航天器热控分系统对材料的需求分析.pdf

第2 7 卷第2 期航天器环境工程2 0 1 0 年4 月S P A C E C R A F TE N V I R O N M E N TE N G I N E E R I N G1 3 5航天器热控分系统对材料的需求分析范含林，范宇峰(北京空间飞行器总体设计部，北京1 0 0 0 9 4)摘要：航天器热控分系统所使用的材料对于完成其任务具有重要的作用。文章介绍了航天器热控分系统对材料的要求以及应用情况，重点讨论了空间环境对热控材料的各种影响，并根据航天器总体和热控技术的发展需求，指出未来热控材料应重点发展高性能的导热和隔热材料、智能型热控涂层和新型功能型热控材料。关键词：航天器；热控材料；热设计；总体设计中图分类号：V 4 2 3 4+1；V 2 5 0 3文献标识码：A文章编号：1 6 7 3-1 3 7 9(2 0 1 0)0 2-0 1 3 5-0 4D o I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 1 3 7 9 2 0 1 0 0 2 0 0 11 引言热控分系统是航天器重要的分系统之一，主要用来保证航天器的结构部件、仪器设备在空间环境下处于一个合适的温度范围，使其在各种可能的情况下均能够正常T 作。对于载人航天器，还包括满足航天员的环境要求【l】。航天器热控技术种类很多，其中被动热控制技术是一种开环控制技术，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，它们在各类航天器上得到广泛的应用1 2 J。2 热控材料的应用情况根据航天器的热控设计，需要采用不同的热控材料。目前常使用的材料主要可以分成以下几种：隔热材料、高导热材料、热控涂层以及满足特殊要求的热控材料。2 1隔热材料多层隔热材料由于在真空条件下具有良好的隔热性能，而且其本身的重量相对较轻，因此成为航天器最常用的热控手段之一。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，在理论上其导热系数能达到l O W(m K)的量级，以取得较好的隔热效果。多层隔热材料在各类航天器上均大量使用。在航天器充气密封舱内，由于气体存在，使多层隔热材料的导热系数增大，而软质泡沫塑料的导热系数(约0 0 3W(m K)与多层隔热材料相当，密度比多层隔热材料小得多，所以在充气密封舱内常用软质泡沫塑料隔热。2 2 高导热材料除了辐射换热外，仪器设备和内部的元器件通过安装面的导热也是一个重要的传热途径。通过改变安装接触面的传热状态，可以达到控制其温度的目的。在这方面，常规方法是采用铜等高热导率的金属材料作为安装面接触材料。固体之间的热传递不仅与其本身的热导率有关，而且还与固体之间的接触热阻有关。接触热阻存在于两个固体物体的接触表面，任何两物体之间的接触表面总存在缝隙，在真空环境下，两个接触收稿日期：2 0 1 0 0 1 3 0；修回日期：2 0 1 0 0 2 2 8作者简介：范含林(1 9 6 1)，男，研究员，博士生导师，现从事航天器热控制技术和总体技术研究。联系电话：(0 1 0)6 8 7 4 7 2 7 7 范宇峰(1 9 7 8)，男，博士学位，高级工程师，现从事航天器热控技术研究。万方数据航天器环境工程2 0 1 0 年第2 7 卷面之间的传热主要是通过真正接触的表面之间的导热，以及两物体非接触的表面之间的辐射传热来进行。为了控制和减少接触面之间的接触热阻，一般使用导热填料。通常使用的导热填料有金属箔、导热脂和导热硅橡胶等，这些导热填料可以将接触热导率提高一个数量级以上。2 3 热控涂层在空间真空环境下，航天器及仪器设备的不同表面温度可以通过选取具有不同热辐射性能(如太阳吸收比a。和红外发射率P)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，通常由粘结剂和颜料组成，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。薄膜型涂层是将不同的金属通过真空蒸发或真空磁控溅射在塑料薄膜表面而制备完成。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一定厚度的薄膜层，就可以得到符合热辐射性能要求的涂层。织物涂层是纤维编织再加以化学浸渍后形成的涂层。2 4 特殊要求的热控材料航天器和部件的一些特殊要求也反映到热控材料中来。这些热控材料不仅要满足热控设计的要求，还需要兼顾其他的要求。K u 频段以上大口径天线反射面的形面变化对其工作性能有较大的影响，采用普通的热控涂层已经不能满足其温度均匀性和稳定度的要求，采用镀锗聚酰亚胺(G e K a p t o n)薄膜作为天线太阳屏可以较好地解决这一问题。