商业航天大火！考验这种高导热材料的时候到了

北京火箭大街正式交付启用，力鸿一号飞行器完成首次亚轨道飞行试验，谷神星一号海射型（遥七）运载火箭“一箭四星”扩容天启星座……据新华网报道，新年伊始，商业航天领域进展不断。

01.

相变材料的优点及种类

据钱学森空间技术实验室和北京空间飞行器总体设计部的工程师介绍，航天器在轨运行时，因轨道的外热流变化很大，致使仪器设备的热负荷发生巨大变化。特别是某些热容较小的特殊设备的工作温度范围越来越窄，同时对温度波动性又有很高的要求，这给航天器热控设计带来了很多技术难题。

由于相变材料在相变过程中具有等温或近似等温、吸收/释放大量潜热的优点，特别适用于具有周期性脉冲式工作的仪器设备；相变材料的另一特点是没有运动部件，原则上可以进行无限次的可逆工作，具有很高的可靠性。因此，广东工业大学的研究人员认为，对于暴露于周期性空间热环境变化的航天器，基于相变材料的无源空间热控技术将成为热管理的最佳解决方案。

相变热控机理图

相变材料的种类很多，多达6000种以上。按相变的形式，可分为固-固、固-液、气-液、气-固4种相变材料，一般来说按上述分类顺序，其相变潜热逐渐增大。由于气-液、气-固相变过程中产生大量气体，使得相变装置必须能承受气体膨胀高压而变得复杂。目前在航天器热控设计中普遍采用的是固-液相变材料，它的相变潜热较大但相变体积变化小、相变温度范围广。

02

航天器用相变材料的选用考虑

相变温度

相变材料的相变温度点应选择在被控设备温度周期变化中的某一点上，尽可能使升温传热量等于降温传热量，这样可以避免在多次固-液的相变转换中，由于升温传热量与降温传热量的不平衡造成在升温或降温的方向上传热量的累加，使相变材料热控装置失效。

热导率

由于相变材料的热导率较低，会导致其内部温度梯度的增加，而使被控设备的温度超过控制要求。提高相变材料热导率的通常方法是在相变材料中加入热导率高的填料，在相变材料内生成低热阻通道，降低内部的温度梯度。

据广东工业大学的研究人员对国内外相关研究综述：在内部改善传热方面，可通过引入热毛细对流为相变过程提供额外的热传输，或耦合金属泡沫、纳米颗粒和翅片等高导热材料框架形成复合相变材料（Composite Phase Change Material，CPCM）以提高其导热性能。在外物理场调控方面，基于磁场的相变调控技术在提升系统稳定性与循环可控性方面极具前景。

过冷

相变材料的过冷是指材料在液相时，当温度低于其固-液平衡温度以下仍不凝固的现象。这样就不能很好地利用相变材料的熔化潜热来控制温度，致使被控设备温度过高。因此，在选择相变材料时，要考虑那些无过冷现象的或过冷现象可以忽略的材料。对于有过冷现象的相变材料，可通过加入结晶催化剂，消除其过冷现象。

与容器材料的相容性

目前航天器上储存相变材料的容器常用金属材料有铝、钛和不锈钢3种。它们的强度-质量比高，而且耐腐蚀。虽然不锈钢的比重大，但弹性好，能够适应相变材料的体积变化。因此，在选择容器材料时，必须充分考虑其与相变材料的相容性。

体积变化

相变材料固-液相的变化，会导致其体积的变化。由体积变化所导致的膨胀力非常巨大，可能引起容器破坏。因此在设计时，除满足热要求、空间环境等因素外，要充分考虑容器的结构强度。在灌装相变材料时，应留有一定的空间余量。

目前符合航天器空间环境要求的相变材料有石蜡类。石蜡主要由直链烷烃混合而成，其通用分子式为CnH2n+2，常温下，n＜5时为气体，5≤n≤15为液体，n＞15是固体。石蜡类相变材料具有熔化潜热高，可供选择的熔点温度范围宽（-5～66℃），无毒、无腐蚀性，500℃以下化学性质稳定，过冷现象可以忽略，熔化时体积变化小，与大多数材料相容好，价格较低等优点。但它也有一些缺点，如导热系数和密度均较小。为保证温度控制的准确性，相变材料的纯度一般应大于99.9%。

