智能熱控涂層在航天器上的應(yīng)用及展望

張傳鑫

摘 要：熱控涂層是保證航空器穩(wěn)定溫度值的一個(gè)主要熱控手段，對(duì)于航空器在軌正常運(yùn)行具有非常重要的作用。該文就智能熱控涂層展開(kāi)討論，對(duì)其主要性能、發(fā)展現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展前景展望做出敘述。隨著航空器種類和技術(shù)的不斷發(fā)展，智能熱控涂層應(yīng)運(yùn)而生，成為航空器尤其是微小型衛(wèi)星的主要熱控材料，具備體積小、質(zhì)量輕、性能優(yōu)越等多種優(yōu)勢(shì)，能夠自動(dòng)、實(shí)時(shí)的對(duì)飛行時(shí)遇到的周圍環(huán)境和工作條件進(jìn)行自身溫度的調(diào)節(jié)，最大可能的避免了被動(dòng)熱控所產(chǎn)生的遙控指令干預(yù)。智能熱控解決了航空器在軌運(yùn)行期間的熱平衡問(wèn)題，不僅滿足了航空器的熱控需求，而且在其他方面也能夠發(fā)揮特定的功能。

關(guān)鍵詞：熱控涂層 智能熱控 航天器 發(fā)射率

中圖分類號(hào)：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0001-02

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器熱控技術(shù)的研究也越發(fā)深入，它是一門涉及材料學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、熱學(xué)等多學(xué)科的綜合性新技術(shù)，也是保證航天器安全性必不可少的保障之一。航天器在太空中的環(huán)境與地面有著很大的差距，其熱環(huán)境相當(dāng)惡劣，背陽(yáng)面與向陽(yáng)面的溫差可達(dá)兩百多度，航天器熱控的功能保證了航空器的正常在軌運(yùn)行，使得航天器的各種儀器能有一個(gè)維持運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度，對(duì)于載人航天器而言，還必須要能夠滿足航天員正常生活和工作的溫度環(huán)境。目前，熱控涂層是航天器熱控的主要手段之一，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用也最為廣泛，與此同時(shí)，智能熱控涂層實(shí)現(xiàn)了航空器被動(dòng)熱控技術(shù)和主動(dòng)熱控技術(shù)的結(jié)合，而智能熱控技術(shù)在航天器上的投入使用也印證了其無(wú)與倫比的優(yōu)越性能。

1 智能熱控涂層概述

熱控涂層是航天器系統(tǒng)維持正常運(yùn)作所必備的條件之一，主要原理是通過(guò)調(diào)節(jié)航天器的表面陽(yáng)光吸收率與發(fā)射率，達(dá)到控制溫度的目的。智能熱控涂層是指航天器的熱控涂層材料可以根據(jù)太空環(huán)境溫度的高低改變自身的發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)航天器溫度系統(tǒng)的自主控制。當(dāng)航天器所處的環(huán)境溫度與保證航天器正常運(yùn)行所需要的溫度相比較高時(shí)，智能涂層能夠提高發(fā)射率排除多余的熱量，反之，智能涂層也能夠降低發(fā)射率，有效減少航天器自身熱量的散失，使得航天器的各種儀器和航天員保持適宜的溫度。智能熱控涂層是近年來(lái)研究出的一種新興技術(shù)，與傳統(tǒng)的熱控涂層相比，具備一定的優(yōu)越性。首先，在物理特性上，智能熱控涂層比一般的熱控涂層質(zhì)量輕，能夠在一定程度上減少航天器的負(fù)擔(dān)，經(jīng)實(shí)踐證明，智能熱控涂層能夠減少加熱功率超過(guò)90%，質(zhì)量減輕超過(guò)75%[1]。其次，智能熱控涂層具有一些普通熱控涂層所不具備的輔助功能，實(shí)現(xiàn)航天器的自主調(diào)溫，其太陽(yáng)吸收比非常小，一般在0.5以內(nèi)，可靠性比較高。由于這些特性，這項(xiàng)新興的技術(shù)已經(jīng)受到越來(lái)越多的人關(guān)注，當(dāng)前最主要的兩種智能熱控涂層材料制作方法分別為固相反應(yīng)法和電致變色。

