航天器的被动热控制系统

论文信息：

Erdinç Mermer1,2 · Rahmi Ünal2

Received: 26 July 2022 / Accepted: 27 January 2023

The Author(s), under exclusive licence to The Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering 2023,160 (2023)

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s40430-023-04073-5. 160 (2023)

研究背景

航天器是为完成军事、科学和商业任务而设计的运载工具。航天器在其寿命期内，同时面临外部载荷和内部载荷。外部热负荷包括太阳通量、地球红外辐射和地表反照率通量。这些外部载荷的重要性因轨道类型而异。内部载荷是由机电设备引起的热耗散。必须谨慎地开发热控制系统，使航天器子系统保持在工作温度范围内，直到其使用寿命结束。热控可以通过被动和主动两种方式进行。本文主要针对之前已经设计测试的被动式热控系统进行研究。这类热力系统不从系统中施加任何功率，具有更强的鲁棒性。典型的被动控制硬件有热控涂层、多层隔热系统、散热器、百叶窗、热界面材料、被动热管等。

研究内容

多层隔热毡( MLI )是航天器的能量保护器。它们创造了一个屏障，通过辐射传热不损失能量或获得能量。MLI包层是由外层、间隔层、反射层和内层组成的复合系统如 图1所示。该层主要由镀铝或金属化的kapton和mylar组成，具有高反光性。外罩是直接暴露在空间环境中的第一层，其首要任务是将太阳光反射到环境中。一般比内覆盖层厚，以加强机械行为。间隔层是MLI的另一层，是隔膜层与内外两层之间的界面。在制作反射层时，最重要的参数之一是射孔工艺。主要目的是防止泄放过程中的气胀。 图2为典型的开孔反射层。反射层是MLI的重要组成部分，其使用是影响结构热效应最显著的因素。MLI层的第四部分是内覆盖层。内盖不用于热防护，而是附着在硬件或结构上。内盖材料必须有一些必要的规格。例如，它必须是不可燃材料。此外，内盖一般不进行金属化处理，以避免电器短路。

图1.典型MLI截面图

图2.作为MLI一部分的反射器层

本文主要研究被动散热器，其设计目的是利用红外辐射将航天器的多余热量排除到空间环境中。表面积、发射率和温度是设计中的重要因素。采用具有高太阳发射率( ε > 0.8)和低太阳吸收率( α < 0.2 )的材料和绘画来提高红外发射率。近年来，研究人员一直在努力控制和提高散热器的热性能。Kim等人设计了基于VO2的可切换散热器。他们使用BaF2介质间隔层VO2 / Si和金层，如图3所示。他们观察到当T < 340 - K作为红外反射层时，辐射热损失减少；T >340-K作为共振吸收体时，观察到了冷却现象，发射率变化达到约0.47。形状记忆合金变形航天器散热器是另一个重要的设计。散热器通过温度变化被动适应和改变自身形状。Bertagne等人设计并分析了这样的结构，并观察到变形散热器在日蚀期间和面对太阳光时都能为散热器提供所需的热特性。该框架如图4所示。他们定义了散热器随温度变化而变化的初始几何形状。得益于这些特性，散热器的热性能是可以控制的。

图3.基于VO2的多层散热器设计

图4.变形散热器的工作原理

百叶窗用来控制散热器表面。其主要目的是改变散热器的表面积以获得最佳的热发射率。当卫星温度升高时，百叶窗打开，表面的发射率增大；当卫星温度降低时，为了不损失所需热量，百叶窗关闭。一个简单的膨胀或收缩的双金属弹簧执行开闭功能。一个被动百叶窗样品如图5所示，立方星型热力百叶设计如图6所示。

图5.安装在6U立方体卫星 上的无源热百叶窗

图6.1U大小的立方体板热百叶窗

传统热管一般为被动式热防护系统，在航天器上应用广泛。它们是将热量从热源被动地传递到散热器或冷凝器的两相除热器。补偿腔、液体和蒸汽输送线、冷凝器和蒸发器是传统热管的组成部分。热管的工作原理如图7所示。蒸发器是系统的第一部分。当温度升高时，汽液混合物开始蒸发。然后，蒸汽运动到冷凝器。之后，蒸汽冷凝，它移动回蒸发器。热管可以根据工质进行分类。氧气、氦气、氪气、氩气、甲烷和氟利昂是空间应用中使用的不同工质。以氢气为工质的传统热管的电导率提高了约400 %。Anand等人对乙醇、甲醇、丙酮和正戊烷等不同类型的工质进行了实验。他们比较了这些流体的性能，如图8所示。他们还研究了蒸发器长度对轴向槽道氨热管传热的影响。认为蒸发器的传热能力随着蒸发器长度的增加而增加，而蒸发器的热通量随着蒸发器长度的增加而减少。

图8.不同类型流体的蒸发器壁温比较

近年来，柔性脉动热管因其相对有效、方便、功能强大优点而备受科学家们的青睐。Jung等人研究了这些类型的热管。他们的结论是，特别是使用柔性铜使得热管具有防止不凝结泄漏的优势。Juhasz 设计了一种用于空间应用的碳-碳原型液态金属热管。他观察到它的重量大约是传统热管的四分之一。一个碳-碳热管的例子如图9所示。

结论与展望

本文关注被动热控制系统，讨论了热控涂层、常见的MLI设计、散热器设计、机械接口和被动热管。热控涂层常用于航天器上，新型粉末添加剂使其更高效。为了提高MLI的热性能，需要研究粘接剂、紧固件、层的密度、形状、螺纹和气体压力。具有高导电性的新产品使MLI更加高效。文章提到了不同类型的散热器以及增强和控制热特性的新方面。得益于新技术，多层材料和形状记忆合金材料可能更适用于商业航天器。本文指出，百叶窗是航天器的另一个重要设计问题。需要强调的是，百叶窗虽然是简单的控制装置，但其机理在航天器设计中具有重要意义。文章还重点介绍了散热器的设计。特别提到了不同类型的散热器以及增强和控制热特性的新方面。得益于新技术，多层材料和形状记忆合金材料可能更适用于商业航天器。由此可以得出新技术运用不同材料与合适的工作液可能为研究人员开辟新的具有挑战性的途径。

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