只有在相對較窄的溫度范圍內，航天器熱控制才能高效可靠地運行。在航天器的設計中，熱控系統（TCS）是在任務期間將衛星的所有部件保持在可接受的溫度范圍內。對高效 TCS 的需求取決于技術/功能限制以及航天器上使用的所有設備的可靠性要求。

導熱系數

導熱系數是一種材料特性，與材料的尺寸和形狀等因素無關。任何材料的熱阻取決于其面積和厚度，這是在確定系統尺寸以將熱量從組件的封裝傳遞到散熱器（無論是框架還是容器）時的重要因素。

航天器需要使用超高溫陶瓷。它們是一類具有極高熔化溫度和良好抗熱震性的陶瓷材料，可用于衛星和航天器。

在計算從元件封裝到散熱器的整個系統的熱傳輸時，整體溫差與各個熱阻的總和成正比，包括沿材料接觸面的界面電阻。

因此，電導率取決于被分析材料的物理化學特性。傳遞熱量的能力與材料的電之間存在相關性。因此，熱絕緣體通常是一種可怕的電導體。

被動設計

被動熱控制不需要輸入功率來在航天器或衛星中進行熱調節。這可以通過使用不同的方法來實現，這些方法已被證明是可靠的，并且成本、體積、重量和風險都很低。多層絕緣 (MLI)、熱涂層和熱管的集成是在航天器中達到熱平衡的被動方法的一些例子。

在真空中，熱量通過兩種方式傳遞：輻射和傳導。小型全封閉衛星的內部環境通常以傳導熱量的傳遞為主，而能量的積累和外部環境則完全由熱輻射引導。通過使用具有某些特定輻射特性的材料來控制具有熱輻射的環境，這些特性通常稱為太陽能吸收率（波長在約 0.3 μm 到 3 μm 的范圍內）和紅外發射率（從約 3 μm 到 50 μm）。

最近，柔性熱帶已成為控制小型航天器溫度的便捷方式，因為帶尺寸受到組件之間剛度降低的限制。可應用柔性導熱帶以允許被動熱傳遞到散熱器，并可適應任何特定的設計長度。

熱管是一種閉環熱傳遞技術，它通過溫度梯度攜帶多余的熱量，通常是從電氣設備到冷卻表面。它通常是散熱器本身或與散熱器熱耦合的散熱器。

主動設計

除了被動技術，主動冷卻還可以提供許多優勢。這些包括精確的溫度控制、更快的響應以及將組件冷卻到環境溫度以下的可能性。主動熱控制系統 (ATCS) 主要由恒溫控制的電加熱器、將設備散發的熱量傳遞到散熱器的流體回路和帕爾貼熱電冷卻器組成。

珀耳帖效應熱電裝置既可用作冷卻裝置，也可用作加熱裝置。它們通過塞貝克效應可逆，也可以用作發電機（例如，在太陽能電池板中）。

因此，就像固態熱泵（其內部不需要流體進行熱交換）一樣，它主要由分別為 N 型和 P 型的兩種摻雜半導體材料之間的一系列結形成——通過銅連接薄片。

珀爾帖模塊使用的創新技術的一個例子是 CUI 的 arcTEC 結構，它通過在模塊的電氣互連和陶瓷之間加入導熱樹脂來抵消熱電模塊的熱應力效應。arcTEC結構取代了傳統的鍍銅與陶瓷基板之間的焊接接頭（圖1和圖2）。

圖 1：一般珀耳帖結構。（圖片：崔）

圖 2：具有 arcTEC 結構的 Peltier 模塊。（圖片：崔）

這些基板的組合極大地提高了采用 arcTEC 結構制成的珀耳帖模塊的可靠性、性能和循環壽命，使它們能夠在最苛刻的應用中取代傳統的熱電冷卻器。

航天器熱管理的PID控制

熱電控制系統包括珀耳帖元件和散熱器單元、監控熱板和冷板的溫度傳感器，以及確保所需溫度在特定范圍內的控制單元。

比例積分微分 (PID) 控制（一種控制回路反饋技術）是各個工業部門普遍接受的控制算法。穩健性可歸因于它們的簡單性和全方位的操作條件，這使設計人員能夠有效地管理控制。

PID 控制由三個用積分方程表示的參數（P、I 和 D）組成。根據其狀態條件和 PID 參數的良好選擇，可以獲得不同的系統傳遞函數。

在 PID 控制器運行之前，必須對其進行調整以適應要控制的過程的動態。設計人員為 P、I 和 D 項提供默認值。但是，默認值通常無法提供所需的性能，有時會導致不穩定和控制性能。有多種方法可用于微調 PID 控制器，這些方法需要操作員大量注意才能選擇最佳比例增益、積分和微分值。

帕爾貼熱電冷卻器 (TEC) 溫度控制器的一個示例是 Maxim Integrated 的 MAX1978/MAX1979 器件。該器件專為精確控制 Peltier TEC 模塊的溫度而設計，其高集成度可提供最少的外部組件和快速的上市時間。直接控制輸出電流而不是電壓以消除電流峰值。提供了一個斬波穩定儀表放大器和一個積分器來創建 PID 控制。儀表放大器可以與外部 NTC 或 PTC 熱敏電阻、熱電偶或半導體溫度計接口（圖 3）。

圖 3：MAX1978/79 的功能圖。（圖片：Maxim Integrated）

結論

鑒于要考慮的眾多變量以及可用的熱材料和裝配技術的多樣性，應在設計新產品的初始階段進行基于整個系統性能的熱驗證。與工程的所有方面一樣，隨著項目的進展，項目中的重大變更變得越來越昂貴、耗時和難以實施。例如，將電路板上最熱的元件布置在適合更有效散熱的位置，可以避免復雜的熱設計或昂貴的電路板修改以及延遲推出新產品的風險。