G e K a p t o n 膜是在具有微波透明的、绝缘的聚酰亚胺基底上气相沉积一层厚度为1 5 9 0 n m 的半导体锗而形成的，它不仅可以解决热控设计问题，而且由于良好的透波性能，也不会造成较大的微波损耗。初步分析表明，地球同步轨道卫星直径将近3m 的抛物面天线反射器采用太阳屏后，温度均匀性和稳定度都有较大的提高【j J。为了解决航天器在轨运行期间由于空间带电粒子作用而导致表面的电荷积累问题，应用于航天器外部的热控材料还需要具备防静电功能。航天器上的光学系统和一些安装在航天器外部的敏感器对于航天器其他部位的杂散光有严格的要求，空间交会对接时使用的光学设备对所照射的部位也有一定的光学性能要求，这些均需要通过热控材料加以保证。长期载人航天器密封舱内的环境保障要求舱内使用的热控材料必须满足相关的抑制微生物繁殖、霉菌生长等卫生要求。3 空间环境对热控材料的影响航天器除了要经历发射阶段的力学环境外，在轨运行期间长期处于空间环境中，其中对热控材料的功能和性能影响较大的环境有真空、高低温交变、太阳紫外辐射、粒子辐射、原子氧侵蚀、空间碎片以及由航天器引入的污染等。热控材料长期工作在真空环境下，会出现放气、质量损失等现象，不仅对热控材料本身的性能产生影响，尤其是挥发出的可凝物质可能会对航天器的光学表面产生污染，对整个航天器造成重大的危害。航天器在运行过程中，其表面的温度在一个轨道周期内会有比较大的变化，极端情况下的温度波动可以达到2 0 0，这种冷热交变将直接影响材料的内在强度和结合强度等物理性能，造成材料的龟裂、脱落等。太阳紫外辐射和粒子辐射等的影响主要是造成热摔材料尤其是热控涂层的性能退化。对涂层的太阳吸收比a。的影响随着时间而增加，如对于航天器主要散热通道的辐射器，必然会降低其散热能力，引起整个航天器温度水平的升高，降低热控分系统的性能。航天器表面一般均采用了不同的热控材料，空间带电粒子会在航天器热控材料表面产生静电积累，进而诱发静电放电，干扰航天器电子设备的正常工作。万方数据范含林等：航天器热控分系统对材料的需求分析1 3 7低地球轨道(L o wE a r t hO r b i t，L E O)环境中存在大量具有强氧化性的原子氧(A t o m i cO x y g e n，A O)，原子氧与航天器表面材料会发生复杂的物理、化学反应，导致某些物质尤其是高分子物质的裂解，质量的损失，使材料表面光学性能发生变化。原子氧效应对材料表面光学性能产生很大的影响，特别在迎风面上产生明显的剥离并造成材料热物性能的显著变化，主要表现在其太阳吸收比的明显增加；更为严重的是，对有些材料的外形造成一定的破坏，被剥离的产物还成为新的污染源，对航天器外部的光学系统造成污染。微流星体和人类航天活动产生的空间碎片也会对热控材料的性能产生影响，一些大尺寸的碎片会导致热控材料的脱落和撕裂，而一些微米级和毫米级的空间碎片则会对涂层的性能产生不利的影响。同时，航天器其他材料产生的挥发物，以及发动机工作时产生的羽流，也有可能对表面热控涂层产生新的污染，导致其性能的退化。空间环境对热控材料的影响是多方面的综合影响，可能还有一些影响因素目前还没有认识到；即使目前认识到的影响，由于种种限制条件，大部分也是单独分析和验证，没有对其综合的效果进行深入研究，比如有一些影响因素可能会产生相互抵消的作用。因此，对于热控材料的选用在满足性能的基础E，还必须要考虑环境的影响，而这些环境因素也和航天器的类型、运行轨道、工作寿命等有着密切的关系。如对于光学遥感卫星，应特别注意控制所用热控材料的总质量损失(T M L)和收集的可凝挥发物(C V C M)；对于L E O 航天器，应注意原子氧环境的影响，采取必要的防护措施；对于长寿命航天器，尤其要关注散热面涂层在长期空间综合环境作用下的性能退化，设计时就要考虑必要的余量。4 热控分系统对材料的需求随着航天器技术的发展，对热控分系统提出了更高的要求。与之相对应的，对热控材料也提出了新的需求，主要体现在以下几个方面。(1)在满足热控分系统所要求的功能和性能指标外，还必须满足总体的相关约束条件，如占用的重量、体积，防静电要求，载人航天中的卫生学要求，对其他系统的影响等。对于长寿命航天器，还应满足在长期空间环境下性能的稳定性要求。(2)随着航天器电子设备集成度的提高和元器件的进步，其功率越来越大，热流密度越来越高，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、功率电子器件等的热流密度可达数百W c m 2 甚至数千W c m 2，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。