只有在相對較窄的溫度范圍內(nèi)，航天器熱控制才能高效可靠地運(yùn)行。在航天器的設(shè)計(jì)中，熱控系統(tǒng)（TCS）是在任務(wù)期間將衛(wèi)星的所有部件保持在可接受的溫度范圍內(nèi)。對高效 TCS 的需求取決于技術(shù)/功能限制以及航天器上使用的所有設(shè)備的可靠性要求。

導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是一種材料特性，與材料的尺寸和形狀等因素?zé)o關(guān)。任何材料的熱阻取決于其面積和厚度，這是在確定系統(tǒng)尺寸以將熱量從組件的封裝傳遞到散熱器（無論是框架還是容器）時(shí)的重要因素。

航天器需要使用超高溫陶瓷。它們是一類具有極高熔化溫度和良好抗熱震性的陶瓷材料，可用于衛(wèi)星和航天器。

在計(jì)算從元件封裝到散熱器的整個(gè)系統(tǒng)的熱傳輸時(shí)，整體溫差與各個(gè)熱阻的總和成正比，包括沿材料接觸面的界面電阻。

因此，電導(dǎo)率取決于被分析材料的物理化學(xué)特性。傳遞熱量的能力與材料的電之間存在相關(guān)性。因此，熱絕緣體通常是一種可怕的電導(dǎo)體。

被動(dòng)設(shè)計(jì)

被動(dòng)熱控制不需要輸入功率來在航天器或衛(wèi)星中進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。這可以通過使用不同的方法來實(shí)現(xiàn)，這些方法已被證明是可靠的，并且成本、體積、重量和風(fēng)險(xiǎn)都很低。多層絕緣 (MLI)、熱涂層和熱管的集成是在航天器中達(dá)到熱平衡的被動(dòng)方法的一些例子。

在真空中，熱量通過兩種方式傳遞：輻射和傳導(dǎo)。小型全封閉衛(wèi)星的內(nèi)部環(huán)境通常以傳導(dǎo)熱量的傳遞為主，而能量的積累和外部環(huán)境則完全由熱輻射引導(dǎo)。通過使用具有某些特定輻射特性的材料來控制具有熱輻射的環(huán)境，這些特性通常稱為太陽能吸收率（波長在約 0.3 μm 到 3 μm 的范圍內(nèi)）和紅外發(fā)射率（從約 3 μm 到 50 μm）。

最近，柔性熱帶已成為控制小型航天器溫度的便捷方式，因?yàn)閹С叽缡艿浇M件之間剛度降低的限制。可應(yīng)用柔性導(dǎo)熱帶以允許被動(dòng)熱傳遞到散熱器，并可適應(yīng)任何特定的設(shè)計(jì)長度。

熱管是一種閉環(huán)熱傳遞技術(shù)，它通過溫度梯度攜帶多余的熱量，通常是從電氣設(shè)備到冷卻表面。它通常是散熱器本身或與散熱器熱耦合的散熱器。

主動(dòng)設(shè)計(jì)

除了被動(dòng)技術(shù)，主動(dòng)冷卻還可以提供許多優(yōu)勢。這些包括精確的溫度控制、更快的響應(yīng)以及將組件冷卻到環(huán)境溫度以下的可能性。主動(dòng)熱控制系統(tǒng) (ATCS) 主要由恒溫控制的電加熱器、將設(shè)備散發(fā)的熱量傳遞到散熱器的流體回路和帕爾貼熱電冷卻器組成。

珀耳帖效應(yīng)熱電裝置既可用作冷卻裝置，也可用作加熱裝置。它們通過塞貝克效應(yīng)可逆，也可以用作發(fā)電機(jī)（例如，在太陽能電池板中）。

因此，就像固態(tài)熱泵（其內(nèi)部不需要流體進(jìn)行熱交換）一樣，它主要由分別為 N 型和 P 型的兩種摻雜半導(dǎo)體材料之間的一系列結(jié)形成——通過銅連接薄片。

珀?duì)柼K使用的創(chuàng)新技術(shù)的一個(gè)例子是 CUI 的 arcTEC 結(jié)構(gòu)，它通過在模塊的電氣互連和陶瓷之間加入導(dǎo)熱樹脂來抵消熱電模塊的熱應(yīng)力效應(yīng)。arcTEC結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的鍍銅與陶瓷基板之間的焊接接頭（圖1和圖2）。

圖 1：一般珀耳帖結(jié)構(gòu)。（圖片：崔）

圖 2：具有 arcTEC 結(jié)構(gòu)的 Peltier 模塊。（圖片：崔）

這些基板的組合極大地提高了采用 arcTEC 結(jié)構(gòu)制成的珀耳帖模塊的可靠性、性能和循環(huán)壽命，使它們能夠在最苛刻的應(yīng)用中取代傳統(tǒng)的熱電冷卻器。

航天器熱管理的PID控制

熱電控制系統(tǒng)包括珀耳帖元件和散熱器單元、監(jiān)控?zé)岚搴屠浒宓?a href="http://m.1cnz.cn/tags/溫度傳感器/" target="_blank">溫度傳感器，以及確保所需溫度在特定范圍內(nèi)的控制單元。

比例積分微分 (PID) 控制（一種控制回路反饋技術(shù)）是各個(gè)工業(yè)部門普遍接受的控制算法。穩(wěn)健性可歸因于它們的簡單性和全方位的操作條件，這使設(shè)計(jì)人員能夠有效地管理控制。

PID 控制由三個(gè)用積分方程表示的參數(shù)（P、I 和 D）組成。根據(jù)其狀態(tài)條件和 PID 參數(shù)的良好選擇，可以獲得不同的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

在 PID 控制器運(yùn)行之前，必須對其進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)要控制的過程的動(dòng)態(tài)。設(shè)計(jì)人員為 P、I 和 D 項(xiàng)提供默認(rèn)值。但是，默認(rèn)值通常無法提供所需的性能，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定和控制性能。有多種方法可用于微調(diào) PID 控制器，這些方法需要操作員大量注意才能選擇最佳比例增益、積分和微分值。

帕爾貼熱電冷卻器 (TEC) 溫度控制器的一個(gè)示例是 Maxim Integrated 的 MAX1978/MAX1979 器件。該器件專為精確控制 Peltier TEC 模塊的溫度而設(shè)計(jì)，其高集成度可提供最少的外部組件和快速的上市時(shí)間。直接控制輸出電流而不是電壓以消除電流峰值。提供了一個(gè)斬波穩(wěn)定儀表放大器和一個(gè)積分器來創(chuàng)建 PID 控制。儀表放大器可以與外部 NTC 或 PTC 熱敏電阻、熱電偶或半導(dǎo)體溫度計(jì)接口（圖 3）。

圖 3：MAX1978/79 的功能圖。（圖片：Maxim Integrated）

結(jié)論

鑒于要考慮的眾多變量以及可用的熱材料和裝配技術(shù)的多樣性，應(yīng)在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的初始階段進(jìn)行基于整個(gè)系統(tǒng)性能的熱驗(yàn)證。與工程的所有方面一樣，隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，項(xiàng)目中的重大變更變得越來越昂貴、耗時(shí)和難以實(shí)施。例如，將電路板上最熱的元件布置在適合更有效散熱的位置，可以避免復(fù)雜的熱設(shè)計(jì)或昂貴的電路板修改以及延遲推出新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。