Микросистема терморегулирования малых космических аппаратов Российский патент 2020 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к устройствам микросистемной техники и может быть использовано для систем терморегулирования малых космических аппаратов (КА), отдельных блоков больших КА и систем, предохраняющих участки поверхности КА от воздействия солнечного излучения.

Из уровня техники известны жалюзи, установленные над радиаторами космического аппарата ROSETTA S/C (https://www.esa.int/speacinimages/Images/2015/08/Rosetta_thermal_louvres). Конструкция жалюзи платформы Rosetta SENER состоит из обрамленного массива (397 x 430 mm) сильно отражающих лопастей, которые поворачиваются чувствительным к температуре приводами. Новые приводы представляют собой триметаллические спиральные пружины, заключенные в корпус, который хорошо изолирован от внешней среды, но который поддерживает хороший тепловой контакт с монтажной панелью, требующей терморегулирования.

Недостатками системы являются сложность и большие массогабаритные характеристики конструкции, не позволяющие применить ее для МКА и «неправильный» алгоритм работы при освещении солнцем жалюзи открываются, а не закрываются.

Из уровня техники известно также микроэлектромеханическое устройство (US6538796, опубл. 25.03.2003), которое содержит миниатюрные механические жалюзи, называемые жалюзи микроэлектромеханических систем (MEMS), используются для достижения функции терморегулирования космических аппаратов и приборов. Жалюзи MEMS представляют собой еще одну форму покрытия с регулируемым коэффициентом излучения и используют микроэлектромеханическую технологию. В функции, аналогичной традиционным макроскопическим тепловым жалюзи, жалюзи MEMS по настоящему изобретению изменяют излучательную способность поверхности. В жалюзи MEMS, как и в традиционных макроскопических жалюзи, механическая лопасть или окно открываются и закрываются, чтобы обеспечить изменяемый радиационный обзор пространства.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, энергозатратность, обусловленная необходимостью дополнения системы активным приводом, организующим линейное перемещение точки приложения усилий, а также технологически сложным сочленением шторок с рычагами и поверхностью основания, на котором они расположены. Кроме того, к недостаткам можно отнести низкую эффективность работы за счет, неполного раскрытия шторок и значительные потери КПД на трение между рычагами и поверхностью основания.

Наиболее близким аналогом заявленного устройства является микроструктурная система терморегулирования космического аппарата (RU2465181, опубл. 10.03.2011). Согласно известному техническому решению терморегуляция осуществляется за счет углового перемещения отражающих экранов, являющихся также тепловыми микроактюаторами. В результате теплового воздействия на деформируемую структуру актюатора, происходит расширение/сужение материалов, входящих в его состав, что и приводит к изменению углового положения последнего относительно неподвижного основания, тем самым изменяется площадь отражающей поверхности, скрытой под актюатором и уменьшается температура защищаемой поверхности.

К недостаткам известной конструкции относится, прежде всего, низкая эффективность, связанная с малым изменением углового положения актюатора.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение эффективности и работоспособности системы, а также упрощение технологии её изготовления.

Технический результат достигается за счет создания микросистем терморегулирования малых КА, отдельных блоков выходящих за габариты больших космических аппаратов, и систем, предохраняющих участки поверхности КА от воздействия солнечного излучения. Система содержит кремниевую плату, состоящую из неподвижной рамки, приклеиваемой с помощью клея с малым коэффициентом теплопроводности к поверхности, подвижных элементов, имеющих форму створок жалюзи, с нанесенным на их внешнюю сторону металлическим покрытием с высоким коэффициентом отражения, шарниров, соединяющих створки жалюзи с неподвижной рамкой, выполненных из полиимидной пленки, с тем же металлическим покрытием, биморфных актюаторов, закрепленных основаниями на неподвижной рамке; гибкую полиимидную связку, армированную кремниевыми балками, соединяющую хвостовики актюаторов со створками жалюзи, участки с высокой поглощательной способностью солнечного излучения и малой излучательной способностью сформированные на хвостовиках и основаниях биморфных актюаторов, при этом подвижные элементы «заземлены» на корпус космического аппарата через металлизированные шарниры и сформированные в неподвижной рамке токопроводящие отверстия «заземляющие» на корпус космического аппарата подвижные элементы, имеющие форму створок жалюзи и терморегулирующее покрытие с высокой излучательной способностью в инфракрасном (ИК) диапазоне, сформированное на поверхности КА под створками жалюзи.

