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宇宙和科技

    航天器热控制就是控制航天器内外的热交换过程,使其热平衡温度处于要求范围内的技术,又称航天器温度控制。航天器的热控制是以传热学和工程热力学的基本理论为基础的,是航天技术的重要组成部分。用于热控制的各种材料和设备组成航天器热控制系统。
    航天器是在十分严酷的温度条件下工作的,例如返回式航天器要经历-200°C以下到10000°C以上的环境温度变化。航天器的结构、仪器设备和所载生物都无法承受这样剧烈的温度变化。人造地球卫星上的有些红外遥感器还需要有超低温工作环境;广播卫星的大功率行波管要求强化散热;一些航天器的电子设备舱要求均匀而恒定的温度环境;航天飞机则需要解决多次重复使用的防热问题。航天器热控制一般可分为空间运行段热控制和过渡段热控制。前者是各类航天器所共用的技术,是航天器热控制的主要内容;后者除地面段热控制以外,主要是返回型航天器和进入有大气行星的空间探测器需要采用的技术。
空间运行段热控制航天器在轨道上受到太阳和行星加热,并向温度相当于4K的宇宙空间散热。宇宙空间是超高真空环境,所以航天器是以辐射方式与周围环境进行热量交换的。空间运行段热控制可分为被动式和主动式两类。
    被动式热控制是依靠选取不同的热控材料和合理的总装布局来处理航天器内外的热交换过程,使航天器的各部分温度在各种工作状况下都不超出允许的范围。被动式热控制本身没有自动调节温度的能力,但它简单可靠,是热控制的主要手段。一般常用的技术有:①在航天器外壳表面覆盖特殊的温控涂层,以降低表面的太阳吸收率与热辐射率比值,这是航天器常用的热控制技术;②在外壳不同部位或仪器之间布置热管,把热端的热量导向冷端,减少部件、仪器之间的温度差;③在仪器或部件表面包敷多层隔热材料或低辐射率涂层,防止热量散失或阻隔其他热源;④采用在熔化、凝固过程中吸收和释放热量的相变材料,例如石蜡、水化物等,以缓和某些元、部件的高低温交替变化。除此之外航天器内部仪器设备的布局使热源分布合理并安排足够的传热通道,选择航天器外壳温度变化不大的表面作为仪器设备的散热热沉,以减少仪器设备的温度波动。
    主动式热控制是当外热流或内热源发生变化时,自动调节航天器内部设备温度,并保持在规定的范围之内。主动热控制根据不同的传热方式分为辐射式、对流式和传导式三种:①辐射式热控制:当航天器内设备温度升高或下降时能自动改变表面组合热辐射率,从而改变散热能力以保持设备的温度范围,如热控百叶窗和热控旋转盘。②对流式热控制:在具有气体或流体循 环调节的航天器内部改变流体的对流换热系数以实现温度调节,这类系统有液体循环和气体循环两种。流体在泵或风扇的驱动下将航天器内部热量引出,流经外部的热辐射器排向宇宙空间。③传导式主动热控制:将航天器内部设备的热量通过传导的方式散至外壳表面排向宇宙空间。热传导系数可以随设备的温度升降而改变,从而对设备温度起自动调节作用,如接触导热开关和可变热导的热管。电加热器也是航天器常用的主动热控制器件。电加热丝(片)安装在被加热部件上,通过遥控或自动控制加热。它的结构简单,使用方便,控制精度较高。
    过渡段热控制航天器在发射前的地面段、发射段(上升段)和再入地球大气段或进入其他行星大气段所采取的热控制技术。地面段热控制是各类航天器共用的技术;发射段热控制仅用于发射时没有整流罩保护的航天器;再入段或进入段热控制是返回型航天器或进入有大气行星的空间探测器采取的热控制技术。
    地面段热控制主要指航天器在发射场的温度控制。发射场存在四季和昼夜的气温变化,为保证航天器的正常测试和适宜的起飞温度,在发射塔架上设有温度调节系统。地面段的温度控制比较容易实现,可以充分利用地面的电源、气源和低温系统。夏季采用氟利昂冷却或其他低温气体的表面式或混合式冷却系统;冬季采用电加热系统或热气系统。
    发射段(上升段)热控制指航天器在运载器运送下飞离地面,穿过大气层进入轨道过程的热控制。用运载火箭发射航天器时,航天器外面大多套有整流罩,以使航天器内部能保持良好的环境。航天飞机运送航天器进入空间时,航天器装在它的货舱内,环境条件可以调节和控制。许多返回型航天器和一些其他航天器用运载火箭发射时不带整流罩,发射环境比较恶劣,这些航天器在发射段直接经受气动加热,温度迅速增加,入轨后初期受温升滞后的影响,航天器内部的温度仍继续升高,上升段热控制的任务就是防止航天器结构和仪器设备过热。主要的措施是:①减少高温外壳传给内部仪器设备的热量;②增加仪器设备的热容量;③降低航天器在发射时的初始温度。
    再入段或进入段热控制是航天器返回技术和进入行星大气层技术中的一项关键技术。利用大气阻尼可有效地消除航天器返回地球表面时的巨大动能,但是气动加热会引起航天器表面产生高温。解决方法是降低气动加热量,加强航天器的对外辐射散热和增加壳体的热容和潜热,通常需要专门设计再入(进入)防热结构。









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