熱控涂層簡(jiǎn)介

涂層的α_s與ε之比值直接影響航天器的工作溫度。在航天器熱設(shè)計(jì)中，按航天器在軌道上瞬間所受外熱流和內(nèi)功率大小，在各個(gè)部位選用具有適當(dāng)α_H和ε的涂層，再配合其它熱控措施，就可以使航天器各部位處于合理的溫度范圍同時(shí)還可以調(diào)節(jié)航天器蒙皮的溫度梯度以及航天器進(jìn)入地球陰影區(qū)后的降溫速度 。

用于航天器各表面，具有特定熱輻射性質(zhì)、調(diào)節(jié)輻射熱交換的表面涂層又稱溫控涂層。涂層具有特定的太陽(yáng)吸收比(α_H )和紅外輻射率(ε)，在空間環(huán)境中有良好的穩(wěn)定性 。

熱控涂層的分類方法很多，按熱輻射性質(zhì)，可分為低吸收發(fā)射比、中吸收一發(fā)射比和高吸收一發(fā)射比涂層。

又可分為涂料型、高溫噴涂型、化學(xué)型、電化學(xué)型、真空沉積型和薄膜真空沉積型等 。2100433B

依據(jù)我國(guó)探月工程規(guī)劃和實(shí)施，需要將工程或科學(xué)載荷置于月球表面進(jìn)行探測(cè)工作。由于月面溫度環(huán)境變化幅度較大，這些載荷必須要解決月面溫度環(huán)境適應(yīng)性熱控問(wèn)題。在月晝或月夜期間，需要通過(guò)被動(dòng)熱控裝置有效控制載荷與外部環(huán)境的換熱量，使其溫度維持在工作或儲(chǔ)存溫度范圍內(nèi)；尤其在月夜期間，在沒(méi)有同位素?zé)嵩椿螂娫吹臈l件下，更需要通過(guò)被動(dòng)熱控裝置使載荷能夠在月夜極端溫度環(huán)境下生存下來(lái)。將論述月面載荷被動(dòng)熱控技術(shù)與應(yīng)用，以及月壤低熱擴(kuò)散特性及恒溫層等對(duì)載荷熱控設(shè)計(jì)。

被動(dòng)熱控制月面與月壤溫度環(huán)境

由于月球表面大氣極為稀薄，月壤的熱擴(kuò)散率又很小( 約1.1×10^-7m²/s)，因而月面晝夜溫差大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(月球白晝受陽(yáng)光照射的月面，溫度可高達(dá)130～150℃，而夜間和陽(yáng)光照射不到的陰暗處，溫度會(huì)下降到-180～ -160℃)，晝夜交接時(shí)段的溫度變化劇烈。

在獲得實(shí)際月壤樣品以及前蘇聯(lián)Lunokhod1、Lunokhod2無(wú)人駕駛月球車和美國(guó)阿波羅(Apollo)宇航員月表巡視和實(shí)測(cè)后，人類對(duì)月壤的組成、結(jié)構(gòu)以及物理和機(jī)械性質(zhì)等研究才取得實(shí)質(zhì)突破。依據(jù)現(xiàn)已獲得的有關(guān)月壤的數(shù)據(jù)和圖像資料，地面模擬和數(shù)值仿真研究表明，月球表層溫度的晝夜變化只能影響到月表之下深度約1m以內(nèi)地層；在月球表面以下深12cm范圍的月壤內(nèi)才存在明顯的溫度梯度變化。

用射電觀測(cè)可以測(cè)定月面土壤中的溫度。這類測(cè)量也表明，月面土壤中較深處的溫度很少變化。這正是由于月壤的低熱擴(kuò)散率特性造成。

被動(dòng)熱控制月面載荷被動(dòng)熱控設(shè)計(jì)與分析

月面載荷與空間環(huán)境之間的換熱以熱輻射的方式進(jìn)行；與月面之間的換熱以熱輻射和導(dǎo)熱方式進(jìn)行；月面載荷組件間換熱主要以熱輻射和導(dǎo)熱方式進(jìn)行。采用多層隔熱材料和組件已成為航天器被動(dòng)熱控的主要手段之一。多層隔熱組件一般有輻射、導(dǎo)熱和傳熱三種換熱數(shù)學(xué)模型。按照Q/W 682-96《星用多層隔熱材料組件設(shè)計(jì)規(guī)范》，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，推薦采用輻射模型來(lái)計(jì)算。

月面載荷被動(dòng)熱控設(shè)計(jì)基本思想就是采用低當(dāng)量發(fā)射率的多層隔熱結(jié)構(gòu)組件和低當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)組件，盡可能地降低載荷與外部環(huán)境之間的換熱量，以保證載荷的儲(chǔ)存環(huán)境溫度和工作環(huán)境溫度。

（1）月面載荷最外表面輻射屏設(shè)計(jì)

月面載荷外表面一般為熱控涂層或薄膜，是滿足基爾霍夫定律(Kirchhoff) 和蘭貝特(Lambert)余弦定律的漫灰體輻射表面，涂層或薄膜的材料和結(jié)構(gòu)特性基本決定了其熱輻射性質(zhì)。這也就是月面載荷最外表面輻射平衡溫度控制的基本依據(jù)和方法。月晝期間，月面載荷最外層表面輻射屏所能接受到的熱輻射主要來(lái)自太陽(yáng)輻射、月面的紅外輻射 、月球反照等；而在月夜期間，輻射屏所接受到的熱輻射主要來(lái)自著陸器紅外輻射和月面紅外輻射等。

（2）月面載荷熱控多層隔熱組件設(shè)計(jì)

月面載荷熱控多層隔熱組件主要有：拋光金屬鋁架(可用于多層包覆)、內(nèi)多層隔熱組件、外多層隔熱組件(也可展開)及最外層輻射屏等?？烧归_外多層隔熱組件一般包覆并固定在對(duì)稱分布的可折疊展開輕質(zhì)材料(如碳纖維材料等)骨架上；每組骨架可通過(guò)微型扭簧等(位于骨架折疊處)實(shí)現(xiàn)骨架的折疊與展開動(dòng)作，而扭簧則可安裝在所對(duì)應(yīng)的微型角度限位座上；骨架沿半徑方向向內(nèi)折疊，同一半徑折疊處采用輕質(zhì)繩索依次有序連接。

被動(dòng)熱控制研究結(jié)論

月面載荷需要通過(guò)被動(dòng)熱控裝置有效控制其與外部環(huán)境的換熱量，使其溫度維持在工作或儲(chǔ)存溫度范圍內(nèi)；輻射換熱是月面載荷與外部空間環(huán)境之間的主要換熱方式，低當(dāng)量發(fā)射率多層隔熱組件是月面載荷所能采用的主要被動(dòng)熱控裝置；通過(guò)月面載荷最外表面輻射屏ε和α_s特殊設(shè)計(jì)，就可以基本決定其表面輻射平衡溫度，進(jìn)而確定月面載荷熱分析計(jì)算的邊界條件；利用月壤恒溫層及其特性，展開式外多層隔熱組件可以在載荷所在月面處形成一個(gè)溫度相對(duì)穩(wěn)定的月面小環(huán)境。其中心區(qū)域附近月面平均溫度與當(dāng)?shù)卦氯篮銣貙訙囟认喈?dāng)。 2100433B

熱控工程師