苗建印 張紅星 呂 巍 范含林

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

1 引言

高效率熱傳輸技術(shù)是航天器熱控的重要手段。如從20 世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的熱管技術(shù),其中的槽道熱管目前已經(jīng)在航天器中得到了普遍應(yīng)用,主要用于儀器板的等溫化、有效載荷與散熱面之間的熱連接等;70年代提出的環(huán)路熱管技術(shù),由于其具有承受熱流密度較高、可控溫、反重力工作能力強等特點,在90年代以后得到了快速發(fā)展,并開始在航天器中得到應(yīng)用;機械泵驅(qū)動的單相流體回路是載人飛船等大型航天器中實現(xiàn)熱量收集與傳輸排散的主要手段;導(dǎo)熱銅條、銅導(dǎo)索等作為有效載荷內(nèi)部發(fā)熱元器件的熱量收集與傳輸手段也得到了部分應(yīng)用;鋁擴熱板在高熱流密度器件的熱控中也得到了個別應(yīng)用。隨著航天器內(nèi)部元器件及整星功耗的增加,原有的熱傳輸技術(shù)需要進(jìn)行能力提升或開發(fā)新的高效率熱傳輸技術(shù);新型有效載荷的發(fā)展和應(yīng)用要求熱傳輸技術(shù)提高適應(yīng)能力,拓寬適用范圍。按照技術(shù)特點可以歸納為以下幾個方面:

1)開發(fā)新型高導(dǎo)熱材料及微小型熱管技術(shù),替代以銅、鋁為基礎(chǔ)的熱傳輸產(chǎn)品,以滿足有效載荷內(nèi)部高集成度元器件對高熱流密度散熱的需求;

2)現(xiàn)有槽道熱管需要大幅度提升傳熱能力,以適應(yīng)以通信衛(wèi)星為代表的對大的熱傳輸能力要求;

3)以相控陣?yán)走_(dá)、TR 組件等為代表的有效載荷,要求發(fā)展具備解決分散點熱源散熱的主動熱傳輸技術(shù);

4)拓展現(xiàn)有熱管類技術(shù)的溫度適用范圍,尤其是滿足紅外相機、空間冷光學(xué)相機等有效載荷與深低溫制冷機之間的熱量傳輸要求,即發(fā)展深冷熱管或深冷環(huán)路熱管技術(shù);

5)開發(fā)具有極高熱流密度適應(yīng)能力的熱傳輸技術(shù);

6)發(fā)展基于M EM S 技術(shù)的微型熱傳輸集成系統(tǒng),以適應(yīng)未來微小衛(wèi)星對熱傳輸技術(shù)的要求。

2 超高導(dǎo)熱材料技術(shù)[1]

鋁和銅是傳統(tǒng)的高性能導(dǎo)熱材料,由于其工藝成熟、價格低廉、可加工性能良好,因此,作為導(dǎo)熱材料在航天、航空及民用工業(yè)中得到了普遍應(yīng)用。隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展,以碳纖維材料、金剛石膜等為代表的超高性能導(dǎo)熱材料得到了快速發(fā)展和初步應(yīng)用,該類材料具有低的熱膨脹率(CET)、超高導(dǎo)熱系數(shù)、以及低密度等特點,是鋁、銅材的優(yōu)選替代材料。

2.1 碳纖維材料

1 000W/m ·K 的高導(dǎo)熱碳基復(fù)合材料已經(jīng)在國外航天器上得到了初步應(yīng)用(圖1、圖2),如金屬封裝的C-C 材料(飛行件)在AMS02 的T TCS 系統(tǒng)中作為點熱源之間的導(dǎo)熱材料得到了應(yīng)用。我國目前具備了高導(dǎo)熱碳基復(fù)合材料的研制加工基礎(chǔ),中國科學(xué)院山西煤化所已研制出多種類型的高導(dǎo)熱碳材料,其中雙組元(Ti Si)再結(jié)晶石墨的熱導(dǎo)率達(dá)到494W/m·K,柔性石墨箔材的熱導(dǎo)熱率達(dá)到610～650 W/m·K,雙向拉伸聚酰亞胺薄膜所制高定向石墨熱導(dǎo)率達(dá)到823～975 W/m·K。

