基于銅蓄熱的Ka頻段相控陣天線熱控技術(shù)研究

朱尚龍，劉 欣，劉小旭，王明哲，王 瑾，賀元軍

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；2.中國(guó)載人航天辦公室，北京100720）

1 引言

某上面級(jí)搭載一系列載荷作為長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭首飛載荷進(jìn)行演示驗(yàn)證飛行，在軌時(shí)間約為2天［1］。作為未來載人航天的重要部件多功能返回艙縮比模型搭載了此次飛行任務(wù)。Ka頻段相控陣天線（以下簡(jiǎn)稱“天線”）是其天基測(cè)控系統(tǒng)的重要單機(jī)，負(fù)責(zé)將測(cè)量系統(tǒng)的重要參數(shù)通過中繼星傳給地面測(cè)控站，具有尺寸小、熱功耗大、工作模式不確定的特點(diǎn)。熱控系統(tǒng)既要滿足天線工作期間的散熱問題，也要解決天線長(zhǎng)時(shí)間不工作期間的保溫問題。對(duì)于工作模式確定的儀器設(shè)備，無論發(fā)熱功率?。?］或大［3］，熱控系統(tǒng)只需要單純考慮保溫問題或者散熱問題，設(shè)備均可通過包覆多層隔熱組件、墊隔熱墊或噴涂高發(fā)射率涂層、增加擴(kuò)熱板等熱控方法使其溫度滿足溫控要求。而對(duì)于天線這種工作模式不確定的單機(jī)，若單純采用散熱措施，則可能導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間不開機(jī)時(shí)溫度偏低；若單純采取保溫措施，則可能導(dǎo)致開機(jī)過程中溫度偏高。因此，必須尋找一種新的熱控手段滿足其溫控需求。

為解決該問題，本文提出一種采用銅作為蓄熱材料的熱控方案，并針對(duì)相控陣天線開機(jī)時(shí)序的具體特點(diǎn)提出一種適當(dāng)增加熱控開機(jī)的熱控方案對(duì)天線進(jìn)行熱控制。系統(tǒng)方案的實(shí)際效果通過全箭熱分析計(jì)算、天線熱平衡試驗(yàn)和實(shí)際飛行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 物理模型

采用周期性或者近似周期性規(guī)律工作模式的大功率電氣設(shè)備，一般采用蓄熱材料進(jìn)行熱控［4］，其熱控理念在于：在設(shè)備工作期間，利用蓄熱材料的相變潛熱（或顯熱）吸收設(shè)備熱功耗而不至于使設(shè)備溫度過高，在不工作期間，利用蓄熱材料的相變潛熱（或顯熱）儲(chǔ)存的熱量補(bǔ)償設(shè)備的散熱量而不至于使設(shè)備溫度過低，從而適應(yīng)設(shè)備的散熱量變化。

蓄熱材料既可以利用相變潛熱，也可以利用蓄熱材料的顯熱。其中，相變蓄熱材料的相變潛熱量大，并且在相變蓄熱過程中溫度基本保持不變，在相同質(zhì)量下具有更優(yōu)良的蓄熱性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域［5-8］，常用材料包括各種石蠟、鹽類水合物、液態(tài)金屬等，其價(jià)格一般較高；而利用顯熱的蓄熱材料一般選取導(dǎo)熱性能良好、比熱容大的材料，常用的材料主要是金屬，其在蓄熱過程中溫度變化，并且相同質(zhì)量下的蓄熱性能不如相變蓄熱材料。但由于相變材料存在液體形態(tài)，力學(xué)性能不佳，需要采用金屬材料進(jìn)行封裝并填充導(dǎo)熱填料增強(qiáng)導(dǎo)熱，在應(yīng)用時(shí)形成一個(gè)蓄熱裝置，該裝置在航天器上應(yīng)用時(shí)需要承受嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，需要開展一系列的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)度及經(jīng)費(fèi)要求嚴(yán)格。而銅作為一種常用結(jié)構(gòu)材料，無上述問題，兼具穩(wěn)定性好，傳熱能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，最終采用選用銅作為蓄熱材料。

