一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置

技术领域

本发明涉及卫星力热控制领域，特别涉及一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置。

背景技术

随着航天科技的高速发展，卫星技术也朝着集成化方向前进。在卫星承载和热控制领域，传统的散热板设计通常采用铝金属材料制成，通过表面涂层来实现散热。然而，这种设计存在一些技术局限。首先，传统的散热板结构通常较为复杂且重量较大，这会增加卫星的整体重量并影响卫星的发射和轨道调整。其次，传统散热板的热传导效率有限，无法快速有效地将热量从卫星各部件传导到散热板表面，从而影响卫星的热控制效果。随着卫星任务的不断拓展和卫星负载的增加，对卫星的散热性能提出了更高的要求。新型散热板需要具有更高的热传导效率，能够快速有效地将各部件产生的热量传导到散热板表面，并通过辐射、对流和传导等方式将热量散发出去，以保证卫星在各种环境条件下的稳定工作。其次，新型卫星散热板需要具有更轻量化的设计，以减轻卫星整体重量，提高卫星的运载效率。此外，新型散热板还需要具备较高的机械强度和刚度，以保证卫星在发射、轨道调整和工作过程中的结构稳定性和安全性。因此，目前亟需一种集成化卫星舱板集成包括高热传导效率、轻量化、高机械强度和刚度的要求，以满足卫星在不同工作环境下的稳定性和安全性要求。

专利CN112960144A公开了一种基于3D打印一体成型的舱板，舱板由3D打印技术一体成型，舱板内部有槽道热管，外部一体化打印点阵结构，内部一体化打印蜂窝芯子结构，实现了卫星舱板承载散热一体化、轻量化设计。由于3D打印技术中材料层间结合力有限，因此，该舱板的承载能力有一定局限性，且舱板外部打印点阵结构，破坏了舱板结构的完整性。

专利CN116374215A公开了一种热管点阵卫星均温板结构及其设计方法、制造方法，将立方体点阵结构桁架做成中空管状结构，内部抽负压并填充相变介质，形成具备换热能力的热管点阵结构。由于内部将热管设为点阵结构，因此，舱板内部热管数量较多，整体重量较大。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提出一种传热效率高、承载能力强的卫星舱板结构。

本发明的技术方案是：一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置，主要包括上顶板、横向热管、纵向热管、下基板和芦苇仿生点阵结构，所述的上顶板内表面平行等距预埋多根纵向热管，所述的下基板内表面平行等距预埋多根横向热管，横向热管与纵向热管相互正交，且两种热管投影重合区域外表面紧密接触，使上下板实现热耦合。所述的两板所组成的空间内交错填充有芦苇仿生点阵结构，该单胞分支臂结构类似于芦苇杆茎，分支臂内部中空且管径由每分段中部到两端逐渐增大。

优选地，本发明一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置，所述的横向热管、纵向热管均为放倒的8字型双孔结构，该结构可增大热管翅板的受热面积，提高换热效率。热管在蒸发段吸热后，内部工质蒸发吸热，气态工质扩散到冷凝段放热冷凝回液体，液体再通过热管内壁的毛细芯结构在毛细力的作用下回流到蒸发段，如此循环往复。热管整体材料为航空用7075硬铝合金，其毛细芯结构由选择性激光熔化技术一体成型，使用选择性激光熔化技术成型的毛细芯结构均匀、孔隙微小，更有利于工质的回流。

优选地，所述的横向热管、纵向热管排布间距一般建议为10cm左右，且热管分布密度建议为1个/d㎡(dm为分米)，若舱板承载单机功耗或温度有特殊要求，可适当调整其参数。

优选地，所述的横向热管、纵向热管排布数量最少3个，最多不应超过10个，热管数量过少会导致卫星单机热量无法及时传导，数量过多会增加舱板重量。

优选地，所述的横向热管、纵向热管和外贴热管，装填工质前内部均抽成负压状态，装填工质后，两端设有封闭堵头，维持热管密封状态。

优选地，所述的预埋热管安装方式为螺钉固定连接，热管翅板上预留有螺纹孔，与上顶板或下基板上对应光孔配合定位连接，螺钉连接后进行点焊处理，防止松动。

优选地，所述的芦苇仿生点阵结构以笼目(kagome)结构为骨架基础，分支臂模仿芦苇竹节结构，芦苇竹节结构具有优异的抗拉伸和弯曲性能，且有良好的韧性，不易断裂。

优选地，所述的芦苇仿生点阵结构，其单胞分支臂分段数可根据卫星实际工作过程中舱板的承载力调节，本发明专利选取为2。

优选地，所述的芦苇仿生点阵结构，其层数需根据卫星工作环境中需承载的载荷性质及热管尺寸决定，如卫星工作时需有较大刚度、热管高度尺寸加大，则可适当增加点阵结构层数。

优选地，所述的芦苇仿生点阵结构，其单胞分支臂竹段部分内部中空，且每节竹段管径中间较小，到两端管径逐渐增大，竹节部分实心。优选地，所述的芦苇仿生点阵结构，与上顶板、下基板均采用选择性激光熔化技术一体化成型技术制造，使用材料为航空用7075硬铝合金。