1.1 固相反應(yīng)法

固相反應(yīng)法是指高溫加熱固體燃料所產(chǎn)生的物理化學(xué)現(xiàn)象，目前在航天領(lǐng)域中智能熱控涂層材料比較常見(jiàn)的固體物質(zhì)是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物RMnO3 ，這是一種缺陷型化合物，其中R代表三價(jià)稀土元素，如La、Pr、Nd等，當(dāng)這樣的物質(zhì)與二價(jià)堿土元素相互摻雜時(shí)，作用產(chǎn)生的Mn3+和Mn4+離子通過(guò)氧空位相互交換，導(dǎo)致材料晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，摻雜比例不同，進(jìn)項(xiàng)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的溫度會(huì)隨之變化。在轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，材料表現(xiàn)不同的特性，當(dāng)環(huán)境溫度低于轉(zhuǎn)變溫度的時(shí)候，材料會(huì)表現(xiàn)出金屬性；反之，材料則表現(xiàn)出絕緣性。而金屬與絕緣體在發(fā)射率上具有差距，金屬性物質(zhì)熱發(fā)射率低，絕緣性物質(zhì)的熱發(fā)射率高，二者之間的相互調(diào)節(jié)使得溫度能夠保持在一定的范圍之內(nèi)[2]。航空器的智能熱控涂層主要利用這一原理，通過(guò)在航空器表面進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，從而使得航空器表面的溫度實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，固定在具體的溫度范圍之內(nèi)。與普通的航空器熱控涂層相比，智能熱控涂層的空間可靠性和穩(wěn)定性都更勝一籌，并且使用簡(jiǎn)單靈活，能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行自我轉(zhuǎn)變。目前，總體而言日本在固相反應(yīng)法制作智能熱控涂層方面的研究比較成功。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，固相反應(yīng)法在航天領(lǐng)域的智能熱控涂層上的應(yīng)用前景將非常廣泛。

1.2 電致變色

電致變色是指通過(guò)外加電場(chǎng)的方法使材料的價(jià)態(tài)發(fā)生改變，這種改變是可逆轉(zhuǎn)的，從而材料的發(fā)射性也是可逆轉(zhuǎn)的，因此，如果想要溫度保持在一定范圍之內(nèi)，只需要在合適的時(shí)機(jī)放上合適的電壓即可。一般電致變色的原料為金屬氧化物（氧化鎳、氧化鎢等）和導(dǎo)電高分子（CPs），這樣的混合是基于兩個(gè)電極設(shè)計(jì)。氧化鎳、氧化鎢等金屬氧化物通過(guò)外加電場(chǎng)的方法可以形成WO3-NiO、WO3-V2O5等形式的對(duì)電極設(shè)計(jì)[3]，同時(shí)將離子導(dǎo)電層加入，另外，導(dǎo)電高分子則是導(dǎo)電高分子或者高分子和氧化物的復(fù)合物進(jìn)行對(duì)電極設(shè)計(jì)，同時(shí)安裝紅外透明多空薄膜，以吸附點(diǎn)解作用時(shí)產(chǎn)生的液體。如果外加電場(chǎng)，那么將會(huì)產(chǎn)生不同的物理、化學(xué)反應(yīng)，直接改變材料的紅外發(fā)射率。電致變色智能熱控涂層的發(fā)射率調(diào)控功能相對(duì)比較強(qiáng)，也同樣成為航天器智能熱控領(lǐng)域中研究的重點(diǎn)。

智能熱控涂層對(duì)外太空環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，有利于航天器自主熱控能力的提高，世界上航天技術(shù)比較成熟的國(guó)家早在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始致力于智能熱控涂層的研究，目前已經(jīng)進(jìn)入了空間搭載的試驗(yàn)階段，并且取得了一定的成績(jī)。下面舉例說(shuō)明智能熱控涂層對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力。一般在航天領(lǐng)域計(jì)算溫度的公式如下：

其中S1、S2、S3、S4代表航天器表面的四個(gè)區(qū)域：多層隔熱面、散熱面、一般涂層表面和調(diào)整涂層表面，αs1、αs2、αs3、αs4為四個(gè)區(qū)域?qū)μ?yáng)輻射的吸收比，εh1、εh2、εh3、εh4為半球全發(fā)射率。假設(shè)S3=S/3，S4=S/6，在航空器表面涂覆智能熱控涂層，其中αs和αh的變化范圍在0～1之間，那么

可以計(jì)算出，在智能涂層對(duì)αs和αh的調(diào)控之后，航天器可適應(yīng)的陽(yáng)光強(qiáng)度范圍為584～1446 W/m2，為太陽(yáng)場(chǎng)數(shù)的42.7%～105.8%。（如圖2所示）[4]。

