張傳鑫

摘 要：熱控涂層是保證航空器穩(wěn)定溫度值的一個主要熱控手段，對于航空器在軌正常運行具有非常重要的作用。該文就智能熱控涂層展開討論，對其主要性能、發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展前景展望做出敘述。隨著航空器種類和技術的不斷發(fā)展，智能熱控涂層應運而生，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，能夠自動、實時的對飛行時遇到的周圍環(huán)境和工作條件進行自身溫度的調(diào)節(jié)，最大可能的避免了被動熱控所產(chǎn)生的遙控指令干預。智能熱控解決了航空器在軌運行期間的熱平衡問題，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。

關鍵詞：熱控涂層 智能熱控 航天器 發(fā)射率

中圖分類號：V25 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0001-02

隨著航天技術的不斷發(fā)展，航天器熱控技術的研究也越發(fā)深入，它是一門涉及材料學、計算機學、化學、電子學、熱學等多學科的綜合性新技術，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)境相當惡劣，背陽面與向陽面的溫差可達兩百多度，航天器熱控的功能保證了航空器的正常在軌運行，使得航天器的各種儀器能有一個維持運轉的溫度，對于載人航天器而言，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，在航天領域的應用也最為廣泛，與此同時，智能熱控涂層實現(xiàn)了航空器被動熱控技術和主動熱控技術的結合，而智能熱控技術在航天器上的投入使用也印證了其無與倫比的優(yōu)越性能。

1 智能熱控涂層概述

熱控涂層是航天器系統(tǒng)維持正常運作所必備的條件之一，主要原理是通過調(diào)節(jié)航天器的表面陽光吸收率與發(fā)射率，達到控制溫度的目的。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，實現(xiàn)航天器溫度系統(tǒng)的自主控制。當航天器所處的環(huán)境溫度與保證航天器正常運行所需要的溫度相比較高時，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研究出的一種新興技術，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擔，經(jīng)實踐證明，智能熱控涂層能夠減少加熱功率超過90%，質(zhì)量減輕超過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，實現(xiàn)航天器的自主調(diào)溫，其太陽吸收比非常小，一般在0.5以內(nèi)，可靠性比較高。由于這些特性，這項新興的技術已經(jīng)受到越來越多的人關注，當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法和電致變色。

1.1 固相反應法

固相反應法是指高溫加熱固體燃料所產(chǎn)生的物理化學現(xiàn)象，目前在航天領域中智能熱控涂層材料比較常見的固體物質(zhì)是鈣鈦礦結構錳氧化物RMnO3 ，這是一種缺陷型化合物，其中R代表三價稀土元素，如La、Pr、Nd等，當這樣的物質(zhì)與二價堿土元素相互摻雜時，作用產(chǎn)生的Mn3+和Mn4+離子通過氧空位相互交換，導致材料晶格結構發(fā)生改變，摻雜比例不同，進項轉換時產(chǎn)生的溫度會隨之變化。在轉變的過程中，材料表現(xiàn)不同的特性，當環(huán)境溫度低于轉變溫度的時候，材料會表現(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，通過在航空器表面進行合理的熱設計，從而使得航空器表面的溫度實現(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，并且使用簡單靈活，能夠?qū)崟r的進行自我轉變。目前，總體而言日本在固相反應法制作智能熱控涂層方面的研究比較成功。隨著科學技術的不斷發(fā)展，固相反應法在航天領域的智能熱控涂層上的應用前景將非常廣泛。

1.2 電致變色

電致變色是指通過外加電場的方法使材料的價態(tài)發(fā)生改變，這種改變是可逆轉的，從而材料的發(fā)射性也是可逆轉的，因此，如果想要溫度保持在一定范圍之內(nèi)，只需要在合適的時機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）和導電高分子（CPs），這樣的混合是基于兩個電極設計。氧化鎳、氧化鎢等金屬氧化物通過外加電場的方法可以形成WO3-NiO、WO3-V2O5等形式的對電極設計[3]，同時將離子導電層加入，另外，導電高分子則是導電高分子或者高分子和氧化物的復合物進行對電極設計，同時安裝紅外透明多空薄膜，以吸附點解作用時產(chǎn)生的液體。如果外加電場，那么將會產(chǎn)生不同的物理、化學反應，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)控功能相對比較強，也同樣成為航天器智能熱控領域中研究的重點。

智能熱控涂層對外太空環(huán)境具有較強的適應性，有利于航天器自主熱控能力的提高，世界上航天技術比較成熟的國家早在20世紀90年代就開始致力于智能熱控涂層的研究，目前已經(jīng)進入了空間搭載的試驗階段，并且取得了一定的成績。下面舉例說明智能熱控涂層對外界環(huán)境的適應能力。一般在航天領域計算溫度的公式如下：

其中S1、S2、S3、S4代表航天器表面的四個區(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為四個區(qū)域?qū)μ栞椛涞奈毡?，εh1、εh2、εh3、εh4為半球全發(fā)射率。假設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

可以計算出，在智能涂層對αs和αh的調(diào)控之后，航天器可適應的陽光強度范圍為584～1446 W/m2，為太陽場數(shù)的42.7%～105.8%。（如圖2所示）[4]。

2 智能熱控涂層的發(fā)展及應用

目前，隨著航天技術的不斷成熟，智能熱控涂層的應用也逐步推入。固相反應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。