常用的采用蓄熱材料進(jìn)行熱控制的原理如圖1（左）。如圖所示，儀器設(shè)備通過右側(cè)的輻射器進(jìn)行散熱，在儀器與熱輻射器之間放置蓄熱材料。當(dāng)儀器工作時(shí)，熱量傳給蓄熱材料，利用相變潛熱（或顯熱）儲(chǔ)熱，同時(shí)通過輻射器進(jìn)行散熱。當(dāng)儀器停止工作時(shí)，通過熱輻射器散熱的熱量等于儀器設(shè)備與蓄熱材料的相變潛熱（或顯熱）之和，當(dāng)后者設(shè)計(jì)恰到好處時(shí)，儀器設(shè)備的溫度能保持在合理范圍內(nèi)。

圖1 蓄熱材料熱控示意圖Fig．1 Illustration of thermal control with thermal storage material

為定量獲得蓄熱材料的質(zhì)量，假定儀器設(shè)備的熱功耗如圖1（右）所示按照周期性規(guī)律變化，一個(gè)周期的時(shí)間和設(shè)備開機(jī)時(shí)間分別為 τ0、τp（單位均為s）。為保證儀器設(shè)備的溫控要求，需儀器設(shè)備一周期內(nèi)的總熱功耗與輻射器輻射散熱量相等，由于相控陣天線所在位置空間外熱流極小，其能量平衡方程近似為式（1）［4］：

其中，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，ε為輻射器的半球發(fā)射率，Tm為設(shè)備的平均溫度，A為輻射器的散熱面積。因此，可以獲得帶相變材料蓄熱所需的輻射器擴(kuò)熱板面積為式（2）［4］：

為了保證系統(tǒng)正常工作，必須有足夠的蓄熱材料。蓄熱材料的質(zhì)量一方面要保證工作期間設(shè)備的溫度不超過最高溫度，另一方面也需要保證不工作期間設(shè)備溫度不低于要求的最低值?？紤]設(shè)備工作期間溫度不超過溫度最高限，若蓄熱材料為相變材料，通常設(shè)計(jì)時(shí)不考慮相變材料顯熱的儲(chǔ)存和釋放，而僅考慮其熔化潛熱的儲(chǔ)存和釋放，則所需相變材料的質(zhì)量如式（3）［4］：

式中，Mmin為相變材料最小質(zhì)量，單位為kg；γ為相變材料熔化潛熱，單位為J／kg。若蓄熱材料僅利用顯熱進(jìn)行蓄熱［7］，則所需的質(zhì)量如式（4）：

其中，Cp為材料比熱容，單位為 J／（kg·K）；ΔT為溫度差，單位為K?？紤]設(shè)備不工作期間溫度不低于溫度最低限，若蓄熱材料為相變材料，通常設(shè)計(jì)時(shí)不考慮相變材料顯熱的儲(chǔ)存和釋放，而僅考慮其熔化潛熱的儲(chǔ)存和釋放，則所需相變材料的質(zhì)量如式（5）：

本文在相變材料（顯熱蓄熱材料）設(shè)計(jì)過程中，質(zhì)量取兩者中較大值。

3 天線熱控方案

天線的尺寸約為200 mm×200 mm×200 mm，天線開機(jī)時(shí)功耗約為250 W。同時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)提供的約束條件，用于天線散熱的散熱面尺寸約為250 mm×250 mm。根據(jù)使用方要求，天線在軌期間存在的工作時(shí)序見表1。

