應(yīng)用于IGSO衛(wèi)星的數(shù)字太陽敏感器熱控設(shè)計

李進 盧威 麻慧濤

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

應(yīng)用于IGSO衛(wèi)星的數(shù)字太陽敏感器熱控設(shè)計

李進 盧威 麻慧濤

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

相對于傳統(tǒng)太陽敏感器(熱耗為零)而言，國內(nèi)新研制的數(shù)字太陽敏感器線路板上的芯片具有一定熱耗。為解決其散熱問題，以應(yīng)用于傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星的數(shù)字一體化太陽敏感器為例，提出了較為簡單有效的熱控方案，建立熱物理模型對數(shù)字太陽敏感器進行組件級熱分析，并通過在軌飛行數(shù)據(jù)驗證了設(shè)計的合理性。結(jié)果表明：對于具有一定熱流密度的小尺寸部件而言，在輻射換熱面積增幅較為有限的條件下，有效增大其傳導(dǎo)換熱的熱控方案要明顯優(yōu)于加強輻射換熱的方案；同時要結(jié)合外熱流情況，優(yōu)化選擇散熱面。此方案可較好地滿足印制電路板(PCB)上各芯片結(jié)溫的一級降額溫度指標要求，也可為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

傾斜地球同步軌道衛(wèi)星；數(shù)字太陽敏感器；熱控設(shè)計

1 引言

太陽敏感器(以下簡稱太敏)是一種衛(wèi)星上常用的姿態(tài)敏感器，它主要通過測量太陽矢量與衛(wèi)星某一體軸之間的夾角，來確定太陽在敏感器本體坐標系中的位置，再通過坐標矩陣變換獲得相應(yīng)的姿態(tài)，其工作的可靠性對衛(wèi)星姿態(tài)控制有著極其重要的作用[1-4]。

太敏通常安裝于衛(wèi)星外部，伴隨衛(wèi)星在軌運行過程中，會受到地球反照、太陽直射、紅外輻射等因素的影響，工作溫度會存在較大幅度波動。此外，隨著集成電路技術(shù)的長足發(fā)展，太敏還有小型化、光機電一體化的發(fā)展趨勢，這也在一定程度上提高了熱控設(shè)計的難度。為保證太敏的測量精度，必須針對性地設(shè)計合理的熱控方案才能滿足太敏對溫度范圍的要求[5-6]。

太敏根據(jù)設(shè)計原理的不同，通常可分為模擬太敏、“0-1”太敏、粗太敏、分體式數(shù)字太敏、一體化數(shù)字太敏等幾類。除一體化數(shù)字太敏外，其余產(chǎn)品的內(nèi)部均無熱耗產(chǎn)生。由于熱耗、結(jié)構(gòu)、以及工作溫度要求等不同，太敏的熱設(shè)計方案存在一定差異。模擬太敏主要用于近地軌道衛(wèi)星，其外表面狀態(tài)為光亮陽極化，因耐受溫度范圍寬(工作溫度為-80～+80 ℃)，無需進行單獨的熱控設(shè)計與處理?！?-1”太敏也常用于近地軌道衛(wèi)星(工作溫度為-50～+80 ℃)，其外表面狀態(tài)為黑色陽極化，熱控方案為“探頭散熱+除探頭外的部位全部包覆多層隔熱組件”。粗太敏首用于高軌道衛(wèi)星(工作溫度為-60～+80 ℃)，其外表面狀態(tài)為黑色陽極化，因在衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道階段可能會經(jīng)歷較長時間的低溫環(huán)境，對應(yīng)的熱控方案為“探頭散熱+殼體外側(cè)壁包覆多層隔熱組件+輔助加熱”。分體式數(shù)字太敏(工作溫度為-25～+55 ℃)已廣泛應(yīng)用于低軌道、高軌道衛(wèi)星等，處理電路位于衛(wèi)星內(nèi)部的太敏線路盒中，太敏內(nèi)部熱耗因此為零瓦，通常采用的熱控方案為“探頭附近表面粘貼光學(xué)太陽反射鏡(OSR)散熱+殼體外側(cè)壁包覆多層隔熱組件+輔助加熱”[7-10]。

某傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星上首次應(yīng)用的新型數(shù)字太敏(工作溫度為-25～55 ℃；芯片的一級降額溫度≤85 ℃)采用光機電一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊且長期受曬，外熱流條件惡劣；內(nèi)部印制電路板(PCB)上的發(fā)熱芯片等元器件的面積較小，具備一定熱流密度，與其它無熱耗的芯片相比，具有明顯的溫度梯度，散熱存在一定困難。本文通過外部能量、外熱流與內(nèi)部傳熱關(guān)系分析了一體化數(shù)字太敏的熱控需求與特點，給出熱控方案的詳細論述。

2 任務(wù)討論

對于衛(wèi)星艙外部件而言，其低溫要求一般可以通過加熱器功率補償?shù)姆绞降靡詫崿F(xiàn)，如何避免溫度過高、兼顧熱控實施的便利性，才是熱控設(shè)計的重點與難點。最簡單且合理的熱控方案通常是不借助其它散熱手段(比如小型輻射器、熱管等)，僅通過部件自身熱控設(shè)計來解決散熱問題。

數(shù)字太敏的結(jié)構(gòu)以及在星上的布局分別見圖1與圖2所示，它安裝在衛(wèi)星的+Z面(其頂蓋光學(xué)敏感器探頭的法線方向指向衛(wèi)星的+X面)。總熱量主要由吸收的太陽熱流與自身芯片熱耗組成。

圖2 數(shù)字太敏的布局示意圖Fig.2 Position of digital sun sensor

2.1能量分析

借鑒分體式數(shù)字太敏的熱設(shè)計思路，僅將頂蓋探頭附近表面粘貼光學(xué)太陽反射鏡(OSR)作為散熱面。受限于一體化數(shù)字太敏的頂蓋處有較多的螺釘安裝孔，可有效利用的散熱面積十分有限，需進行初步的能量分析判斷該處散熱面的面積是否滿足設(shè)計要求。按照散熱面受陽光直射建立能量平衡方程。

(1)

式中：σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)；T為太敏外殼溫度；T0為深冷空間溫度；εOSR，εAL分別為OSR與頂蓋裸露處的半球發(fā)射率；AOSR，AAL，Amirror分別為OSR面積、頂蓋裸露的表面面積、碼盤玻璃的截面面積；S表示太陽常數(shù)；q0表示內(nèi)部熱耗，qin表示總熱量，qout表示對外輻射能量；αOSR為OSR表面吸收比；αAL為AL的表面吸收比；αblackbody為黑體吸收比(碼盤玻璃的透過率很高，透射的能量可近似認為被殼體內(nèi)部腔體完全吸收，此處等同于黑體腔，吸收比近似為1)。

計算可得，數(shù)字太敏的外殼溫度約為65 ℃，已經(jīng)超過太敏的正常工作溫度范圍，因此在保留頂蓋處作為散熱面的同時，需要增加合適的散熱面輔助散熱，選擇依據(jù)為盡可能使用受陽光外熱流影響小的表面。

2.2外熱流分析

將太敏近似為一個長方體，它由底面、頂蓋和4個側(cè)面組成。以秋分點時刻為例(選取0 s時刻作為起始時間)，24 h內(nèi)各處表面的外熱流變化如圖3所示。其中，太敏有兩個側(cè)面(平行于衛(wèi)星的±Y面)的外熱流最小，峰值不到203 W/m2，散熱效率相對較高。因此，在保留太敏頂蓋探頭附近區(qū)域作為主要的散熱面外，可將兩處側(cè)面作為輔助散熱面。根據(jù)上一節(jié)中的能量平衡方程再次分析可得，太敏外殼的溫度可降至37 ℃左右。

圖3 秋分點時的外熱流變化曲線Fig.3 External heat flux variation curve of digital sun sensor in autumn equinox

2.3內(nèi)部傳熱分析

當太敏外殼溫度滿足指標要求后，還需進一步分析內(nèi)部傳熱來判斷芯片是否滿足降額要求。

各芯片外殼通過引腳等方式連接到PCB板上，芯片與PCB板間的熱阻如表1所示。除了運算放大器U10與U11的熱阻較小外，其余處的熱阻均超過1000 K/W，創(chuàng)建合理的傳熱通道來降低熱阻是非常必要的。

