《Acta Astronautica》：Advances in Satellite Thermal Management Systems: Challenges, Innovations, and Future Directions
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有效热管理是卫星功能的核心，需结合被动技术（如多层隔热、热涂层）和主动系统（如热管、液冷循环）应对极端太空环境。材料创新与计算模拟（如有限元法）显著提升了热性能预测精度，而小型卫星因空间受限更需高效解决方案。未来趋势聚焦智能材料、混合系统和深空探索应用。
作者：Shaik Zaidaan、Ziyad Mulla、Ruaa Nakkar、Izhar Ullah、Abrar ul Haq、Naef A.A. Qasem
沙特阿拉伯达兰市法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）航空航天工程系，邮编31261
摘要
有效的热管理是卫星功能的基础，确保其在极端太空环境中的可靠性和运行成功。本文全面回顾了卫星热管理系统的最新技术，包括被动和主动技术。被动系统如多层隔热材料（MLI）、热涂层和相变材料（PCMs）能够提供基本的温度调节效率和可靠性。相比之下，主动系统如热管、环路热管（LHPs）和机械泵送流体回路（MPFLs）能够动态适应高功率负载和变化的环境条件。文章还探讨了热管理的最新进展，例如智能材料、可变发射率涂层以及结合被动和主动技术优势的混合系统。此外，计算技术（如有限元方法（FEM）和计算流体动力学（CFD）的集成显著提高了热性能的预测能力。通过热真空测试进行实验验证也被认为是完善和确保系统准确性的关键步骤。通过整合材料、技术和建模方法的进步，本文强调了卫星热管理领域的新兴趋势和挑战。研究结果突显了混合系统、材料创新和计算建模在应对下一代卫星任务不断变化的需求方面的重要性。提出了未来研究的方向，以指导这一重要领域的持续发展。
引言
卫星系统的热管理是航天器设计和运行的关键方面，确保所有机载组件在其所需的温度范围内最佳运行。在太空这种恶劣环境中，温度可能在极热和极冷之间剧烈波动，由于缺乏对流作为热传递机制，因此需要创新的热管理解决方案。有效的热管理对于维持卫星的可靠性、性能和寿命至关重要，保护电子设备、传感器和推进系统免受过热或冻结的影响。在月球表面、深空任务以及内太阳层（比地球轨道更靠近太阳）的太阳物理学任务等环境中，这一问题更加具有挑战性，因为航天器会受到太阳辐射、行星反照率和日食等多种热负荷的影响。
文献中已经充分证明了热控制在太空中的重要性，大量研究集中在辐射热传递机制、被动热系统（如MLI和热涂层）以及主动系统（如热管、热辐射器和先进的两相热回路）上。以往的综述文章主要探讨了热管理的个别方面，如特定子系统或任务特定要求。这导致了缺乏综合性的综述，这些综述未能涵盖航天器热管理的各种解决方案、进展和挑战。本文通过提供热管理策略、技术及其在各种太空任务中的应用的全方位回顾，填补了这一空白。
本文的范围包括对被动和主动热管理系统的深入分析、太空真空中的散热挑战，以及材料科学进步在提高热性能中的作用。不同航天器热技术的时间线以及公开文献中的出版物数量在图1(a)中展示。此外，还研究了新兴技术，如自适应辐射器、热电发电机和相变材料，以及适用于极端环境（包括月球、火星和深空任务）的热管理策略。通过综合以往研究的发现，本文确定了关键趋势、技术进步和现有限制，并为航天器热控制的未来发展提出了一个全面的框架。
卫星系统的热挑战
太空环境对卫星的设计和运行提出了重大挑战，尤其是无人地球轨道卫星。卫星在没有大气层的恶劣环境中运行，因此需要先进的热控制系统来正常运行并延长其组件的寿命。主要挑战包括应对极端温度变化、管理复杂的热传递过程，以及选择能够在太空条件下承受考验的材料。
热管理技术
鉴于第2节讨论的太空环境的严峻热挑战，特别是缺乏大气对流、极端的热循环和辐射危害，有必要研究为缓解这些挑战而开发的工程策略。热控制系统的选择直接受到这些环境限制和卫星特定功率需求的驱动。
航天器在极端环境中运行，从极热到极冷的环境都有涉及。
热控制中的材料创新
在太空中实现高效热管理，需要能够最大化热传输和温度调节的现代材料。本节探讨了重要创新：用于热稳定性的相变材料（PCMs）、用于改善组件间导热性的导热界面材料（TIMs），以及用于提高散热器效率的高导电性复合材料。通过解决航天器遇到的严峻热挑战，这些材料确保了在具有挑战性条件下的可靠性能。
卫星热管理的最新进展
卫星热管理的最新进展得益于更复杂的太空任务需求、卫星组件小型化趋势以及提高能源效率的推动。这些创新不仅仅是微小的改进；它们代表了在恶劣太空环境中处理热量的重大飞跃。现在的卫星面临着比以往更极端的温度条件、更高的功率输出和更长的任务持续时间。
建模和仿真方法
建模和仿真方法是推进卫星热管理系统的重要手段，为分析、预测和优化在恶劣太空环境中的热行为提供了基础[2]。随着卫星变得越来越复杂，具有更高功率的有效载荷、小型化组件和日益复杂的热需求，计算建模对于准确的温度预测和高效的热控制策略变得至关重要。
小型卫星的热管理
由于有效载荷功率密度的增加和有限的物理资源，小型卫星的热管理已成为一个关键子系统。与大型航天器不同，特别是立方体卫星（CubeSats），它们的散热器表面积受限，加热器功率预算较低，专用热硬件的体积也有限。高吞吐量通信、机载GPU和雷达载荷等趋势加剧了这些挑战，可能导致功率需求增加。
案例研究
本节讨论了在轨性能、长期运行经验以及从任务失败中吸取的教训。为了弥合理论热架构与实际运行现实之间的差距，本节研究了展示了太空热工程成功和失败的标志性任务。
未来趋势和研究方向
卫星热管理的未来在于集成自适应、智能和多功能系统。从先进材料和AI驱动的控制到混合热动力系统，研究正在推动热控制系统所能实现的边界，为下一代深空探索和可持续卫星运营铺平道路。卫星热管理的未来趋势和研究方向可以大致分为四个主要领域：
结论
本文总结了当前卫星热管理系统的现状，并强调了航天器架构的根本性范式转变。从静态的、过大的被动设计向动态的、质量效率高的主动解决方案的转变。虽然传统的被动技术如MLI和OSRs仍然是大型地球静止平台的可靠基础，但分析表明，它们越来越无法满足现代低地球轨道（LEO）卫星的高功率密度需求。
作者贡献声明
Naef A.A. Qasem：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。
Abrar ul Haq Baluch：撰写——审稿与编辑、数据整理、方法论。
Izhar Ullah：撰写——审稿与编辑、数据整理。
Ruaa Nakkar：撰写——初稿撰写、正式分析、数据整理。
Ziyad Mulla：撰写——初稿撰写、调查、正式分析、数据整理。
Shaik Zaidaan：撰写——初稿撰写、调查、正式分析、数据整理
未引用的参考文献
[4], [36], [37], [108], [109], [165], [167], [188], [189], [190]。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本作品期间，作者使用了ChatGPT（版本5.2，OpenAI）和Grammarly Premium来进行语言编辑和拼写错误检测。使用这些工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本出版物基于法赫德国王石油与矿业大学的支持。KFUPM的Naef A.A. Qasem博士感谢研究学院在Grant No. DUP2502项目下的支持。