熱控方案顯熱蓄熱材料選擇銅，它具有密度、比熱容較大的優(yōu)點(diǎn)，且具有良好的導(dǎo)熱性能。作為對(duì)比，相變材料選擇常用的十六烷，對(duì)應(yīng)的參數(shù)相見參考文獻(xiàn)［4］。 根據(jù)公式（3） ～（6），所需的蓄熱銅和相變材料質(zhì)量分別為38.9 kg和6.1 kg，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)具有同樣的蓄熱功能時(shí)，相變材料在質(zhì)量上有較大的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)上文論述之理由，本項(xiàng)目并未采用其作為蓄熱材料。

由于單純考慮銅作為蓄熱材料，其質(zhì)量高達(dá)38.9 kg，由于天線安裝在一個(gè)圓筒壁面，若結(jié)構(gòu)質(zhì)量過大，將造成結(jié)構(gòu)有較大的偏心，若存在較大偏心，則需要在對(duì)稱位置安裝同樣質(zhì)量的配重進(jìn)行配平。根據(jù)該圓筒結(jié)構(gòu)及其上安裝的儀器設(shè)備的質(zhì)量特性，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提出銅的質(zhì)量不超過10 kg的限制條件，但簡(jiǎn)單降低銅的質(zhì)量將導(dǎo)致天線的溫控不滿足要求。

表1 天線工作時(shí)序Table 1 Time sequence of antenna working

由于散熱面、發(fā)熱功率等參數(shù)已經(jīng)確定，根據(jù)（4）、（6），銅質(zhì)量由天線的工作時(shí)間和不工作時(shí)間確定。從表1可以看出：除最后一次外，天線單次工作的時(shí)間不超過600 s，而最后一次1100 s，使用方是不作要求的。按照公式（4），銅蓄熱材料的值較固定且小于10 kg；而不工作的時(shí)間間隔變化較大，最長(zhǎng)的達(dá)到了25 800 s，最短的僅為1080 s。銅蓄熱材料質(zhì)量達(dá)到38.9 kg是根據(jù)最長(zhǎng)關(guān)機(jī)時(shí)間計(jì)算而得到的。但是根據(jù)天線的工作時(shí)序，時(shí)間間隔較長(zhǎng)的次數(shù)并不多，若為滿足這幾次不工作時(shí)間而提高銅的質(zhì)量，顯然對(duì)于總體方案優(yōu)化不合理。

為綜合解決該問題，有兩種方法可以解決：其一為電加熱，其二增加熱控開機(jī)，所謂熱控開機(jī)，即通過修改天線的工作時(shí)序，在關(guān)機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)的時(shí)間間隔中增加一次開機(jī)，天線只耗功率，不執(zhí)行其他數(shù)傳操作。

該上面級(jí)電加熱的方式采用“溫度傳感器＋電加熱片”閉環(huán)控制，溫度控制精度較好。但是，天線與主動(dòng)熱控控制器分屬兩個(gè)不同的艙段，兩者之間的距離約4～5 m，若采用這種方案需要敷設(shè)較長(zhǎng)的電纜，質(zhì)量較大且工程實(shí)現(xiàn)較麻煩。而采用天線增加熱控開機(jī)盡管需要將開機(jī)時(shí)刻以及時(shí)長(zhǎng)預(yù)先寫進(jìn)天線的工作時(shí)序中，由于天線的開機(jī)次數(shù)只能是有限次數(shù)，且一旦寫入不可更改，不能形成閉環(huán)控制，因此，熱控精度不如電加熱。

最終，本文選擇增加熱控開機(jī)的方案，用于補(bǔ)償長(zhǎng)時(shí)間不工作期間銅蓄熱能力不夠的問題。

根據(jù)公式（6），對(duì)于一定質(zhì)量為M的顯熱蓄熱材料，其最長(zhǎng)的開關(guān)機(jī)時(shí)間間隔可以通過式（7）計(jì)算獲得，具體開機(jī)時(shí)序見表1，其中，在工作時(shí)序中增加了約4次熱控開機(jī)，最長(zhǎng)的不工作時(shí)間間隔為14 799 s。

