于登云，邱家穩(wěn)，向艷超

（1. 中國航天科技集團(tuán)有限公司, 北京 100048；2. 中國空間技術(shù)研究院, 北京 100094；3. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094）

引 言

深空探測是空間技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然選擇，也是人類探索地球與生命起源和演化奧秘的重要途徑。從1959年前蘇聯(lián)第一顆月球探測器升空以后，美、蘇等國家先后對月球、金星、火星、木星、土星、小行星等太陽系內(nèi)天體開展了多種形式的探測。中國也順利實(shí)施了對月球的環(huán)繞探測、月面巡視探測及采樣返回，并開啟了火星探測新征程，同時(shí)正在開展對小行星、木星及太陽等天體探測的論證[1-2]。

與近地空間的航天器相比，深空探測器在運(yùn)行過程中，常常面臨復(fù)雜極端熱環(huán)境的考驗(yàn)，如：月夜長時(shí)間低溫環(huán)境、火面低氣壓環(huán)境、7 500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)1 500 °C高溫壁面熱輻射環(huán)境等，這就要求深空探測器熱控分系統(tǒng)必須根據(jù)航天器的使命及熱環(huán)境進(jìn)行特殊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。熱控材料作為被動(dòng)熱控設(shè)計(jì)的重要組成部分，在深空探測器熱控設(shè)計(jì)中扮演著重要角色。文獻(xiàn)[3]從航天器總體的角度，論述了對高導(dǎo)熱材料、界面材料及高效隔熱材料的需求；文獻(xiàn)[4]從熱控設(shè)計(jì)的角度，提出了對導(dǎo)熱/隔熱材料、智能熱控涂層、新型功能熱控材料的需求。上述文獻(xiàn)主要針對近地軌道航天器熱控需求，而深空探測器面臨的環(huán)境與近地航天器的熱環(huán)境差異大，對熱控材料的需求也存在特殊性，因此有必要針對深空探測器熱環(huán)境提出熱控材料發(fā)展的需求。本文分析了深空探測可能遇到的極端熱環(huán)境因素及其對航天器熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，論述了熱控新材料在中國探月、探火等深空探測任務(wù)中的研究現(xiàn)狀，分析了深空極端熱環(huán)境下熱控材料的發(fā)展趨勢。

1 深空極端熱環(huán)境及其熱效應(yīng)分析

對于不同深空探測對象，航天器將面臨不同的極端熱環(huán)境的考驗(yàn)。對于太陽系內(nèi)天體的探測，航天器可能遇到的極端熱環(huán)境因素包括：極端低溫環(huán)境、極端高溫環(huán)境、低/高氣壓環(huán)境、弱光照環(huán)境、沙塵環(huán)境等，這些極端環(huán)境因素通常以組合形式出現(xiàn)，對探測器熱控系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

1）極端低溫環(huán)境：一般為自然環(huán)境，常見于自轉(zhuǎn)周期長的天體背陽面、火星及以外天體表面等，如月面月夜溫度低至-196 °C（“嫦娥四號(hào)”探測器實(shí)測溫度）[5]、月球南極陰影坑內(nèi)約-230 °C[6]、火星極區(qū)最低溫度約-123 °C[7]等。極端低溫環(huán)境對熱控材料低溫適應(yīng)性提出了要求。另外，材料在極端低溫環(huán)境下的性能的變化對熱控性能的影響也需要關(guān)注。

2）極端高溫環(huán)境：一般包括自然高溫環(huán)境和誘發(fā)高溫環(huán)境。自然高溫環(huán)境常見于自轉(zhuǎn)周期長的天體陽面，以及近太陽觀測探測器的陽照面，如金星陽照面溫度最高達(dá)485 °C、月球的陽照面也達(dá)到120 °C等。誘發(fā)高溫環(huán)境常見于高溫發(fā)熱體周圍，如工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)壁面、羽流沖刷壁面、同位素?zé)嵩?電源及核電源壁面、受到高速氣動(dòng)加熱的表面等。極端高溫環(huán)境對熱控材料的高溫適應(yīng)性及材料性能變化提出了要求。

