基于高低温分区热管网络的高轨通信卫星散热能力提升方法

金 迪，韩崇巍，任振岳，邢志芹，王小雅，孟莉莉，赵啟伟

（1.北京空间飞行器总体设计部 空间热控技术北京市重点实验室； 2.北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

高轨通信卫星的散热面通常选择在外热流变化幅度小的南、北表面，相应地，卫星的大多数设备也都安装在通信舱和服务舱的南、北面板内表面上，通过南、北面板向冷空间辐射散热[1-5]。随着通信卫星技术发展，卫星功能日益丰富。鉴于我国通信卫星大多采用平台化设计，顶层通信需求的复杂化使得卫星有效载荷占据了整星越来越多的功率和重量资源，而有效载荷热耗增长的同时也限制了平台分系统的重量和功率资源。以“东方红四号”通信卫星平台（下简称东四平台）为例，卫星通信舱热耗已由初期的2500 W 倍增到5000 W。这对卫星热控设计提出了更高的要求：在保证卫星仪器设备工作温度和设计可靠性且不增加分系统重量及功率需求的前提下，提升卫星的散热能力。传统的散热方案已经不能满足日益增长的散热需求，于是新型散热涂层、高低温分区热管网络、南北耦合热管、可展开式辐射器等技术应运而生。这些技术的发展显著提高了通信卫星的散热能力，为高功率、大容量通信卫星技术的发展提供了有力支撑。

本文以高轨通信卫星为背景，提出采用高低温分区热管网络的热设计方法，有效提升通信舱散热能力。此外，基于近些年通信卫星研制中的经验和教训，归纳出高低温分区热管网络设计中的注意事项。

1 热管网络辐射器散热能力

以我国主流通信卫星平台（东四平台和东四增强平台）为例，其散热面开设在外热流较小且稳定的南、北板，散热面涂层通常选用铈玻璃镀银二次表面镜（OSR）。发热设备安装在南、北板内表面，设备热耗通过预埋热管网络扩散至整个辐射器，最终通过南、北板OSR 排散至冷空间。

为便于设备布局，高轨通信卫星通信舱南、北板通常采用全预埋型热管网络的布局[6]，如图1 所示：均温热管预埋在蜂窝板内靠近设备侧，将仪器设备局部热量传递到整个辐射器单元；平衡热管预埋在蜂窝板内远离设备侧，将均温热管温度拉平。

图1 热管辐射器布局示意Fig.1 Layout of heat-pipe radiator

大多数高轨通信卫星运行在地球静止轨道，轨道高度35 786 km，倾角和偏心率为0。（下文分析静止轨道卫星的南、北板散热能力，轨道倾角不为0的地球同步轨道卫星的南、北板散热能力分析详见文献[7]，本文不再赘述。）静止轨道环境热流可忽略地球红外辐射与地球反照，卫星南、北板的太阳光最大入射角度出现在冬至和夏至（均为23.5°）。

卫星辐射器散热能力qout的定义式为

其中，

式(1)～式(3)中：qout为辐射器单位面积散热能力，W/m2；ε为辐射器外表面发射率，OSR 取为0.79；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)；Tout为辐射器外表面平均温度，K；qe为辐射器外表面吸收环境热流，W/m2；qns为通信舱南、北板内表面之间的辐射换热，W/m2；qsun为辐射器外表面吸收的太阳辐射热流，W/m2；qinf为辐射器外表面吸收的红外辐射热流，W/m2；α为OSR 的太阳吸收比，传统OSR 在15 年末期的α值通常取为0.285；β为入射太阳光与轨道面的夹角，°；S为太阳常数，均值1367 W/m2（夏至附近远日点1322 W/m2～冬至附近近日点1414 W/m2）。

qinf主要来源为散热面可见的舱外部件，譬如太阳电池阵和天线。考虑东四和东四增强平台的实际构型布局，假设散热面仅可见太阳电池阵，则qinf=qns≈20 W/m2。

Tout与内表面仪器设备工作温度相关，

式中：Teq-up为设备工作温度上限，K；ΔTeq-plate为设备与舱板温差，大多数设备ΔTeq-plate≤2 K；ΔTplate为舱板内表面至外表面的导热温差，K；ΔTcycle为日周期多层漏热引起的温度波动，与热容相关，通常取为3 K；Tmarign为设计余量，通常取为5 K。

