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1、航天器热控原理与材料姓名：张静学号：12S109065指导教师：李春东日期：2012.10.12航天器热控材料1 前言航天器热控制又称温度控制, 是随着航天技术发展起来的一门综合多学科的新技术, 是任何航天器必不可少的技术保障系统之一。它涉及材料学、热学、计算数学、化学、光学、流体力学、电子学、计算机科学以及试验测量技术等诸多学科领域。它的任务是通过合理组织航天器内部和外部的热交换过程, 使航天器各部位的温度处于任务所要求的范围内, 为航天器的仪器设备正常工作, 提供良好的温度环境。航天器热控制技术种类很多，使用的场合也各不相同，但从总体上看，一般可分成被动热控制技术和主动热控制技术两类。被动
2、热控制技术是一种开环控制，在控制过程中被控对象的温度无反馈作用，一旦状态确定后，基本上没有调节的余地，通常选择具有一定热物理性能的材料，并通过航天器的布局，合理安排与空间环境及内部仪器设备之间的热交换，使航天器各部分处于要求的温度范围内。被动热控制部分除了布局上的合理安排之外主要通过包括热控涂层、多层隔热组件等各种不同热控材料的使用，最大限度地减少航天器和周围宇宙空间不可调节的热交换，以控制和调节外部恶劣的热环境及其变化对航天器的影响，这样可以减少航天器内部的温度波动，以满足大部分仪器设备的温度范围要求。被动热控制技术是航天器热控的主要手段之一，而各种热控材料是重要的实现途径，在各类航天器上得
3、到广泛的应用。2 典型热控材料随着空间技术的不断发展, 我国已经研制成功多种热控材料。日前, 应用最多最广的有涂层、多层隔热材料、热管、电加热器、导热填料、控温仪和测、控温元件, 在某些情况下也使用过百叶窗、相变材料、热扩散板和环路热管。在载人飞船上还使用厂泵驱动单相流体回路、风扇等装置。这些热控材料, 确保我国航天器热控任务顺利实现。2.1 热控涂层在空间真空环境下，物体的表面温度在很大程度上取决于其表面的太阳吸收比和红外发射率的比值 s/。因而，航天器及仪器设备的不同表面温度可以通过选取不同 s/ 的热控涂层来进行调节。热控涂层按其组成特点可分为金属基材型涂层、电化学涂层、涂料型涂层、薄膜
4、型涂层、二次表面镜型涂层、织物涂层等。金属基材型涂层直接在金属基材的表面进行一定的处理就可以形成，如经抛光、喷砂等工艺处理后的表面。电化学涂层一般采用阳极氧化、电解着色和电镀的方式来制备。涂料型涂层是应用最广泛的一种热控涂层，它又可以分为有机涂层、无机涂层和等离子涂层等几类，通常由黏结剂和颜料组成，采用不同的颜料和配比，就可以得到不同热辐射性能的涂层。利用不同的金属在真空蒸发或真空磁控溅射在塑料薄膜表面可以制备成薄膜型涂层。二次表面镜型涂层是一种由两个表面的特性决定其性能的涂层，这两个表面是对可见光透明、而对红外有较强吸收的透明薄膜层，以及对可见光有很强反射的金属底层，通过选用合适的金属底层和
5、一定厚度的薄膜层，就可以得到要求热辐射性能的涂层。织物涂层是纤维编织或再加以化学浸渍后形成的涂层。在热控涂层的具体应用过程中，需要根据不同的温度要求、部位、底材、工艺实施等因素，如对于航天器的散热面，选用低太阳吸收比、高红外发射率的涂层，提高表面的散热能力，航天器内部一般采用高发射宰的热控涂层，以增加辐射换热。2.2 多层隔热材料航天器在轨道运行期间，一方面通过其表面或专用的辐射器以辐射的形式向空间散热，另一方面航天器受外部空间热流的影响，而且其影响根据轨道等因素不断变化，因此有必要将其对航天器的影响减少到最低程度。多层隔热材料在真空条件下具有良好的隔热性能，而且其本身的结构质量相对较轻，因此
6、成为航天器最常用的热控手段之一，多层隔热材料在各类航天器上均大量使用。多层隔热材料通常由双面镀铝低发射率反射屏和低热导率间隔物的多个单元组成，这种组件利用反射屏的层层反射，对辐射热流形成很高的热阻，在理论上其当量热导率能达到的 10-5W/(mK)量级，以取得较好的隔热效果。除了隔热性能优异之外，多层隔热材料的质量较轻，拆装方便、没有粉尘、不会对周围环境产生污染，这些特点对于航天器的发展来说是十分有利的。因此，多层隔热材料已经成为一种航天器被动热控的基本手段之一。在航天器充气密封舱内，常用软质泡沫塑料隔热。在充气的舱内，由于气体存在，使多层隔热材料的热导率增大，此时软质泡沫塑料的热导率与多层隔
