卫星热控系统的“冰火”两重天

 

       卫星热控，顾名思义，就是对工作在太空环境中的卫星进行热设计，使卫星及其所有设备都能在自己舒适的温度范围内工作。卫星的热控系统担负着控制卫星温度变化与温度分布，维持卫星热量吸收、转化及平衡排散的重要任务，在卫星“保持体温”的过程中不可缺少。

      这听起来貌似不难，不过实现起来可没那么简单，太空的温度环境非常恶劣，可以说是“冰火”两重天！那要怎样才能克服这种恶劣环境，找到卫星生存的舒适温度呢，星上有十几种功能不同的载荷设备，对温度的需求有没有什么不同呢？不要着急，下面一一为您解答^_^

 

 

为何要进行卫星热控

 

       本质上讲，温度是物体分子和原子热运动的剧烈程度的宏观表现。为什么温度过高过低设备会宕机，因为材料分子、原子运动异常了，无论动得太high还是太疲，它的各种性能都会随之改变。卫星是一个复杂的整体系统，从温度角度而言，星上不同设备的适温范围是有很大区别的，比如，分布在卫星舱外表面的无源天线，皮糙肉厚，能承受±90℃的交变环境；而大部分工作在卫星舱内的电子设备，身强体健，在-15~50℃温度范围下依然活泼；也有像蓄电池这样的娇弱宝宝，只能承受常温温度；还有相机这样的重娇患者，体温必须基本维持在某固定值；此外还有一些受虐体质的，如推力器、红外探测器，极热或极冷对它们来说才是刚刚好。总之，适合你的不一定适合他，但是无论什么温度要求，热控系统都要安排地让各位满意。

 

       那接下来，要用什么手段来进行卫星的温度控制呢？人体就是一个复杂的恒温系统，我们通过穿衣、吹风扇、烤火炉等来维持我们的体温。对卫星来说，道理是相似的。换热的基本原理有导热、对流和辐射。导热就像导电，温差就如电压差，在相同的温差下，同尺寸导热越好的材料，输送的热流就越大。对流是气体或液体流动时搬运了热量，吹风扇就是对流换热的应用。热辐射是物体以电磁波的形式不停地向外传送热量。任何温度在绝对零度以上的物体都能对外热辐射，其他条件相同时，温度越高，热辐射能量越大。

 

 

      一颗卫星的温度，除了自我调节之外，更要考虑到环境的影响。卫星在轨飞行时所处的深空是一个接近于绝对零度的深冷真空背景。近地轨道卫星在轨时能接收太阳直射、地球反射的太阳能以及地球辐射等热源。卫星轨道处的太阳辐射还没有经过大气的吸收，辐照强度远高于地面。当卫星直面太阳时，灼热的太阳光能晒得表面温度超百度，而当卫星躲在地球的阴影里时，卫星表面又可能陷入负一百多度的极冷处境。若是没有专门的热控设计，大部分卫星设备不能扛住频繁过山车般变化的温度。

 

卫星热控主要措施

       根据是否消耗能量，卫星热控技术分为被动热控技术和主动热控技术两大类。早期卫星的热控系统大部分为被动热控，主要依靠特定热控材料本身的物理特性和构型布局，如在卫星外表面喷涂不同性能的热控涂层，就像涂了防晒霜一样；或者采用多层隔热材料，卫星金灿灿的外衣就是卫星的“防晒衣”。主动热控更像家用空调，能根据不同环境主动升降温。通常，可以通过在卫星内部加装电加热系统，也可以在卫星表面安装可调节的百叶窗，更可以设计复杂的流体循环换热装置，以更精准地控制温度。

 

 

       我们回忆一下小时候夏天路边卖冰棍，泡沫箱子上盖一层厚厚的棉被，就是利用棉被导热性能差可以隔热的原理。卫星的表面也盖着被子，它叫多层隔热组件。多层是卫星上最常用的辐射隔热措施，它由很多层辐射单元结构组成，相邻层之间的辐射及导热换热很小，通过层层递减，卫星本体与外环境之间在多层处的换热非常小，即里面的热别想出去，外面的热也别想进来。多层隔热组件被誉为超级绝热材料。真空条件下，多层隔热组件的隔热性能比常规的隔热材料(泡沫塑料)高两个数量级左右。由于多层外表面经常有一层聚酰亚胺膜，所以卫星往往看上去金光闪闪的样子。

 

多层隔热组件实物

 

卫星热控外观   

      主动热控技术是以卫星的温度作为控制反馈，以主动调节辐射和导热参数、主动加热和冷却为手段，完成对卫星控温的目的，最典型的是电加热恒温装置，也就是通过电热片等加热装置对需要进行温度维持的部位进行加热。聚酰亚胺薄膜型电加热器件因其加热速度快、耐化学腐蚀和使用寿命长的特性成为深空环境下卫星及载荷加热的理想之选。但是这个电加热器不能一直加热，温度低了电加热器要开启，温度高了电加热器要准时断电，所以我们将薄膜型温度传感器集成到电加热片中，从而更精准的进行温度控制并简化装配操作。

 

 

温度传感器与加热片集成

 

 

      总的来说，热控的设计是对卫星的热能输入和输出的平衡。对外，利用太阳、地球、太空等卫星所处的环境，建立卫星与环境的和谐点，对内，协调设备、舱板之间的热流导向，找到设备之间的和谐点。未来，随着新材料和新技术的发展，热控系统的效率和可靠性预期将会进一步提高，更智能、灵活的主动热控技术将更广泛的应用在航天器上。