圖1 碳纖維復(fù)合材料Fig.1 Carbonized fibre materials

2.2 金剛石薄膜材料

金剛石薄膜是上世紀(jì)90年代開始發(fā)展起來的超高導(dǎo)熱材料,目前國外(美國、歐洲)可以加工直徑Φ100mm , 厚度2mm 的透明金剛石材料,熱傳導(dǎo)系數(shù)高于2 000W/m·K;國內(nèi)加工的金剛石薄膜材料直徑Φ60mm, 厚度2mm,熱傳導(dǎo)系,1 850W/m·K左右。應(yīng)用情況見圖3、4、5。

圖2 天然石墨環(huán)氧復(fù)合材料散熱器Fig.2 Natural graphite/epoxy heat spreaders

圖3 功率晶體管金剛石散熱器Fig.3 Diamond heat spreaders for power transistor

圖4 銅基底金剛石散熱器Fig.4 Diamond heat spreaders with copper floor

圖5 激光二極管金剛石散熱片F(xiàn)ig.5 Diamond heat spreaders for laser diode

2.3 金剛石復(fù)合材料

由金剛石粉末及金屬材料組成的復(fù)合材料也是超高性能導(dǎo)熱材料的發(fā)展趨勢之一。美國、歐洲經(jīng)過聯(lián)合技術(shù)攻關(guān),目前已經(jīng)形成了工藝成熟的產(chǎn)品;國內(nèi)也開始進(jìn)行相應(yīng)研究。該類材料的密度及導(dǎo)熱系數(shù)可調(diào),適于機械加工及焊接。其中金剛石-銀復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù):400～600W/m·K,密度:5.8×103kg/m3;金剛石-銅復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù):600～1200W/m·K,密度:5.9 ×103kg/m3;金剛石-鋁復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù):550～600W/m·K,密度:3.1×103kg/m3。材料圖片見圖6、7、8 所示。

圖6 金剛石-銀復(fù)合材料Fig.6 Diamond-silver composite materials

圖7 金剛石-銅復(fù)合材料Fig.7 Diamond-copper composite materials

圖8 金剛石-鋁復(fù)合材料Fig.8 Diamond-aluminum composite materials

3 微小型熱管技術(shù)[2]

3.1 微型熱管

微型熱管由Cotter 于1984年提出,內(nèi)部通道當(dāng)量直徑一般小于幾百微米。目前美國已經(jīng)在硅表面上制成了水力直徑近5μm 的微小型熱管,可以實現(xiàn)硅表面微型熱管的精確液量充液和封口,是尺度意義上真正的微型熱管,如圖9 所示。

圖9 微型熱管Fig.9 Micro-heat pipes

3.2 微小型平板熱管

目前先進(jìn)的平板式微小型熱管典型參數(shù)為:厚度2～3mm,極限熱流密度100～150W/cm2。目前該類技術(shù)處于原理驗證及工藝研究階段。典型截面如圖10 所示。

圖10 平板式微小型熱管Fig.10 Flat plate mini-heat pipes

3.3 小型槽道熱管

圖11 熱管截面Fig.11 Cross section of mini-heat pipes

中國空間技術(shù)研究院研制的小型槽道熱管如圖11、12 所示。熱管高度3.4mm,翅片寬度5mm,20 ℃極限傳熱能力3.2W·m 。熱管材質(zhì)為純鋁,易于彎曲,非常適合現(xiàn)場裝配和小空間熱量的收集、排散,可以解決CCD 相機敏感元件等瓦級的有效載荷散熱問題。目前已經(jīng)完成了多個型號的正樣產(chǎn)品,并有2 套產(chǎn)品在軌飛行,目前狀態(tài)正常。

圖12 熱管樣品Fig.12 Mini-heat pipes products

4 大傳熱能力熱管技術(shù)

