航天器热控技术

航天器热控技术概论1.航天器：在地球大气层以外的宇宙空间，执行探索、开发或利用太空等特定任务的飞行器。2.人造卫星：环绕地球运行（至少一圈）的无人航天器。关于人造卫星，潘老师的观点：第一，卫星是一个肩负着国家使命的载体，一代代的航天热在“自力更生，奋发图强”精神的鼓舞下，承担着强国富民的光荣而艰巨的任务；第二，卫星是一个复杂的系统工程，需要“大力协同、无私奉献”的航天精神，才能圆满完成任务；第三，卫星是集光、机、电、热于一身的矛盾统一体。3.航天器热控制的概念卫星热控制根据飞行的具体条件，合理地控制卫星内、外的热交换过程，采取各种热控措施，使星上的仪器设备工作在规定的温度范围内，以保证整个飞行任务的完成。卫星热控制是星上的一个很重要的分系统，和结构、姿轨控、电源、测控等分系统一样，也是一个服务系统，因此，它首先要服从飞行任务的需要，满足总体对热控提出的技术要求。航天器热控方法与地面热控有何区别？与其它工业具有互相借鉴的意义。4.航天器热控制是一门新兴学科自从1957年人类第一次把人造卫星送入绕地球运行轨道以来，航天技术已经得到了迅速发展，从五、六十年代的早期试验到七十年代的载人飞行，八、九十年代的逐步成熟，至今迈进21世纪的蓬勃发展。我国自1970年4月成功地发射了自己研制的第一颗“东方红”卫星以来，到目前为止，已经成功发射了100多颗人造卫星，并且已从试验阶段跨入各种实际应用阶段。迄今，世界各国已向空间发射了5000余颗各种不同类型的航天器，在几十年的实践中人们逐渐深刻认识到卫星的热控制已发展成为一门独立的学科，这就是空间热物理学。它和许多学科有着广泛的联系，涵盖了热力学、传热学、传热传质学、流体力学、计算传热学、空间几何学、电子学、化学、物理、计算机等多种学科的知识。5.航天器为什么要进行热控制？举例说明：一个在地球同步轨道运行的薄壳球形卫星，如果这球体表面不加任何热控涂层，就是加工后的铝抛光表面，卫星内没有内热源，分析指出，当卫星对太阳定向时，则向阳面得最高温度达250，而背阳面的温度将会低到-200，而卫星内部的设备温度的不均匀性及其波动虽然小一些，但分析表明，如果不采取任何热控措施的话，则其温度的不均匀性或温度的变化也能达到，这对于星上的各种仪器设备、结构部件来说都是无法承受的。因此，需要对卫星进行热控制，保证卫星各个部件的正常运行。0C050~100C0C6.热控制功能卫星从地上腾空而起，潜入太空遨游，需要经历各种各样的严峻考验：宇宙真空、低温深冷、粒子辐射等。一个卫星的飞行过程要经历四个阶段：地面段、上升段、轨道段和返回段。这四个阶段的热环境是极其恶劣的，其温度变化非常剧烈，从摄氏零下二百多度变至数千度以上。地面段：卫星处于发射场塔架上的环境条件下的工作状态，他的工作状态与发射场的地理气象条件密切相关，不同地区冬夏和昼夜的变化很大-----配备地面调温系统；上升段：卫星在运载火箭的运送下，离开地面后进入轨道飞行的阶段（此阶段由于卫星速度从零逐渐增大，穿过稠密的大气层后达到7.9公里/秒的第一宇宙速度，因此卫星表面受到强烈的气动加热影响，温度急剧升高达到摄氏几百度）；轨道段：卫星入轨后在轨道上长期运行的阶段，这也是执行任务的主要阶段，此时，卫星要长期经受太阳、行星和空间低温热沉的交替加热和冷却，引起高低温的剧烈变化，变化幅度可达到；0200C返回段：卫星脱离运行轨道再进入大气层返回地面的飞行过程。此时，卫星以极高的速度再入大气层，巨大的动能在大气层阻尼作用下转变成为大气的热能，气体温度猛烈上升到摄氏数千度以上，给卫星以强烈的气动加热。面对这样恶劣的环境条件，要保证卫星能正常工作就必须进行合理热设计，并研制有效和可靠的热控制系统，否则必将影响正常飞行计划，甚至导致飞行失败。7.热控制基本原理（1）能量守恒原理地球及其大气在行星际空间围绕太阳运转，在研究地球及其大气在行星际空间的能量平衡时，通常把地球及其大气作为一个整体来考虑，把地球及其大气作为一个统一的系统，即地球-大气系统。