白皮书
卫星和航天器中的温度传感与测量
基本传感器选择和集成因素
本文旨在帮助工程师们全面了解 NTC（负温度系数）热敏电阻和铂 RTD（电阻温度器件）在卫星设计中面临的挑战、选择标准和集成。 我们将探讨这些温度传感器在太空中面临的具体应用挑战，概述为各种应用选择合适传感器的标准，并讨论其集成和放置卓越实践。我们将通过来自世界各地的几个知名计划说明温度传感器的实际应用。最后，我们将研究小型化、机器学习和自适应传感等未来趋势，评估它们在太空应用中的潜在优势和权衡。
TE Connectivity
温度传感器
国际认证传感器：近五十年来，TE 一直为美国国家航空航天局 (NASA) 和欧洲航天局 (ESA) 提供温度传感器，并遵守 NASA 要求的严格 GSFC（戈达德太空飞行中心）S-311-P-18 标准以及 ESA 的要求。
久经考验的性能：我们的传感器执行过历史性的太空任务，例如 1972 年发射的 Pioneer 10 宇宙飞船和 2011 年朱诺号木星探测任务，以及许多其他探索任务。我们深厚的经验和对创新的承诺证实，我们的温度传感器能够满足太空任务的严格要求，提供可靠的性能，并为各种航空航天项目的成功做出贡献。
简介
过去，NASA、ESA 和各国航天机构是航天器部件的主要用户。供应商为这些机构定制和生产相对小批量的元件。然而，航天工业的商业化极大地改变了传感器和其他专为适应太空极端条件而设计的元件的设计、开发和实施。
2023 年，该行业部署了 2,800 多颗卫星，其中大部分位于近地轨道 (LEO)。凭借与国家航天机构合作的丰富经验，我们能够为商业市场提供经济高效的温度传感器，其精度和可靠性可与专为传统航天器设计的传感器相媲美。重点仍然是未来的创新和应用，以支持这个不断扩大的市场。
虽然将热红外和微波传感器等传感器部署在卫星中可以收集外部数据，但我们将重点介绍用于航天器内部应用的温度传感器。这些内部传感器对于卫星内仪器和机构的稳健运行至关重要。
我们将探讨在极端空间环境中应用 NTC（负温度系数）和 RTD（电阻温度检测器）温度传感器面临的相关挑战。我们将研究影响传感器选择的因素，并为传感器集成和放置提供指导。
在回顾特定温度传感器应用的一般案例研究之后，本文还探讨了温度传感器行业潜在的未来创新和趋势，以及与其实施相关的优势和权衡。
设计挑战
在航天器中使用温度传感器面临的设计挑战
温度传感器是所有类型航天器的关键组件。通过监测内部和外部温度，它们能够提供对船舶的可靠性、安全性和效率至关重要的数据。这些仪器发挥着关键作用，例如：
保持结构完整性
温度传感器能够跟踪航天器船体内外的温度，确保保持船体强度和耐用性的系统处于公差范围内。
电力系统监控
监测太阳能阵列和电池的温度并实施热管理系统可确保航天器具有完成其任务所需的动力。
环境管理
温度传感器可帮助调节内部环境，帮助维持机组人员和/或设备所需的条件。
仪器校准
所有仪器的准确校准都依赖于这些传感器提供的准确参考温度。
应急超控
温度传感器可用于激活警报、自动恢复程序或紧急停机系统。
航天器对集成热敏电阻和 RTD 提出了独特的设计挑战。温度可以从阴凉处的接近绝对零度变化到 250°C，而真空空间中没有空气会阻止通过对流传热来进行温度管理。辐射会降解材料，从而导致传感器精度问题。工程师们必须考虑来自各种来源的机械应力，以防止读数错误或传感器出现故障。
在真空条件下，材料脱气释放的挥发性化合物会沉积在设备表面，从而干扰传感器和其他敏感设备的性能。最后，航天器中存在巨大的功率约束，这凸显了根据功率需求制定预算的重要性。您值得信赖的传感器供应商可以针对具体情况提供建议；但是，以下段落讨论了常见挑战以及应对这些挑战的方法。
热变化
管理热变化既是温度传感器的关键应用，也是重大实施挑战。航天器会经历从 -270°C 到 +250°C 的极端温度波动，具体取决于设备的哪一侧面向太阳。这些极端温度会影响整个容器中许多元件的功能和性能，因此实施热管理以限制传感器暴露在极端热循环中非常重要。设计人员必须选择能够在预期温度范围内正常工作的传感器，同时考虑可能导致偏移的设备故障。