從上世紀(jì)90年代中后期開始, BABAKIN S pace Center(俄羅斯)和A LENIA(美國)聯(lián)合研制開發(fā)了新型高性能氨軸向槽道熱管(典型截面如圖13 所示,槽道為Ω形),熱管的最大傳熱能力在外形尺寸不變的條件下,提高了50%以上,并逐漸形成了系列產(chǎn)品,目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于俄羅斯的通信衛(wèi)星及大功率軍用衛(wèi)星,解決了星內(nèi)高功率器件的熱控技術(shù)難題。美國的SWALES 公司,在90年代末也具備了生產(chǎn)高性能氨軸向槽道熱管的能力,其槽道形式與俄羅斯的相同,并實現(xiàn)了向歐洲航空航天防御公司(EADS)的出口。

法國宇航公司一直采用法國A LCA TEL 公司(現(xiàn)更名為Thales Alenia Space)研制的熱管產(chǎn)品,目前使用的熱管內(nèi)槽道仍然保持矩形結(jié)構(gòu)(圖14)。2004年后,A LCA TEL 成功研制了圖15 所示的新型熱管型材,測試結(jié)果顯示,熱管的傳熱能力提高了1 倍以上,更深入的研究目前在進(jìn)行中。

圖13 俄羅斯BABAKIN Space Center 研制的熱管截面Fig.13 Heat pipes of BABAKIN Space Center

從2003年開始,中國空間技術(shù)研究院在矩形或內(nèi)梯形槽道結(jié)構(gòu)熱管的基礎(chǔ)上研制開發(fā)了Ω型槽道熱管(如圖16 所示),熱管的傳熱能力普遍提高了2 倍以上,從2005年開始,陸續(xù)投入型號使用(初樣、正樣),熱管在軌運行正常。

圖14 法國A LCATEL 公司的傳統(tǒng)矩形槽熱管截面Fig.14 Traditional heat pipes of ALCATEL

圖15 法國ALCATEL 公司研制的新型熱管截面Fig.15 Developing heat pipes of ALCA TEL

圖16 中國空間技術(shù)研究院研制的新型熱管Fig.16 Developing heat pipes of CAS T

5 分散多熱源熱傳輸技術(shù)

相控陣天線、T R 組件等有效載荷具有小空間分散多熱源的特點,因此相應(yīng)的熱控技術(shù)需要具備良好的適應(yīng)性。泵或毛細(xì)泵驅(qū)動的流體回路技術(shù)是解決該類技術(shù)問題的有效途徑之一。泵驅(qū)動兩相流體回路技術(shù),工質(zhì)流量小,因此管路直徑可以很小(3mm 以下),非常適合于小空間的安裝,而管路內(nèi)的兩相態(tài),可以保證多個發(fā)熱器件之間的溫度均勻性,因此具有良好的發(fā)展前途。圖17 為泵驅(qū)動兩相流體回路技術(shù)用于多熱源熱控的原理圖;圖18 為AM S02 T TCS 系統(tǒng)兩相流體管路與熱源耦合實物照片[3]。

圖17 泵驅(qū)動兩相流體回路Fig.17 Pumped two-phase loop

圖18 多熱源散熱技術(shù)實例(AMS02)Fig.18 Pumped two-phase loop of AMS02

6 深冷熱傳輸技術(shù)[4-9]

深冷熱傳輸技術(shù)是空間深低溫冷源(制冷機)與有效載荷(如紅外探測器)之間實現(xiàn)熱的低溫收集與傳輸排散的橋梁,是實現(xiàn)制冷機備份使用、隔離機械振動及電磁干擾的關(guān)鍵。目前,以深冷環(huán)路熱管技術(shù)為代表的深冷熱傳輸技術(shù)是該領(lǐng)域主要的發(fā)展方向。國外主要航天研究機構(gòu)從20 世紀(jì)60年代末開始研究深冷熱管,90年代以來開始進(jìn)行深冷環(huán)路熱管的研究。表1 為深冷環(huán)路熱管的研制進(jìn)展情況。圖19為美國NASA 研制的液氮深冷環(huán)路熱管實物照片,該環(huán)路熱管的管路為螺旋型,以適應(yīng)紅外探測器2 個方位的側(cè)擺要求。圖20 是中國空間技術(shù)研究院研制的工作溫區(qū)為80～110K 的液氮深冷環(huán)路熱管。

