首页 学者频道 产业人才 学术频道 创新频道 全国学会 科协智库 人才评奖

空间辐射器

科技工作者之家 2020-11-17

空间辐射器是一种用于航天器上的高精度辐射器。它是航天器研制过程中的一个重要环节,空间辐射器的研究存在许多难题:一是航天器功耗的快速增加,从几千瓦到数百兆瓦,给辐射器散热性能带来了很大的挑战;二是随着空间碎片激增,航天器的辐射器系统遭遇碎片和微流星撞击的概率大大增加,从而给航天器热排散系统的可靠性设计提出了更高的要求;三是现代航天器均携带高精度仪器设备,必须进行高精度温度控制。

简介载人航天及深空探测的发展,使空间辐射器的研究成为航天器研制过程中的一个重要环节。空间辐射器的研究存在许多难题:一是航天器功耗的快速增加,从几千瓦到数百兆瓦,给辐射器散热性能带来了很大的挑战;二是近年空间碎片激增,航天器的辐射器系统遭遇碎片和微流星撞击的概率大大增加,从而给航天器热排散系统的可靠性设计提出了更高的要求;三是现代航天器均携带高精度仪器设备,必须进行高精度温度控制。因此,研究新型高传热、高精度及高可靠性的辐射器系统是航天器热控制技术领域的重要课题。空间辐射器有多种类型,如流体回路辐射器、热管辐射器、粒子辐射器及带条式辐射器等。其中,热管式空间辐射器在传热性能、控温及抗撞击方面有很大优势,且已成功应用于航天器热控系统,是国内外研究最多的辐射器,具有良好的应用价值。

从20世纪90年代开始,NASA发起了高性能空间辐射器的研究工作,以应对航天器迅速增加的大功率、长寿命需求。其中,针对热管式空间辐射器进行了多个专项研究,除了传统铝/氨管翅式热管辐射器,先后研发了几种新型热管辐射器,包括单槽道热管辐射器、轻质可控热管辐射器、高温热管辐射器以及用于卫星精密热控的热二极管辐射器等1。

热管辐射器热管首先用于卫星的热排散,此后,热管逐渐用于各种航天器的热控系统,形成了空间辐射器的重要形式热管辐射器(HPR),广泛应用于卫星、航天飞机、深空探测器等航天器的热排散。根据与热传输液体回路的连接方式,热管辐射器可分为两种基本构型,即直接接触和非直接接触形式。

热管辐射器与传统的流体回路辐射器相比具有明显的性能优势。一方面,热管辐射器通过热管加强了热交换能力,有效地实现了辐射面板的温度均匀,传热效率远大于单相流体回路系统,可减少流体回路的管路数量;另一方面,单个热管自成体系,从而有效防止了单点失效问题,不用对热管辐射器系统进行特殊加厚;此外,可采用微型热管,用于控制设备的温度,可达到较高的温控精度。因此,热管辐射器可以较好地解决当今辐射器设计所遇到的大功率和碎片撞击的问题,从而具有很好的应用前景,是未来大型航天器热排散的首选。

热管辐射器的基本形式是铝/氨管翅式热管辐射器,是最早研究并使用的结构,在此不再赘述。热管辐射器已产生多种新型结构,包括单槽道热管辐射器、热二极管辐射器、轻质可控热管辐射器、高温辐射器等,所有新型辐射器都是在传统辐射器的基础上,在结构或材料上进行改进,从而具有了更优良的性能。

国外新型热管辐射器研究进展热管辐射器研究的关键点是热管的管型设计、热管的布置方式及辐射器管壁材料和工质选择等,其已成功用于航天器热排散,在可行性和应用性能方面都获得了充分验证,因此各国均在大力开发新型高性能热管辐射器。

1.单槽道热管辐射器

单槽道热管(Monogroove HP)由美国格鲁曼公司(Grumman)开发,管路分蒸汽流道和液体流道,通过单纹毛细槽分开,单纹毛细槽尺寸小,具有较大毛细压力,从而使液体抽吸到蒸汽管道,液体和蒸汽的分离能降低黏度,显著增加了热管的传热能力。将单槽道热管加入空间辐射器面板就形成了单槽道式热管辐射器。依据管材及工质的不同,单槽道热管辐射器可进行不同温度范围热排散。铝/氨热管可进行360K以下热排散;不锈钢/甲醇(Methanol)热管可进行500K左右热排散。单槽道热管性能已成功通过了微重力环境试验的考验。