3）低/高氣壓環(huán)境：火星表面存在約700 Pa的氣體環(huán)境，主要成分是二氧化碳[7]；金星表面則存在約90個(gè)大氣壓的氣體環(huán)境，主要成分為二氧化碳。木星表面也存在一定壓力的氣體環(huán)境。低/高氣壓環(huán)境對多層隔熱組件等依靠輻射反射進(jìn)行熱隔離的產(chǎn)品的隔熱性能有一定的影響。

4）弱光照環(huán)境：在火星及以遠(yuǎn)天體表面接受到的太陽輻射較近地太陽輻照強(qiáng)度小很多，主要原因是與太陽的距離遠(yuǎn)，另外大氣中的塵埃對太陽光的反射和吸收效應(yīng)進(jìn)一步減弱了到達(dá)星體表面的太陽輻照?；鹦谴髿鈱禹?shù)奶栞椪諒?qiáng)度僅為地球大氣層頂太陽輻照強(qiáng)度的42%，木星、土星等距離更遠(yuǎn)的天體處的太陽輻照強(qiáng)度更小。弱光照環(huán)境將降低探測器表面接受到太陽輻照能量，影響探測器表面的平衡溫度[8]。

5）沙塵環(huán)境：一般包括自然沙塵環(huán)境和誘發(fā)沙塵環(huán)境。自然沙塵環(huán)境如火星表面氣體流動(dòng)引發(fā)的沙塵暴環(huán)境[7]；誘發(fā)沙塵環(huán)境如月球著陸器著陸時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流吹起的月塵、月面航天員行走帶起的月塵等。沙塵環(huán)境通常會(huì)污染熱控涂層，損傷熱控材料表面狀態(tài)，改變材料表面性能。

2 極端熱環(huán)境效應(yīng)防護(hù)中的新材料研究現(xiàn)狀

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)輻射熱防護(hù)中的耐高溫新材料研究

對于航天器上常用的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，如490 、3 000 及7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作時(shí)喉部溫度近1 500 °C，在其周圍形成的固壁高溫輻射環(huán)境，對周圍設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的加熱效應(yīng)[9]；發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流場將對羽流場內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生羽流加熱效應(yīng)，對設(shè)備的熱控制造成嚴(yán)重問題[10]。為防護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的設(shè)備，在真空環(huán)境下一般用高溫隔熱組件進(jìn)行輻射屏蔽隔熱，如圖1所示。高溫隔熱組件的最外層一般使用不銹鋼箔，其耐高溫性能通常決定了高溫隔熱組件的最高使用溫度。在月球探測器中使用的不銹鋼箔短時(shí)最高耐受溫度約1 400 °C。

圖1 490 N 高溫隔熱屏Fig. 1 High temperature heat shield for 490 N engine

在存在大氣環(huán)境的火星等天體表面，多層結(jié)構(gòu)高溫隔熱組件的熱防護(hù)效果將被氣體導(dǎo)熱效應(yīng)削弱，隔熱性能降低。耐高溫纖維增強(qiáng)氣凝膠材料不僅能夠通過納米孔削弱氣體導(dǎo)熱和對流換熱效應(yīng)，而且具有較強(qiáng)的耐溫性能和可加工性[11]。在“天問一號(hào)”探測器進(jìn)入火星大氣過程中，對7 500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)固壁熱輻射防護(hù)采用了耐高溫二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，詳見圖2。耐高溫二氧化硅氣凝膠材料使用耐高溫纖維氈作為增強(qiáng)體，與二氧化硅氣凝膠復(fù)合，形成纖維增強(qiáng)氣凝膠材料，該材料在大氣環(huán)境下具有優(yōu)異的隔熱性能和耐溫性能，能夠適應(yīng)1 200 °C高溫環(huán)境，型面加工性能及高溫環(huán)境下的熱穩(wěn)定性良好。圖3給出了大氣環(huán)境下耐高溫二氧化硅氣凝膠熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線，材料的熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。耐高溫氣凝膠材料在中國深空探測器“天問一號(hào)”上首次得到應(yīng)用。

