飞行器的散热器组、飞行器及装配散热器组的方法 |
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| 申请号 | CN201610008972.4 | 申请日 | 2016-01-06 | 公开(公告)号 | CN105775172A | 公开(公告)日 | 2016-07-20 |
| 申请人 | 波音公司; | 发明人 | 理查德·W·阿斯顿; 安娜·玛丽亚·汤姆钦斯卡; | ||||
| 摘要 | 一种 飞行器 的 散热 器组、飞行器及装配 散热器 组的方法，散热器组包括：两个间隔开的面板，包括由 纤维 增强 复合材料 构造的内面板和外面板；蜂窝状芯， 定位 于两个间隔开的面板之间；以及一个或多个 热管 ，延伸穿过蜂窝状芯。飞行器包括本体和彼此相对地操作地耦接至本体的两个散热器组。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种飞行器的散热器组，所述散热器组包括： |
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| 说明书全文 | 飞行器的散热器组、飞行器及装配散热器组的方法技术领域[0001] 本公开内容涉及一种飞行器(spacecraft)散热器。 背景技术[0002] 飞行器包括数目庞大的装置，诸如，产生热量的电子装置。该热量必须消散，并且因为太空中基本上没有空气，热量必须散发到外太空。飞行器(诸如，卫星)通常包括将电器和其他装置的热量吸取到飞行器的外表面的散热器组(radiator panel)。散热器组的热膨胀及收缩可能会影响飞行器的通信装置定向至地球和/或定向至另一飞行器或外太空的其他物体的精确度。对于一些飞行器，通信装置的精确定向对其功能是重要的。从历史的观点上说，散热器组由具有相似的热膨胀系数(CTE)的材料构造，以便最小化由于热失衡导致的散热器组的扭曲，从而最小化对通信装置的定向的影响。此外，历史上散热器组已被用作用于由散热器组所支撑的电子装置(包括通信装置)的接地或自动返回装置(power return)。因此，在历史上电热器组由夹在铝面板(face-sheet，夹层结构的面板，层压材料面板)之间的铝蜂窝状芯以及由延伸穿过该芯的铝热管构造。 发明内容 [0003] 在本文中公开了飞行器的散热器组、装配飞行器的散热器组的方法、飞行器、以及装配飞行器的方法。散热器组包括两个间隔开的面板，两个间隔开的面板包括由纤维增强复合材料构造的内面板和外面板；定位于两个间隔开的面板之间的蜂窝状芯；以及延伸穿过蜂窝状芯的一个或多个热管。在一些散热器组中，面板的纤维增强复合材料包括两种不同类型的纤维。在一些散热器组中，面板的纤维增强复合材料包括碳纤维和硼纤维。飞行器包括本体和可操作地耦接至本体且彼此相对的两个散热器组。附图说明 [0004] 图1是包括根据本公开内容的两个散热器组的示例性飞行器的等距视图。 [0005] 图2是示出根据本公开内容的散热器组的示意性侧视图。 [0006] 图3是示出根据本公开内容的散热器组的面板的单个层片的示意性侧视图。 [0007] 图4是示意性地示出根据本公开内容的方法的流程图。 具体实施方式[0008] 在本文中公开了飞行器的散热器组、装配飞行器的散热器组的方法、飞行器、以及装配飞行器的方法。图1示出了卫星12形式的示例性飞行器10，其包括两个散热器组14。然而，其他类型的飞行器10在本公开内容的范围内，并且散热器组14不限于与卫星一起使用，更不必说在图1中示出的和在本文中所描述的示例性卫星12。飞行器10和卫星12包括结构本体16，散热器组14和其他装置可操作地安装于该结构本体。在卫星12的所示出的实例中，结构本体16包括柱形芯18、上部板20、下部板22、左加强件24、右加强件26、上天线支架28、以及下天线支架30。散热器组14包括可操作地耦接至上部板20、左加强件24、下部板22、上天线支架28、以及下天线支架30的左散热器组14并包括可操作地耦接至上部板20、右加强件26、下部板22、上天线支架28、以及下天线支架30的右散热器组14。