(北京空間飛行器設計總體部，空間熱控技術北京市重點實驗室，北京 100094)

在軌服務技術的需求與發(fā)展直接導致了航天器設計理念逐漸從“基于任務”設計轉向“基于能力”設計，即航天器在設計時更多地采用標準化、通用化和模塊化設計方法[1]，考慮各種設備與功能模塊“即插即用”，便于航天器在軌維護與功能拓展。熱控系統(tǒng)由于受到自身任務與特點的限制，在航天器“基于能力”設計中的發(fā)展相對滯后，長期以來一般采用“基于任務”的設計模式，系統(tǒng)的適應能力、魯棒性不高。熱控系統(tǒng)幾乎與其他每個系統(tǒng)都有接口需求，相對于分布式能源系統(tǒng)、常規(guī)電子設備與軟件系統(tǒng)等，熱控系統(tǒng)在軌服務技術上的發(fā)展滯后，已經(jīng)成為航天器在軌服務技術發(fā)展的一個技術瓶頸。

除了有人參與為主的“國際空間站”、哈勃望遠鏡在軌維修外，美國、歐洲等航天強國和機構均加強了以空間機器人為核心的自主在軌服務研究，并開展了一系列在軌演示驗證試驗。但對于在軌服務體系中熱控技術的研究，公開的文獻主要在于概念性的探討研究，包括一些頂層設計理念和功能模塊劃分[2]。我國也開展了熱控模塊化設計研究[3]，構建出4種基于“熱總線”的模塊化、柔性熱控結構，并在此基礎上梳理出新型模塊化、柔性熱控結構面臨的問題與解決途徑。

因此，從頂層設計出發(fā)、進行適應平臺在軌維修的各種熱控技術體系研究尚不夠深入和完善。為了適應航天器在軌服務對熱控系統(tǒng)提出的自身可維護、具備功能拓展的新要求，本文調研了近年來熱控技術在在軌維修和在軌適應性方面的研究進展，論述了未來可能的發(fā)展方向，構建出一個新的“模塊化自適應熱控技術體系”，在此基礎上進一步提出了熱控系統(tǒng)在軌服務的4種類型，并進行初步研究。

1 目前熱控技術體系現(xiàn)狀

目前的熱控技術體系主要是兩類：以被動設計為主的熱控技術體系和基于主動熱管理的熱控技術體系[4]。這兩種技術體系都是“基于任務”設計，依照軌道參數(shù)、空間環(huán)境、飛行任務、航天器構型、儀器設備等已知條件為輸入，進行定制化的熱控設計。

以被動設計為主的熱控技術體系中，包括常規(guī)的熱控涂層技術、導熱材料技術、界面強化傳熱技術、隔熱技術、熱管技術、被動式相變儲能技術等，同時輔以控溫回路實現(xiàn)對部分設備的溫度維持。該熱控技術體系設計在系統(tǒng)層面上難以有效的實現(xiàn)熱量收集和熱量傳輸，一是熱源之間存在強弱不等的耦合關系，二是熱源的熱量收集與傳輸界面比較模糊，難以實現(xiàn)有效的管控?；谥鲃訜峁芾淼臒峥丶夹g體系是新一代的熱控技術，主要通過主動熱控技術手段，對航天器上的熱量進行統(tǒng)一分配管理，真正實現(xiàn)了對于熱量從收集、傳輸?shù)脚派⒌挠行д{控。

比較這兩種熱控技術體系(表1)，目前都不能滿足在軌服務提出的在軌適應性、可維修性和功能拓展的要求。相對來說，基于主動熱管理的熱控技術體系適應性更廣、魯棒性更強，而且特別適合“模塊化”的設計理念。但該技術體系最大的問題是自身熱控部組件無法適應在軌更換、組裝，而且無法適應在軌變構型、功能模塊的即插即用、功能模塊與結構之間即裝即用以及不同載荷模塊的熱接口需求。

表1 目前的熱控技術體系針對在軌服務需求的不足

2 模塊化自適應熱控技術體系研究

目前的熱控技術雖然沒有針對在軌維修和拓展開展系統(tǒng)設計，但在某些單項技術上已經(jīng)開展了研究，例如單相流體回路的更換已經(jīng)實現(xiàn)了模塊級在軌驗證，高校和研究院所也對導熱材料柔性化、熱控涂層變發(fā)射率等方面進行了研究。下面從系統(tǒng)層面及熱量收集、熱量傳輸、熱量排散梳理了這些熱控技術的研究進展，并分析了其他適合于模塊化設計、在軌可自適應的熱控技術及其未來發(fā)展方向。