ΔTplate与纵向传热热流密度和舱板纵向导热属性相关。以东四和东四增强平台南、北板为例，其铝蜂窝芯采用LF2Y-0.03-5.0、厚度为25 mm，纵向导热系数为1.4 W/(m·K)。蜂窝板内的预埋热管可视为等温体，因此预埋热管占位位置内外蒙皮间热阻小于无热管位置的。假设均温热管、平衡热管的宽度均为30 mm、高度均为12.5 mm，舱板尺寸为2.36 m（x向）×3.3 m（z向），均温热管长2.36 m、沿x方向布置，z向间隔160 mm、共20 根；平衡热管长3.3 m、沿z向布置，共8 根。则ΔTplate可由式(5)计算，

式中：hplate为蜂窝芯纵向面热导，W/(m2·K)；Ahp为预埋热管面积，m2；Ano-hp为无预埋热管面积，m2；λplate为蜂窝芯纵向导热系数，W/(m·K)；tplate为蜂窝板厚度，mm。

将式(2)～式(5)代入式(1)，可得到静止轨道15 年设计寿命通信卫星的南、北板散热能力为

由式(6)可见：1）散热能力主要受设备工作温度上限制约；2）舱板纵向导热温差与散热能力成正比，因此散热能力需迭代求解。表1 给出15 年设计寿命东四增强平台静止轨道通信卫星（南、北板散热面各7.4 m2）不同设备工作温度上限对应的散热能力，可以看到，设备工作温度上限越高则散热能力越大。

表1 某地球静止轨道通信卫星的散热能力Table 1 Thermal dissipation capacity of a GEO communication satellite

由以上散热能力分析可得到设计启示：若将不同温度上限的设备混合布局，则高温上限最低的设备将会“钳制”热管网络设计温度；而将这类设备分区域布局，则可将热管网络划分为高、低温区，从而提升散热能力。

2 高低温分区热管网络辐射器设计方法

2.1 设备分区布局设计

将通信舱设备分为2 类：1）工作温度上限低于60 ℃的，称为低温设备，如各类应答机、变频器、固放、输入多工器、行波管电源等；2）工作温度上限不低于65 ℃的，称为高温设备，如行波管、输出多工器、射频开关等。

根据有效载荷分系统原理框图，若具备高低温设备分区布局的条件，则可将高温和低温设备各自统一布局在一个区域内，分别称之为高温区和低温区。应注意的是，低温区可包含高温设备，但高温区不可放置低温设备。

2.2 分区热管网络散热面设计

首先，初步预算高、低温区散热面积需求。对高、低温区的设备最大工作热耗分别进行统计，记为Qhigh和Qlow，可得到初步散热面积需求，

式中，qout-low、qout-high分别为高、低温区单位面积散热能力，详见表1。

其次，进行散热面积核对和设备初步布局调整。在初步确定高低温分区拓扑图（图2）后，进行：1）核对初步布局高、低温区所占面积与式(7)计算的散热需求面积是否匹配，若不匹配应调整设备布局，使与之匹配；2）核对舱板可提供散热面积是否匹配总需求散热面积A=Alow+Ahigh，若需求面积大于舱板可提供面积，则应调整南、北板设备布局或进行散热面拓展。

图2 高低温分区拓扑图Fig.2 High-low temperature partition topology diagram

第三，根据高低温分区拓扑图进行分区散热面详细设计。此时须考虑高、低温区之间的换热Qhigh-low，包括结构板的横向漏热和舱内不同温区之间的辐射热交换，

式中：λplate为舱板面向导热系数，W/(m·K)；tplate为舱板厚度，m；Lhigh-low为分区交界线长度，m；Thigh和Tlow分别为高温区和低温区热管设计温度，K；d为高、低温区交界处热管间距，m；k为反映辐射热交换的系数，建议取为1.5。

以东四和东四增强平台南、北板为例，其tplate为25.6 mm，λplate折合铝蒙皮应取为3.45 W/(m·K)。需要说明的是，鉴于蜂窝芯导热各向异性，λplate的取值应考虑蜂窝芯最大热导方向对应的导热系数，体现最大面向换热，如图3 所示。

图3 蜂窝芯导热系数Fig.3 Thermal conductivity of the honeycomb core

2.3 分区热管网络布局设计

根据设备布局和散热面详细设计的分区边界，进行分区热管布局，如图4 所示。

图4 高低温分区热管网络布局示意Fig.4 Layout diagram of high-low temperature partition heatpipe network

热管布局应遵循以下原则：1）分区内均温热管间距应控制在150～170 mm，以保证热管网络辐射器肋效率；2）根据均温热管热负担不均衡程度确定平衡热管数量，数量确定后平衡热管尽可能均匀分布，以进一步提高辐射器肋效率；3）分区热管网络设计需兼顾各分区所需散热面积，将高、低温区相邻均温热管间舱板等分，使高、低温区各占一半散热面积；4）不同温区相邻的热管相互间应保留足够的安全间隙， 建议控制在160～200 mm，以尽可能降低高、低温区之间的传热。

