衛(wèi)星熱控系統(tǒng)的“冰火”兩重天

衛(wèi)星熱控，顧名思義，就是對工作在太空環(huán)境中的衛(wèi)星進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，使衛(wèi)星及其所有設(shè)備都能在自己舒適的溫度范圍內(nèi)工作。衛(wèi)星的熱控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著控制衛(wèi)星溫度變化與溫度分布，維持衛(wèi)星熱量吸收、轉(zhuǎn)化及平衡排散的重要任務(wù)，在衛(wèi)星“保持體溫”的過程中不可缺少。

這聽起來貌似不難，不過實(shí)現(xiàn)起來可沒那么簡單，太空的溫度環(huán)境非常惡劣，可以說是“冰火”兩重天！那要怎樣才能克服這種惡劣環(huán)境，找到衛(wèi)星生存的舒適溫度呢，星上有十幾種功能不同的載荷設(shè)備，對溫度的需求有沒有什么不同呢？不要著急，下面一一為您解答^_^

為何要進(jìn)行衛(wèi)星熱控

本質(zhì)上講，溫度是物體分子和原子熱運(yùn)動的劇烈程度的宏觀表現(xiàn)。為什么溫度過高過低設(shè)備會宕機(jī)，因?yàn)椴牧戏肿?、原子運(yùn)動異常了，無論動得太high還是太疲，它的各種性能都會隨之改變。衛(wèi)星是一個(gè)復(fù)雜的整體系統(tǒng)，從溫度角度而言，星上不同設(shè)備的適溫范圍是有很大區(qū)別的，比如，分布在衛(wèi)星艙外表面的無源天線，皮糙肉厚，能承受±90℃的交變環(huán)境；而大部分工作在衛(wèi)星艙內(nèi)的電子設(shè)備，身強(qiáng)體健，在-15~50℃溫度范圍下依然活潑；也有像蓄電池這樣的嬌弱寶寶，只能承受常溫溫度；還有相機(jī)這樣的重嬌患者，體溫必須基本維持在某固定值；此外還有一些受虐體質(zhì)的，如推力器、紅外探測器，極熱或極冷對它們來說才是剛剛好?？傊?，適合你的不一定適合他，但是無論什么溫度要求，熱控系統(tǒng)都要安排地讓各位滿意。

那接下來，要用什么手段來進(jìn)行衛(wèi)星的溫度控制呢？人體就是一個(gè)復(fù)雜的恒溫系統(tǒng)，我們通過穿衣、吹風(fēng)扇、烤火爐等來維持我們的體溫。對衛(wèi)星來說，道理是相似的。換熱的基本原理有導(dǎo)熱、對流和輻射。導(dǎo)熱就像導(dǎo)電，溫差就如電壓差，在相同的溫差下，同尺寸導(dǎo)熱越好的材料，輸送的熱流就越大。對流是氣體或液體流動時(shí)搬運(yùn)了熱量，吹風(fēng)扇就是對流換熱的應(yīng)用。熱輻射是物體以電磁波的形式不停地向外傳送熱量。任何溫度在絕對零度以上的物體都能對外熱輻射，其他條件相同時(shí)，溫度越高，熱輻射能量越大。

一顆衛(wèi)星的溫度，除了自我調(diào)節(jié)之外，更要考慮到環(huán)境的影響。衛(wèi)星在軌飛行時(shí)所處的深空是一個(gè)接近于絕對零度的深冷真空背景。近地軌道衛(wèi)星在軌時(shí)能接收太陽直射、地球反射的太陽能以及地球輻射等熱源。衛(wèi)星軌道處的太陽輻射還沒有經(jīng)過大氣的吸收，輻照強(qiáng)度遠(yuǎn)高于地面。當(dāng)衛(wèi)星直面太陽時(shí)，灼熱的太陽光能曬得表面溫度超百度，而當(dāng)衛(wèi)星躲在地球的陰影里時(shí)，衛(wèi)星表面又可能陷入負(fù)一百多度的極冷處境。若是沒有專門的熱控設(shè)計(jì)，大部分衛(wèi)星設(shè)備不能扛住頻繁過山車般變化的溫度。