地球-大气系统的能量基本来源于太阳，其主要传输方式为辐射。太阳辐射进入地球-大气系统后，部分被反射，部分被吸收，被反射的能量简称为地球反照，被地球大气系统吸收的太阳辐射能，转化为热能后又以长波辐射的方式辐射到空间去，这部分能量称为地球热辐射或红外辐射。能量守恒：卫星表面从外部空间环境中获得的热量，加上卫星内部仪器设备产生的热量，等于卫星向外部空间排散的热量及其内能的变化。1234567QQQQQQQ1234567QQQQQQQ太阳直接加热量；地球及其大气对太阳的反照加热量；地球的红外加热量；空间背景加热量；在卫星内部还有仪器设备工作时产生的内热量；卫星向空间辐射的热量；内能变化量；由热平衡方程确定卫星的温度水平，这个温度水平的高低与各种热能的大小，卫星材料及其表面的热物理性能（包括表面对太阳的吸收率、热辐射率、材料的比热和密度等）有关。（2）原理分析空间外热流热控涂层热控涂层多层隔热材料组件导热填料隔热材料热管相变贮能装置电加热器件百叶窗和转盘热控结构其他热控涂层多层隔热材料组件导热填料隔热材料热管相变贮能装置电加热器件百叶窗和转盘热控结构星体内部部件温度加热功率内热源热容吸收的外热流辐射热流8.航天器热控制方法（1）控制方式卫星的热控制分为被动式和主动式。被动式控制：又称无源控制，即依靠合理的总体布局和选择设计参数，正确地组织与控制星体内、外的热交换过程来达到热控制的目的。优点：技术简单，无运动部件，所以可靠性高，使用寿命长；缺点：无自动调节温度的能力。主动式：当卫星内、外热流状况发生变化时，通过某种机构的动作或电子控制线路来实现热控制。优点：具有较大的适应能力和热控制能力；缺点：系统复杂，可靠性问题和重量问题使它在应用中受到一定得限制。（2）热控制手段热控涂层定义：涂覆于卫星各个表面或仪器壳体上的热控涂层。两个重要参数：太阳吸收率：，辐射率：。这两个重要参数决定了表面的热辐射性质，而热辐射性质又直接控制着卫星表面的温度水平。因此，热控涂层材料的选取至关重要。目前，世界各国已经研制出的热控涂层材料按照热辐射性质可分为九种类型：全反射表面；中等反射表面；太阳吸收表面；中等红外反射表面；灰体表面；中等红外吸收表面；太阳反射表面；中等太阳反射表面；全吸收表面。s按照涂层组成特点可分为四类：未经涂覆的金属表面，如抛光表面、喷砂表面；涂料型涂层，如有机漆、无机漆等；电化学涂层，如阳极氧化涂层、电镀；二次表面镜，如光学太阳反射镜，塑料薄膜二次表面镜等。热控涂层的使用原则：根据热控制所需要的各种表面的热辐射性质来选择涂层；要考虑工艺的可行性，考虑被涂件的尺寸，形状等；要考虑空间环境的影响，涂层有较好稳定性，其退化率小；要考虑涂层的污染问题。多层隔热材料定义：利用许多高反射率的屏面的层层反射，对辐射热流造成很高的热阻，在空间环境的高真空条件下，隔热效果达到最佳。作用：保温或者隔热根据反射屏的不同可分为高温型和中低温型两类。高温型：由金属箔构成反射屏，多用于的高温；中低温型：由金属镀膜构成反射屏，金属镀膜一般是附着于某种透明而柔软的薄膜底材上，使用温度范围：（中温）；（低温）0900C00~250C0196~120C影响多层隔热性能的因素：反射屏的表面辐射率；反射屏层数；冷、热边界的温度；间隔材料的性质、结构及光学特性；多层所受的压缩负荷；层间的真空程度；端边漏热以及由结构因素引起的其他漏热；材料的放气等。理想情况下，影响多层隔热性能的因素只有前三项，但是要想确立一个包括各种影响因素的分析式是非常困难的。各位专家、学者多年来的研究认为影响多层隔热性能的因素主要有三个方面：与成正比的层间辐射；与成正比的层间气体导热；与成正比的层间固体导热。多层隔热设计应该考虑的因素：层密度；减少端边漏热；制作工艺的规范化；净化与穿孔。