2.4 分区热管网络散热能力

以东四增强平台通信舱为例，其单板本体散热面积为7.4 m2，低温和高温设备总热耗分别约占整星设备总热耗的1/3 和2/3。

若采用混合热管网络布局，散热面单位面积散热能力决定于工作温度上限50 ℃的设备，根据表1可知单板散热总能力为1900 W 左右。若采用高低温分区布局，低温区设计温度上限为50 ℃，高温区设计温度上限为65 ℃，则根据表1 可知单板散热总能力为2250 W 左右。

可见，采用高低温分区设计可使单板散热能力提升15%～20%。

3 高低温分区设计的注意事项

基于近些年采用高低温分区设计的多颗通信卫星的研制经验和教训，本文归纳给出高低温分区热管网络设计的经验与禁忌：

经验1——采用高低温分区设计的通信卫星热管网络，建议根据热管所处的温区对其充装温度作出规定，应在规避液塞的前提下，兼顾传热能力。

经验2——尽可能将互为备份的设备布局在同一分区；若无法布局在同一分区，则散热面计算时应按照各自分区内最恶劣备份情况的最大热耗来考虑。

经验3——在进行分区设计时，必须关注射频电缆、波导等过路部组件在低温区的热耗分布[8]；若电缆、波导数量多，还应关注高温区部位向低温区部位的热量传导。

经验4——当高、低温分区间的辐射换热或波导电缆辐射换热较大且无法精准评估热耗时，应考虑保持低温区舱板和设备表面低发射率状态或包覆多层，同时在电缆、波导支架与舱板间加装隔热垫，以减少电缆或波导向低温区的热交换。需要注意的是，采用此类方法的前提是波导、电缆温度不至于过高。

经验5——建立热分析模型时，舱板面向导热必须考虑蜂窝芯的影响，且蜂窝板导热系数应按照最大值选取[9]。

经验6——热分析模型需细化高、低温区交界处的舱板热网格，即加密温度梯度方向网格。对低温区散热面邻近的舱外部组件，必须详细建模。

经验7——低温区的布局位置应尽量远离星外部组件，如矢量调节机构、凸出对地面的天线发射器等。若星内外设备布局均不可调整，则在设计初期即应对星外部组件对低温区的影响进行充分评估。

经验8——热试验时，热流计布置应兼顾高、低温区，避免将全部热流计布置在同一温区[10-11]。其原因是，当使用红外灯阵时，热流计测量值包含灯阵辐出红外热流以及部分反射的OSR 红外热流，若全部热流计布置在高温区，当热流计测量值与试验目标值相等时，低温区实际热流较目标值偏低，致使低温区设备试验值偏低，可能会导致试验后过度缩减散热面；反之，若热流计全部布置在低温区，可能导致试验后过度扩张散热面。

禁忌1——高温区对应的隔板不得放置温度上限低的设备。

禁忌2——分区交界处不得采用“飞地”式布局。所谓“飞地”式布局如图5 所示，高、低温分区交界处存在“小飞地”或“锯齿状”边界；或毗邻高温区的低温区域边界长度远大于毗邻本温区边界长度，此时高温区对低温区（图中阴影处）的影响不容忽略。

图5 “飞地”式布局示意Fig.5 Undesirable layout of “enclave”

4 设计验证

近年来，随着通信卫星转发器规模不断增长，已有多颗卫星采用了高低温分区设计来提高散热能力，并成功通过了热试验及在轨验证。以民用商业卫星为例：

1）“鑫诺五号”卫星为首颗应用高低温分区的东四平台卫星，目前已在轨运行10 年，星上仪器设备温度满足设计要求。

2）“中星6E”卫星为首颗应用高低温分区的东四增强平台卫星，其通信舱北板散热能力达2410 W，较混合热管网络布局的散热能力提升400 W，为整星节约10 kg 重量资源，同时在转移轨道时可减少400 W 的能源需求。目前该型号卫星已完成整星热平衡试验，星上仪器设备温度同样满足设计要求。

5 结束语

为适应当前通信卫星日益增长的散热需求，本文提出应用基于高低温分区热管网络的热设计方法，可在不增加热控分系统重量和功率的前提下，将通信卫星的散热能力提升15%～20%，且已经过卫星在轨或热平衡试验验证，既适用于高功率、大容量通信卫星，又可为其他领域卫星热设计提供参考。

本文面向型号工程实际，给出高低温分区热设计的适用对象和详细设计方法；特别是结合近些年通信卫星研发的经验和教训，归纳给出高低温分区热管网络设计的注意事项，可有效指导工程设计。