4 熱控效果驗(yàn)證

4.1 全箭熱分析計(jì)算驗(yàn)證

為驗(yàn)證銅蓄熱材料的熱設(shè)計(jì)正確性，本文首先開展了全箭熱分析計(jì)算，表2為上面級(jí)熱分析計(jì)算的外熱流極端工況設(shè)置情況。其中，太陽常數(shù)在高溫工況和低溫工況分別取20%的余量。

根據(jù)上述熱控方案開展的熱分析計(jì)算，天線的溫度控范圍為 －24℃ ～＋15℃，滿足天線－40℃ ～＋60℃的溫控范圍。圖2、圖3分別為天線所在艙段所有電氣設(shè)備在高溫工況、低溫工況下的溫度變化曲線，其中天線的溫度變化曲線由箭頭指出。

表2 外熱流極端工況Table 2 Extreme case of space heat flow

圖2 高溫工況計(jì)算設(shè)備溫度變化曲線Fig．2 Temperature variation of equipment in high heat flow case

圖3 低溫工況設(shè)備溫度曲線Fig．3 Temperature variation of equipment in low heat flow case

4.2 天線熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于空間飛行器，一般采用熱平衡試驗(yàn)對(duì)熱設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證［9］，該上面級(jí)研制過程中不開展全箭熱平衡試驗(yàn)，天線的熱控方案存在驗(yàn)證不充分的風(fēng)險(xiǎn)，為驗(yàn)證天線熱設(shè)計(jì)的正確性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)天線熱平衡試驗(yàn)，參試產(chǎn)品包括天線、銅蓄熱材料。該試驗(yàn)在高真空環(huán)境下（真空度優(yōu)于10－3Pa）進(jìn)行，試驗(yàn)中天線通過位于真空艙外的工控機(jī)進(jìn)行程序控制，并在試驗(yàn)過程中按照箭上工作時(shí)序進(jìn)行工作。圖4為天線熱平衡試驗(yàn)的原理圖。

圖4 天線熱平衡試驗(yàn)簡(jiǎn)圖Fig．4 Illustration of heat balance experiment of the phase array antenna

由于天線工作時(shí)發(fā)射的電磁波功率較強(qiáng)，為防止電磁波對(duì)真空艙內(nèi)設(shè)備及電纜產(chǎn)生影響，試驗(yàn)過程中采取兩種措施進(jìn)行防護(hù)：其一，在天線發(fā)射方向設(shè)置具有吸波能力的吸波罩；其二為天線采用掃波的工作模式。

天線安裝在艙體表面，天線陣面所在的表面朝向空間，受空間外熱流影響且有很大的電磁輻射，試驗(yàn)過程中采用具有溫度可控的吸波罩模擬外熱流；其余部分位于艙體內(nèi)部，主要受上面級(jí)自身紅外輻射的熱影響，試驗(yàn)過程中采用一個(gè)溫度可控的銅制熱防護(hù)罩進(jìn)行模擬。

天線熱平衡試驗(yàn)包括低溫工況、高溫工況2個(gè)試驗(yàn)工況，設(shè)置如表3。其中，空間外熱流是根據(jù)天線在上面級(jí)上安裝位置計(jì)算獲得，熱防護(hù)罩溫度是通過提取天線所在艙段的各節(jié)點(diǎn)溫度的平均值并取一定余量而獲得的。

表3 試驗(yàn)工況設(shè)置Table 3 Settings of experiment

低溫工況下相控陣天線不同位置的溫度變化曲線如圖5。從結(jié)果可以看出：相控陣天線溫度變化范圍為－8.3℃ ～24.6℃。

圖5 熱平衡試驗(yàn)低溫工況天線溫度變化曲線Fig．5 Variation of antenna temperature in low heat flow thermal balance experiment

