一种航天环路热管辐射器复合热控系统技术方案

本发明专利技术提供了一种航天环路热管辐射器复合热控系统，所述系统包括平板式环路热管蒸发端、陶瓷加热片、辐射板、太阳能电池板、蓄电池、线路、蒸发环路管线、电磁阀和温度传感器，陶瓷加热片贴附于散热元器件上方；平板式环路热管的蒸发端紧贴于陶瓷加热片之上，冷凝端采用冷凝管线经过延伸嵌入辐射板中的结构向外散热，散热后的冷凝液循环回到蒸发端；电磁阀安装于蒸发环路管线上；蓄电池一端与环路热管蒸发端通过线路连通，一端通过线路与太阳能电池板连接；温度传感器安装于散热元器件的外侧。本发明专利技术创新性地将热管辐射器散热系统与太阳能电加热系统复合，可一体化实现零能耗的散热与保温效果。温效果。温效果。

【技术实现步骤摘要】
一种航天环路热管辐射器复合热控系统


[0001]本专利技术属于太阳能和环路热管领域，尤其涉及一种航天环路热管辐射器复合热控装置。

技术介绍

[0002]随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。
[0003]太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1
×
10
18
kW
·
h，为世界年耗总能量的一万多倍。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小(每平方米约一千瓦)，而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。
[0004]热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(GeorgeGrover)专利技术的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
[0005]热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括太空散热领域。
[0006]自二十一世纪以来，太空领域所带来的巨大的经济价值以及军事战略价值极大地促进了世界范围内航天事业的飞速发展，而卫星的热控系统则是保证其组件在正常温度范围内运行的关键。
[0007]近年来，中小型民用及商业航天卫星的发射数量逐年提升，与其适配的散热系统需求日益迫切。在卫星的设计中，做好热分析工作，采用合适的热控制方案，具有举足轻重的作用。作为卫星的工作核心和散热主体，航空航天飞行器上电子设备具有以下特点：1、体积小、重量轻和功耗小；2、能在恶劣的环境条件下工作；3、高效率、高可靠和长寿命。而对于中小型民用及商业航天卫星来说，它的紧凑化和小型化设计理念，致使众多的电子元件集成在越来越小的区域内，从而使热流密度急剧增加，再加上所处的特殊的环境条件，使得电子器件的散热和保温更加困难；同时，我国的民用及商业卫星的发展正处于起步阶段，卫星的热控技术水平相对较低且普遍存在成本高、研制周期长等问题，因此针对民用及商业中小型卫星的热控制问题亟待解决。
[0008]综上，不断推进的国家政策体系以及日益迫切的中小型商业及民用卫星的研制需
求促进了卫星热控产业的蓬勃发展，为我们的项目提供了良好的环境支持。当前国内外主流的卫星热控制的方案及其优缺点如下表所示。
[0009]表1国内外主流卫星热控制方案
[0010][0011]本团队以传统的LHP技术为基础，结合MEMS百叶窗、太阳能电加热技术与泡沫功能材料散热技术，研制出一套热管辐射器散热系统与太阳能电加热系统复合的热控系统。该系统可一体化实现高效率、高抗重力、高传热距离的零能耗散热与保温效果，进而使卫星组件始终保持在额定温度范围内，显著提高其使用寿命与工作效率。同时，为了更好地实现散热效果，本团队对热管与辐射板的内部结构进行优化，在热管内部增添副毛细芯结构并设置引流槽以提升其抽吸回流能力，在辐射板的部分空腔内填充石墨烯泡沫铜材料来增大热管环路管道与辐射器的接触面积，单根热管最终实现了高达400W左右的传热功率，可满足大多数民用与商业航天卫星的散热需求。
[0012]据美国卫星产业协会(SIA)统计数据显示，截止到2018年，商业通信卫星占全球发射卫星总量的22％，仅次于遥感卫星。此外，据《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书(2019)》显示，2018年我国卫星产业总体产值达3016亿元，较2017年增长18.3％，对于卫星散热的需求日益增大。
[0013]中小型卫星的发射量与日剧增，民用与商业卫星占据了中小型卫星的69％，但其相关散热技术仍然十分匮乏，且现有散热方案大多成本高昂、寿命较短，变革大型卫星的传统散热方式使之适应中小型航天卫星的需求迫在眉睫。而本设计系统散热功率满足大多数中小型卫星的散热需求，使用寿命可达15年，成本仅为20万元左右，而市面上绝大多数散热方案的成本均不低于180万，因此本设计系统在中小型卫星散热领域具有十足的优势和广阔的商业市场前景。