4T1/2TT热管定义：热管是一种靠工质的蒸发、凝结和循环流动而传递热量的器件。热管由管壳、工质以及具有毛细结构的管芯组成。热管工作原理卫星上选用热管时，应该注意的使用要求：工作温度范围：热管工作时所需要承受的最高工作温度和最低工作温度所确定的温度区间，一般在。这个要求限制了所用工质种类。工作温度范围必须在工质的临界点和凝固点之间，保证工质既不凝固也不会处于超临界状态。060~60C传热量和热流密度：该要求是指热管传递的总的热流量和蒸发段单位面积上的热负荷。它决定了热管的尺寸、管芯的类型以及所用热管的数量。蒸发段的热流密度不得超过热管沸腾极限的允许值。热管的总温降：热管的总温降是指蒸发段外壁面与凝结段外壁面之间的温差，这个要求决定了热管蒸发段和凝结段的管芯设计和热管的最小尺寸。尺寸、重量和几何形状：主要由应用场合的条件来决定。其尺寸、走向和外形要和应用对象匹配。卫星应用中常要求热管与结构件合为一体，如在蜂窝夹层板中预埋热管。可靠性和寿命：热管可靠性是指其在给定的条件下，热管工作性能的稳定。寿命是指热管从开始工作到失效之间的时间。工作环境：热管的工作环境对其性能产生重要影响，这些环境主要包括热管可能经历的重力，离心力、振动和冲击力等力学环境，以及与之耦合的热源、热沉状态等。相变材料工作原理：将相变材料放在被控设备和外界环境之间，当相变材料与发热元件的界面温度升高到相变材料熔点时，相变材料熔化并按熔化潜热吸收热量，使界面温度仍保持在熔点附近。当界面温度由于内部或者外部原因下降时，相变材料放出潜热而凝固。只要存在两相，界面温度就仍保持在熔点附近。选择相变材料时应考虑的因素：熔化潜热高；有一个适当的熔化温度；固-液相转化可逆；液相和固相都有高的导热率和热扩散率；比热大，密度高；长期使用可靠；熔化、凝固过程可靠；相变过程中体积变化小；相变时蒸气压低；与容器材料的相容性好；没有过冷现象；无毒，也无其他有害性质。相变材料分类：石蜡类—熔化潜热高，熔点范围宽，无毒，无腐蚀性，相变过程体积变化小，可靠性高；非石蜡有机物；水化盐；金属等。薄膜加热器定义：利用电导体的电热性质来进行热控制的器件。分类：被动式和主动式。被动式：在电加热器上加一个恒定电源，不要另外进行控制。电加热器由电热元件、绝缘层和引线组成。星用薄膜加热器是以镍铬合金或者铜镍锰合金作为电热元件，制成丝状或片状与聚酰亚胺薄膜复合而成。主动式：主动类电加热器件由电加热器，电源，热控仪和热敏电阻组成，称为电热调温系统。薄膜加热器特点：结构简单，体积小，重量轻，使用方便，控制精度高。--适用于卫星热控制应用，常作为卫星的主动热控制方式。百叶窗定义：百叶窗是一种利用低辐射率的可动叶片，不同程度地遮挡高辐射率的仪器散热表面的方法来控制温度的装置。结构：支持框架、叶片、动作室、驱动元件、轴承和地板。工作原理：当仪器温度由于发热量增大而升高时，叶片旋转而张开，露出高辐射率的仪器表面，散热量增大，从而使一起温度下降。相反，当仪器发热量减小而使温度下降时，叶片自动关闭，辐射表面散热量减小，从而使仪器温度逐渐上升。在这种机构中，叶片的动作使得辐射表面的当量辐射率发生了变化，才使得辐射排热发生变化，从而实现对仪器的温度控制。9.航天器热设计（如何进行航天器热控制）目的与任务目的：确保星上所有的仪器设备和卫星本身的构件的环境温度都处于要求的范围内。温度要求：常温要求恒温要求高低温要求等温要求热设计任务：根据航天器的飞行任务和对热控制的需求，分析各个阶段的内、外热环境状况，采取各种热控制技术和方法，有效组织航天器内、外的热交换来达到热设计的目的。热设计原则兼顾全局，有一盘棋的思想；有较高的适应性；尽可能地减轻热控系统的重量，一般不超过卫星总重量的3%~5%；尽可能地减少消耗星上的电能，优先考虑不消耗电能加热的热控技术，利用星内废热或者吸收星外的热量作为热控使用。要考虑到地面空间模拟实验的可能性、经济性以及热计算分析的准确性；应注意热控