式(6)，即可通過計算分析及地面試驗確定在機構(gòu)工作的溫區(qū)內(nèi)間接控溫對象與目標控溫對象的傳熱溫差關(guān)系。

qsi+qpj-qsum=0

(6)

式中：qsi位目標點的吸收外熱流、qpj為目標點的內(nèi)熱源(含主動功耗)。

展開機構(gòu)在軌工作時，熱控可按此溫差來控制間接控制點的相應(yīng)溫度，實現(xiàn)目標對象溫度的間接控制，從而在解決展開機構(gòu)、解鎖機構(gòu)等運動部件關(guān)鍵部位的熱控要求的同時還不會帶來功能上的損失和工藝上的風(fēng)險。

2 間接熱控設(shè)計實例

利用結(jié)構(gòu)部件間傳熱溫差的間接控溫方法旨在為針對有特殊控溫需求的活動機構(gòu)部件熱控設(shè)計提供新思路，使衛(wèi)星機構(gòu)熱控設(shè)計不再依賴于目標對象本體表面，提高熱設(shè)計的可控性、普適性、獨立性，達到預(yù)期可調(diào)的控溫要求和效果。某衛(wèi)星的展開與解鎖機構(gòu)的控溫區(qū)無法進行熱實施，因此熱設(shè)計采用了間接熱控的方法，并針對該間接熱控設(shè)計進行了驗證。

2.1 展開與解鎖機構(gòu)設(shè)計要求與約束

某衛(wèi)星上配置有多套機構(gòu)產(chǎn)品，其中的展開機構(gòu)(含兩組高頻電纜)、鎖緊釋放機構(gòu)均有較高的熱控要求。展開機構(gòu)及其附屬高頻電纜的溫度對機構(gòu)的穩(wěn)定展開影響很大，溫度過高或過低都會導(dǎo)致穩(wěn)定度差或展不開的故障，以至于任務(wù)失敗。這些機構(gòu)產(chǎn)品在綜合考慮到其特性要求及地面測試的可行性提出了表1的要求,并要求熱控方案在滿足溫度要求的同時避免安全性的風(fēng)險和高可靠性的要求。

表1 機構(gòu)產(chǎn)品熱控要求表

2.2 展開機構(gòu)間接熱控設(shè)計

針對展開機構(gòu)及高頻電纜控溫的需求及上述設(shè)計要求以及展開時的運動約束，經(jīng)仿真分析，若采用簡單熱控方案，電纜在軌的溫度將會達到-60 ℃以下，無法滿足任務(wù)要求。如在活動部位直接設(shè)計，熱控產(chǎn)品會導(dǎo)致機構(gòu)驅(qū)動力矩?zé)o法保障，而且熱控產(chǎn)品在運動過程中的可靠性不高,綜合考慮后選用了間接主動熱控設(shè)計的方法。如圖3所示，圖3中折彎區(qū)域為運動部分，即需要保證溫度的目標區(qū)，其余部分為固定區(qū)。

展開機構(gòu)的間接熱控設(shè)計是在機構(gòu)上的高頻電纜的固定端設(shè)計主動加熱帶，同時設(shè)置間接控制點，然后外部包覆多層隔熱組件(不干涉機構(gòu)展開)。而目標區(qū)域的活動部分僅包覆熱控多層。利用間接熱控方法，通過計算與地面試驗確定間接控制點與目標點活動部分的傳熱溫差關(guān)系，然后通過控制間接控制點來間接控制活動部分的溫度。展開機構(gòu)的結(jié)構(gòu)部分均包覆多層隔熱組件，為高頻電纜提供相對穩(wěn)定的溫度邊界。

2.3 鎖緊釋放間接機構(gòu)熱控設(shè)計

解鎖機構(gòu)的溫度指標要求保障火工品的溫度，而且安全性的原因不允許在火工品上直接熱控設(shè)計，因此也采用了間接主動熱控設(shè)計的方法。如圖4所示，在鎖緊裝置支架處設(shè)計一路主動加熱帶間接控制火工品處的目標點溫度，同時外部包覆多層隔熱材料隔離外熱流。圖5為熱實施后的效果圖。

圖4 鎖緊機構(gòu)間接控溫原理圖

圖5 鎖緊機構(gòu)熱裝實施狀態(tài)

考慮到該機構(gòu)鈦合金支架的導(dǎo)熱性以及多層包覆后機構(gòu)整體溫度差異性較小，通過近似計算比較式(1)、(2)結(jié)果的數(shù)量級大小，支架與火工品間的輻射傳熱量遠小于導(dǎo)熱的傳熱量可忽略不計，因此將該機構(gòu)內(nèi)部傳熱的計算可將其視為一個三維非穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題，通過其能量平衡方程和傳熱方程即可得出在穩(wěn)態(tài)條件下支架部分溫度和火工品的傳熱溫差關(guān)系，同時可計算出兩者間的溫差，從而可通過控制支架溫度間接控制火工品溫度。

3 數(shù)值仿真分析與在軌驗證

3.1 展開與解鎖機構(gòu)數(shù)值仿真

根據(jù)間接熱控方法設(shè)計的熱控展開機構(gòu)熱控方案，利用熱分析軟件建立了仿真分析模型進行數(shù)值分析，以驗證該設(shè)計方法的有效性。仿真建模時，星上布局均按照產(chǎn)品的實際狀態(tài)進行建模；電纜固定部分簡化為直線型，電纜折彎部分簡化為規(guī)則圓弧，鎖緊裝置不規(guī)則楔形簡化為表面積大小相等的規(guī)則六面體。