2 智能熱控涂層的發(fā)展及應(yīng)用

目前，隨著航天技術(shù)的不斷成熟，智能熱控涂層的應(yīng)用也逐步推入。固相反應(yīng)法和電致變色兩種智能熱控涂層研究方法都在不斷發(fā)展。

固相反應(yīng)法中的La1-xMxMnO3最早應(yīng)用于陶瓷加工工藝，但是僅僅局限于貼片粘貼。日本空間和宇宙科學(xué)研究所和NFC公司研究人員通過(guò)溶膠凝膠轉(zhuǎn)換，成功制備了La1-xCaxMnO3和La1-xSrxMnO3兩種材料的智能熱控涂層，得出溫度在零下一百度到零上一百度時(shí)發(fā)射率的改變量在0.4左右，與航天器的熱控要求相吻合。近幾年，加拿大對(duì)固相反應(yīng)法也進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，得出了可以在固相反應(yīng)法的基礎(chǔ)上加入極光輔助沉積（PLD），即在石英和金屬基底之上制備La1-xMxMnO3薄膜，這樣將有利于發(fā)射率調(diào)控范圍的改變，但是其負(fù)面的影響是太陽(yáng)吸收率隨之變大，因此，如果采用此種方法進(jìn)行熱控，那么必須采用多膜設(shè)計(jì)，以保證太陽(yáng)吸收率的降低。

2003年5月，日本將通過(guò)固相反應(yīng)法制作的智能熱控涂層涂覆于ISAS的MUSES-C空間飛行器X波段發(fā)射機(jī)的熱輻射表面，進(jìn)行了一次成功的空間飛行試驗(yàn)，這對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和成熟具有重要的意義。

電致變色智能熱控涂層的發(fā)展相對(duì)比較成熟，2006年3月，美國(guó)發(fā)射成功的ST-5衛(wèi)星是對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的智能熱控涂層技術(shù)成功的印證。另外，美國(guó)一家公司通過(guò)該技術(shù)研制出一種名為Eclipse VEECD的薄膜，可以改變航天器的熱發(fā)射率（圖4），并且可以隔離電致變色層與惡劣的空間環(huán)境[5]。這種薄膜在美國(guó)海軍學(xué)院的MidSTAR小衛(wèi)星上進(jìn)行飛行搭載試驗(yàn)，較為成功的印證了其熱控作用。

智能熱控涂層具備多種優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用于微小衛(wèi)星中。微小衛(wèi)星自身的性質(zhì)比較特殊，其體積較小，質(zhì)量輕，但是內(nèi)部系統(tǒng)復(fù)雜，在執(zhí)行各種航天任務(wù)中起著非常重要的作用。僅1985-2000年15年間，全球發(fā)射微小衛(wèi)星總量接近330顆。智能熱控涂層技術(shù)的發(fā)展成功應(yīng)對(duì)了微小型衛(wèi)星在熱控方面的要求和挑戰(zhàn)，為微小型衛(wèi)星技術(shù)的成熟奠定了基礎(chǔ)。

3 目前智能熱控涂層應(yīng)用的不足及其原因

雖然智能熱控涂層技術(shù)取得了以上成績(jī)，但是其應(yīng)用依然還不夠成熟，在未來(lái)的研究道路上，尤其需要加大投入，進(jìn)行深入的研究和試驗(yàn)。例如在固相反應(yīng)法中需要加強(qiáng)對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物的熱輻射性能的關(guān)注，加強(qiáng)智能熱控涂層的實(shí)用性能，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，進(jìn)行昂貴設(shè)備的替代性研究，對(duì)涂料型La1-xSrxMnO3智能熱控涂層進(jìn)行深入的探討和研究，以實(shí)現(xiàn)其制備方便簡(jiǎn)單和實(shí)用性強(qiáng)的突出特點(diǎn)在航天器上得到成功普及。另外，對(duì)于新型功能熱控材料的研究也是智能熱控涂層領(lǐng)域必須進(jìn)行的工作之一，如何保證熱控涂層性能的發(fā)揮，同時(shí)具備一定的防御作用是當(dāng)前熱控涂層材料選用上需要思考的問(wèn)題之一。航天器的外表面大部分是熱控材料，如熱控涂層、多層隔熱材料等，在遭到激光或高能粒子束武器襲擊和空間碎片撞擊時(shí)，能否依靠這些材料減少和防止對(duì)于航天器的破壞，這是非常值得思考的問(wèn)題[6]。