无对流传热
在航天器中应用温度传感器时，需要仔细考虑独特的热条件。由于没有大气，辐射和传导传输方式取代了对流成为主要传热方式。这会导致温度不均匀，从而影响传感器的精度。因此，工程师必须战略性地定位传感器以进行补偿，并选择合适的传感器材料、安装硬件和方法。使用主动热控制（例如加热器和冷却器）将有助于保持最佳运行条件。
辐射
伽马射线、质子和重离子辐射的存在会导致仪器和传感器中使用的材料降解，从而导致读数不准确。这些错误可能会危及卫星的运行和安全。
为了应对这一挑战，应指定抗辐射温度传感器并在传感器设计中使用坚固的材料。应利用冗余传感器和定期自动校准，并考虑使用算法来补偿辐射引起的误差。
机械应力
航天器在发射、轨道机动和再入轨道过程中会经历振动和冲击，这可能会影响温度传感器。热循环也可能在传感器中引入应力。如果未指定材料，这些应力可能会导致温度传感器的精度出现漂移。在可能的情况下，将小巧的传感器安装在坚固的外壳中，或使用完整的探头组件来防止冲击和振动，以及/或者采用灵活的安装技术。采用校准和补偿算法也可以解决精度问题。此外，冗余传感器还为读数问题提供信号备份。
材料脱气
真空条件和高温会导致材料释放出覆盖设备表面的挥发性化合物。随着时间的推移，这些化合物涂层会显著影响其他板载设备的运行。为防止出现此问题，应在整个航天器中使用旨在显著减少释气的材料。在无法更换材料的情况下，采用太空级涂料可防止此问题。在安装之前对元件和材料进行热真空烘烤也有助于缓解此问题。
功率约束
由于太阳能电池板的尺寸和效率以及电池系统的容量，航天器的功率预算有限。需要持续供电才能正常运转的传感器会降低其他系统的可用功率。为了降低功率需求，应尽可能使用热敏电阻或 RTD 等低功耗传感器。实施智能电源管理可确定分配的优先级。优化绝缘可减少主动热管理要求。
凭借长期实施航天器传感器技术的经验，TE Connectivity 能够利用其广泛的知识库来补充您的工程资源。下面我们将继续探讨传感器选择方面的传感器应用主题。
选择标准
为航天器选择温度传感器的标准
为航天器选择温度传感器需要仔细考虑航天器可能遭遇的极端热环境。在发射过程中，温度范围达到 -40°C 至 250°C。在近地轨道 (LEO) 中，温度范围在 -100°C 和 +250°C 之间变化。深空温度可降至接近绝对零度 (-270°C)，而重返大气层可将航天器暴露在超过 1,650°C 的温度下。本节探讨了选择 NTC 热敏电阻和铂 RTD 的标准，并提供了它们的应用示例。经验丰富的传感器供应商可以提供有价值的见解，并可以提供在特定条件下经过严格测试的传感器，但下面提供了有关选择标准的一般信息。
| NTC 热敏电阻 | 铂 RTD | |
|---|---|---|
| 精度和稳定性 |
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| 响应时间 |
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| 功耗 |
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| 尺寸和重量 |
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| 成本效益 |
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| 温度范围 |
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NTC - 工作温度范围为 -60°C 至 +160°C。储存温度范围为 -60°C 至 +160°C。
RTD - 工作温度范围为 -170°C 至 +170°C。储存温度范围为 -170°C 至 +170°C。