В частном варианте выполнения устройства в качестве металлического покрытия внешних створок жалюзи используют алюминий или серебро.

Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими фигурами:

На фиг.1 представлена схема заявленного элемента микросистемы терморегулирования;

На фиг. 2 представлена плата с жалюзи (вид сверху);

На фиг.3 представлен биморфный актюатор;

На фиг.4 представлена армированная кремнием полиимидная связка.

Позиции на фигурах обозначают следующее:

1 – поверхность МКА;

2 – створка жалюзи;

3 – основание актюатора, с черным покрытием;

4 – хвостовик актюатора;

5 – полиимид-кремниевая изгибная структура актюатора;

6 – поворотная ось;

7 – гибкие полиимидные связки, покрытые отражающим покрытием;

8 – терморегулирующее покрытие на поверхности МКА;

9 – полиимидные шарниры с отражающим металлическим покрытием;

10 – неподвижная кремниевая рамка;

11 – кремниевый армирующий элемент (ребро жесткости);

12 – полиимидная пленка;

α – угол поворота створки жалюзи;

β – динамический угол поворота актюатора.

Заявленная микросистема терморегулирования малых космических аппаратов содержит:

– неподвижную рамку с шинами «заземления» и металлизированными отверстиями, приклеиваемую с помощью клея с малым коэффициентом теплопроводности к поверхностям малых КА или приборов;

– подвижные отражающие излучение экраны, имеющие форму створок жалюзи, с нанесенным на их внешнюю сторону металлическим покрытием с высоким коэффициентом отражения (Al, Ag);

– металлизированные шарниры, соединяющие створки жалюзи с неподвижной рамкой, выполненных из полиимидной пленки;

– биморфные актюаторы с основаниями и хвостовиками;

– гибкие полиимидные связки, армированные кремниевыми балками, соединяющие хвостовики актюаторов со створками жалюзи;

– участки с высокой поглощательной способностью солнечного излучения и малой излучательной способностью сформированные на хвостовиках и основаниях биморфных актюаторов;

– отражающие экраны, имеющие форму створок жалюзи, «заземлённые» на корпус МКА через металлизированные шарниры, шины заземления и сформированные в неподвижной рамке токопроводящие отверстия;

– сформированное на поверхности малых КА и приборов, под жалюзи терморегулирующее покрытие с высокой излучательной способностью в области инфракрасного диапазона излучения.

Заявленное изобретение способно работать в условиях дестабилизирующих факторов космического пространства (ДФКП), понижать температуру поверхности КА и его составных частей, обеспечивая закрывание отражающих поверхностей при наличии и открытие при отсутствии солнечного излучения. Для повышения эффективности устройство должно обеспечивать угол поворота отражающей поверхности створок жалюзи близкий к 90 угл. град. В качестве исполнительного элемента компонента устройства применяются биморфные полиимид-кремниевые тепловые микромеханические актюаторы.

Разработанные на данный момент актюаторы имеют малые размеры и достаточный крутящий момент для поворота отражающих поверхностей. Функционирование предлагаемых микромеханических устройств основано на большой разности температурных коэффициентов линейного расширения кремния и полиимида. Конструкция микросистемы позволяет получить большие угловые перемещения при разности температур на солнечной и теневой стороне.

Большие угловые перемещения достигаются за счет большой разницы линейных размеров актюаторов и расстояний от осей вращения жалюзи до точек закрепления гибких связок.

Принцип действия системы поясняется фиг.1 и состоит в следующем: при движении КА по орбите при нахождении жалюзи с актюаторами на солнечной стороне происходит нагрев актюаторов и, как следствие, изгиб балки актюатора и перемещение створок жалюзи, выполняющих роль отражающего зеркала в горизонтальное положение, тем самым поверхность под зеркалом со стороны солнечного излучения закрывается.