熱防護(hù)罩溫度模擬與試驗(yàn)方案要求相差很小，而相控陣天線空間外熱流則與要求相差較大，因此需要修正低溫工況相控陣天線的溫度值。試驗(yàn)的平均外熱流為78.9 W／m2。為簡(jiǎn)化起見，不考慮相控陣天線與內(nèi)部換熱，考慮相控陣天線達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，滿足式（8）所示關(guān)系：

其中，Qin為天線小功率熱功耗，21.8 W；Qout為低溫工況外熱流，15.9 W／m2。計(jì)算可得天線平衡溫度為－12.6℃。滿足天線溫控要求。

高溫工況下相控陣天線不同位置的溫度變化曲線如圖6。試驗(yàn)過程中，天線外熱流設(shè)置的兩個(gè)熱流計(jì)的平均外熱流測(cè)量結(jié)果為179.3 W／m2、185.8 W／m2，略嚴(yán)酷于試驗(yàn)要求；此外，箭體溫度也大于0℃。從結(jié)果可以看出，天線溫度變化范圍為11.5℃ ～42.8℃，滿足溫控要求。

圖6 熱平衡試驗(yàn)高溫工況天線溫度變化曲線Fig．6 Variation of antenna temperature in high heat flow thermal balance experiment

4.3 飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)

天線遙測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖7，從遙測(cè)結(jié)果可以看出：相控陣天線的溫度范圍為2.9℃ ～20.8℃，滿足天線－40℃ ～＋60℃的溫控范圍。某上面級(jí)的發(fā)射窗口接近夏至日，空間外熱流接近低溫工況，與圖5所示低溫工況數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近，證明了熱設(shè)計(jì)和熱分析計(jì)算的正確性。

圖7 天線遙測(cè)溫度變化曲線Fig．7 Variation of telemetered temperature in phase array antenna

5 結(jié)論

本文針對(duì)一個(gè)具有尺寸小、熱功耗大、工作模式不確定的相控陣天線的熱控需求（工作期間的大功率散熱以及長(zhǎng)時(shí)間不工作期間的保溫），通過開展理論分析，得到需要采用蓄熱材料結(jié)合增加熱控開機(jī)的熱控方案。通過綜合對(duì)比相變材料和顯熱蓄熱材料并綜合上面級(jí)實(shí)際情況，提出采用銅作為蓄熱材料，并通過理論方法確定了作為蓄熱材料的銅的所需質(zhì)量。后續(xù)熱分析計(jì)算、天線熱平衡試驗(yàn)以及飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)均證實(shí)了該熱控方案設(shè)計(jì)的正確性，得到了以下結(jié)論：

1）為滿足天線的熱控需求，采用銅或者相變材料作為蓄熱材料的質(zhì)量需求分別為38.9 kg和6.1 kg，相變材料的性能更具有優(yōu)勢(shì)，由于相變材料存在液體形態(tài)，力學(xué)性能不佳，需要采用金屬材料進(jìn)行封裝并采用填充導(dǎo)熱增強(qiáng)導(dǎo)熱，需要開展一系列的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)可靠性，與銅在進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)消耗存在一定差距。因此，天線最終采用選用銅作為蓄熱材料。

2）為避免銅質(zhì)量過大而帶來的質(zhì)量偏心，需要將銅的質(zhì)量控制在一定范圍內(nèi)。這就需要在在長(zhǎng)時(shí)間不開機(jī)狀態(tài)下補(bǔ)充能量，通過分析對(duì)比，確定了采用增加熱控開機(jī)的方案。在進(jìn)行相控陣天線時(shí)序中增加熱控開機(jī)的設(shè)置方面，應(yīng)該盡量保證其平均熱功耗的在一定范圍內(nèi)。

3）由于這種方案熱控效果與天線開機(jī)時(shí)序相關(guān)，且一經(jīng)確定不可更改，若驗(yàn)證不充分，可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。為確保設(shè)計(jì)的正確性，本文開展了全箭熱分析計(jì)算和熱平衡試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證，最終的飛行試驗(yàn)結(jié)果也證明了設(shè)計(jì)的正確性。

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