2.热二极管辐射器

热二极管辐射器是热管辐射器的重要类型,主要采用体装式结构,实现精密元器件的热控制。热二极管辐射器的优点,在于能适应航天器在轨运行过程中的冷热交替环境,确保航天器元件的温差在较小范围内。

为降低信使号的质量,其辐射器面板材料采用碳复合材料,由于碳的导热系数较低,因而需要改善电子设备箱体的传热能力,系统热电子箱体经过特殊设计,通过加入热二极管,形成热二极管辐射器,将热载荷直接传导给热二极管,然后再传导给辐射面板进行热排散。

3.轻质可控热管辐射器研究

轻质可控热管辐射器是当今空间辐射器的一个重要发展方向,其密度小、可靠性及散热效率高,寿命长(10~15年),具有抗空间碎片和微流星撞击能力,因而是长期载人航天探测器用辐射器的主要发展方向。轻质可控热管辐射器多为可展开式,分为大型一体式和分装式,单板散热能力一般为500~2000W,可布置多个辐射面板。轻质可控热管辐射器的研究对象,主要有铝丝微热管辐射器、环路热管辐射器及柔性可展开热管辐射器等。

结论与展望大部分热管辐射器都具有良好的抗空间碎片及微流星撞击性能,而单槽道热管辐射器、轻质可展开辐射器和高温热管辐射器适应高功耗需求,适用于载人航天和深空探测,热二极管辐射器、微热管及环路热管辐射器能够实现高精度控温,航天器可根据实际需求选择相应辐射器结构形式。热管辐射器的研究方向及发展趋势总结如下。

首先,新型热管辐射器的研究的主要方向是辐射器结构的改善或者创新,以提高辐射器的适应性和传热性能。如适应低功率冷热周期性交替变化环境的热二极管辐射器,提高热管传热性能的单槽道热管辐射器,适应温度环境急剧变化的具有热存储功能的各种先进辐射器结构。其中,可展开式辐射器是在辐射器构型上的主要研究方向,也是未来大型航天器辐射器发展的主要趋势之一。可展开辐射器可以是铰接的多辐射面板结构,也可以是柔性结构,其散热及可靠性上都有较大优势,研究的难点在于辐射器的材料选择、连接和密封技术以及在轨装配及展开性能,其中密封及在轨展开是难点。随着航天器功率的增加(MW 级),可展开式热管辐射器将是辐射器研究的重点。

其次,热管辐射器管壁和面板材料以及工质性质研究。热管辐射器的材料和工质必须适应工作温度环境,管壁和工质不具有渗透性,相容且工质不能对管壁具有腐蚀性等。为适应不同散热温度,已开发出多种辐射器材料及工质。管壁主要有铝材、镍合金和钛合金等,铝材适用于中低温,镍、钛合金则适用于中高温范围,而面板材料则主要有铝蜂窝板、最新的双面碳-碳(C-C)表面结构,其中C-C表面结构具有高发射、低吸收,适用温度范围广(高温可达550K)等优点,是新型辐射器面板的较大改进。在工质方面,低温的有氨、全氟三乙胺、硅油等,中温的主要是水、乙醇或混合溶液,高温的主要是液态金属作为工质,如钠、钾等。研究新型辐射器过程中,根据工作温度的不同,设计辐射器结构,然后合理选择辐射器材料及工质,生产试验产品进行试验,是新型辐射器研究的主要途径。

当今世界各航天大国已发射的载人航天器,都采用了以流体回路为主的主动热控技术,辐射器为单相流体回路辐射器,但鉴于航天器功耗日益增加及空间碎片激增问题,热管辐射器将是未来航天器主要采用的辐射器种类之一,尤其是可展开辐射器及高温辐射器是未来载人航天器的首选。文章对国外新型热管辐射器的研究发展状况进行了论述,对我国新型高性能空间辐射器的研究,如结构设计、材料及工质的选择具有一定的借鉴意义2。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学

科技工作者之家

科技工作者之家APP是专注科技人才,知识分享与人才交流的服务平台。