据中国科学院理化技术研究所的研究人员介绍，液态金属是近年来兴起的一大类新型相变材料，具有高热导率和大体积相变潜热的优点。虽然液态金属的热导率和体积潜热优于石蜡，但是液态金属的密度远大于石蜡，限制了其在航天领域的应用范围。因此，在航天设备热控应用中，寻找液态金属相变材料的适用领域具有重要意义。

03

相变材料在航天器热控中的部分应用

“阿波罗-15”

在“阿波罗-15”任务中，月球车用过三套相变材料热控装置。

第一套相变材料装置通过导热带与信号处理单元、蓄电池连接。月球车每次行走时，信号处理单元和蓄电池产生的热量被相变材料吸收；行走任务结束后，打开安装在辐射器上的百叶窗向空间散热，相变材料降温而再次凝固，为下一次行走任务作好准备。

第二套装在驱动控制器上。当月球车行走时，相变材料吸收驱动控制器产生的热量；行走结束后，通过百叶窗散热而使相变材料再凝固。

第三套用于月球通信继电器单元的热控。当月球车行走时，相变材料吸收月球通信继电器单元产生的热量；行走结束后，移开盖在月球通信继电器单元辐射器上的隔热板，使相变材料的热量辐射到空间而再凝固。

相变材料热控装置示意图

“漫游者”火星

“漫游者”火星着陆器采用相变材料热控装置对电池控温。

火星夜间大气温度为-100℃，白天为0℃，环境温度波动大大超出了电池的允许温度范围-10～25℃，因此只好采用相变材料热控方式减少环境温度波动对电池的控温影响。相变材料热控装置为圆筒状，将4个蓄电池包裹在中间，容器材料为铝合金，相变材料采用正十二烷，其熔点为-9.6℃。

另外在火星表面探测器上还使用了石蜡相变材料控制驱动热开关。热开关安装在电池和外部辐射器之间。热开关的工作原理是：当石蜡熔化且随着温度的升高继续膨胀时，将驱动杆推出，使冷/热端表面接触在一起而提供传热路径；当石蜡冷凝冻结时，收缩的弹力将两个端面拉开从而切断传热路径。

热开关在“漫游者”探测器内安装示意图

航天服

美国NASA将微胶囊相变材料置于纺物中，制成具有良好温度调节功能的航天服，以保护航天员免受空间温度急剧变化的伤害。

在泵驱动流体换热系统中，加入由正十八烷、正二十烷、正十七烷、正十九烷等制备的粒径为10～30μm微胶囊相变材料，形成液体-颗粒悬浮物。试验结果表明，微胶囊相变材料悬浮液能够提供10～40倍于一般流体的等效热容，使Nu数提高2～3倍。这样一来，在相同冷却功率的要求下，冷却系统所需的泵功耗、流体流速及热沉体积均可大幅减小。

“嫦娥一号”卫星

“嫦娥一号”卫星的光学成像探测系统焦面组件的热设计采用了相变材料热管，利用相变材料的潜热抑制CCD器件工作时的温升。管材为纯铝，在单孔槽道热管两端分别附加2个腔体，充入80g/m的正十二烷。结果表明：氨热管和相变材料的耦合性良好，该结构不仅解决元件通过热管将热量导向散热面时温度波动过大的问题，而且还起到了抑制温度过高的作用。

小结

随着航天技术的发展，面对航天器热载荷的周期波动和增加，同时又受到系统重量和尺寸的限制，需要有更先进的热控方法来满足航天器发展的需要。这些都为相变材料在航天技术中的应用提供了广阔的前景。

参考来源：

[1]王磊等：相变材料在航天器上的应用，钱学森空间技术实验室

[2]黄子昊：面向航天器热控的复合相变体系热毛细对流及磁场调控机制的数值研究，广东工业大学

[3]张旭东等：面向航天应用的液态金属相变传热性能研究，中国科学院理化技术研究所