7、热材料相当(0.03 W/(mK)。但软质泡沫塑料的密度比多层隔热材料小得多，所以在密封舱内隔热时，常用软质泡沫塑料。2.3 热管热管是一种高传热性能的器件，是一种靠工质的蒸发、凝结和循环流动而传递热量的器件。热管由管壳、工质以及具有毛细结构的管芯组成。热管是依靠工作介质的蒸发、凝结和循环流动来实现热量的传递的，蒸发、凝结所需的温度下降很小，因此可以在较低温差下传递较大的热量，而且它在毛细力作用下完成，不需要额外的能量，结构紧凑、运行可靠。下图中是一个比较典型的热管结构示意图。卫星上选用热管时，应该注意的使用要求：工作温度范围：热管工作时所需要承受的最高工作温度和最低工作温度所确定的温度区间。
8、工作温度范围必须在工质的临界点和凝固点之间，保证工质既不凝固也不会处于超临界状态。传热量和热流密度：该要求是指热管传递的总的热流量和蒸发段单位面积上的热负荷。它决定了热管的尺寸、管芯的类型以及所用热管的数量。蒸发段的热流密度不得超过热管沸腾极限的允许值。热管的总温降：热管的总温降是指蒸发段外壁面与凝结段外壁面之间的温差，这个要求决定了热管蒸发段和凝结段的管芯设计和热管的最小尺寸。尺寸、重量和几何形状：主要由应用场合的条件来决定。其尺寸、走向和外形要和应用对象匹配。卫星应用中常要求热管与结构件合为一体，如在蜂窝夹层板中预埋热管。可靠性和寿命：热管可靠性是指其在给定的条件下，热管工作性能的稳定。寿
9、命是指热管从开始工作到失效之间的时间。3 热控材料的发展3.1 导热和隔热材料未来的技术需求和发展，使得诸如用于空间通讯系统的激光二极管、高功率传感芯片、功率电子器件等元器件和芯片的热流密度可达数百甚至数千W/cm2，而其工作性能和可靠性与工作温度直接相关，因此需要性能更好的导热材料。高热导率材料主要有高导热石墨薄膜、C/C 复合材料等。石墨薄膜结构质量轻，像纸一样具有柔性，热导率高且在平面的两个方向上热导率相同，可以作为辐射器、扩热板和加热器使用。C/E 复合材料保持了石墨材料的固有特性，如质轻胀系数低、导热性良好的特点，同时由于在 C/C 复合材料中引入了碳纤维，因此还具有强度高、抗机械和
10、热冲击性能好、较高的热导率等特性。目前美国和日本研制的高导热材料的热导率可以达到 1.31.6 kW/(mK)。一些高导热材料，如泡沫碳等还可以替代传统的铝蜂窝，以减少热管和扩热板的使用，降低系统结构质量。与此同时，高性能的隔热材料也是航天器热控没计中最为重要的材料之一，不仅要减轻结构质量，而且耍提高其性能。气凝胶作为高性能的隔热材料，其主要成分是二氧化硅，抽去水分后，再注入二氧化碳气体，这种热绝缘材料比目前在火星探测器上使用的绝缘材料轻50，在实验室中测到其热导率在25只有0.022 W/(mK)。由于其中99的物质都是气体，因此其密度较低，最低可以达到0.002 g/cm3。3.2 智能型
11、热控涂层智能型热控涂层是指涂层的发射率随温度或其它控制信号变化的特殊热控涂层。研究表明该项技术能够减少加热功率超过 90，重量减轻超过 75，其技术适用于所有的航天器，尤其是对于能源和质量有更多限制的微小卫星和纳卫星。美国在三个不同的技术方向上开展研究工作：电变色、静电和微型百叶窗。电变色是采用在薄膜上加一层聚合物导电层，通过小的电压改变其氧化还原的状态，连续、可逆地改变薄膜材料的光学性质，从而实现对 s或红外热发射率的连续调控。静电概念是指内表面含有导电涂层、而外表面是白色涂层的薄膜，通过静电的方式改变辐射表面的性质。微型百叶窗是根据 MEMS 技术。其功能类似于传统的百叶窗，所不同的是，其
12、尺寸是微米量级，能够使发射率发生变化，变化可以达到 0.4 或更多，并能够适应空间环境，以上所有技术均取得良好的进展。3.3 新型功能型热控材料新型功能型热控材料是指除了能够满足热控需求，在其他方面也发挥某种功能的材料。由于航天器外表面大部分是热控材料，如热控涂层、多层隔热材料等，在遭到激光或高能粒子束武器袭击和空间碎片撞击时，能否依靠这些材料防止或减轻对航天器的损坏，如某种程度的镜反射材料，既能满足热控的要求，又能够起到一定的防御作用。4 结语热控材料的性能对于完成航天器热控分系统的任务具有重要的影响。高性能的导热和隔热材料技术、可变发射率技术、新型功能型热控材料，对未来航天器的热控和总体设计非常重要。高性能的导热和隔热材料的研究重点是在减轻结构质量的情况下，提高其导热和隔热性能。在可变发射率技术的未来研究方面，降低智能型热控涂层的 s.、提高其发射率的变化范围、扩展其使用温度范围是智能型热控涂层研究的重点。参考文献1 阂桂荣，郭舜航天器热控制第二版北京：科学出版社19982 何知朱江经善新型热控材料器件及应用北京：中国宇航出版社19883 范庆梅等大型通信卫星天线敏感性的热分析验证见：第七届空间热物理会议文集，20054 范含林，黄家荣载人航天器地面热试验方法研究概述载人航天，2009(3) 5 范含林舱外航天服热试验方法研究J中国空间科学技术，2009(5)