表1 芯片與PCB間的熱阻

圖4 傳導(dǎo)與輻射換熱關(guān)系網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.4 Network diagrams of relation between conduction and radiation

圖4表示的是太敏內(nèi)部主要的傳導(dǎo)與輻射換熱關(guān)系網(wǎng)絡(luò)示意圖。其中，一部分熱量通過PCB板傳導(dǎo)至支撐桿結(jié)構(gòu)，進而傳遞到線路盒殼體，另一部分熱量直接通過輻射換熱傳遞到線路盒殼體。加強芯片與線路盒殼體間的換熱主要有兩種方式：一種是在各芯片上表面增加0.3 mm厚的薄翅片，通過提高換熱面積進而強化輻射換熱，芯片結(jié)溫可降至79 ℃以下；另一種是在芯片底部添加硅橡膠，增大導(dǎo)熱接觸面積進而強化熱傳導(dǎo)，芯片結(jié)溫可降至73 ℃以下。兩種傳熱方式均可較大幅度地降低芯片的結(jié)溫，但增加翅片對裝配工藝有較嚴格的約束，而在芯片底面局部填加硅橡膠的方式容易實現(xiàn)。

3 分析與驗證

根據(jù)上述的分析，為滿足內(nèi)部芯片的散熱需求，首先，需要在數(shù)字太敏的外部增加合適的散熱面，可以選擇平行于衛(wèi)星±Y面的兩個側(cè)壁面輔助散熱；其次，需要在芯片底面局部填加硅橡膠來增大導(dǎo)熱。該IGSO衛(wèi)星數(shù)字太敏的熱控措施、模擬分析及在軌驗證如下。

3.1熱控措施

主要的熱控措施包括：①數(shù)字太敏與支架間采用了隔熱連接；②在數(shù)字太敏的光學(xué)敏感器頭部附近區(qū)域表貼OSR，在太敏的兩個側(cè)壁面(平行于衛(wèi)星的±Y面)貼薄膜型F46鍍銀二次表面鏡(受限于衛(wèi)星功率資源，該處未選擇OSR作為熱控涂層)，其余的外露部位均包覆多層隔熱組件；③在太敏外殼上設(shè)置“1主1備”的自控加熱器，每路功率為5 W，主份與備份加熱器的控溫閾值分別為[-15 ℃,0 ℃]和[-20 ℃,0 ℃]。

3.2分析計算

根據(jù)數(shù)字太敏的結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合熱等效原則進行了一定程度的簡化假設(shè)：①未建立如螺釘、引腳等微小部件，以等效熱阻的形式加載在模型中；②衛(wèi)星位于IGSO，環(huán)境熱負荷僅考慮太陽輻照，忽略地球紅外與反照的影響；③壽命末期時，衛(wèi)星本體定溫40 ℃處理。利用I-deas熱分析軟件建立有限元模型，對高溫工況(壽命末期冬至)進行了周期瞬態(tài)分析。

圖5 末期冬至太敏外殼的溫度變化 Fig.5 Temperature variation of digital sun sensor shell at EOL in the winter solstice

末期冬至?xí)r(計算的起始時刻為86 400 s)，24 h內(nèi)的計算結(jié)果如圖5～7所示。圖5與圖6表示的是太敏的殼溫與PCB板上有熱耗芯片的溫度隨時間的變化情況。線路盒殼體的最高溫度約為45.0 ℃，芯片的殼溫不超過70.2 ℃。溫度最高時刻的芯片溫度分布云圖見圖7所示。

圖6 末期冬至不同熱耗芯片的溫度變化Fig.6 Temperature variation of different chips with heat load at EOL in the winter solstice

圖7 末期冬至芯片溫度最高時刻的分布云圖Fig.7 Highest temperature distribution of different chips at EOL in the winter solstice

各芯片的結(jié)溫與殼溫之間的熱阻換算關(guān)系參見表2。芯片結(jié)溫的計算結(jié)果見表3所示，所有結(jié)溫均在正常工作范圍內(nèi)(即低于一級降額溫度)，除U13與U1的高溫余量在12 ℃左右，其余芯片的高溫余量在21 ℃以上。其中，Tlimit表示一級降額的允許溫度，Tmax表示芯片殼溫，Tmax-in表示芯片結(jié)溫，ΔT表示溫度余量。