集成与放置
温度传感器在航天器中的集成和放置
为航天器选择温度传感器需要仔细考虑航天器可能遭遇的极端热环境。在发射过程中，温度范围达到 -40°C 至 250°C。在近地轨道 (LEO) 中，温度范围在 -100°C 和 +250°C 之间变化。深空温度可降至接近绝对零度 (-270°C)，而重返大气层可将航天器暴露在超过 1,650°C 的温度下。
本节探讨了选择 NTC 热敏电阻和铂 RTD 的标准，并提供了它们的应用示例。经验丰富的传感器供应商可以提供有价值的见解，并可以提供在特定条件下经过严格测试的传感器，但下面提供了有关选择标准的一般信息。
NTC 热敏电阻
将热敏电阻放置在尽可能靠近所监测关键元件的位置，这样可确保太阳能阵列、电池、电子设备和推进系统元件能够提供准确的读数。使用导热（最小释气）胶粘剂或机械紧固件，这些胶粘剂可以承受预期的环境考验，包括冲击、振动和温度波动。确保热敏电阻和被测表面之间有良好的热接触。尽可能使用与环境相容的热导膏（最小释气）以提高热传导能力。使用屏蔽材料或将热敏电阻放置在屏蔽外壳中，从而确保热敏电阻免受辐射和电磁干扰 (EMI)。
铂 RTD
对于高温环境，应使用专为耐受极端温度而设计的 RTD。实施热桥或绝缘，以减少 RTD 暴露在高温下的几率，同时提供准确的测量。定期校准对于防止传感器漂移至关重要。如果要执行长期任务，应考虑使用自动校准软件程序。在关键区域安装多个 RTD 以提供冗余。
一般建议
选择在为太空任务提供传感器方面拥有良好记录的传感器供应商。全面的测试（包括热循环、冲击、振动、脱气和辐射暴露测试）对于在集成之前确保传感器设计符合太空标准至关重要。将传感器数据集成到航天器的热管理系统中，以进行实时监测和控制。保存传感器放置、校准程序和测试结果的详细文档，以便进行故障排除并为执行未来任务提供参考。
案例研究
Landsat 计划 [美国]
目标：执行长期地球观测，以便监测土地利用、森林砍伐、城市化和自然灾害。Landsat 系列由 NASA 和 USGS 进行管理，自 1972 年以来一直在提供连续数据。
NTC 热敏电阻在 Landsat 8 (2013) 和 9 (2021) 中的应用：将 NTC 热敏电阻集成到热控制系统中，以监测和调节陆地成像仪 (OLI) 和热红外传感器 (TIRS) 的温度。这两款仪器都需要精确的温度管理才能收集到高质量的数据。工程师们设计的这些热敏电阻可以在严苛的太空条件（比如暴露在辐射、真空和极端温度波动环境下）下可靠运行。
Copernicus Sentinel Missions [欧洲]
目标：执行综合地球观测，以监测环境和气候变化并进行灾害管理。Sentinel 卫星由欧洲航天局 (ESA) 运营，能够为各种应用提供高分辨率图像和数据。该计划于 2014 年正式实施。
Sentinel-1 卫星配备了合成孔径雷达 (SAR) 仪器，需要精确的热管理才能确保可靠地收集数据。RTD 用于监测和控制这些仪器的温度，这对于保持准确的雷达测量至关重要。在关键点使用多个 RTD 可确保仪器可靠性。
Galileo GNSS [欧洲]
目标：提供高精度的全球导航服务。Galileo 由 ESA 运营，能够为民用和商业用途提供精确的定位和计时服务。该任务的第一颗卫星于 2005 年发射，目前星座中有 30 颗卫星。
NTC 热敏电阻嵌入在这些卫星的太阳能阵列中，防止太阳能电池过热，同时还为性能优化提供反馈。铂 RTD 对于保持精确原子钟运行所需的精确温度控制至关重要。这些时钟可提供高度精确的全球定位和计时。
Iridium NEXT [全球]
目标：全球卫星通信网络。该星座包括 66 颗活跃的卫星以及额外备件，可为全球的卫星电话、寻呼机和集成收发器提供语音和数据覆盖。
NTC 热敏电阻和铂 RTD 都可监控卫星的电池状态。RTD 非常精确，可在宽温度范围内提供稳定的测量。NTC 热敏电阻对快速温度变化很敏感，可以立即触发保护卫星电池的行动。组合使用铂 RTD 和 NTC 热敏电阻可确保电池在其最佳温度范围内工作，从而防止过热并延长其使用寿命。