2.1 系統(tǒng)層面

在系統(tǒng)層面，模塊化自適應熱控技術體系需關注以下3方面。

(1)開展可維修及自適應的熱管理方法及控制技術研究，研究系統(tǒng)動態(tài)響應、熱量的自主調控、熱量的優(yōu)化分配等，提出控制策略。

(2)開展在軌熱控故障自主診斷、定位、隔離方法研究，研究在軌故障后系統(tǒng)重構、自維修的策略。

(3)開展在軌維修的模塊化自適應熱控技術及地面驗證方法研究。

2.2 技術層面

2.2.1 熱量收集

(1)基于流體回路的冷板/換熱器技術。冷板運用廣泛，也適合進行模塊化設計：①具有統(tǒng)一機械接口、既便于自身在軌維修、也便于其他功能模塊(熱源)在軌更換的冷板/換熱器模塊；②具有機熱電一體化的冷板結構，即冷板帶有統(tǒng)一的插拔接口，便于功能模塊(或板卡)插接；③與相變材料結合的自適應控溫冷板[5]，目前進行了理論研究，應用尚不成熟。

(2)界面可控熱收集技術。熱開關能夠根據(jù)需要自動導通或斷開兩個部件之間的傳熱路徑，如相變驅動熱開關、微膨脹熱開關等[6]，具有對熱量收集的自主調控能力。需重點關注接觸傳熱面的熱控涂層和處理工藝、熱開關的精密機加與裝配技術，降低接觸熱阻，提高運行可靠性。

(3)微槽道蒸發(fā)器技術、噴霧冷卻技術。該類技術能實現(xiàn)高熱流密度下熱量的收集，但在收集界面和模式上限制了微槽道蒸發(fā)器模塊、噴霧熱收集模塊[7]以及其他高熱流功能模塊(如激光模塊、微波模塊等)的在軌維修。

(4)可控式相變儲能技術。通過相變材料的選擇和相變裝置的設計來控制對熱量的收集和存儲[8]，該技術目前在在軌可維修、可更換、加注方面研究較少。

2.2.2 熱量傳輸

(1)熱管技術。熱管分為軸向槽道熱管、環(huán)路熱管、可變熱導熱管、柔性熱管和相變材料熱管等，應用廣泛[9]，應開展熱管的整體更換方案設計。環(huán)路熱管由于蒸發(fā)器和冷凝器分布較遠，可開展局部更換技術研究，但必須考慮高壓工質泄漏以及如何在軌補充工質的問題。

(2)單相流體回路技術。目前主要的研究對象為航天員參與的在軌更換技術，需考慮無人更換和在軌組裝技術研究。此外，對于消耗型的工質而言，要關注工質的在軌加注或補加技術。

(3)兩相流體回路技術?？煞譃闄C械泵驅動和重力驅動兩相流體回路[10]，熱總線的功能與單相流體回路技術相似，但能力更強，可以實現(xiàn)高熱流和高精度的熱傳輸。目前該技術在模塊化、可更換性、在軌組裝等方面還缺乏研究基礎。

(4)柔性高導熱材料技術。該技術可以適應可維修平臺功能模塊在軌更換后熱傳輸?shù)男枨?，具有廣泛的適應性。目前開展的工作主要基于柔性金屬材料，可以開展新技術如石墨類柔性高導熱材料[11]、柔性高導熱相變材料[12]等的研究。

(5)隔熱材料。目前用于航天器外部的多層基本屬于固定式的，不可維修?？紤]到航天器在軌構型變化、功能模塊更換，應開展多層的可更換研究。另外，載人密封艙內的泡沫材料膠粘在艙壁上，可進行更換設計。

2.2.3 熱量排散

(1)常規(guī)熱控涂層。常規(guī)的熱控涂層無法實現(xiàn)熱量排散的調控和模塊化設計，但可以開展在軌自清潔[13]、自修復涂層[14]研究。

(2)智能熱控涂層。該技術能夠根據(jù)環(huán)境溫度的高低改變自身的發(fā)射率，實現(xiàn)在軌熱量排散的調控，特別適用于外部空間熱環(huán)境和內部工作模式具有較大不確定性的航天器。已經(jīng)在國內開展了廣泛的研究[15-16]，目前最大的問題是涂層的實用性能尚不能滿足應用需求。

(3)熱控百葉窗的可調控輻射器技術。百葉窗技術已在多顆衛(wèi)星上得到應用，具備自主調控的能力且實現(xiàn)了模塊化，下一步可開展在軌更換技術研究。

(4)可展可調類熱輻射器技術。其在軌更換技術可以結合熱傳輸中的相關技術一起開展[17-18]，研究的難點在于輻射器的材料選擇、連接和密封技術，以及在軌裝配和展開性能。