衛(wèi)星熱控主要措施

根據(jù)是否消耗能量，衛(wèi)星熱控技術(shù)分為被動熱控技術(shù)和主動熱控技術(shù)兩大類。早期衛(wèi)星的熱控系統(tǒng)大部分為被動熱控，主要依靠特定熱控材料本身的物理特性和構(gòu)型布局，如在衛(wèi)星外表面噴涂不同性能的熱控涂層，就像涂了防曬霜一樣；或者采用多層隔熱材料，衛(wèi)星金燦燦的外衣就是衛(wèi)星的“防曬衣”。主動熱控更像家用空調(diào)，能根據(jù)不同環(huán)境主動升降溫。通常，可以通過在衛(wèi)星內(nèi)部加裝電加熱系統(tǒng)，也可以在衛(wèi)星表面安裝可調(diào)節(jié)的百葉窗，更可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的流體循環(huán)換熱裝置，以更精準(zhǔn)地控制溫度。

我們回憶一下小時(shí)候夏天路邊賣冰棍，泡沫箱子上蓋一層厚厚的棉被，就是利用棉被導(dǎo)熱性能差可以隔熱的原理。衛(wèi)星的表面也蓋著被子，它叫多層隔熱組件。多層是衛(wèi)星上最常用的輻射隔熱措施，它由很多層輻射單元結(jié)構(gòu)組成，相鄰層之間的輻射及導(dǎo)熱換熱很小，通過層層遞減，衛(wèi)星本體與外環(huán)境之間在多層處的換熱非常小，即里面的熱別想出去，外面的熱也別想進(jìn)來。多層隔熱組件被譽(yù)為超級絕熱材料。真空條件下，多層隔熱組件的隔熱性能比常規(guī)的隔熱材料(泡沫塑料)高兩個(gè)數(shù)量級左右。由于多層外表面經(jīng)常有一層聚酰亞胺膜，所以衛(wèi)星往往看上去金光閃閃的樣子。

多層隔熱組件實(shí)物

衛(wèi)星熱控外觀

主動熱控技術(shù)是以衛(wèi)星的溫度作為控制反饋，以主動調(diào)節(jié)輻射和導(dǎo)熱參數(shù)、主動加熱和冷卻為手段，完成對衛(wèi)星控溫的目的，最典型的是電加熱恒溫裝置，也就是通過電熱片等加熱裝置對需要進(jìn)行溫度維持的部位進(jìn)行加熱。聚酰亞胺薄膜型電加熱器件因其加熱速度快、耐化學(xué)腐蝕和使用壽命長的特性成為深空環(huán)境下衛(wèi)星及載荷加熱的理想之選。但是這個(gè)電加熱器不能一直加熱，溫度低了電加熱器要開啟，溫度高了電加熱器要準(zhǔn)時(shí)斷電，所以我們將薄膜型溫度傳感器集成到電加熱片中，從而更精準(zhǔn)的進(jìn)行溫度控制并簡化裝配操作。

溫度傳感器與加熱片集成

總的來說，熱控的設(shè)計(jì)是對衛(wèi)星的熱能輸入和輸出的平衡。對外，利用太陽、地球、太空等衛(wèi)星所處的環(huán)境，建立衛(wèi)星與環(huán)境的和諧點(diǎn)，對內(nèi)，協(xié)調(diào)設(shè)備、艙板之間的熱流導(dǎo)向，找到設(shè)備之間的和諧點(diǎn)。未來，隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，熱控系統(tǒng)的效率和可靠性預(yù)期將會進(jìn)一步提高，更智能、靈活的主動熱控技術(shù)將更廣泛的應(yīng)用在航天器上。