美國宇航局機器人航天器的熱控技術

美國宇航局機器人航天器的熱控技術

主要內容：美國宇航局對未來航天機器人、無人控制項目中熱控技術的努力探索。

主要講了目前航天器熱控領域正在火熱研究的幾種熱控技術，包括兩相技術（毛

細泵回路(CPLs)、環路熱管（LHPs）和CAPL 3）、大型結構的尺寸穩定性、變

發射率熱控涂層、熱敏開關、超高熱導率材料、高熱流量的散熱方法和相變儲熱

材料等。

文章結構：本文分為Introduction(簡介)、State-of-the-art in thermal control (最先進

的熱控技術)、Future thermal control requirements (未來的熱控需求)、Emerging

technologies(新興技術)和Conclusion(結論)五部分。

1. Introduction

美國宇航局一直追求新的科學知識，渴望對空間和時間更深入的理解。追求

這些目標需要有先進的工程技術作為保障，熱控就是其中一項。許多未來的科學

任務都必須在深冷下進行，要求飛船具有極高的尺寸穩定性、嚴格穩定的溫度控

制，這些推動了熱控技術的發展。

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

兩相技術，包括毛細泵回路(CPLs)、環路熱管（LHPs）是進十年來最主要熱

控創新，他們已經在許多航天器上得到了應用，并表現良好。但是，目前所有的

CPLs和LHPs都采用單蒸發器，這存在一定的局限性。CAPL3的實驗成功演示

了使用平行蒸發器來分擔熱載荷的思想。目前CPL/LHP技術存在地主要問題是

需要大量的工程設計和集成技術，啟動前要對環路進行預處理。

一到兩年的短期任務也可以采用機械泵單相制冷系統。

3. Future thermal control requirements

未來熱控的主要需求包括：

(1) 大結構的尺寸穩定性

(2) 深冷的熱的采集和運輸(≤40K)

(3) 嚴格的溫度控制(±1℃)

(4) 熱/機械/光集成系統

(5) 微米/納米航天器的熱設計

(6) 在嚴格控制溫度下，高熱通量(＞100W/cm)的采集

2

(7) 質量和輔助電源使用的最小化

(8) 極高溫度下航天器的熱控

4. Emerging technologies

目前正在研究的新興技術有：

(1) 先進的熱控涂層，該涂層的表面發射率會根據散熱器的熱量而自行智能

調整

(2) 具有二極管功能的用于傳感器或光學制冷的低溫(3-30K)傳熱設備

(3) 大結構的一體化結構、校準和熱控方法

(4) 用于行星探測或低溫場合的熱敏開關

(5) 先進的高熱導率材料，比如金剛石膜

(6) 復合蒸發器/復合冷凝器，兩相傳熱管路

(7) 大熱流(＞100W/cm)散熱技術，例如噴淋制冷

2

(8) 用于單相和兩相制冷回路的長壽命機械泵

(9) 用于行星環境的質量低、隔熱性能好的材料

(10) 用于高熱流密度的基于微機電系統制造的泵冷卻系統，如微管道熱沉

(11) 低溫和高溫場合的相變儲熱材料

變表面發射率的熱控涂層可能是熱控領域的下一個主要創新點。目前至少有

三種方法來實現：電致變色，靜電和一個微型百葉窗。電致變色顧名思義是對材

料施加電信號使其改變顏色，進而改變發射率；靜電方法主要采用內部位導電涂

層，外部為白漆的薄膜。它可以在靜電的作用下離開輻射表面，作為多層隔熱材

料的一層，也可以緊貼表面高效的輻射熱量。微型百葉窗與傳統百葉窗相似，只

不過百葉窗的尺寸是微米級的。

激光、芯片和先進動力設備設計到很大的熱流，需要新的散熱設備，或者至

少要對兩相技術進行改進。其中一個研究反向是噴淋制冷，零重力下的噴淋控制

還是一個有待解決的問題。

5. Conclusion

兩相，單/多蒸發器熱控回路正在得到越來越多的應用，是目前的主流熱控技

術。為了響應未來任務的要求，各種各樣新的熱控技術正在逐漸發展。其中，變

表面發射率熱控涂層可能是下一個主流熱控技術。

參考文獻

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

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