可展开辐射器设计的普遍原则是节约质量和高散热性能。对于中小型卫星,辐射器的质量要求很轻,提高制造和粘合辐射板的技术,使辐射板的肋片具有轻质可控的特点,而且航天器需要火箭的运送才能进入轨道,因此应尽可能减轻热控系统的重量,典型热控系统重量不超过航天器本身的3%~5%[2]。为了解决航天器内高功率器件的热控技术问题,就要提高辐射器的散热性能,俄罗斯从研制的新型高性能可展开辐射器,将辐射器功率提高到了1500w,已经成功应用于通信卫星及大功率军用卫星上[3]。论文网
可展开辐射器的研究存在着许多的难题,一方面由于航天器功耗快速增加,从几千瓦到数百兆瓦,给辐射器散热性能带来了很大的挑战;另一方面是近年空间碎片的激增,航天器的辐射器系统遭遇碎片和微流星撞击的概率大大增加,对于存在流体管路的辐射器,必须做好管路防护设计[4];第三方面是现代航天器均携带高精度仪器设备,必须进行高精度温度控制。
环路热管(LHP)是一种两相的高效传热装置,它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行,利用工质的蒸发和冷凝传递热量,能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量。由于其具有承受热流密度较高、可控温、反重力工作能力强等特点,在90年代以后得到了快速发展,并开始在航天器中应用[5]。
基于LHP的可展开式辐射器,其热源是蒸发器,进行热量收集;蒸汽输送管道是热量传输部分,将收集的热量传给辐射板;辐射板作为热量辐射部分,将热量传递给太空;另外还包括了展开机构、锁紧机构等部分。因其优良的性能,已经成为了多数可展开辐射器上的热量传输元件。
1.2 国内外研究现状
1.3 LHP可展开辐射器发展实例
环路热管可展开辐射器是当今空间辐射器发展的一个重要发展方向,其密度小、可靠性及散热效率高,寿命长(10~15年)具有抗击空间碎片和微流星的能力,因而是长期载人航天探测器采用的辐射器的主要发展方向。可展开辐射器大致分为大型一体式和分装式,单板散热能力一般为500~2000W,可布置多个辐射面板[10]。
美国Swaes 设计了功率为1250W可展开辐射器[11],该辐射器如图1.7所示,辐射板面积1.14*3.18m,厚19mm,双面黏贴太阳光学辐射片,将带翅片铝管串联起来构成LHP的冷凝器,预埋于蜂窝板的内表面,一侧各布置两组,两侧冷凝管相互错开。
图1.7 Swaes可展开辐射器[11]
俄罗斯Lovochkin Association公司研制的1500W可展开辐射器[12],该辐射器如图1.8所示,LHP为传热元件,蒸发器和储液器间装有副芯。安装板内预埋热管作为热量收集装置。将并联冷凝管预埋入蜂窝板蒸发器和储液器间装有副芯。冷凝管上布置一些电加热器,必要时进行补偿加热,以防冻结。
Lovochkin Asscociation研制的1500W可展开辐射器[12]
法国Stentor 可展开辐射器[13],如图1.9所示,该辐射器的LHP,蒸发器内采用孔径为2.2 微米的镍毛细芯,蒸发器何处液器之间有副芯。冷凝器连接在在辐射板的外表面,辐射板采用间接冷凝式,内预埋热管。工质为氨,可提供2m 的反重力高度。文献综述
Stenter可展开辐射器[13]
日本工程试验卫星ETS-VIII[14],如图1.10所示,通过在辐射器表面添加石墨涂层,能较大地提高其辐射能力。辐射器热管采用铝材,工质为氨,面板为铝蜂窝板结构,并在辐射表面添加石墨涂层,增加辐射器的辐射能力。