总体地，卫星12的散热器组14和结构本体16可描述为飞行器航天器(spacecraft bus)32，该航天器32用于将各种载运物34携带到外太空。但示出的且描述的航天器32的构造是飞行器10和卫星12的一个实例，其仅提供为说明的目的，并不将本公开内容限制到示出的实例。在美国专利申请公开号2014/0239124中公开了可适用于飞行器航天器32的构造的另外的实例。 [0009] 飞行器10和卫星12的载运物34可以根据飞行器10的最终应用采取任何合适的形式和构造。例如，载运物34可以包括各种通信装置36，包括(但不限于)天线馈线38和天线反射器40。至少，卫星12的载运物34典型地包括可操作地安装到散热器组14的内侧的电子设备42。因此，电子设备产生的热量被传导至散热器组14，其进而将热量散发到外太空。载运物34另外可以包括安装到散热器组14的外侧的结构，例如(但不限于)太阳能电池组44，如在图1中示出的。 [0010] 由于散热器组14限定卫星12的结构部件，所以它们的热稳定性对确保通信装置36如所期望的起作用是至关重要的。例如，第一通信装置(诸如天线馈线38的形式)相对于第二通信装置(诸如天线馈线38所指向的天线反射器40的形式)的位置对通信装置因而对卫星12的效率都是至关重要的。因此，包括散热器组14的航天器32可构造为即使当散热器组14经受明显热变化时也维持两个通信装置36之间的期望位置关系。可以就通信装置相对于航天器32的附接点的移动来描述该期望位置关系。使用天线实例，天线馈线38可在第一机架46处相对于结构本体16耦接，并且天线反射器40可在第二机架48处相对于结构本体16耦接。当卫星12的散热器组14的一者或两者经受在-50-100℃、-20-100℃、-20-80℃、0-100℃、10-100℃、20-100℃、50-100℃、和/或20-80℃中的一个或多个的范围内的最低温度与最高温度之间的温度变化时，第一机架可以相对于第二机架移动、旋转、或枢转小于0.1度、小于0.08度、小于0.06度、或者小于0.04度。上述范围的任意组合在本公开内容的范围内。 此外或可替换地，当散热器组14的一者或两者以在100-5000瓦特、100-2500瓦特、500-5000瓦特、和/或500-2500瓦特中的一个或多个的范围内的速度开始散热时(即，从零瓦特至列举范围之一内)，第一机架可以相对于第二机架移动、旋转、或枢转小于0.1度、小于0.08度、小于0.06度、或者小于0.04度。上述范围的任意组合在本公开内容的范围内。作为示例性非排他的实例，当散热器组14以在100-5000瓦特的范围内的速度散热和/或经受在-50-100℃的范围内的最低温度与最高温度之间的温度变化时，第一机架可以移动、旋转、或枢转小于 0.1度。 [0011] 现在转向图2，示意性地示出散热器组14的实例。虽然没有要求，但散热器组14总体上是平面的和矩形的。散热器组14包括两个间隔开的面板50、定位在面板50之间的蜂窝状芯52以及穿过面板50之间的蜂窝状芯52延伸的一个或多个热管54。面板50包括当安装为航天器的部件时面向航天器32内侧的内面板56并包括面向航天器的外侧(该外侧朝向外太空)的外面板58。蜂窝状芯52给予散热器组结构支撑。一个或多个热管54吸取安装到内面板56的电子设备42的热量，并且将热量传递到外面板58以散发至外太空。如在图2中可选地且示意性地示出的，一个或多个结构60还可安装到外面板58，且太阳能电池组44是示例性的。 [0012] 蜂窝状芯52是由多个薄壁部分限定的结构或者限定中空单元的韧带部(ligament)。通常，虽然在所有实例中并没有要求，但单元在截面中是六边形的。散热器组 14的蜂窝状芯52可由任意合适的材料构造，包括金属、塑料、以及增强复合材料。金属的典型实例包括铝。非金属材料的典型实例包括碳纤维、酚醛树脂(phenolic)、以及芳族聚酰胺材料。如在本文中使用的，“增强复合材料”是指包括聚合物或其他粘合(binding)材料基质以及填料的材料。根据增强复合材料的期望性能，填料可以是纤维、微粒、或其他构造的材料。此外，填料可以是有序的，诸如，织物纤维或纵向排列的纤维，或者填料可以是无序的，诸如，随机排序的。填料的实例包括(但不限于)碳粒子、碳纤维、硼纤维、芳香聚酰胺纤维、玻璃纤维、和/或其他粒子和/或纤维。 [0014] 散热器组的面板50至少部分地由纤维增强复合材料构造，并且在一些实例中完全由纤维增强复合材料构造。在一些实例中，面板50可构造成多个材料层片62的层压物。例如，面板50可以包括2-10、2-8、2-6、2-4、4-10、4-8、4-6、6-10、6-8、或8-10个材料层片62；然而，面板50中还可以包括其他数量的层片62，包括比列举的范围少、比列举的范围多、以及在列举的范围内的数量。此外或可替换地，面板50可以包括至少一个金属箔层，诸如，铝箔层。在一些实例中，面板50可具有在200-1000μm、200-800μm、200-600μm、200-400μm、400-1000μm、400-800μm、400-600μm、600-1000μm、600-800μm、或800-1000μm范围内的厚度；然而，面板50的其他厚度也在本公开内容的范围内。上述范围的任意组合在本公开内容的范围内。例如，面板50可以包括2-10个层片62，从而使得面板50的厚度在200-1000μm的范围内。 [0015] 图3示意性地示出了可以用于构造面板50的纤维增强复合材料的示例性层片62。 [0016] 在面板50的一些实例中，纤维增强复合材料可以包括在粘合材料68的基质内的一组纤维66和一组纤维64，且纤维64在一个或多个性能或特性上与纤维66不同。 [0017] 例如，在面板50的一些实例中，纤维64的平均直径可与纤维66的平均直径不同。例如，纤维66的平均直径可以是纤维64的平均直径的至少2、至少4、至少6、至少8、2-10、2-8、2-6、2-4、4-10、4-8、4-6、6-10、6-8、或8-10倍。此外或可替换地，纤维64的平均直径可以在 5-20μm、5-15μm、5-10μm、10-20μm、10-15μm、或15-20μm的范围内，并且纤维66的平均直径可以在50-200μm、50-150μm、50-100μm、100-200μm、100-150μm、或150-200μm的范围内。其他平均直径以及平均直径的比率在本公开内容的范围内。上述范围的任意组合在本公开内容的范围内。例如，纤维66的平均直径可以是纤维64的平均直径的至少2倍并且具有在5-20μm的范围内的平均直径。 [0018] 在面板50的一些实例中，纤维64可以是碳纤维。在面板50的一些实例中，纤维66可以是硼纤维。 [0019] 在面板50的一些实例中，面板50和/或层片62内的纤维64的总数与纤维66的总数之比可以在100-500、100-400、100-300、100-200、200-500、200-400、200-300、300-500、300-400、或400-500的范围内；然而，在面板50和/或其层片62中还可以使用其他比率，包括在列举的范围内的比率，以及在列举的范围以下和以上的比率。 [0020] 在面板50的一些实例中，在单个层片62内，纤维64可平均间隔开在0-30μm、0-20μm、0-10μm、10-30μm、10-20μm、或20-30μm的范围内的距离。在面板的一些实例中，在单个层片62内，纤维66可平均间隔开在50-200μm、50-150μm、50-100μm、100-200μm、100-150μm、或150-200μm的范围内的距离。纤维64的上述范围中的任一项与纤维66的上述范围中的任一项的任意比率在本公开内容的范围内。例如，在单个层片62内，纤维64可平均间隔开在0-30μm的范围内的距离，并且纤维66可平均间隔开在50-200μm的范围内的距离。此外，在面板50的层片62中可以使用包括在列举的范围内以及在列举的范围以下和以上的其他间距。 [0021] 在面板50的一些实例中，纤维64可具有在-0.8-0ppm/°F范围内的热膨胀系数。在面板50的一些实例中，纤维66可具有在2-3ppm/°F范围内的热膨胀系数。可以使用纤维64的上述范围和纤维66的上述范围的任意组合。 [0022] 在面板50的一些实例中，纤维64可具有在75-1100W/m-K的范围内的热导率。在面板50的一些实例中，纤维66可具有在25-400W/m-K的范围内的热导率。可以使用纤维64的上述范围和纤维66的上述范围的任意组合。 [0023] 在面板50的一些实例中，纤维64可具有在400-800ksi的范围内的抗拉强度。在面板50的一些实例中，纤维66可具有在500-600ksi的范围内的抗拉强度。可以使用纤维64的上述范围和纤维66的上述范围的任意组合。 [0024] 在面板50的一些实例中，面板50或其层片62的纤维增强复合材料的粘合材料68可以包括环氧树脂、氰酸酯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺树脂、或酚醛树脂。此外或可替换地，粘合材料68还可以包括导热增强剂，诸如，一个或多个研磨碳纤维、碳纳米管、以及石墨纳米片。 [0025] 如上所述，根据散热器组14的特定实例，散热器组14的面板50、蜂窝状芯52、以及热管54可具有各种性能和特性。因此，总体上，散热器组14的性能和特性也可以变化。在散热器组14的一些实例中，总体上，散热器组可具有横过(across)其厚度在0.5-13ppm/°F的范围内的热膨胀系数。此外或可替换地，总体上，散热器组在平行于面板50的方向上可具有在0.25-4ppm/°F的范围内的热膨胀系数。图4示意性地提供了表示根据本公开内容的方法的示例性非排他的实例的流程图。在图4中，虚线框中示出的一些步骤表示这些步骤可以是可选的或者可以对应于根据本公开内容的方法的可选版本(version，变形)。也就是说，并非要求根据本公开内容的所有方法都包括在实线框中示出的步骤。如根据在本文中的讨论应当理解的，在图4中示出的方法和步骤是非限制性的，并且其他方法和步骤在本公开内容的范围内，包括具有大于或小于所示出的数量的步骤的方法。 [0026] 如在图4中的实线框中示意性地示出的，装配飞行器10的散热器组14的方法80包括：将内面板56操作地耦接至蜂窝状芯52，如在82中表示的；将外面板58与内面板56相对地操作地耦接至蜂窝状芯52，如在84中表示的；以及将一个或多个热管54操作地定位于内面板56与外面板58之间，如在86中表示的。 [0027] 装配飞行器10的方法90也在本公开内容的范围内，并且如在图4的92中所表示的，该方法可以包括至少将散热器组14操作地耦接至飞行器10的本体16。一些方法90还可以包括在耦接步骤92之前执行装配散热器组14的方法80。 [0028] 根据本公开内容的发明性主题的示例性非排他的实例将在下面列举的段落中描述： [0029] A.一种飞行器的散热器组，所述散热器组包括： [0030] 两个间隔开的面板，包括内面板和外面板，其中，两个间隔开的面板由纤维增强复合材料构造； [0031] 蜂窝状芯，定位于两个间隔开的面板之间；以及 [0032] 一个或多个热管，穿过蜂窝状芯延伸。 [0033] A1.根据段落A所述的散热器组，其中，蜂窝状芯由金属构造，可选地由铝构造。 [0034] A2.根据段落A-A1中任一项所述的散热器组，其中，一个或多个热管由金属构造，可选地由铝构造。 [0035] A3.根据段落A-A2中任一项所述的散热器组，其中，纤维增强复合材料包括第一组纤维和第二组纤维，其中第一组纤维与第二组纤维在至少一个特性上不同。 [0036] A3.1.根据段落A3所述的散热器组，其中，第一组纤维包括具有第一平均直径的纤维，并且其中第二组纤维包括具有与第一平均直径不同的第二平均直径的纤维。 [0037] A3.1.1.根据段落A3.1所述的散热器组，其中，第二平均直径是第一平均直径的至少2、至少4、至少6、至少8、2-10、2-8、2-6、2-4、4-10、4-8、4-6、6-10、6-8、或8-10倍。 [0038] A3.1.2.根据段落A3.1-A3.1.1中任一项所述的散热器组，其中，第一平均直径在5-20μm、5-15μm、5-10μm、10-20μm、10-15μm、或15-20μm的范围内。 [0039] A3.1.3.根据段落A3.1-A3.1.2中任一项所述的散热器组，其中，第二平均直径在50-200μm、50-150μm、50-100μm、100-200μm、100-150μm、或150-200μm的范围内。 [0040] A3.2.根据段落A3-A3.1.3中任一项所述的散热器组，其中，第一组纤维包括碳纤维，可选地基本上由碳纤维组成，可选地由碳纤维组成，并且其中第二组纤维不包括碳纤维。 [0041] A3.3.根据段落A3-A3.2中任一项所述的散热器组，其中，第二组纤维包括硼纤维，可选地基本上由硼纤维组成，可选地由硼纤维组成，并且其中第一组纤维不包括硼纤维。 [0042] A3.4.根据段落A3-A3.3中任一项所述的散热器组，其中第一组纤维的总数与第二组纤维的总数之比在100-500、100-400、100-300、100-200、200-500、200-400、200-300、300-500、300-400、或400-500的范围内。 [0043] A3.5.根据段落A3-A3.4中任一项所述的散热器组，其中，在纤维增强复合材料的单个层片内，第一组纤维的纤维平均间隔开在0-30μm、0-20μm、0-10μm、10-30μm、10-20μm、或20-30μm的范围内的距离。 [0044] A3.6.根据段落A3-A3.5中任一项所述的散热器组，其中，在纤维增强复合材料的单个层片内，第二组纤维的纤维平均间隔开在50-200μm、50-150μm、50-100μm、100-200μm、100-150μm、或150-200μm的范围内的距离。 [0045] A3.7.根据段落A3-A3.6中任一项所述的散热器组，其中，第一组纤维包括的纤维具有在-0.8-0ppm/°F的范围内的热膨胀系数。 [0046] A3.8.根据段落A3-A3.7中任一项所述的散热器组，其中，第二组纤维包括的纤维具有在2-3ppm/°F的范围内的热膨胀系数。 [0047] A3.9.根据段落A3-A3.8中任一项所述的散热器组，其中，第一组纤维包括的纤维具有在75-1100W/m-K的范围内的热导率。 [0048] A3.10.根据段落A3-A3.9中任一项所述的散热器组，其中，第二组纤维包括的纤维具有在25-400W/m-K的范围内的热导率。 [0049] A3.11.根据段落A3-A3.10中任一项所述的散热器组，其中，第一组纤维包括的纤维具有在400-800ksi范围中的抗拉强度。 [0050] A3.12.根据段落A3-A3.11中任一项所述的散热器组，其中，第二组纤维包括的纤维具有在500-600ksi范围内的抗拉强度。 [0051] A4.根据段落A-A3.12中任一项所述的散热器组，其中，内面板包括2-10、2-8、2-6、2-4、4-10、4-8、4-6、6-10、6-8、或8-10个纤维增强复合材料的层片，可选地基本上由这些数量的层片构成，可选地由这些数量的层片构成。 [0052] A4.1.根据段落A4所述的散热器组，其中，内面板还包括至少一个金属箔层，可选地铝箔层。 [0053] A5.根据段落A-A4.1中任一项所述的散热器组，其中，外面板包括2-10、2-8、2-6、2-4、4-10、4-8、4-6、6-10、6-8、或8-10个纤维增强复合材料的层片，可选地基本上由这些数量的层片构成，可选地由这些数量的层片构成。 [0054] A5.1.根据段落A4所述的散热器组，其中，外面板还包括至少一个金属箔层，可选地铝箔层。 [0055] A6.根据段落A-A5.1中任一项所述的散热器组，其中，内面板具有在200-1000μm、200-800μm、200-600μm、200-400μm、400-1000μm、400-800μm、400-600μm、600-1000μm、600- 800μm、或800-1000μm范围内的厚度。 [0056] A7.根据段落A-A6中任一项所述的散热器组，其中，外面板具有在200-1000、200-800、200-600、200-400、400-1000、400-800、400-600、600-1000、600-800、或800-1000μm范围内的厚度。 [0057] A8.根据段落A-A7中任一项所述的散热器组，其中，纤维增强复合材料包括粘合材料，该粘合材料包括环氧树脂、氰酸酯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺树脂、或酚醛树脂，可选地基本上由上述各项组成，可选地由上述各项组成。 [0059] A9.根据段落A-A8.1中任一项所述的散热器组，其中，总体上，散热器组具有横过其厚度在0.5-13ppm/°F的范围内的热膨胀系数。 [0060] A10.根据段落A-A9中任一项所述的散热器组，其中，总体上，散热器组在平行于内面板和外面板的方向上具有在0.25-4ppm/°F的范围内的热膨胀系数。 [0061] A11.根据段落A-A10中任一项所述的散热器组，其中，散热器组基本上是平面的。 [0062] A12.根据段落A-A11中任一项所述的散热器组，其中，散热器组基本上是矩形的。 [0063] A13.根据段落A-A12中任一项所述的散热器组作为飞行器的结构部件的用途。 [0064] A14.根据段落A-A13中任一项所述的散热器组改进飞行器的通信装置的精确度的用途。 [0065] B.一种飞行器，包括： [0066] 本体；以及 [0067] 根据段落A-A12中任一项所述的两个散热器组，彼此相对地操作地耦接至本体。 [0068] B1.根据段落B所述的飞行器，还包括： [0069] 第一通信装置，通过第一机架相对于本体操作地耦接；以及 [0070] 第二通信装置，通过第二机架相对于本体操作地耦接。 [0071] B1.1.根据段落B1所述的飞行器，其中，第一通信装置和第二通信装置电接地到两个散热器组。 [0072] B1.2.根据段落B1-B1.1中任一项所述的飞行器，其中，当两个散热器组中的一个或两个经受在-50-100℃、-20-100℃、-20-80℃、0-100℃、10-100℃、20-100℃、50-100℃、或20-80℃的范围内的最低温度与最高温度之间的温度变化时，第一机架相对于第二机架移动、旋转、或枢转小于0.1度、0.08度、0.06度、或0.04度。 [0073] B1.3.根据段落B1-B1.2中任一项所述的飞行器，其中，当散热器组中的一个或两个以在100-5000瓦特、100-2500瓦特、500-5000瓦特、或500-2500瓦特的范围内的速率开始散热时，第一机架相对于第二机架移动、旋转、或枢转小于0.1度、0.08度、0.06度、或0.04度。 [0074] B2.根据段落B-B1.3中任一项所述的飞行器，其中，第一通信装置包括天线馈线，其中，第二通信装置包括天线反射器，并且其中，天线馈线指向天线反射器。 [0076] B4.根据段落B-B3中任一项所述的飞行器的用途，可选地用作通信卫星。 [0077] C.一种装配用于飞行器的散热器组的方法，该方法包括： [0078] 将内面板操作地耦接至蜂窝状芯； [0079] 将外面板与内面板相对地操作地耦接至蜂窝状芯；以及 [0080] 将一个或多个热管操作地定位在内面板与外面板之间； [0081] 其中，内面板、外面板、和/或一个或多个热管包括段落A-A12中任一项的主题。 [0082] D.一种装配飞行器的方法，该方法包括： [0083] 将散热器组操作地耦接至飞行器的本体，其中，散热器组包括段落A-A12中任一项所述的主题，并且其中飞行器包括段落B-B3中任一项所述的主题。 [0084] 如在本文中使用的，术语“适于”和“构造”意指元件、部件或其他主题设计成和/或旨在执行给定功能。因此，术语“适于”和“构造”不应当解释为意指给定元件、部件或其他主题仅仅“能够”执行给定功能，而是出于执行功能的目的，具体地选择、创造、实现、利用、编排、和/或设计元件、部件和/或其他主题。同样在本公开内容范围内的是，将元件、部件、和/或阐述为适于执行特定功能的其他阐述的主题可以额外地或可替换地描述为构造成执行那个功能，反之亦然。类似地，阐述为构造成执行特定功能的主题可以额外地或可替换地描述成可操作地执行那个功能。 [0085] 各种公开的设备的元件以及在本文中公开的方法的步骤并非必须是根据本公开内容的所有设备和方法，并且本公开内容包括所有新的且非显而易见的组合以及在本文中公开的各种元件和步骤的子组合。此外，在本文中公开的一个或多个各种元件和步骤可以限定与整个公开的设备或方法分离和分开的独立发明主题。因此，并不要求这类发明主题与在本文中明确公开的具体设备和方法相关，并且可以在本文中未明确公开的设备和/或方法中发现这类发明主题的功用。 |
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