统计表明，元器件及P C B 级的热流密度趋势从1 9 9 2 年到2 0 0 2 年增长了1 0 倍，到2 0 1 0 年还将增长5 倍，如何将电子元器件所产生的热量传递到仪器壳体，并最终传递到外部空间将是需要解决的问题。(3)随着深空探测的深度和广度不断扩大，热控材料需要适应新的空间环境。除地球环境以外，其他行星的环境尚不完全清楚，千差万别，而且和地球空间环境有着很大的不同。从目前已知的情况看，月球表面温度变化较大，从9 3K 变化到3 9 5 K，2 8 d 的自转周期导致高低温持续时间长；火星表面存在大气，而且会产生火星尘暴；水星附近的太阳辐射比地球上强1 0 倍，水星表面温度高达4 7 0。因此需要利用各种可能的技术，包括材料，来保护电子设备和科学设备免受极高温度所带来的损害。(4)对于长期载人航天，必须考虑空间碎片的防护问题。对于舱外大量使用的多层隔热材料，需要研究其在长期轨道运行环境下对于空间碎片的防护能力，提出防护方案，并对其隔热性能的变化情况进行研究。5 热控材料的发展5 1 导热和隔热材料发展高性能的导热材料和隔热材料，不仅要减轻重量，而且要提高其性能。高热导率材料主要有高导热石墨薄膜、碳碳复合材料等。石墨薄膜(g r a p h i t es h e e t)重量轻，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。它可以作为辐射器、扩热板和加热器使用。碳碳复合材料保持了石墨材料的固有特性，如质轻、热膨胀系数低、导热性良好，同时由于在碳碳复合材料中引入了碳纤维，因此，还具有强度高、抗机械冲击万方数据航天器环境工程2 0 1 0 年第2 7 卷和热冲击的性能好、热导率较高等特性。目前美国和日本研制的高导热材料的热导率可以达到13 0 0 l6 0 0W(m K)。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，减轻系统重量。与此同时，高性能的隔热材料也是航天器热控设计中最为重要的材料之一。文献【4】报告了采用气凝胶作为隔热材料的情况。气凝胶主要成分是二氧化硅，抽去水分后，再注入二氧化碳气体。这种隔热材料比目前在火星探测器上使用的隔热材料轻5 0，在实验室中测到其热导率在2 5 只有0 0 2 2W(m K)。由于其中9 9 的物质都是气体，因此密度较低，最低可以达到0 0 0 2 9 c m 3。5 2 智能型热控涂层智能型热控涂层是指涂层的发射率随温度或其他控制信号变化的特殊热控涂层。有研究表明该项技术能够减少加热功率超过9 0，减轻重量超过7 5，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。其中从使用上最方便的是热致变色涂层，目前正在通过不同的技术手段进行研究。美国在3个不同的技术方向上开展这项研究工作：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，从而实现对太阳吸收比或红外发射率的连续调控。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M E M S 技术，其功能类似于传统的百叶窗，所不同的是，其尺寸是微米量级，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【5 6】。5 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。如空间碎片防护功能和热控功能兼备的表面热控材料，耐受特殊高温环境的热控材料，具有热控和防静电功能的材料，低热膨胀系数甚至于零热膨胀系数的材料，具有热控和特定的电磁性能的材料，以及具有结构、热控甚至一定的电性能的多功能材料。6 结束语随着航天器的种类不断增多，性能不断提高，对各种热控材料提出了越来越高的要求。而材料科学的发展也拓宽了其应用的场合，可以为热设计方案的选择和实施提供更多的技术途径。提高热控材料在窄间环境下的适应能力以及性能的稳定性，始终是热控材料研究和应用需要考虑的问题。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重量的情况下，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太阳吸收比、提高其发射率的变化范围、扩展其使用温度范围是研究的重点。新型功能型热控材料要在满足热设计要求的情况下，还要满足总体所提出的相关功能要求，在这方面还有许多工作要做。参考文献(R e f e r e n c e s)【1】闵桂荣，郭舜航天器热控制 M】2 版北京：科学出版社1 9 9 8 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