圖2 耐高溫二氧化硅氣凝膠實(shí)物Fig. 2 High-temperature aerogel composite

圖3 耐高溫二氧化硅氣凝膠熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig. 3 Thermal conductivity of high-temperature aerogel composites vs temperature

2.2 火面氣體環(huán)境中的氣凝膠隔熱材料研究

傳統(tǒng)航天器上使用的隔熱措施一般為多層反射式隔熱組件，其由反射屏和間隔層組成，在真空環(huán)境下具備良好的熱輻射隔離性能。但對于存在大氣的環(huán)境，多層隔熱組件的隔熱性能受氣體分子導(dǎo)熱影響，明顯下降。低密度納米氣凝膠材料是一種輕質(zhì)多孔材料，具有極低的密度、高比表面積和高孔隙率，孔徑一般小于50 nm，小于氣體分子運(yùn)動(dòng)自由程（地球空氣分子的平均自由程約70 nm），可以消除分子間的導(dǎo)熱和對流換熱效應(yīng)，從而在大氣環(huán)境仍具有優(yōu)異的隔熱性能[12]。

目前低密度納米氣凝膠材料已成功應(yīng)用到火星巡視器熱控系統(tǒng)中。美國的“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）、“勇氣號(hào)”（Spirit）等火星車都使用了二氧化硅氣凝膠材料[13]?！疤靻栆惶?hào)”火星車上使用了中國自主開發(fā)的低密度二氧化硅氣凝膠，用于在火面探測階段火星車艙內(nèi)設(shè)備的保溫，氣凝膠材料實(shí)物照片詳見圖4。這是中國首次在航天器上應(yīng)用低密度納米氣凝膠隔熱材料。

圖4 低密度二氧化硅氣凝膠Fig. 4 Low density silica aerogel composite

低密度二氧化硅氣凝膠是用泡沫作增強(qiáng)體、二氧化硅作填料的復(fù)合材料，解決了純二氧化硅氣凝膠易碎、實(shí)施可操作性差的問題。相比純二氧化硅氣凝膠，其抗力學(xué)性能顯著提高，隔熱性能無明顯變化。低密度二氧化硅氣凝膠在1 400 Pa、二氧化碳環(huán)境下熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線見圖5，在0 °C時(shí)，氣凝膠的熱導(dǎo)率僅為0.005 4 W/（m·K），隔熱性能良好。該材料通過了輻照總劑量、熱循環(huán)、熱真空等環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性良好[14]。

圖5 二氧化碳?xì)夥障碌兔芏葰饽z熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig. 5 Thermal conductivity of low density aerogel at different temperatures

2.3 火面弱光照環(huán)境中的透光與吸熱材料研究

由于火星表面光照弱，對于火面巡視器熱控中的設(shè)備保溫，如果直接將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行利用，要比將太陽能轉(zhuǎn)換為電再利用效率更高，資源消耗更小。在“天問一號(hào)”火星車上，采用透明聚酰亞胺薄膜及吸熱涂層組合構(gòu)成太陽能收集裝置，既能高效收集太陽能，又能屏蔽火星表面風(fēng)進(jìn)入火星車艙內(nèi)，進(jìn)而增加艙內(nèi)向環(huán)境的漏熱。圖6和圖7給出了透明聚酰亞胺膜和吸熱涂層實(shí)物照片。

圖6 透明聚酰亞胺膜Fig. 6 Transparent polyimide film

圖7 吸熱涂層（藍(lán)色區(qū)域）Fig. 7 Absorbing coating

透明聚酰亞胺薄膜材料是一種太陽全光譜能量透過率高、熱穩(wěn)定性好的透明材料，厚度約45 μm，太陽光譜透過率大于0.8。使用該材料作為透光窗口材料，既透光，又能阻擋風(fēng)及火星塵進(jìn)入艙內(nèi)。

吸熱涂層是一種Al-AlN復(fù)合膜系結(jié)構(gòu)涂層，包括減反層、吸收層及紅外反射層。吸熱涂層的太陽吸收率大于0.92，發(fā)射率小于0.08。該涂層主要用于吸收太陽能，同時(shí)減少熱量通過輻射方式散失。

