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温差制冷[1]:卫星热控

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发表于 2022-5-31 16:07:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
人造卫星在轨运行时面对着高真空、微重力、超低温(约3K)和强辐射(太阳与地球平均距离处为1353W/m2)的极端复杂太空环境。在太空环境中,传统的风冷和重力热管技术不能使用。此外,在轨卫星绕星运动时,受空间外热流,特别是太阳辐射热流变化的影响,被周期性地加热和冷却,温度变化大,如图1所示。而星载精密仪器对温度的精度和稳定性却要求很高。例如星载望远镜一旦温度超出指标,会导致镜面曲率、折射率等参数变化,同时镜框也会发生热致形变致焦距偏离和系统失准。温差制冷技术是一种固态制冷技术,尺寸和制冷性能均可精确控制,特别适合在轨卫星所需的高精度和高稳定性热控需求 图1.jpg 图1 卫星周期绕行
某星载天基望远镜探测器组件热控系统如图2所示,可分为探测器热电制冷系统、TEC (Thermoelectric Cooler, 热电制冷器)散热系统和TEC控制系统三部分。探测器位于望远镜焦面,安装在卫星舱内,底部连接TEC散热系统进行散热;热量依次经TEC和热管运输到卫星舱外的辐射散热面,最终耗散至太空。除此以外,进行深空探测的卫星,如近火卫星,离太阳较远并且需要长时间无太阳光照射的背光工作,太阳能、锂离子电池往往无法长时间满足深空探测的特殊需求。对于这种情况,基于温差制冷中塞贝克效应的RTG(Radioisotope Thermo-electric Generator,同位素温差电池)就有了用武之地。对于热电制冷装置,如果对两端施加温差,中间就会产生电势能,从而为系统提供能源。
图2.jpg 图2 天基望远镜探测器组件热控系统(源于网络)
目前,美国与俄罗斯在深空探测领域的研究应用处于领先地位,已经基本采用同位素温差电池(图3)对深空探测卫星进行供电。国内仍处于试验设计的探索阶段,仅在探测器方面得到了一些应用,2018年,我国自主设计研制的钚238同位素温差电池成功应用于“嫦娥4号”的月球巡视器,实现我国同位素温差电池的首次空间工程应用,标志着我国空间核电源技术领域的重大突破。对于深空探测卫星,我国计划2025年发射“百千瓦级核反应堆试验星”,进行在轨演示验证。
图3.jpg 图3 典型RTG结构中热电转换器件的不同安装方式(源于网络)
图4为兰州大学开发的同位素光伏-热电耦合发电系统,旨在将上述两种发电技术进行耦合,通过温差发电技术对RTPV(Radioisotope Thermal Photovoltaic,同位素热光伏)系统中损失的热能加以利用并二次发电。这一研究的优势在于,在太阳侧可以利用光伏电能,在背光侧将光伏模块和热电模块进行耦合,将光伏电池因无法实现光电转换所沉积的热能通过热电模块进行二次发电,可提升系统的能量利用效率。
图4.jpg 图4 耦合系统能量传递过程
随着我国星载精密仪器和深空探测计划的不断发展,温差制冷和温差发电技术将在已有的基础上实现快速发展和工程应用。

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