NASA视角下的小型卫星热管理

NASA视角下的小型卫星热管理

随着小型卫星（SmallSats）在深空探测、地球科学及通信等任务中扮演日益重要的角色，有效的热管理成为保障任务成功、延长卫星运行寿命的关键。小型卫星因其在质量、体积、表面积和可用功率方面的固有约束，对其热控制系统设计提出了独特挑战。本文基于美国国家航空航天局（NASA）相关技术文件，系统性地综述了当前应用于小型卫星的被动及主动热管理技术的最新进展与关键考量。

所有航天器及其搭载的组件都必须在规定的温度范围内可靠工作。热控制系统的核心目标是通过平衡航天器吸收的外部热量（来自太阳直接辐射 qsolar、行星反照辐射 qalbedo、行星红外辐射 qplanetshine）、内部组件产生的热量（Qgen）、自身存储的热量（Qstored）以及向外辐射散失的热量（Qout,rad），来维持各部分温度的稳定。

展示轨道运行航天器的简化热交换模型，标示太阳辐射、反照辐射、行星红外辐射、内部生热、存储热量和向外辐射等关键热流。 (来源: NASA)

对于小型卫星，其热管理面临诸多挑战（见表7-1）：低热容导致其对外部热环境变化更为敏感；有限的外部表面积限制了太阳能电池阵、散热器及科学仪器视场的布局；紧凑的内部空间使得电子器件热流密度高、热耦合强、难以实现有效的热隔离；有限的可用功率也限制了高性能主动热控技术的选用。

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被动热管理系统

被动热管理技术不依赖外部功率输入，通常具有低成本、高可靠性的优点，是小型卫星热控制的基础。主要技术包括：

1、热控涂层、薄膜与多层隔热（MLI）： 通过精确选择具有特定太阳吸收率（α）和红外发射率（ε）的表面材料，调控航天器与空间环境的辐射换热。热辐射主要集中在电磁波谱的0.1至100 μm波段。

显示电磁波谱，并标示出热辐射所处的波长范围。

(来源: NASA)

• 涂层/喷涂材料（表7-3）： 例如，AZ-93、A276等白色涂料（低α/高ε）常用作散热器表面；黑色涂料（如Z306，高α/高ε）用于需要吸收热量或实现温度均匀的表面。
  
  
  
  

• 薄膜/胶带（表7-4）： 例如，第二表面镜（SSM）常用的银/FEP（氟化乙烯丙烯）胶带具有优异的低α/高ε性能。需重点考虑材料在轨寿命期间因空间环境因素导致的性能衰减（BOL vs. EOL）。
• MLI： 由多层低发射率反射屏和低导热隔离物组成，高效阻隔辐射漏热。在小型卫星（尤其是CubeSat）外部署受限，且边缘漏热效应显著。
  
  
  
  
  

2、热带（Thermal Straps）（表7-5）： 在热源与散热宿之间提供柔性的高导热连接。材料从传统的铜（Cu）、铝（Al）箔片或编织绳，发展到热导率更高的先进碳材料，如热解石墨片（PGS）、石墨纤维（GFTS）、热解石墨膜（PGF）等。

展示几种典型的柔性热带产品实例。(来源: Thermal Management Technologies; Redwire Space)

对比相同几何结构下，采用铝箔、铜箔和PGS作为导热材料的热带的实测热导性能，PGS展现出明显优势。(来源: SDL)

3、热接触管理与界面材料（TIMs）： 改善部件间的接触导热，降低接触热阻。

• 接触热导： 表面接触压力、粗糙度、材料硬度等均影响接触热导。螺栓连接（表7-6）的热导与螺钉尺寸、预紧力、表面处理等因素相关。
  
  
  
  

• TIMs（表7-7）： 用于填充界面间隙，提高导热效率。常见类型包括导热垫片（如Laird Tflex HD80000系列、Henkel GAP PADs®）、导热硅脂、导热胶、相变界面材料、铟（Indium）箔片等，需根据应用场景选择合适的厚度、导热系数、柔顺性及真空兼容性。
  
  
  
  

Laird公司Tflex HD80000系列导热垫片及其热阻随压力变化的典型性能曲线。(来源: Laird Performance Materials)

Henkel公司多种类型的导热界面材料应用实例。(来源: Henkel Corporation)

4、热管（Heat Pipes）：利用封闭管壳内工质相变（蒸发-冷凝循环）进行高效传热的被动器件。依靠毛细芯结构（Wick）驱动液体回流。

• 恒导热管（CCHP）： 常见的热管类型，如应用于BIRD卫星。
• 平板/异形热管： 如JAXA的平板热管（FOX）、Redwire Space的FlexCool™（弯曲扁平热管，已在TechEdSat-10上验证）。
  
  
  
  

Redwire Space的FlexCool™可变形微型热管集成到TechEdSat-10 DVB-S2无线电模块之前的照片。(来源: Redwire Space)

