一种高热流密度立方星的直插式主承力结构的设计方法

技术领域

本发明属于立方星技术领域，具体涉及一种高热流密度立方星的直插式主承力结构设计方法。

背景技术

随着科技的不断进步，基于航天的通信、导航、遥感等技术已成为了信息时代的标志性技术，基于航天器的科学探测、空天安全技术，成为国际科技竞争前沿技术领域与国防安全的重要战略高地，人类对于地球观测与测量、空间攻防、星座组网等卫星应用的需求日益增多。立方体卫星以其通用化、标准化、低成本、高覆盖、研制周期短等众多大卫星无法比拟优点，获得了飞速发展，并得到了广泛应用。立方体卫星经过十余年的发展，仅在2014年的发射数量已经达到85颗之多，并入选了美国《科学》杂志2014年十大科学突破。截止2020年01月01日，全球已有1 200颗不同规格的立方星发射升空，立方星已成为航天活动的重要发展领域和新增长极。

卫星结构设计多从结构的质量、刚度、强度等方面综合考虑，结构设计要求卫星有足够的强度，和刚度，对于微小卫星来说，减轻结构重量已成为结构设计的首要任务，从过去的性能较差、质量较重的常规金属材料铝、镁合金到现在轻质、高比强度、高比模量的铝蒙皮蜂窝材料、碳/环氧复合材料卫星的结构重量已经得到了较大幅度的降低。

由于立方星集成化、紧凑化和小型化的设计特点，星载元件单机功耗达到10W以上，甚至更高，热流密度不断增加，使热控设计难度不断增大。在真空中，热量仅通过辐射和传导传递，没有对流，全封闭小卫星的内部环境通常以传导传热为主，而进出外部环境的传热是通过热辐射驱动的，电磁光谱的热辐射波段波长在0.1到100um之间。传统的立方星结构设计大多未曾考虑热控方面的诉求，而且多采用立柱支撑星内元件导致它们的接触面积十分有限，致使热传导困难，热控设计不得不使用贴铜片等方式来增加热传导，但星内空间环境紧凑、星上电性元件较多、容纳质量有限，从而给高热流密度（单机功耗10W以上）的立方星传热问题带来巨大挑战。

发明内容

本发明提出了一种高热流密度立方星的直插式主承力结构设计方法，解决了现有的立方星结构与星内元件接触面积有限而使散热困难以及安装复杂等问题。

实现本发明的技术解决方案为：一种高热流密度立方星的直插式主承力结构设计方法，步骤如下：

步骤1、根据立方星尺寸要求确定主承力结构的外形尺寸。

步骤2、根据主承力结构的外形尺寸，结合立方星框架常规设计，确定主承力结构壁厚。

步骤3、设计主承力结构：

所述主承力结构包括一体成型的立方形框架、背阴面壳体、若干个U型PCB板安装槽，以及一个通过螺栓固定在立方形框架顶面的端盖。背阴面壳体位于立方形框架的背阴面上，若干个U型PCB板安装槽沿立方形框架的竖直方向间隔分布，每个U型PCB板安装槽的封闭端位于背阴面壳体内壁，两个侧臂位于与立方形框架背阴面相邻的两个平行侧面上。每个U型PCB板安装槽上卡装一块PCB板。

步骤4、将背阴面作为主要散热面，背阴面壳体采用铝合金，实现背阴面的封闭。

步骤5、依据最顶层的PCB板上大功率密度电子元器件的布局，在端盖的对应位置上设置内凹台，使得内凹台底面与最顶层PCB板上大功率密度电子元器件的之间存在间隙，在上述间隙中填有导热界面材料。

步骤6、在背阴面壳体和端盖的朝向太空的外表面喷涂白漆涂层，主承力结构内壁均采用黑色阳极氧化处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）主承力结构设有U型PCB板安装槽（由一个PCB板接口卡条和两个L形固定卡槽组成），带有直插接口PCB板可以直接安插固定，方便星载元件之间的电气连接，使得安装过程方便简洁。

（2）将星载元件支撑结构与立方星外壳一体化，使得电气连接线路可沿背阴面结构外壳内表面有序布置。

（3）卡槽与PCB板、线路与结构外壳以及端盖内凹台与最上层PCB板可以密切接触，并设置了导热界面材料，大大提高了热传导效率，从而降低了星内元件的温度，扩展了立方卫星应用载荷的功率范围。