Актюаторы при нагревании (на солнце) закрывают створки жалюзи, покрытые высокоотражающим покрытием (алюминий) и отражают 90 % лучистого теплового потока; при охлаждении (в тени) – створки жалюзи открываются и за счет излучения селективных поверхностей с высокой излучательной способностью в области инфракрасного диапазона излучения понижают температуру. Поток солнечного излучения на околоземной орбите составляет 1360 Вт/м². Поглощение поверхностями с полностью закрытыми створками жалюзи, имеющими коэффициент коротковолнового поглощения алюминия составит 136 (Вт/м²).

Отражающая способность металлического покрытия жалюзи равна не менее 0,9. в горизонтальном положении оно отражает не менее 90% солнечного излучения и защищает рабочую поверхность от перегрева. При нахождении малого КА или прибора на неосвещенном участке створки находятся в поднятом положении, открывая поверхность с селективной излучательным покрытием под зеркалом.

Устройство с актюаторами представляет собой единую систему, состоящую из прямоугольной кремниевой площадки толщиной 30 мкм с алюминиевым покрытием, играющую роль зеркала, которая соединяется с кремниевой рамкой посредством гибких полиимидных перемычек-шарниров, а с актюатором посредством полиимидной связки. Для предотвращения сворачивания полиимидной перемычки под ней поперечно расположены (V-образные) кремниевые ребра жесткости.

Уменьшение температуры КА на солнечной стороне достигается за счет увеличения площади отражения поворотных жалюзи, вызванное разгибанием тепловых актюаторов при их нагреве. Изменение площади отражающей поверхности происходит по закону косинуса. Скорость изменения отражающей площади максимальна при угле α близком к 90 угл. град.

Повышение динамического угла поворота β актюатора (фиг.1) достигается за счет формирования на основаниях и хвостовиках актюаторов селективного покрытия с высокой поглощающей способностью солнечного излучения и низкой излучательной способностью в ИК диапазоне излучения.

Изменение угла поворота хвостовика актюатора зависит от разницы температур в горячем и холодном состоянии. Для увеличения разницы температур на внешней поверхности актюаторов сформированы участки с селективным покрытием с большим соотношением интегральной поглощательной способностью солнечного излучения (A_s) и малой интегральной излучательной способностью в ИК диапазоне(Ɛ).

Микромеханическая система изготавливается на стандартном оборудовании, использующемся при изготовлении микросхем, по групповой технологии. Методом формирования селективного покрытия выбрано реактивное ионное травление (РИТ) кремния по маске фоторезиста на установке плазменного травления SENTECH SI 500 при определенном соотношении концентраций SF₆ и O₂. В отличие от терморегулирующих лакокрасочных покрытий данная поверхность представляет собой кремниевые иглы, покрытые пленкой оксифторида кремния. Поверхность подвержена меньшей эрозии атомарным кислородом (основной фактор эрозии полимерных материалов на низких орбитах), чем краски, содержащие в составе органические компоненты. Плазменную обработку пластин с актюаторами можно проводить по фоторезистивной маске в едином технологическом цикле изготовления микросистемного устройства терморегулирования поверхности.

Данный технологический процесс легко встраивается в процесс изготовления системы терморегулирования. По результатам отработки травления получено покрытие, со значениями A_s=0,93; Ɛ=0,43 и соотношением As/Ɛ=2,16. Для чистого полированного кремния A_s=0,61; Ɛ=0,43 и соотношение As/Ɛ=1,42.

Температуру для идеально теплоизолированных поверхностей можно рассчитать с помощью формулы Стефана-Больцмана.

Таким образом, подбирая время реактивного ионного травления поверхностей на актюаторах можно:

– увеличить поглощение солнечного излучения актюаторами в 1,52 раза;

– поднять температуру актюаторов с 432 К до 480 К;

– увеличить угол отклонения отражающих поверхностей при солнечном излучении и без него.