透明聚酰亞胺薄膜及吸熱涂層通過了真空-紫外、質(zhì)子、電子等輻照試驗(yàn)等，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性良好。

2.4 變太陽輻照環(huán)境下低吸收低發(fā)射涂層材料研究

火星探測器在地火轉(zhuǎn)移期間，太陽輻照強(qiáng)度變化大，平均太陽輻照強(qiáng)度由1 365 W/㎡減至589 W/㎡。這種大的太陽輻照強(qiáng)度變化會(huì)對一直受太陽照射的探測器產(chǎn)生較大的影響。為了降低地火轉(zhuǎn)移期間太陽輻照強(qiáng)度變化大對探測器熱控的影響，一種低吸收、低發(fā)射涂層被開發(fā)出來，并被應(yīng)用在火星探測器表面，實(shí)物照片詳見圖8。這種涂層的太陽吸收比為0.19±0.02，紅外半球發(fā)射率在0.2～0.4范圍，根據(jù)設(shè)計(jì)需求可調(diào)節(jié)。該涂層通過空間環(huán)境驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性良好。

圖8 低吸收比低發(fā)射率涂層Fig. 8 Low absorption and low emission coating

2.5 小 結(jié)

2007年至今，中國從“嫦娥一號(hào)”月球探測到“天問一號(hào)”火星探測，先后成功實(shí)施了6次深空探測任務(wù)，在此過程中，牽引開發(fā)了低密度氣凝膠、高透明聚酰亞胺薄膜等新材料，有力支持了任務(wù)實(shí)施。表1匯總了上述材料的基本性能參數(shù)、應(yīng)用環(huán)境及作用、后續(xù)發(fā)展的方向。

表1 中國深空探測中應(yīng)用的新熱控材料Table 1 New thermal materials used in deep space exploration

3 深空極端熱環(huán)境下熱控新材料發(fā)展趨勢

3.1 極端高溫環(huán)境下高溫防護(hù)材料發(fā)展趨勢

局限在太陽系內(nèi)探測活動(dòng)，從航天器熱控制的角度看，可分為兩個(gè)方向：一個(gè)是地內(nèi)行星探測，一個(gè)是地外行星探測。相比近地探測，地內(nèi)探測的熱環(huán)境是越靠近太陽越熱，最熱處當(dāng)屬近太陽探測熱環(huán)境，此處熱控制的主要工作內(nèi)容是極高熱流熱防護(hù)和熱排散，熱控設(shè)計(jì)對耐高溫（1 500 °C左右）材料需求強(qiáng)烈；地外探測的熱環(huán)境是越遠(yuǎn)離太陽越冷，最冷處當(dāng)屬太陽邊際探測熱環(huán)境，此處熱控制的主要工作內(nèi)容是核熱能利用及設(shè)備保溫，熱控設(shè)計(jì)更多聚焦在核熱能的熱量收集、傳輸與利用方面，溫度水平一般在（500～600） °C。另外，考慮發(fā)射成本盡可能降低，要求新材料的密度盡量的低。因此，未來深空探測中極端高溫環(huán)境下熱防護(hù)熱控材料的發(fā)展趨勢是提高材料耐溫性，應(yīng)發(fā)展耐溫性不低于1 500 °C的輕質(zhì)耐高溫材料。

以近太陽觀測探測為例，當(dāng)探測器距離日心的距離小于0.05 AU（AU：天文單位，表示日-地平均距離）時(shí)，探測器接收到的太陽輻照強(qiáng)度高達(dá)546 kW/m2，探測器朝陽表面溫度約1 550 °C（涂層取值0.6），如此高的溫度環(huán)境對隔熱材料、涂層材料等的耐溫性能提出了很高的要求；同時(shí)高真空及高太陽輻照環(huán)境，對材料的耐輻照性能也提出了高要求[15-18]。對標(biāo)美國“帕克”近太陽觀測探測器（Parker Solar Probe）熱防護(hù)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)直徑2.72 m，采用C-C面板及C泡沫的夾層芯結(jié)構(gòu)，對日面制備有氧化鋁陶瓷涂層。C-C面板由6層T300碳纖維燒結(jié)而成，厚度0.76 mm，工作最高溫度為1 450 °C；C泡沫熱導(dǎo)率0.05 W/（m·K），密度為16 kg/m3；氧化鋁陶瓷涂層在1 450 °C、太陽高能粒子轟擊及極紫外輻照環(huán)境下，小于0.6[19]。

