2006 年 3 月 22 日上午，美国宇航局启动了空间技术5号任务（Space Technology 5 mission）。在大约三个月的时间里，微型卫星探测了地球的磁场，收集了高质量的测量数据。除了收集科学数据，这次任务还是一个新得转折点，即微型化技术取代了传统的大型卫星任务，在太空探索中处于领先地位。在这些系统中，MEMS 技术可以作为主动热控制的一种方法。借助多物理场仿真，MEMS 技术已经得到一步改进。
太空探索技术的发展
我们看到，各种现代应用正趋向微型化发展，包括手机和电脑。进行空间探索任务的卫星设计也是如此。NASA 太空技术 5 号(ST5)任务中使用的设备只是其中的一个例子。
安装在 ST5 任务的有效载荷结构上的微型卫星。图片由美国宇航局提供。通过Wikimedia Commons在公共领域获得许可。
由于微型卫星的有效载荷很复杂，以及需要将其延伸到地球轨道之外，主动热控制非常重要。主动控制需要更多的能量，也会增加卫星的质量。设计热控制系统具有一定的挑战性，即需要满足这些功率和质量的需求，同时仍然能够以可控的方式散掉多余的热量。
考虑到这一点，NASA 在他们的 ST5 任务中使用了静电梳齿驱动器。这些驱动系统搭配了两种不同的散热器设计:一个百叶门式和一个百叶窗式置。ST5 任务有助于验证高压 MEMS 技术在热子系统中的使用。
左:百叶窗式散热器设计图。右:百叶窗散热器设计的光学显微镜图像。图片由 L. Pasqualetto Cassinis 提供，摘自他在COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。
在这些初步发现的基础上，代尔夫特理工大学（TU Delft）的一名研究人员考虑使用热驱动器来替代静电梳齿驱动器。与静电设备相比，热执行器实现以较小的施加电压产生较大位移。，并且对辐射较不敏感。为了验证它在这类应用中的潜力，并进一步优化设计，研究人员选择了 COMSOL Multiphysics®软件进行仿真。
验证在微卫星中使用热执行器的潜力
研究人员在 COMSOL Multiphysics 中建立了两个模型。第一个是百叶窗阵列的三维（3D）结构模型，这是基于其鲁棒性选择的结构。
3D 百叶窗阵列模型。图片由 L. Pasqualetto Cassinis 提供，摘自他在COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的演讲。
第二个是一个由多晶硅制成的双臂热执行器的 3D 多物理场模型——一个基于焦耳热微执行器教程的模型。施加的电压通过两个热臂产生电流，致使执行器的温度升高，温度升高会导致热膨胀，进而导致执行器弯曲。除了热臂外，热致动器还包括一个冷臂，以及将冷、热臂分开的间隙。注意，热臂比冷臂的电阻大，因此焦耳热更大。
热执行器几何模型。此图像来自热执行器的焦耳热教程文档。
为了验证热执行器模型，研究人员将仿真结果与解析结果进行了比较，并验证了输出位移是否接近 3µm 的要求。在模型中，位移为 2.54µm，与解析结果(2.11µm)接近，也接近要求的位移。注意，理论模型只包括一个热臂，这可以解释位移值的一些差异。此外，仿真结果表明温度分布一致，最高温度在执行器中心。
在百叶窗式结构添加一个类似弹簧的力改变结构刚度。由于施加在装置上的力不同，百叶窗结构表现出弹性行为。通过研究获得的刚度估计值并入热执行器模型。当通过驱动改变电压来评估尖端位移时，需要高电压来产生合理的位移。此外，正如预期的那用，最大位移发生在驱动器的中心，而不是尖端。
优化热执行器设计
在验证了热执行器模型后，研究人员试图优化其配置。在此优化研究中，执行器的长度随冷热臂间距的变化而变化。每一个分析结果，都假设两个变量对尖端位移有很大的影响。
在初始优化研究中，施加 2.7V 电压会产生 109N/m3的热执行器结构刚度和 2.98µm 的位移。此外，器件达到的最高温度明显低于硅的熔化温度。
在 2.7V 电压下，热执行器的位移(左)和温度(右)。图片来自 L. Pasqualetto Cassinis，摘自他在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的演讲。
降低所需的施加电压是后来优化研究的重点。在电力需求有限的情况下，例如 CubeSats ——一种用于空间研究的小型卫星，仅几伏电压也可能至关重要。本研究考虑了多个客观变量，并将两臂之间的距离作为控制变量。通过这种方法，位移更接近 3µm，电压降低到 2.5V 左右。
多物理仿真将微型卫星带向新的高度
推进小型化卫星设计是扩大其在空间探索中应用的关键。正如我们在热执行器示例中所强调的，仿真是在这些系统中测试主动热控制技术的有用工具，提高了它们的安全性和可达性。我们期待看到仿真技术在未来将如何继续发展，以及将发挥的潜在作用。
了解更多关于利用仿真推动太空探索的研究
- 阅读 COMSOL 用户年会论文全文:MEMS 变发射度散热器热执行器的可行性研究。
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- 下载相关教程:热执行器的焦耳热模型
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