（4）本发明不受立方星单元数目限制，可扩展为各种标准多单元立方星。

附图说明

图1是本发明的高热流密度立方星的直插式主承力结构设计方法流程图。

图2是本发明设计的高热流密度立方星的直插式主承力结构的主视图。

图3是本发明设计的高热流密度立方星的直插式主承力结构的侧视图。

图4是背阴面结构外壳与PCB板连接处的剖视示意图。

图5是3U立方星主承力结构框架示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

结合图1~图4，一种高热流密度立方星的直插式主承力结构设计方法，步骤如下：

步骤1、根据立方星尺寸要求确定主承力结构的外形尺寸，如本示例采用1U立方星标准模型，故主承力结构的外形尺寸为100*100*100mm。

步骤2、根据主承力结构的外形尺寸，结合立方星框架常规设计，确定主承力结构壁厚为2mm，以保证结构基本的强度和刚度要求。

步骤3、设计主承力结构：

所述主承力结构包括一体成型的立方形框架1、背阴面壳体2、若干个U型PCB板安装槽3，以及一个通过螺栓固定在立方形框架顶面的端盖4。背阴面壳体2位于立方形框架的背阴面上，若干个U型PCB板安装槽3沿立方形框架的竖直方向间隔分布，所述U型PCB板安装槽3由一个PCB接口卡条和两个L形固定卡槽构成，每个U型PCB板安装槽3的封闭端（由L形固定卡槽的短臂与PCB板接口卡条形成）位于背阴面壳体2内壁，安装槽3开口端设置有定位螺孔，两个侧臂（即L形固定卡槽的长臂）位于与立方形框架背阴面相邻的两个平行侧面上。

步骤3.1、每个U型PCB板安装槽3上卡装一块PCB板5，所述PCB板5背阴面一侧等距离分布有若干直插接口7，PCB板5的两侧沿两个L形固定卡槽插入，并通过穿装在卡槽定位螺孔上的螺栓固定，安装便捷。

步骤3.2、 PCB接口卡条的下表面对应倒立开设与PCB板3的直插接口7相等数量的槽口6，用于星内元件之间的电气连接，电气连接线路均沿背阴面壳体2内壁面有序布置，PCB板接口卡条两端与两个L形固定卡槽的短臂相连，短臂突出高度为3mm，确保PCB板接口卡条与背阴面之间有足够间隙布置电气连接线路，所述槽口6内壁与直插接口7之间通过过盈配合并贴合有防滑垫块，确保直插接口7的安装稳固。

步骤3.3、U型PCB板安装槽3上的每个卡槽的高度较其内卡装的PCB板5高0.25～0.5mm，以填装导热界面材料。每个卡槽的深度为2mm，以增加接触面积且不至于占用过多空间。依据PCB板5的数量确定U型PCB板安装槽3的数量。依据PCB板5及其上电子元器件的高度确定上下相邻的U型PCB板安装槽3的间距。

步骤4、所述立方形框架1、U型PCB板安装槽3及端盖4为铝合金材质。将立方形框架1的背阴面作为主要散热面，背阴面壳体2采用铝合金，实现背阴面的封闭，顶部由端盖4封闭，其余面均采用双面玻纤板（FR-4)或吕蒙皮材料覆盖。立方形框架1、背阴面壳体2、U型PCB板安装槽3一体成型，用以支撑安装星内元件，端盖4通过螺栓连接安装到结构框架上，相较于传统的四螺杆固定支撑星内元件大大增加了热传导面积。

步骤5、依据最顶层的PCB板5上大功率密度电子元器件的布局，在端盖4的对应位置上设置内凹台，使得内凹台底面与最顶层PCB板上大功率密度电子元器件的之间存在0.25～0.5mm的间隙，所有星载元件中功率密度最大的PCB板5适合设置在最顶部，使大功耗载荷通过热传导的方式快速散热。

步骤6、在每个U型PCB板安装槽3内壁之间以及端盖4与最上层PCB板接触处设置厚度为0.25～0.5mm的导热界面材料，如导热硅胶、绝缘导热垫等，以减小结构与PCB板之间的热阻，同时避免导电的可能。在背阴面壳体2和端盖4的朝向太空的外表面喷涂白漆涂层，所述白漆涂层具有低太阳吸收率(0.17)、高红外发射率(0.9)，如S781白漆，KS-ZA白漆等，将传导至外壳的热量大量辐射到环境温度较低的太空中。主承力结构内壁均采用黑色阳极氧化处理，以增强内部的辐射换热。

结合图5，本发明不受立方星单元数目限制，可扩展为各种标准多单元立方星，扩展后的多单元主承力结构仅在顶部设置端盖4，相邻两个单元的连接处不设置端盖4。