Жалюзи соединены с неподвижной кремниевой рамкой с помощью металлизированных пленочных полиимидных шарниров, расположенных на оси вращения подвижной поверхности. Жалюзи приводятся в движение с помощью полиимид-кремниевых биморфных актюаторов, закрепленных основаниями на неподвижной кремниевой плате и хвостовиками соединенными с подвижными поверхностями с помощью гибкой полиимидно-кремниевой связки. Хвостовик акюатора при изменении температуры перемещается по спиральной траектории и с помощью гибкой связки передает вращающий момент на жалюзи. За счет малого расстояния от оси вращения до точки приложения силы актюатора достигается большой угол поворота подвижной поверхности.

На поверхность с помощью термоизолирующего клея наклеивается пластина, содержащее подвижные кремниевые поверхности (жалюзи) с нанесенным на внешнюю сторону отражающим покрытием.

Жалюзи соединяются электрически с «заземлением» КА через металлизированные шарниры, контактные шины, металлизированные проводящие отверстия с контактными площадками и токопроводящий клей, соединяющий контактные площадки кремниевой пластины с контактными площадками шин «заземления» КА.

На поверхности под жалюзи сформировано терморегулирующее покрытие с высокой излучательной способностью в области инфракрасного диапазона излучения.

В качестве покрытия с высокой излучательной способностью в ИК диапазоне можно использовать лакокрасочное терморегулирующее покрытие эмаль ЭКОМ 2 белую.

Таким образом:

– применение жалюзи с актюаторами позволяет изменять коэффициенты поглощения поверхностей КА при наличии/ отсутствии солнечного излучения;

– снизить лучистый тепловой поток от солнца на поверхность МКА в шесть раз;

– увеличить лучистый теплоотвод с теневой стороны КА и его составных частей;

– уменьшить температурную нестабильность малого КА или прибора на околоземной орбите.

Изобретение относится к микромеханическим устройствам преимущественно малых космических аппаратов (МКА). Микросистема содержит неподвижную кремниевую рамку (10), приклеиваемую к поверхности (1) МКА, шарнирные (6) створки жалюзи (2) с внешним высокоотражающим металлическим покрытием, а также биморфные актюаторы. Актюаторы имеют полиимид-кремниевую изгибную структуру (5), закреплены основаниями (3) на рамке (10), а хвостовиками (4) связаны со створками (2) посредством полиимидных связок (7) с отражающим покрытием. Створки заземлены на корпус МКА через металлизированные шарниры и токопроводящие отверстия в неподвижной рамке (10). Техническим результатом является увеличение эффективности, в том числе надёжности системы, а также упрощение технологии её изготовления. 1 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Микросистема терморегулирования малых космических аппаратов, содержащая кремниевую плату, состоящую из неподвижной рамки, приклеиваемой с помощью клея с малым коэффициентом теплопроводности к поверхности КА, подвижных элементов, имеющих форму створок жалюзи с нанесенным на их внешнюю сторону металлическим покрытием с высоким коэффициентом отражения, шарниров, соединяющих створки жалюзи с неподвижной рамкой, выполненных из полиимидной пленки, с тем же металлическим покрытием, биморфных актюаторов, закрепленных основаниями на неподвижной рамке, а также гибкую полиимидную связку, армированную кремниевыми балками, соединяющую хвостовики актюаторов со створками жалюзи, участки с высокой поглощательной способностью солнечного излучения и малой излучательной способностью, сформированные на хвостовиках и основаниях биморфных актюаторов, при этом подвижные элементы заземлены на корпус космического аппарата через металлизированные шарниры и сформированные в неподвижной рамке токопроводящие отверстия, заземляющие на корпус космического аппарата указанные подвижные элементы, имеющие форму створок жалюзи, под которыми на поверхности космического аппарата сформировано покрытие с высокой излучательной способностью в инфракрасном диапазоне.

2.  Микросистема терморегулирования малых космических аппаратов по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве металлического покрытия внешних створок жалюзи используют алюминий или серебро.