表2 不同熱耗芯片的結(jié)溫與殼溫間的溫差

表3 不同芯片的溫度上限余量分析

3.3在軌驗證

圖8 秋分時太敏在軌溫度曲線Fig.8 Orbital telemetry temperature curve of digital sun sensor in the autumn equinox3

結(jié)合該IGSO衛(wèi)星的在軌情況(溫度測點位于太敏線路盒殼體外側(cè))，分別選取了秋分與冬至這兩個典型時刻的溫度遙測數(shù)據(jù)，其中，秋分對應(yīng)的β為45.033°，冬至對應(yīng)的β為9.917°(β為太陽矢量與軌道平面的最小夾角)，變化曲線如圖8與圖9所示，均在溫度指標要求范圍內(nèi)，且有一定余量，證明熱控方案有效?？紤]到熱控涂層在入軌后的前兩年退化較快，OSR的吸收比選取為0.19，F(xiàn)46的吸收比選取為0.23[11]，分析結(jié)果如圖10與圖11所示。對比可得，計算值與溫度遙測值吻合較好，對應(yīng)最高溫度時刻，計算值與遙測值的溫差在1.5 ℃以內(nèi)，進一步說明熱分析模型準確，可用于預(yù)測全壽命周期內(nèi)的溫度變化情況。

圖9 冬至?xí)r太敏在軌溫度曲線Fig.9 Orbital telemetry temperature curve of digital sun sensor in the winter solstice

圖10 秋分時太敏計算溫度曲線Fig.10 Analysis temperature variation curve of digital sun sensor in the autumn equinox

圖11 冬至?xí)r太敏計算溫度曲線Fig.11 Analysis temperature variation curve of digital sun sensor in the winter solstice

4 結(jié)束語

一體化數(shù)字太敏組件級熱設(shè)計應(yīng)該采用“由外至內(nèi)”逐級分析的方法開展，還需兼顧熱控實施代價，以便得到合理可行的熱控方案。首先，根據(jù)衛(wèi)星的構(gòu)型布局、外熱流特點，保證外部散熱面能夠有效工作；其次，根據(jù)內(nèi)部的熱耗分布特點以及傳熱路徑的不同，優(yōu)化傳熱通道，加強內(nèi)與外之間的熱耦合。經(jīng)過IGSO衛(wèi)星在軌飛行數(shù)據(jù)驗證，采用上述設(shè)計方法的太敏在軌溫度正常，與設(shè)計預(yù)期結(jié)果一致，充分說明熱控方法有效，且實施簡單，有利于總體布局，可為同類設(shè)備的熱控設(shè)計提供參考。此外，若衛(wèi)星功率資源允許，可在輔助散熱面上采用吸收發(fā)射比更低的熱控涂層(比如OSR)替代F46二次表面鏡，會進一步提高產(chǎn)品的高溫余量。

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Thermal Control Design of Digital Sun Sensor on IGSO

LI Jin LU Wei MA Huitao

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Comparing with traditional sun sensor which heat load is zero, a new sun sensor has certain heat load in chips on PCB. In order to solve the problem of heat dissipation, of the digital integrative sun sensor used in the IGSO orbit, a simple effective thermal control design is proposed in this paper. The thermal physics model of sun sensor is investigated with assembly level thermal analysis method by applying the I-DEAS software and the rationality of the design can also be proved by orbit data. The research results show that for the small dimension structures with some heat flux, on condition of limited increase radiation surface, the thermal control method of enhancing heat conduction is much better than that of enhancing heat radiation. At the same time, considering the external heat flux, the selection of heat dissipation surface is optimized. The selected thermal control design meets not only the target temperature requirement of the shell outside surface, but also the primary derating requirement of chips junction temperature on PCB. In addition, it can provide scientific references for the design of other similar products.

IGSO satellite；digital sun sensor；thermal control design

V443

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.010

2017-03-30；

2017-07-10

國家重大航天工程

李進，男，工程師，研究方向為航天器熱控設(shè)計。Email：jinl@mail.ustc.edu.cn。

(編輯：張小琳)