[发明专利]航天器热控制和液体动量轮一体化执行机构

说明书

技术领域

本发明涉及航天器控制，特别是涉及航天器的热控制和姿态控制，更具体 地说，本发明提供了一种模块化的航天器热控系统与能提供姿控力矩的液体动 量轮一体化的装置。

背景技术

航天器热控分系统的功能是在空间环境下维持星上设备在合适的温度范围 内，以保证星上设备正常工作。经过几十年的发展，已经有多种成熟、有效的 航天器热控制技术，主要可分为被动式和主动式两类：被动式热控主要依靠合 理的航天器总体布局，选取不同热物理性能的材料，正确地组织航天器内外的 热交换过程，使航天器的设备在高低温运行工况下都不超出允许的温度范围。 被动式热控技术主要有热控涂层、多层隔热组件、热管和相变材料等应用形式。 主动热控方法是指当航天器内、外热流状况发生变化时，通过某种自动调节系 统的动作使航天器的设备温度保持在指定范围内的热控技术，具有可调节的热 交换特性和热控制能力等优势。主动式热控技术主要包括百叶窗和可变发射率 热控器件等辐射式热控技术、接触导热开关和可控热管等导热式主动热控技术、 利用气体或流体的对流换热作用对航天器进行整体或局部热控制的对流式主动 热控技术以及闭式循环机械制冷机以及热电制冷系统等。

然而，随着航天技术的发展，以及国民经济发展和国防建设对微小型航天 器及新概念航天器的迫切需求，对航天器热控制提出了更高要求，具体体现在：

(1)传统上以被动式热控为主的航天器热控系统，为实现热控制目标，星上 设备需要按照热设计的需求进行合理布局，如发热量大的设备装在容易散热的 壁板上。然而，微小型航天器结构尺寸小和重量轻，难以提供足够的可散热壁 面用于发热设备布局，导致其热控系统设计极为困难；

(2)传统上以被动式热控为主的航天器热控系统，对航天器各设备布局、运 行轨道以及飞行任务等密切相关，各航天器热控系统都需要专门设计与研制。 国民经济发展与国防建设对各类型微小型航天器需求日益增加，为达到其“快、 好、省”的设计目标，热控系统需要改变每个航天器都要重新设计、重新研制 的传统设计方法，亟需设计一种具有很强适应能力的通用化热控系统，能够适 应飞行任务的变化所引起的结构布置和热环境的改变；

(3)航天器的标准模块化设计是降低研制成本、缩短研制周期、提高快速响 应能力的有效手段，通过标准模块化实现航天器的快速设计、集成、测试与发 射甚至是在轨维修与组装，能够快速响应重大自然灾害或局部战争等突发事件 对航天监测的需求。然而，标准模块设计时由于并不能确定其安装位置及所面 临的热环境，难以实现热控系统的模块化，进而降低了航天器的快速响应能力。

传统的航天热控技术，无论是主动式还是被动式，都无法满足上述需求， 亟需探索一种新的能够在未知热环境下可靠工作的模块化、标准化、通用化的 航天器热控系统。

以机械泵为驱动的流体循环热控是利用单相流体在管路及换热装置中的强 迫对流换热，对航天器内设备的热量进行收集、输运、排散和利用的主动热控 装置，具有热控能力强以及易于实现对分散在较大范围内的多个设备热管理等 优势，为解决上述热控制问题提供了一条可行的技术途径。

航天器姿态控制系统的功能是根据任务需求控制航天器正确指向、保持指 向轴的稳定，并根据需要改变航天器指向。姿态控制执行机构是对航天器产生 控制力矩，改变航天器姿态运动的装置，其按照姿态控制器给出的控制指令， 产生作用于航天器的力矩。目前，可用于航天器主动姿态控制的执行机构根据 原理可分为质量排出式、动量交换式以及环境场式等。其中，动量交换式是利 用航天器内部的动量发生装置与航天器星体之间的角动量交换来实现姿态控 制，具有无工质消耗、无污染以及对航天器质心运动不产生干扰等优点，以飞 轮为典型代表的动量交换式姿态控制执行机构在微小航天器上得到广泛应用。

与飞轮原理类似，以机械泵为驱动的流体工质能够产生一定的角动量，若 能够控制流体回路中流体工质的流量与流速，即可改变其角动量，进而产生航 天器姿态控制力矩，上述装置可称之为液体动量轮。

从上述分析可知，无论航天器通用化热控制还是液体动量轮，都需要机械 泵驱动的液体回路，因此若能够该部分实现共享，则将会实现航天器组部件的 多功能化，提高航天器的功能密度。但是现有技术中，航天器的热控制和姿态 控制执行机构是两套相对独立的系统，并无直接关联。

发明内容