5、其他被动技术：

• 遮阳罩（Sunshields）：通过遮挡阳光直射，降低特定区域的热载荷。
• 热百叶窗（Thermal Louvers）：通过机械装置（通常为双金属片驱动）改变视场，调节表面的有效发射率，从而被动调节散热量。小型化是挑战。
• 可展开散热器（Deployable Radiators）： 克服小型卫星本体表面积不足的限制，在轨展开以增大散热面积。例如Redwire Space的Q-Rad、JPL/CalPoly等开发的嵌入振荡热管（OHP）的增材制造可展开散热器（AMDROHP）。
  
  
  
  

Redwire Space的Q-Rad可展开散热器技术。(来源: Redwire Space)

嵌入振荡热管（OHP）的增材制造可展开散热器（AMDROHP）的设计渲染图。(来源: California State Los Angeles, JPL, California Polytechnic San Luis Obispo)

• 相变材料（PCM）/储热单元（TSU）：利用材料相变潜热（见表7-8常见材料）吸收峰值热耗或稳定温度波动。金属封装体（如Redwire的Q-Store/Q-Cache）用于容纳PCM并强化导热。
  
  
  
  

Redwire Space面向CubeSat应用开发的两种相变储热单元：Q-Store（左）和Q-Cache（右）。(来源: Redwire Space)

• 热开关（Thermal Switches）：在需要时被动地接通或断开热传导路径，实现热量管理（如隔离或导通）。导通/关断热导比是关键性能指标（表7-9）。
  
  
  
  

• 多功能热结构（Multifunctional Thermal Structures）：将热管理功能（如均热、传热）直接集成到卫星的承力结构中，以节省质量和体积。例如Thermal Management Technologies的SPOT结构。
  
  

02

主动热管理系统

主动系统需要消耗卫星功率，通常用于满足更严格的温度控制要求、处理更高的热负荷或实现低温制冷。

1、加热器（Heaters）（表7-11）： 最常用、最易集成的主动热控器件，通常采用Kapton薄膜电阻加热器。

2、低温冷却器（Cryocoolers）： 用于产生100K以下的低温，是红外探测器、高精度光学仪器等正常工作的必要条件。常见的制冷循环类型包括J-T、Brayton、Stirling、脉冲管制冷机（Pulse Tube）、G-M等。小型化、长寿命、低振动、高效率是发展趋势。已有CubeSat任务（如Lunar IceCube）搭载了微型低温冷却器。代表性供应商及产品见表7-12（如Lockheed Martin MICRO系列、AIM SF070、Ricor K508N）。

对比了几种常见的低温冷却器工作原理示意图，包括J-T节流、Brayton、Stirling、脉冲管和G-M循环。(来源: NASA)

3、热电冷却器（TECs）：基于帕尔贴（Peltier）效应的固态制冷器件，无运动部件、结构紧凑。优点是可靠、无噪声。缺点是效率相对较低，尤其在大温差和低温（<130K）下性能受限，且对应力敏感、易碎。商业产品见表7-13。

4、流体回路（Fluid Loops）：

• 泵送流体回路（Pumped Fluid Loop, PFL）： 利用机械泵驱动循环工质传热。
• 代表性系统：主动热架构（Active Thermal Architecture, ATA）（图7.13, 7.14）：针对6U及以上CubeSat设计，包含一个由微型泵驱动的单相流体回路（MPFL）和低温冷却器。利用超声波增材制造（UAM）技术实现结构-热控一体化。
  
  
  
  

ATA系统工作原理的概念示意图，展示了包含微型泵、热交换器、流体接头、散热器和低温冷却器的两级热控架构。(来源: CSE/USU/NASA/JPL)

ATA系统的硬件照片，包括CubeSat原型机、子系统测试设置、UAM制造的散热器和热交换器，以及用于载荷隔离的Kevlar部件。(来源: CSE/USU/NASA/JPL)

• Mini-MPL和焦耳-汤姆逊微型低温冷却器回路也在表7-14中列出。
  
  
  
  

03

发展趋势

小型卫星热管理技术正面临着日益增长的任务需求（例如更高的功率密度、更精密的仪器温度控制）和平台固有资源限制（质量、体积、功耗）的双重压力。本次基于NASA文件的综述展示了当前应对这些挑战的主流技术路径：

• 被动技术持续优化： 涂层、先进碳基热带、紧凑型热管（如振荡热管、扁平热管）、相变储能单元等技术，凭借其高可靠性和低资源消耗的优势，仍是小型卫星热设计的基础。通过新材料应用和结构创新（如可展开散热器、多功能结构），其性能边界在不断拓展。
• 主动技术小型化与集成化： 针对更高热负荷和精密温控需求，微型加热器、微型低温冷却器、TEC以及紧凑型泵送流体回路（如ATA系统展示的集成化设计）的应用逐渐增多，尤其是在需要主动调节或实现极低温度的场景。增材制造等先进工艺为实现更高程度的系统集成提供了可能。
• 系统级权衡的重要性： 高效的热设计越来越依赖于与结构、电源、姿态控制等子系统的紧密耦合和全系统级的优化分析。
  
  
  
  

小型卫星的热管理是一个动态发展的领域。设计者需要在严格的边界条件下，综合评估并创新应用各类被动与主动热控制技术及其组合，以满足未来空间任务多样化且日益严苛的需求。

看起来不错，谢谢分享