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大口径空间光学遥感器辐射散热器的设计及应用

阳明 王磊 于峰 罗世魁 宋欣阳 赵振明

阳明,王磊,于峰,等. 大口径空间光学遥感器辐射散热器的设计及应用[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(12):3293-3302 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0116
引用本文: 阳明,王磊,于峰,等. 大口径空间光学遥感器辐射散热器的设计及应用[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(12):3293-3302 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0116
YANG M,WANG L,YU F,et al. Design and on-orbit application of radiator for space optical remote sensor with large aperture[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(12):3293-3302 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0116
Citation: YANG M,WANG L,YU F,et al. Design and on-orbit application of radiator for space optical remote sensor with large aperture[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(12):3293-3302 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0116

大口径空间光学遥感器辐射散热器的设计及应用

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0116
基金项目: 国家重大科技专项
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:ouyangmingsn@sina.com

  • 中图分类号: V443+.5

Design and on-orbit application of radiator for space optical remote sensor with large aperture

Funds: National Science and Technology Major Project
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  • 摘要:

    为满足大口径空间光学遥感器高效率、低密度散热的需求,提出一种基于高导热石墨膜的空间辐射散热器。对高导热石墨膜的基础物理性能、结构成分、力学性能、热性能、空间环境适应性等进行较全面的测试分析。将高导热石墨膜与热管、蜂窝板等结合起来解决高导热石墨膜应用中常见的厚度方向导热系数低、力学强度低、硬度低、厚度薄、单块尺寸小的难题。对散热器和2种传统空间辐射散热器进行对比仿真分析,仿真分析结果表明:同等散热能力下,高导热石墨辐射散热器的质量仅为传统铝合金板散热器的约1/3,仅为传统铝蜂窝板辐射散热器的约1/2。通过热平衡实验和在轨飞行应用对散热器的散热性能进行验证,验证结果表明:仿真值与在轨值具有良好的一致性,散热器具有优异的力、热性能及显著的减重优势,可广泛应用于各种航天器的散热及均温。

     

  • 图 1  石墨膜的SEM照片

    Figure 1.  SEM image of graphite film

    图 2  石墨膜(25 μm)导热系数随温度变化曲线

    Figure 2.  Thermal conductivity curve of graphite film (25 μm) with change of temperature

    图 3  散热系统示意图

    Figure 3.  Schematic of heat dissipation solution

    图 4  高导热石墨辐射散热器结构示意图

    Figure 4.  Structure diagram of high thermal conductivity graphite radiator

    图 5  高导热石墨辐射散热器实物横截面照片(不含热管)

    Figure 5.  Cross sectional photograph of high thermal conductivity graphite radiator (excluding heat pipe)

    图 6  辐射散热器内传热路径示意图

    Figure 6.  Heat transfer path diagram of radiator

    图 7  3种方案的温度云图

    Figure 7.  Temperature cloud map for three plans

    图 8  辐射器热敏电阻分布

    Figure 8.  Distribution of thermistor on radiator

    图 9  在轨辐射散热器各点温度变化曲线

    Figure 9.  Temperatures variation curves of each measuring point of radiator during on orbit flight

    表  1  石墨膜的主要检测项目及结果

    Table  1.   Main test items and results of graphite film

    检测项目测试内容测试结果
    基础物理性能密度2000 kg/m3
    热稳定性热失重达到5%时的温度
    分别为920 ℃
    吸水率≤0.5%
    结构分析SEM图1所示
    X射线衍射技术
    石墨化度≈100%
    拉曼光谱
    化学分析碳含量99.77%
    灰分0.21%
    挥发分0.02%
    力学特性拉伸强度40.8 MPa (−80 ℃)
    52.8 MPa (室温)
    56.7 MPa (+60 ℃)
    耐折性大于21000次
    热学性能比热(常温)0.85(J·g−1·K−1
    面内导热系数图2所示
    晶面热膨胀系数表2所示
    地面环境
    适应性
    湿热环境适应性试验后无破损,无裂纹,
    导热系数平均值保持率
    ≥95%
    空间环境
    适应性
    温度冲击环境适应性试验后无破损,无裂纹,
    导热系数平均值保持率
    ≥95%
    抗粒子辐照性能,
    总剂量9×107 rad(Si)
    的辐照
    试验后无破损,无裂纹,
    导热系数平均值保持率
    ≥95%
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    表  2  不同材料热膨胀系数

    Table  2.   coefficient of thermal expansion of different materials

    材料名称热膨胀系数
    −80 ℃−50 ℃0 ℃50 ℃
    高导热石墨−1.29−1.54−1.88−2.26
    碳纤维蒙皮−0.08<0.036
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    表  3  热分析参数

    Table  3.   Thermal analysis parameters

    名称等效导热系数/(W·m−1·K−1)厚度/mm密度/(kg·m−3
    石墨层叠体1350(平面内)0.341 850
    2(厚度方向)
    碳纤维蒙皮20(平面内)0.21 430
    1(厚度方向)
    铝蜂窝芯1.0(z方向)1027
    0.6(x方向)
    0.5(y方向)
    铝板5A061172 700
    铝蒙皮1170.32 700
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    表  4  不同辐射散热器性能对比

    Table  4.   Performance comparison of different radiators

    散热器方案集热热管温度水平/℃散热器温度水平/℃质量/kg
    方案1−1.5~0.1−15.7~−10.13.4
    方案2−1.5~0.1−16.2~−9.49.1
    方案3−1.5~0.1−18.0~−9.26.3
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    表  5  辐射散热器不同阶段温度

    Table  5.   Temperature of radiator in different stages

    名称集热热管平均发热功率/W集热热管温度/℃外贴热管测点温度/℃散热器中心测点温度/℃外贴热管与散热器
    中部测点平均温差/℃
    仿真值234−1.5~−0.1−9.5~−8.6−15.8~−15.06.35
    热平衡试验值232.2−1.5~0.3−8.7~−7.7−14.9~−14.16.3
    在轨飞行值236.4−1.6~0.2−8.9~−7.9−15.3~−14.56.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-04
  • 录用日期:  2022-07-22
  • 网络出版日期:  2022-09-09
  • 整期出版日期:  2023-12-29

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