优选地，所述的芦苇仿生点阵结构，根据仿真结果横向对比，择优选择结构参数，其纵向高度应≤8mm，竹节部分直径取为纵向高度四分之一，竹段部分管壁厚度应大于0.1mm，纵向高度过大、壁厚过薄会使点阵结构强度不够，竹段过粗会增大点阵结构质量。

优选地，所述的横向热管、纵向热管贯通卫星舱板，且发挥加强筋板的作用。

优选地，所述的外贴热管设置在舱板外部，即下基板外表面。

优选地，所述的外贴热管安装密度根据舱板上卫星单机安装的位置决定，即在发热功率较大的单机对应侧，外贴热管安装密度大，反之密度较小。

优选地，所述的外贴热管应设置安装在相邻两横向或纵向热管之间。

本发明的优点及其增益效果为：本发明提供的一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置，通过将横向热管、纵向热管外贴互连，实现散热板上下两板热耦合。热管在轴向方向传热效率高，通过横纵热管等距均布且热管翅板正交外贴，使整块舱板充当散热面板，当舱板上安装的单机开始工作时，即有局部热源时，强制所有热管参与散热过程，利用此种半主动热控的方式，即单机热源附近热管被动散热的同时也强制所有预埋热管一同散热，大幅提高了卫星散热效率。并且较高密度排布的横纵热管可发挥加强肋板的作用，大大提高了卫星承载刚度。同时采用芦苇仿生点阵结构，其集成了芦苇优异的抗剪切和抗弯曲力学性能，进一步提升了舱板的力学性能，且内部中空结构在保证强度的同时，大幅降低了舱板质量。

附图说明

图1为本发明一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置的示意图。

图2为本发明一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置的横向热管、纵向热管布局示意图。

图3为本发明一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置的热管横截面剖视图。

图4为本发明一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置的芦苇仿生点阵结构示意图。

图5为本发明一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置的芦苇仿生点阵结构剖视图。

图中，各符号含义如下：1、上顶板；2、下基板；3、横向热管；4、纵向热管；5、芦苇仿生点阵结构；5-1、第一竹段；5-2、仿生竹节；5-3、第二竹段；6、外贴热管。

具体实施方式

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

如图1-5所示，本发明一种卫星用仿生结构承载散热舱板装置，主要包括上顶板1、下基板2、横向热管3、纵向热管4、芦苇仿生点阵结构5和外贴热管6。所述的上顶板1内表面平行等距预埋多根纵向热管4，所述的下基板2内表面平行等距预埋多根横向热管3，横向热管3与纵向热管4相互正交，且两种热管投影重合区域外表面紧密接触，使上顶板1与下基板2实现热耦合。所述的上顶板1与下基板2的两板所组成的空间内交错填充有芦苇仿生点阵结构5，该单胞分支臂结构类似于芦苇杆茎，分支臂内部中空且管径由每分段中部到两端逐渐增大。

其中横向热管3、纵向热管4及外贴热管6均为倒8字型双孔结构，该结构可增大热管翅板的受热面积，提高换热效率。其毛细芯结构由选择性激光熔化技术一体成型，使用选择性激光熔化技术成型的毛细芯结构均匀、孔隙微小，更有利于工质的回流。

横向热管3、纵向热管4排布间距一般建议为10cm左右，且热管分布密度建议为1个/d㎡，若舱板承载单机功耗或温度有特殊要求，可适当调整其参数。横向热管3、纵向热管4排布数量最少3个，最多不应超过10个，热管数量过少会导致卫星单机热量无法及时传导，数量过多会增加舱板重量。

横向热管3、纵向热管4和外贴热管6，装填工质前内部均抽成负压状态，装填工质后，两端设有封闭堵头，维持热管密封状态。

预埋热管安装方式为螺钉固定连接，热管翅板上预留有螺纹孔，与上顶板1、下基板2板上对应光孔配合定位连接。螺钉连接后进行点焊处理，防止松动。横向热管3、纵向热管4贯通卫星舱板，且发挥加强筋板的作用；外贴热管6安装密度根据舱板上卫星单机安装的位置决定，即在发热功率较大的单机对应侧，外贴热管6安装密度大，反之密度较小；外贴热管6应设置安装在相邻两横向或纵向热管之间。

本实施例中芦苇仿生点阵结构5以kagome结构为骨架基础，分支臂模仿芦苇竹节结构，芦苇竹节结构具有优异的抗拉伸和弯曲性能，且有良好的韧性，不易断裂。其单胞分支臂分段数可根据卫星实际工作过程中舱板的承载力调节，本发明专利选取为2；其层数需根据卫星工作环境中需承载的载荷性质及热管尺寸决定，如卫星工作时需有较大刚度、热管高度尺寸加大，则可适当增加点阵结构层数。其中，芦苇仿生点阵结构5其单胞分支臂竹段部分内部中空，且每节竹段管径中间较小，到两端管径逐渐增大，竹节部分实心。

芦苇仿生点阵结构5与上顶板1、下基板2均采用选择性激光熔化技术一体化成型技术制造，增加连接的可靠性，使用的材料为航空用7075硬铝合金。且其纵向高度应≤8mm，竹节部分直径优选为纵向高度的四分之一，竹段部分管壁厚度应大于0.1mm。纵向高度过大、壁厚过薄会使点阵结构强度不够，竹段过粗会增大点阵结构质量。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。