美国宇航局机器人航天器的热控技术

美国宇航局机器人航天器的热控技术

主要内容：美国宇航局对未来航天机器人、无人控制项目中热控技术的努力探索。

主要讲了目前航天器热控领域正在火热研究的几种热控技术，包括两相技术（毛

细泵回路(CPLs)、环路热管（LHPs）和CAPL 3）、大型结构的尺寸稳定性、变

发射率热控涂层、热敏开关、超高热导率材料、高热流量的散热方法和相变储热

材料等。

文章结构：本文分为Introduction(简介)、State-of-the-art in thermal control (最先进

的热控技术)、Future thermal control requirements (未来的热控需求)、Emerging

technologies(新兴技术)和Conclusion(结论)五部分。

1. Introduction

美国宇航局一直追求新的科学知识，渴望对空间和时间更深入的理解。追求

这些目标需要有先进的工程技术作为保障，热控就是其中一项。许多未来的科学

任务都必须在深冷下进行，要求飞船具有极高的尺寸稳定性、严格稳定的温度控

制，这些推动了热控技术的发展。

2. State-of-the-art in thermal control

两相技术，包括毛细泵回路(CPLs)、环路热管（LHPs）是进十年来最主要热

控创新，他们已经在许多航天器上得到了应用，并表现良好。但是，目前所有的

CPLs和LHPs都采用单蒸发器，这存在一定的局限性。CAPL3的实验成功演示

了使用平行蒸发器来分担热载荷的思想。目前CPL/LHP技术存在地主要问题是

需要大量的工程设计和集成技术，启动前要对环路进行预处理。

一到两年的短期任务也可以采用机械泵单相制冷系统。

3. Future thermal control requirements

未来热控的主要需求包括：

(1) 大结构的尺寸稳定性

(2) 深冷的热的采集和运输(≤40K)

(3) 严格的温度控制(±1℃)

(4) 热/机械/光集成系统

(5) 微米/纳米航天器的热设计

(6) 在严格控制温度下，高热通量(＞100W/cm)的采集

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(7) 质量和辅助电源使用的最小化

(8) 极高温度下航天器的热控

4. Emerging technologies

目前正在研究的新兴技术有：

(1) 先进的热控涂层，该涂层的表面发射率会根据散热器的热量而自行智能

调整

(2) 具有二极管功能的用于传感器或光学制冷的低温(3-30K)传热设备

(3) 大结构的一体化结构、校准和热控方法

(4) 用于行星探测或低温场合的热敏开关

(5) 先进的高热导率材料，比如金刚石膜

(6) 复合蒸发器/复合冷凝器，两相传热管路

(7) 大热流(＞100W/cm)散热技术，例如喷淋制冷

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(8) 用于单相和两相制冷回路的长寿命机械泵

(9) 用于行星环境的质量低、隔热性能好的材料

(10) 用于高热流密度的基于微机电系统制造的泵冷却系统，如微管道热沉

(11) 低温和高温场合的相变储热材料

变表面发射率的热控涂层可能是热控领域的下一个主要创新点。目前至少有

三种方法来实现：电致变色，静电和一个微型百叶窗。电致变色顾名思义是对材

料施加电信号使其改变颜色，进而改变发射率；静电方法主要采用内部位导电涂

层，外部为白漆的薄膜。它可以在静电的作用下离开辐射表面，作为多层隔热材

料的一层，也可以紧贴表面高效的辐射热量。微型百叶窗与传统百叶窗相似，只

不过百叶窗的尺寸是微米级的。

激光、芯片和先进动力设备设计到很大的热流，需要新的散热设备，或者至

少要对两相技术进行改进。其中一个研究反向是喷淋制冷，零重力下的喷淋控制

还是一个有待解决的问题。

5. Conclusion

两相，单/多蒸发器热控回路正在得到越来越多的应用，是目前的主流热控技

术。为了响应未来任务的要求，各种各样新的热控技术正在逐渐发展。其中，变

表面发射率热控涂层可能是下一个主流热控技术。

参考文献

Theodore D. Swanson, Gajanana C. Birur. NASA thermal control technologies for robotic

spacecraft[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23: 1055–1065.