固相反應法中的La1-xMxMnO3最早應用于陶瓷加工工藝，但是僅僅局限于貼片粘貼。日本空間和宇宙科學研究所和NFC公司研究人員通過溶膠凝膠轉換，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，加拿大對固相反應法也進行了相關的試驗，得出了可以在固相反應法的基礎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，但是其負面的影響是太陽吸收率隨之變大，因此，如果采用此種方法進行熱控，那么必須采用多膜設計，以保證太陽吸收率的降低。

2003年5月，日本將通過固相反應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)射機的熱輻射表面，進行了一次成功的空間飛行試驗，這對于該項技術的發(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)展相對比較成熟，2006年3月，美國發(fā)射成功的ST-5衛(wèi)星是對該項技術的智能熱控涂層技術成功的印證。另外，美國一家公司通過該技術研制出一種名為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]。這種薄膜在美國海軍學院的MidSTAR小衛(wèi)星上進行飛行搭載試驗，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，目前已經(jīng)被世界各國廣泛應用于微小衛(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)復雜，在執(zhí)行各種航天任務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。智能熱控涂層技術的發(fā)展成功應對了微小型衛(wèi)星在熱控方面的要求和挑戰(zhàn)，為微小型衛(wèi)星技術的成熟奠定了基礎。

3 目前智能熱控涂層應用的不足及其原因

雖然智能熱控涂層技術取得了以上成績，但是其應用依然還不夠成熟，在未來的研究道路上，尤其需要加大投入，進行深入的研究和試驗。例如在固相反應法中需要加強對鈣鈦礦結構錳氧化物的熱輻射性能的關注，加強智能熱控涂層的實用性能，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，進行昂貴設備的替代性研究，對涂料型La1-xSrxMnO3智能熱控涂層進行深入的探討和研究，以實現(xiàn)其制備方便簡單和實用性強的突出特點在航天器上得到成功普及。另外，對于新型功能熱控材料的研究也是智能熱控涂層領域必須進行的工作之一，如何保證熱控涂層性能的發(fā)揮，同時具備一定的防御作用是當前熱控涂層材料選用上需要思考的問題之一。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，能否依靠這些材料減少和防止對于航天器的破壞，這是非常值得思考的問題[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。一是我國改革開放時間不長，綜合國力偏弱。美日等發(fā)達資本主義國家經(jīng)濟實力雄厚，有足夠的資本開展航天方面的調(diào)查試驗，而我國相關條件比較簡陋，研究經(jīng)費有限。二是研究技術人員的缺乏。我國在航天器熱控涂層上的研究沒有強大的教育基礎，人才開發(fā)的缺乏加上費用的不足使得我國航天器熱控涂層領域與許多西方國家存在一定的差距。

4 智能熱控涂層的未來發(fā)展趨勢

目前，國外在智能熱控涂層領域的研究比較多，而我國相比于美日等在航天領域研究比較先進的國家，在智能熱控涂層上的研究剛剛起步，需要在技術引進和研究上加強努力，制定各種航天研究舉措以實現(xiàn)我國航天領域的發(fā)展。首先，興建熱控涂層研究單位和熱控涂層基礎材料的研究所，通過相互之間的通力合作，務必將智能熱控涂層的技術研究落實到位，對相應的空間模擬試驗加大投入，促進我國航天事業(yè)的發(fā)展，增強我國的綜合國力。除此之外，近年來推出的MEMS技術、微型熱開關、智能型可反復展開式輻射器等都是智能熱控技術中應運而生的新型產(chǎn)物，是各國研究學者不斷努力的結果，并且有些技術已經(jīng)得到了實踐的驗證，微型熱開關曾在美國的“火星漫游者”探測器上得到了成功的應用。熱控涂層和熱控材料的性能對于航天器的熱控系統(tǒng)具有非常重要的作用，高性能和高實用性的熱控涂層和熱控材料技術、可變發(fā)射率技術等對我國未來航空器的熱控和總體設計意義非凡。我國在航天領域要想跟上先進國家，必須加強對航天器熱控涂層和新型熱控材料的研究，充分實現(xiàn)熱控涂層的智能化，吸收國外技術中的精華，結合我國航天器的實際情況，加強研究與實踐，不斷推進航天事業(yè)的向前發(fā)展。

5 結語

航天器的熱控涂層在航天器表面的熱控系統(tǒng)中具有基礎性的作用，它的熱輻射性能和太陽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行和適宜溫度非常重要的條件之一。面對航天器種類和性能的不斷提高，熱控涂層材料學的發(fā)展不斷拓寬，智能熱控涂層的研究解決了航天領域熱控涂層發(fā)展的瓶頸，提高了航天器在熱控設計方面的靈活性和穩(wěn)定性，使得航天器能夠自主適應并調(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、財力，又增加了航空器運行的穩(wěn)定性，有利于對成熟航天器平臺技術的繼承和保持。另外，高性能的隔熱和導熱材料也是未來研究的重點，提高熱控涂層材料的隔熱性和導熱性是降低智能熱控涂層太陽吸收比和提高發(fā)射率變化范圍的基礎工作，因此，在未來的航天器熱控涂層研究上，我們還有許多工作需要去做。

參考文獻

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