除了提高材料的耐溫性能外，極端高溫環(huán)境下的熱物性參數(shù)測試方法及極端測試環(huán)境模擬方法等也是重要發(fā)展方向。

3.2 氣體環(huán)境下低密度高效隔熱材料發(fā)展趨勢

阻斷傳熱路徑是航天器熱設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。針對導(dǎo)熱、輻射及對流三種傳熱形式，在不同的環(huán)境條件下，隔熱方式主要有兩種：一種是真空環(huán)境下，阻斷導(dǎo)熱和輻射傳熱路徑，一般采用反射式多層隔熱設(shè)計(jì)方法，如多層隔熱材料等；另一種是氣體環(huán)境下，阻斷導(dǎo)熱、輻射及對流傳熱路徑，一般采用減小導(dǎo)熱、削弱輻射、抑制對流的熱控設(shè)計(jì)方法，如納米氣凝膠材料及各類纖維隔熱氈等。

以火星、金星表面探測為例，行星表面存在的氣體對以輻射反射方式進(jìn)行隔熱的多層隔熱組件的隔熱性能影響明顯，需要使用類似納米氣凝膠等能夠抑制氣體對流的材料進(jìn)行隔熱。對于應(yīng)用在氣體環(huán)境下的隔熱材料，如氣凝膠、聚酰亞胺泡沫及柔性隔熱氈等，需要針對應(yīng)用環(huán)境中的氣體種類、氣體壓力及氣體溫度等環(huán)境條件，在熱導(dǎo)率滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，降低材料密度，提高材料的外形尺寸熱穩(wěn)定性、可加工性，降低材料表面顆粒脫落性能。對標(biāo)美國在“機(jī)遇號(hào)”等火星車上使用的低密度氣凝膠隔熱材料，其在1 400 Pa的二氧化碳?xì)夥障? °C時(shí)的熱導(dǎo)率約為0.012 W/（m·K），密度小于20 kg/m3[20-22]。

3.3 特殊極端環(huán)境下熱控新材料發(fā)展趨勢

在深空探測中，針對一些特殊的極端環(huán)境，對熱控材料提出了特殊的需求。對于金星、木星等大氣進(jìn)入式探測任務(wù)，需要解決短期工作設(shè)備熱耗排散難題，相變材料蓄熱是一種重要的熱控措施。提高相變材料的相變潛熱、增強(qiáng)相變材料的化學(xué)性能穩(wěn)定是高性能蓄熱材料的發(fā)展趨勢。對于地內(nèi)行星探測，由于太陽輻射強(qiáng)度越來越大，需要解決太陽輻照強(qiáng)度逐漸增大對散熱性能的影響，耐太陽輻照性能好的低太陽吸收比、高紅外發(fā)射率涂層是發(fā)展趨勢，一般要求盡量低；對于地外行星探測，則太陽輻射強(qiáng)度越來越小，需要解決太陽輻照強(qiáng)度逐漸減小對熱控性能的影響，耐空間環(huán)境好的低太陽吸收比、低紅外發(fā)射率涂層是發(fā)展趨勢，一般要求接近1，小于0.1。對于熱控涂層，還要重點(diǎn)關(guān)注涂層對質(zhì)子、電子及紫外輻照環(huán)境的耐受能力。

4 結(jié)束語

熱控材料是航天器熱控系統(tǒng)進(jìn)行極端熱環(huán)境防護(hù)的基礎(chǔ)，其性能對于航天器熱控分系統(tǒng)的任務(wù)完成具有重要影響。隨著深空探測活動(dòng)的深度和廣度進(jìn)一步擴(kuò)大，發(fā)展能夠耐受極端高溫環(huán)境的輕質(zhì)隔熱材料、氣體環(huán)境下高性能隔熱材料及低紅外發(fā)射率涂層材料等對保障未來深空探測器的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的意義。