圖19 NASA 研制的液氮深冷環(huán)路熱管Fig.19 Nitrogen CLHP(NAS A)

表1 深冷環(huán)路熱管研制進(jìn)展統(tǒng)計表Table 1 Development of CLHP

7 極高熱流熱傳輸技術(shù)

圖20 液氮深冷環(huán)路熱管Fig.20 Nitrogen CLH P(CAST)

噴霧冷卻技術(shù)具有傳熱系數(shù)大、溫度均勻性好、過熱度小、臨界熱流密度高和循環(huán)流量低的特點,是最具有競爭力的高熱流密度熱控制技術(shù)。NASA將閉式噴霧冷卻回路系統(tǒng)技術(shù)列為未來五年熱控系統(tǒng)的研究重點之一,其下屬的Glenn Research Center 對噴霧冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的地面試驗研究,并在2003年10月首次在KC-135 微重力試驗臺上進(jìn)行飛行試驗,驗證和研究了其在微重力條件下的運行能力、傳熱性能和特性(圖21)。圖22 是Universal Energy Syst.公司2003年在美國空軍實驗室(AFRL)的資助下研究的高功率半導(dǎo)體激光器陣列(包括空間環(huán)境中產(chǎn)生500W/cm2高熱流密度的高功率直接能量源)的閉式噴霧冷卻技術(shù)[10-11]。圖23為中國空間技術(shù)研究院研制的噴霧冷卻系統(tǒng)原理樣機,極限熱流密度達(dá)到了300W/cm2以上。

圖21 噴霧冷卻回路系統(tǒng)(NASA)Fig.21 S pray cooling loop(NASA)

圖22 激光器陣列的噴霧冷卻系統(tǒng)Fig.22 Spray cooling loop for laser array

圖23 噴霧冷卻原理樣機Fig.23 Spray cooling loop(CAS T)

8 基于M EM S 技術(shù)的微型熱傳輸技術(shù)[12-13]

航天器的微小型化對熱控系統(tǒng)提出了新的要求和挑戰(zhàn),熱控系統(tǒng)除了具備微小型的尺寸、輕質(zhì)的特性,還必須具備高熱流密度散熱能力。MEM S 技術(shù)的發(fā)展為解決星載微機電系統(tǒng)高熱流密度、微尺度散熱問題提供了新思路,通過M EMS 加工技術(shù)可將整個熱控系統(tǒng)加工或安裝在線路板上,從而實現(xiàn)基于M EMS 的微型熱控系統(tǒng)集成。這種線路板級的散熱系統(tǒng)使冷媒與熱源間的距離縮短,降低傳熱熱阻,從而解決了微小空間系統(tǒng)的散熱問題。典型的微型熱傳輸技術(shù)如微型泵驅(qū)動流體回路、微型環(huán)路熱管等,其極限熱流密度可以達(dá)到100W/cm2以上。圖24 為NASA 的“Lab-On-A-Chip”項目研制的基于M EMS 技術(shù)的微型環(huán)路熱管;圖25 為直接在芯片背面刻蝕的封閉微通道。

圖24 基于MEMS 技術(shù)的微型環(huán)路熱管(NASA)Fig.24 Mico-LH P based MEMS (NASA)

圖25 封閉微型硅通道Fig.25 Closed silicon mico-channel

9 結(jié)論

本文針對航天器對熱控技術(shù)的發(fā)展需求,簡要總結(jié)了航天器用高效熱傳輸技術(shù)的發(fā)展近況。這些硬件技術(shù)涵蓋了超高導(dǎo)熱材料技術(shù)、微型熱管技術(shù)、高性能槽道熱管技術(shù)、泵驅(qū)動兩相流體回路技術(shù)、深冷熱傳輸技術(shù)、噴霧冷卻技術(shù)以及基于MEM S 技術(shù)的微型熱傳輸技術(shù),這些高效熱傳輸技術(shù)的發(fā)展是解決將來航天器熱控技術(shù)難題的關(guān)鍵之一。

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