而航天器智能熱控涂層尚且存在以上不足，主要原因有兩個(gè)。一是我國(guó)改革開(kāi)放時(shí)間不長(zhǎng)，綜合國(guó)力偏弱。美日等發(fā)達(dá)資本主義國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚，有足夠的資本開(kāi)展航天方面的調(diào)查試驗(yàn)，而我國(guó)相關(guān)條件比較簡(jiǎn)陋，研究經(jīng)費(fèi)有限。二是研究技術(shù)人員的缺乏。我國(guó)在航天器熱控涂層上的研究沒(méi)有強(qiáng)大的教育基礎(chǔ)，人才開(kāi)發(fā)的缺乏加上費(fèi)用的不足使得我國(guó)航天器熱控涂層領(lǐng)域與許多西方國(guó)家存在一定的差距。

4 智能熱控涂層的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)外在智能熱控涂層領(lǐng)域的研究比較多，而我國(guó)相比于美日等在航天領(lǐng)域研究比較先進(jìn)的國(guó)家，在智能熱控涂層上的研究剛剛起步，需要在技術(shù)引進(jìn)和研究上加強(qiáng)努力，制定各種航天研究舉措以實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天領(lǐng)域的發(fā)展。首先，興建熱控涂層研究單位和熱控涂層基礎(chǔ)材料的研究所，通過(guò)相互之間的通力合作，務(wù)必將智能熱控涂層的技術(shù)研究落實(shí)到位，對(duì)相應(yīng)的空間模擬試驗(yàn)加大投入，促進(jìn)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)我國(guó)的綜合國(guó)力。除此之外，近年來(lái)推出的MEMS技術(shù)、微型熱開(kāi)關(guān)、智能型可反復(fù)展開(kāi)式輻射器等都是智能熱控技術(shù)中應(yīng)運(yùn)而生的新型產(chǎn)物，是各國(guó)研究學(xué)者不斷努力的結(jié)果，并且有些技術(shù)已經(jīng)得到了實(shí)踐的驗(yàn)證，微型熱開(kāi)關(guān)曾在美國(guó)的“火星漫游者”探測(cè)器上得到了成功的應(yīng)用。熱控涂層和熱控材料的性能對(duì)于航天器的熱控系統(tǒng)具有非常重要的作用，高性能和高實(shí)用性的熱控涂層和熱控材料技術(shù)、可變發(fā)射率技術(shù)等對(duì)我國(guó)未來(lái)航空器的熱控和總體設(shè)計(jì)意義非凡。我國(guó)在航天領(lǐng)域要想跟上先進(jìn)國(guó)家，必須加強(qiáng)對(duì)航天器熱控涂層和新型熱控材料的研究，充分實(shí)現(xiàn)熱控涂層的智能化，吸收國(guó)外技術(shù)中的精華，結(jié)合我國(guó)航天器的實(shí)際情況，加強(qiáng)研究與實(shí)踐，不斷推進(jìn)航天事業(yè)的向前發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

航天器的熱控涂層在航天器表面的熱控系統(tǒng)中具有基礎(chǔ)性的作用，它的熱輻射性能和太陽(yáng)吸收比往往決定了航天器在外太空與周圍環(huán)境的熱交換能力，是航空器保持正軌運(yùn)行和適宜溫度非常重要的條件之一。面對(duì)航天器種類和性能的不斷提高，熱控涂層材料學(xué)的發(fā)展不斷拓寬，智能熱控涂層的研究解決了航天領(lǐng)域熱控涂層發(fā)展的瓶頸，提高了航天器在熱控設(shè)計(jì)方面的靈活性和穩(wěn)定性，使得航天器能夠自主適應(yīng)并調(diào)節(jié)在外太空熱控系統(tǒng)中由于變軌或者內(nèi)部熱源變化而產(chǎn)生的偏差，既節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力，又增加了航空器運(yùn)行的穩(wěn)定性，有利于對(duì)成熟航天器平臺(tái)技術(shù)的繼承和保持。另外，高性能的隔熱和導(dǎo)熱材料也是未來(lái)研究的重點(diǎn)，提高熱控涂層材料的隔熱性和導(dǎo)熱性是降低智能熱控涂層太陽(yáng)吸收比和提高發(fā)射率變化范圍的基礎(chǔ)工作，因此，在未來(lái)的航天器熱控涂層研究上，我們還有許多工作需要去做。

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