太空任务的热管理设计

只有在相对较窄的温度范围内，航天器热控制才能高效可靠地运行。在航天器的设计中，热控系统（TCS）是在任务期间将卫星的所有部件保持在可接受的温度范围内。对高效 TCS 的需求取决于技术/功能限制以及航天器上使用的所有设备的可靠性要求。

导热系数

导热系数是一种材料特性，与材料的尺寸和形状等因素无关。任何材料的热阻取决于其面积和厚度，这是在确定系统尺寸以将热量从组件的封装传递到散热器（无论是框架还是容器）时的重要因素。

航天器需要使用超高温陶瓷。它们是一类具有极高熔化温度和良好抗热震性的陶瓷材料，可用于卫星和航天器。

在计算从元件封装到散热器的整个系统的热传输时，整体温差与各个热阻的总和成正比，包括沿材料接触面的界面电阻。

因此，电导率取决于被分析材料的物理化学特性。传递热量的能力与材料的电之间存在相关性。因此，热绝缘体通常是一种可怕的电导体。

被动设计

被动热控制不需要输入功率来在航天器或卫星中进行热调节。这可以通过使用不同的方法来实现，这些方法已被证明是可靠的，并且成本、体积、重量和风险都很低。多层绝缘 (MLI)、热涂层和热管的集成是在航天器中达到热平衡的被动方法的一些例子。

在真空中，热量通过两种方式传递：辐射和传导。小型全封闭卫星的内部环境通常以传导热量的传递为主，而能量的积累和外部环境则完全由热辐射引导。通过使用具有某些特定辐射特性的材料来控制具有热辐射的环境，这些特性通常称为太阳能吸收率（波长在约 0.3 μm 到 3 μm 的范围内）和红外发射率（从约 3 μm 到 50 μm）。

最近，柔性热带已成为控制小型航天器温度的便捷方式，因为带尺寸受到组件之间刚度降低的限制。可应用柔性导热带以允许被动热传递到散热器，并可适应任何特定的设计长度。

热管是一种闭环热传递技术，它通过温度梯度携带多余的热量，通常是从电气设备到冷却表面。它通常是散热器本身或与散热器热耦合的散热器。

主动设计

除了被动技术，主动冷却还可以提供许多优势。这些包括精确的温度控制、更快的响应以及将组件冷却到环境温度以下的可能性。主动热控制系统 (ATCS) 主要由恒温控制的电加热器、将设备散发的热量传递到散热器的流体回路和帕尔贴热电冷却器组成。

珀耳帖效应热电装置既可用作冷却装置，也可用作加热装置。它们通过塞贝克效应可逆，也可以用作发电机（例如，在太阳能电池板中）。

因此，就像固态热泵（其内部不需要流体进行热交换）一样，它主要由分别为 N 型和 P 型的两种掺杂半导体材料之间的一系列结形成——通过铜连接薄片。

珀尔帖模块使用的创新技术的一个例子是 CUI 的 arcTEC 结构，它通过在模块的电气互连和陶瓷之间加入导热树脂来抵消热电模块的热应力效应。arcTEC结构取代了传统的镀铜与陶瓷基板之间的焊接接头（图1和图2）。

图 1：一般珀耳帖结构。（图片：崔）

图 2：具有 arcTEC 结构的 Peltier 模块。（图片：崔）

这些基板的组合极大地提高了采用 arcTEC 结构制成的珀耳帖模块的可靠性、性能和循环寿命，使它们能够在最苛刻的应用中取代传统的热电冷却器。

航天器热管理的PID控制

热电控制系统包括珀耳帖元件和散热器单元、监控热板和冷板的温度传感器，以及确保所需温度在特定范围内的控制单元。

比例积分微分 (PID) 控制（一种控制回路反馈技术）是各个工业部门普遍接受的控制算法。稳健性可归因于它们的简单性和全方位的操作条件，这使设计人员能够有效地管理控制。

PID 控制由三个用积分方程表示的参数（P、I 和 D）组成。根据其状态条件和 PID 参数的良好选择，可以获得不同的系统传递函数。

在 PID 控制器运行之前，必须对其进行调整以适应要控制的过程的动态。设计人员为 P、I 和 D 项提供默认值。但是，默认值通常无法提供所需的性能，有时会导致不稳定和控制性能。有多种方法可用于微调 PID 控制器，这些方法需要操作员大量注意才能选择最佳比例增益、积分和微分值。

帕尔贴热电冷却器 (TEC) 温度控制器的一个示例是 Maxim Integrated 的 MAX1978/MAX1979 器件。该器件专为精确控制 Peltier TEC 模块的温度而设计，其高集成度可提供最少的外部组件和快速的上市时间。直接控制输出电流而不是电压以消除电流峰值。提供了一个斩波稳定仪表放大器和一个积分器来创建 PID 控制。仪表放大器可以与外部 NTC 或 PTC 热敏电阻、热电偶或半导体温度计接口（图 3）。

图 3：MAX1978/79 的功能图。（图片：Maxim Integrated）

结论

鉴于要考虑的众多变量以及可用的热材料和装配技术的多样性，应在设计新产品的初始阶段进行基于整个系统性能的热验证。与工程的所有方面一样，随着项目的进展，项目中的重大变更变得越来越昂贵、耗时和难以实施。例如，将电路板上最热的元件布置在适合更有效散热的位置，可以避免复杂的热设计或昂贵的电路板修改以及延迟推出新产品的风险。

审核编辑：汤梓红