哈勃太空望远镜 [美国/欧洲]
目标：观测天文现象和深空。哈勃望远镜与 NASA 和 ESA 联合执行任务，自 1990 年以来一直在提供关于宇宙的开创性数据。
组合使用 NASA 认证的 NTC 热敏电阻和应变片可监测哈勃太空望远镜的结构健康状况。这些传感器能够检测快速温度变化和材料变形，通过协作来快速触发缓解措施，从而确保卫星结构保持完整。在执行这项任务和詹姆斯韦伯太空望远镜不断更新换代的三十年里，结构健康监测器见证了温度传感器的新发展、提高了灵敏度和范围，并增强了耐用性和可靠性。
火星勘测轨道飞行器 [美国]
目标：研究火星的大气和地形。这颗卫星于 2005 年发射，由 NASA 运营，负责将地球气候和地质的高分辨率图像和数据传递给地球上的科学家。
这颗卫星上的 NTC 热敏电阻为其热管理系统提供了关键的灵敏度。当它首次到达火星时，MRO 进入一个围绕火星的高度椭圆轨道，持续运行超过 35 小时。在经过大约六个月的空气制动后，利用行星大气层的机动纠正了它的轨道，轨道运行的持续时间约为 112 分钟。在此期间，系统必须管理极端变化的温度模式。此外，在火星轨道上，传感器暴露在更多的宇宙和太阳辐射下。由于初始飞行的持续时间较长以及任务的预期长度，卫星上存在功率约束。因此，采用了具有更大监测范围和更高精度的经 NASA 认证的 NTC 热敏电阻。
未来趋势
随着工业卫星时代的快速发展，温度传感器技术出现了几个新兴趋势，这些趋势可能对太空应用产生影响。下面重点介绍了其中一些技术及其可能做出的贡献，以及在这个高风险行业中采用新技术时应考虑的固有风险。
小型化促使设计人员开发更小、更轻、功耗更低的传感器。通过利用半导体制造技术，这些传感器正在进入汽车到医学等整个技术领域。然而，在太空中，由于这些小质量设备可能不稳定，因此，这些小型传感器可能引入漏洞。
机器学习可以通过补偿预测的变化来提高传感器的精确度，而自适应传感可以动态调整传感器参数以提高性能。在卫星应用中，这两种技术都有望吸纳稀缺的计算资源和能力。对于一个在 1990 年代微处理器实现标准化的行业来说，这是一个巨大风险。这些新技术引入了可能影响成功完成任务的新的和意外的故障模式。
今天的许多卫星都依赖于基于较旧、久经考验的设计的微处理器，例如 Pentium 级和 PowerPC 750。工程师选择这些处理器的依据是它们的可靠性和承受地球大气层以外严苛环境考验的能力。
结语
NTC 热敏电阻和铂 RTD 是当今航天器中的关键元件，证实了重要系统的可靠性、安全性和效率。本文强调了这些传感器在太空应用中面临的独特挑战，包括极端的热变化、无对流传热、辐射暴露、机械应力、材料释气和功率约束。了解这些挑战可以帮助工程师在选择温度传感器并将其集成到卫星和其他航天器的设计中时做出明智的决策。
这些传感器的选择标准强调了精度、稳定性、响应时间、功耗、尺寸、重量和成本效益的重要性。温度传感器的集成和放置需要仔细考虑航天器的热环境和关键元件的具体要求。最佳实践包括战略性地放置传感器、坚固的安装技术以及使用屏蔽材料来防止辐射和电磁干扰。
通过案例研究，本文说明了温度传感器在各种备受瞩目的任务（例如 Landsat 计划、Copernicus Sentinel Missions、Galileo GNSS、Iridium NEXT、哈勃太空望远镜和火星勘测轨道飞行器）中的成功应用。这些例子证实了可靠的温度传感在成功完成任务方面的重要性。
展望未来，小型化、机器学习和自适应传感等未来趋势可为提高传感器性能提供令人兴奋的发展前景。然而，这些创新必须与对长期可靠性的需求以及与新技术相关的潜在风险相平衡。
总之，若要在航天器中成功实施温度传感器，需要深刻认识到各项挑战、仔细选择和集成传感器，以及与经验丰富的供应商合作。通过利用这些见解，工程师们可以确保太空任务持续成功和进步。
