航天器热控分系统对材料的需求分析

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1、第27卷第2期航天器环境工程2010年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING135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，北京100094)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：V423．4+1；V250．3文献标识码：A文章编号：1

2、673-1379(2010)02-0135-04DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．02．0011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

3、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12J。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

4、，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lO—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0．03W／(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

5、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：2010．01—30；修回日期：2010—02．28作者简介：范含林(1961．)，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：(010)68747277．范宇峰(1978．)，男，博士学位，高级工程师，现从事航天器热控技术研究。航天器环境工程2010年第

6、27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

7、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