被動熱控系統是一種常見的熱控設計方法，尤其適用于解決小型航天器由于其特殊特點所帶來的熱設計挑戰。
概念
被動熱控系統通常應用于解決因航天器尺寸小、質量輕、電量少、熱容量小和熱流密度大等因素引起的熱設計難題。通過對TW-1B立方星的熱控輸入條件進行分析，提出了一種完全被動熱控設計方法，并建立了相應的熱分析模型進行仿真計算。結果顯示，立方星各部件的溫度計算結果均在其正常工作溫度范圍內，證明了被動熱控設計的有效性。此外，建議通過地面熱環境試驗來驗證熱分析計算的準確性，并根據試驗數據對熱分析模型進行優化，以確保衛星在軌壽命。
TW-1B立方星被動熱控技術
TW-1B立方星是由上海微小衛星工程中心和南京理工大學聯合研制的一系列立方星之一，旨在實現軌道組網，進行北極航道觀測、拍照，以及檢測飛機和船舶的位置等功能。南京理工大學負責TW-1B立方星的研制工作。為了應對立方星的熱設計挑戰，研究團隊提出了完全被動熱控設計方法，并進行了詳細的熱控輸入分析，提出了具體的熱控實施措施，建立了熱分析模型進行仿真計算。仿真結果顯示，各分系統的溫度均在規定的正常工作溫度范圍內，表明被動熱控設計能夠滿足立方星對熱控系統的需求。然而，考慮到熱分析模型的簡化假設和計算參數選擇可能存在誤差，研究人員強調了地面熱環境試驗的重要性，以便驗證熱分析計算的準確性，并根據試驗數據對熱分析模型進行優化，進而改善熱設計，保障衛星在軌壽命。
TW-1B立方星熱分析輸入條件
TW-1B立方星遵循國際立方星標準設計，尺寸為227mm × 100mm × 100mm的雙單元立方星，總質量約2kg。星體內所有分系統的PCB板通過4根螺桿固定在周向位置，并使用隔柱隔開，以確定軸向位置。每個分系統的正常工作溫度范圍不同，綜合考慮電子元器件、材料特性和供應商要求，確定了TW-1B各分系統的工作溫度區間。
TW-1B立方星熱控設計與仿真
采用了被動熱控方法來解決TW-1B衛星的熱控問題，目的是減少星內溫度波動范圍和冷熱沖擊，延長電子元器件和衛星的壽命，保持電池陣基板溫度一致，降低太陽能電池受到熱應力和熱變形的風險，提高太陽能電池的效率。根據國內外衛星熱控設計的經驗，制定了總體熱控方案，包括使用PCB-AL-PCB夾層板作為電池陣基板，星內隔柱與結構間添加隔熱墊，電機與結構間添加隔熱墊，電池陣內部設置多層隔熱組件，電池陣基板上布置電池片，并在電池片間的空隙處貼附鍍金膜。熱控設計是在I-DEAS TMG熱分析軟件的支持下完成的，利用SolidWorks軟件簡化模型，然后在Hypermesh軟件中進行網格劃分，最終在I-DEAS TMG軟件中進行修改和細化。
仿真結果討論及優化設計
仿真結果顯示，各分系統的溫度均在所需工作溫度范圍內。然而，太陽能電池陣的溫度變化范圍較大，且高溫過高，可能影響電池陣的在軌壽命和效率。因此，對電池陣基板進行了優化設計，采用鍍金涂層，降低了基板表面的吸收率和發射率，減少了外部熱量的吸收和排放，從而顯著減小了外表面的溫度波動。鍍金前溫度范圍為-25至35℃，鍍金后變為-14至35℃，顯示出了明顯的穩定效果。內部設備的溫度基本未受影響，表明墊片和多層隔熱組件的設計有效穩定了星內的溫度。這些結果初步證實了提出的熱控制設計方案達到了衛星熱控分系統的要求。盡管如此，由于熱分析數學建模中的一些基本假設和計算參數的選擇存在一定誤差，熱分析所得的溫度與實際值之間可能會存在較大的差異。因此，地面熱模擬試驗對于衛星熱設計來說是必不可少的。通過地面熱模擬試驗的數據，可以修正熱分析模型，提高熱分析精度，改進衛星熱設計措施。經過修正的熱計算，可以更準確地預測整星在軌飛行時的溫度，并對整星熱平衡試驗提供指導。
研究結論
針對立方星熱設計的困難，提出了完全被動熱設計的方法。通過對TW-1B立方星熱控輸入的詳細分析，提出了被動熱控設計的具體措施，并建立了熱分析模型。穩態及瞬態溫度場仿真的結果表明，各部件的溫度計算結果均在部件要求的工作溫度范圍內。通過優化設計，縮小了電池陣的溫度范圍。初步表明被動熱控措施的設計可以滿足立方星對熱控系統的要求。雖然熱仿真計算有一定的誤差，但仍需后續的地面熱環境試驗來驗證熱分析計算的準確性，并根據試驗結果對熱分析模型進行優化，改進熱設計，以確保衛星在軌壽命。
參考資料 >
航天器的被動熱控制系統|輻射|熱管|散熱器|蒸發器|冷凝器.網易.2024-11-11
TW-1B立方星被動熱控制技術-百度學術.百度學術.2024-11-11