分析工況按照飛行程序設(shè)置，發(fā)射初期展開裝置及鎖緊/釋放裝置均處于鎖定狀態(tài),數(shù)值計算出電纜和鎖緊裝置處于閉環(huán)加熱回路作用下的溫度，圖6為兩個機構(gòu)在穩(wěn)態(tài)工況下的間接控制點與目標點的溫度分布。

展開機構(gòu)的電纜數(shù)值結(jié)果穩(wěn)態(tài)工況表明,由于電纜材料本身導(dǎo)熱性能較差，整體軸向會有較大的溫度梯度，溫度均勻性偏低，電纜折彎處目標點與間接控制點的溫差穩(wěn)定在15～20 ℃。鎖緊裝置閉環(huán)控溫效果相對較好，整體溫度場分布相對均勻，火工品目標點與間接支架處熱敏控制點的溫差穩(wěn)定在4～10 ℃。

圖6 電纜和鎖緊裝置溫度

圖7～圖8為展開機構(gòu)電纜和鎖緊裝置的間接控制點與目標溫度的瞬態(tài)溫度曲線(按任務(wù)飛行6圈)。展開機構(gòu)電纜上、下目標拐角處溫度接近，且達到穩(wěn)定后最高溫度約為6 ℃，最低溫度約為-5 ℃；鎖緊裝置火工品處的最高溫度約為14 ℃，最低溫度約為8 ℃，均滿足設(shè)計指標要求。

圖7 電纜拐彎處溫度分布曲線(目標點和間接控制點)Fig.7 Temperature results of the cable (target temperature and indirect measurement point)

圖8 鎖緊機構(gòu)溫度分布曲線(目標點和間接控制點)Fig.8 Temperature results of locking mechanism (target temperature and indirect measurement point)

3.2 地面溫差測試

為了進一步驗證間接控制點與目標點的溫差關(guān)系，整星熱試驗中在展開機構(gòu)的目標點處設(shè)置了測試溫度傳感器測溫，間接測點(即間接控制點的溫度測量)則由星上熱敏采集并閉環(huán)控溫。圖9試驗結(jié)果顯示：電纜折彎處溫度平衡后目標點與間接控制點溫差穩(wěn)定在15～20 ℃。與之前仿真的溫差結(jié)果比對的一致性良好，從而驗證了在電纜折彎兩側(cè)間接控溫可以滿足目標折彎處0 ℃左右的折彎力矩的溫度要求。同樣解鎖機構(gòu)也采用相應(yīng)的控溫措施，圖10試驗結(jié)果顯示：支架間接控制點與目標點溫差溫度在5～10 ℃。也與仿真的溫差結(jié)果吻合，從而也驗證了通過間接控制支架溫度能夠滿足目標火工品處起爆溫度要求。

熱試驗結(jié)果表明：熱設(shè)計合理有效，滿足熱控指標要求，測試出的溫差可作為在軌控溫目標設(shè)置的依據(jù)。

圖9 熱真空期間電纜溫度對比(目標點和間接控制點)Fig.9 Temperature comparison of high frequency cables during thermal vacuum

圖10 熱真空解鎖機構(gòu)溫度比對(目標點和間接控制點)Fig.10 Temperature comparison of locking mechanism during thermal vacuum

3.3 在軌飛行驗證

按仿真及試驗結(jié)果，展開機構(gòu)的間接控制點溫度設(shè)置為30 ℃，鎖緊釋放機構(gòu)間接控制點溫度設(shè)置為15 ℃，衛(wèi)星入軌運行后，根據(jù)飛行程序，展開機構(gòu)按要求在軌順利展開。圖11所示為在軌飛行時展開時刻前后的展開機構(gòu)高頻電纜溫度控制情況，在軌溫度與試驗及仿真結(jié)果吻合較好。圖12所示為鎖緊釋放機構(gòu)順利解鎖時的間接控制點溫度。衛(wèi)星及各活動機構(gòu)部件在軌遙測溫度數(shù)據(jù)結(jié)果表明：各部件工作溫度范圍均滿足熱控的指標要求，展開及解鎖過程均滿足任務(wù)需求，進而證明了間接熱控方法的正確性及機構(gòu)熱控設(shè)計的有效性與可靠性。

圖11 電纜主動段及在軌展開過程溫度控制情況Fig.11 Thermal control of high frequency cables during active orbit and deployment process

圖12 解鎖機構(gòu)主動段及在軌展開過程溫度控制情況Fig.12 Thermal control of locking mechanism during active orbit and deployment process

4 結(jié)束語

本文針對展開機構(gòu)上關(guān)節(jié)、運動部位直接熱控的功能局限性和安全性問題，設(shè)計了一種間接熱控制的方法。經(jīng)數(shù)值分析及地面試驗，結(jié)果均表明間接熱控方法能滿足機構(gòu)產(chǎn)品熱控指標要求。在軌遙測結(jié)果顯示間接控制能滿足機構(gòu)產(chǎn)品的溫度指標要求，展開機構(gòu)的多次順利展開和釋放也驗證了熱設(shè)計的有效性與可靠性。在本文熱控設(shè)計基礎(chǔ)上，可通過改進熱控多層、加熱帶的包覆工藝以及間接控制點位置優(yōu)化來進一步提高間接控制方法的目標點溫度精度。但需注意的是設(shè)計間接控制點與目標點溫差時，要考慮具體工作的溫區(qū)。本文的熱控設(shè)計思路及方法可為各類衛(wèi)星上展開機構(gòu)或者活動部件的熱控設(shè)計提供參考，使衛(wèi)星機構(gòu)熱控設(shè)計不再依賴于目標對象本體，提高熱設(shè)計的可控性、普適性、獨立性，達到預(yù)期可調(diào)的控溫要求和效果。