技术实现思路

[0014]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种新式结构的航天环路热管辐射器复合热控系统。该系统主要由热管辐射器散热系统与太阳能电加热系统复合而成。其中，散热系统由镍基毛细芯热管与轻质铝蜂窝复合辐射板经环路管道串联而成；电加热系统则由陶瓷加热片与PET太阳能电池板相连而成。此外，本装置应用stm32f103以实现对整个环节的控制。散热系统与保温系统的密切配合保证了散热部件的正常运行。
[0015]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0016]一种航天环路热管辐射器复合热控系统，所述系统包括平板式环路热管蒸发端1、陶瓷加热片、辐射板、太阳能电池板、蓄电池、线路、蒸发环路管线、电磁阀和温度传感器，陶瓷加热片贴附于散热元器件上方；平板式环路热管的蒸发端紧贴于陶瓷加热片之上，冷凝端采用冷凝管线经过延伸嵌入辐射板中的结构向外散热，散热后的冷凝液循环回到蒸发端；电磁阀安装于蒸发环路管线上；蓄电池一端与环路热管蒸发端通过线路连通，一端通过线路与太阳能电池板连接；温度传感器安装于散热元器件的外侧。
[0017]作为优选，当温度传感器检测的散热元器件温度超过额定温度区间时，电磁阀自动开启，启动环路热管为散热元器件散热，环路热管的蒸发端从元器件表面吸收热量，其内部的液体工质在毛细芯外表面受热蒸发，产生的汽体工质经由蒸汽槽道流入蒸发环路管线，继而进入辐射器中，将热量经热辐射散出到外太空中，蒸汽冷凝后的液体循环回到蒸发端；当温度传感器检测的元器件温度低于额定温度区间时，温度传感器将元器件的温度参数传递给控制器，控制器控制电磁阀关闭，控制蓄电池输出电能，向陶瓷加热片供电，从而使元器件的温度上升。
[0018]作为优选，辐射板位于卫星星体的外侧，其一端由合页固定并可绕该端进行转动；电动推杆一端位于卫星表面，另一端位于辐射板的内侧；太阳能板贴附于辐射板的外侧。
[0019]作为优选，系统检测太阳位置，辐射板在推杆的作用下转动以减小辐射板与太阳光线的夹角，保证辐射板向外部高效散热，从而使元器件的温度降低。
[0020]作为优选，散热元件温度处于额定工作区间且元器件温度高于热管蒸发端时，辐射板所在法线与太阳光之间角度的控制公式：
[0021][0022]该本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天环路热管辐射器复合热控系统，所述系统包括平板式环路热管蒸发端、陶瓷加热片、辐射板、太阳能电池板、蓄电池、线路、蒸发环路管线、电磁阀和温度传感器，陶瓷加热片贴附于散热元器件上方；平板式环路热管的蒸发端紧贴于陶瓷加热片之上，冷凝端采用冷凝管线经过延伸嵌入辐射板中的结构向外散热，散热后的冷凝液循环回到蒸发端；电磁阀安装于蒸发环路管线上；太阳能电池板贴附于辐射板的外侧，并与辐射板之间设置绝热层，蓄电池一端与环路热管蒸发端通过线路连通，一端通过线路与太阳能电池板连接；温度传感器安装于散热元器件的外侧。2.如权利要求1所述的热控系统，其特征在于，当温度传感器检测的散热元器件温度超过额定温度区间时，电磁阀自动开启，启动环路热管为散热元器件散热，环路热管的蒸发端从元器件表面吸收热量，其内部的液体工质在毛细芯外表面受热蒸发，产生的汽体工质经由蒸汽槽道流入蒸发环路管线，继而进入辐射器中，将热量经热辐射散出到外太空中，蒸汽冷凝后的液体循环回到蒸发端；当温度传感器检测的元器件温度低于额定温度区间时，温度传感器将元器件的温度参数传递给控制器，控制器控制电磁阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭春生，宋文哲，杨沛东，宁文婧，许艳锋，李蒸，李言伟，江程，马军，薛于凡，谷潇潇，刘元帅，薛丽红，韩卓晟，逯晓康，刘百川，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：