2.3 模塊化自適應熱控技術體系

基于以上分析，構建出的模塊化、自適應熱控技術體系如圖1所示。

熱量在儀器設備與熱沉間的基本傳遞關系如圖2所示，綠色圓圈表示深冷空間(整個系統(tǒng)的最終熱沉)，淺色圓圈表示儀器設備，藍色圓圈表示主動熱控裝置，它們之間的連線表示熱量的傳遞。以被動為主的熱控技術結構中，各個設備與熱沉通過不同的路徑連接，設備之間幾乎無聯(lián)系；基于熱管理的熱控技術結構中，設備和主動熱控裝置均串在一個熱總線上，實現(xiàn)了熱量的統(tǒng)一管理和排散；模塊化自適應熱控技術結構同樣基于熱總線，但主動熱控裝置、設備均為模塊化設計，可在軌更換，設備的散熱途徑也更多。

圖1 模塊化自適應熱控技術體系示意圖Fig.1 Scheme of modular and adaptive thermal control system

圖2 不同熱控技術體系的熱量傳遞結構變化

3 模塊化自適應熱控系統(tǒng)可維修性研究

3.1 可維修類型

根據(jù)模塊化自適應熱控技術體系，并結合可維修平臺的需求，將熱控分系統(tǒng)按照自身特點劃分為4種在軌維護的類型，即可更換、可修復、可重構及可補充，如圖3所示。這些類型也是以后需要開展的研究方向。

圖3 熱控分系統(tǒng)在軌可維修類型劃分Fig.3 On-orbit maintainability types of thermal control system

3.2 可更換技術

可更換技術指將故障的/低性能的熱控模塊替換成新的/高性能的產(chǎn)品。為實現(xiàn)熱控模塊的更換必須考慮三方面的因素：①安裝位置(是否適合操作)；②機械接口(安裝固定方式)；③熱接口(界面熱傳導方式)；這些都為在軌無人更換帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

1)機電接口更換

機電接口更換包括機械接口和電接口。熱控類電子或機械產(chǎn)品(百葉窗、控溫儀、對流通風設備等)的更換模式與其他系統(tǒng)機電類產(chǎn)品一樣，統(tǒng)籌考慮標準接口和要求。

2)熱接口更換

從傳熱特性而言，包括熱輻射和熱傳導接口。熱輻射接口需考慮涂層和多層隔熱組件的可更換性，而熱傳導接口聚焦于界面熱材料。

為了減少熱阻，涂層材料往往緊密的附著于航天器結構本體，之間有較強的附著力，因此在軌難以獨立更換。一般除散熱面外的星外區(qū)域(包括艙板、設備等)均采用多層，多層之間采用搭接方式。若多層受環(huán)境影響性能下降需要更換，最簡單的方法是在多層上設計“把手”，直接進行更換；另外可以將多層與設備/結構板一體設計，同步更換。對于更換后設備的界面材料，可以用柔性界面導熱材料代替涂抹導熱脂，在減小熱阻的情況下提高安裝的靈活性。不過這種柔性導熱材料僅適應熱流密度較小的場合，對于高熱流密度還需要研究新的安裝方式。

3)流體接口更換

對于單相、兩相流體回路，首先要形成模塊化設計標準，根據(jù)產(chǎn)品的功能和尺寸采用不同的集成構架，將冷板組件、泵驅動組件、輻射器組件等設計成模塊。每個模塊對外的流體接口為標準接口——液路斷接器[19]。流體接口更換需解決的關鍵問題是液路斷接器的工質密封、耐壓和斷接力。尤其是兩相流體回路，對液路斷接器的密封性要求更高。

液路斷接器原理如圖4所示，分為固定端和分離端，二者均自密封。需要更換的流體回路模塊中一般為分離端，固定端安裝在星內流體回路上，作為公共的液路接口。在載人航天領域航天員操作的熱控液路斷接器目前已經(jīng)有了充分的研究[20]，但適用于無人機械臂操作的液路斷接器，以及適用于兩相流體回路的高壓斷接器、可供兩路同時斷接的雙路斷接器[21]，是后續(xù)需要研究的方向。

圖4 液路斷接器原理圖

3.3 可修復技術

可修復技術指更換模塊中的部分零件或者產(chǎn)品本身能夠自我修復，從而恢復整個熱控產(chǎn)品的功能。冷板、單相/兩相流體回路功能模塊、可展可調輻射器模塊等的修復方案與更換方案類似，需要解決機、電、熱等方面的接口問題。

對于自修復的涂層技術，是模仿生物結構的特性，實現(xiàn)材料在沒有外界參與的條件下進行自我愈合，即涂層遭到破壞后或在一定條件下具有自修復功能。該技術是一個較新的領域，未來需重點關注不同自修復涂層體系的基礎原理研究和自修復涂層的環(huán)境適應性研究。

3.4 可重構技術

可重構技術指根據(jù)熱控產(chǎn)品或技術自身的特點實現(xiàn)負載變化(如有效載荷變化、功耗變化、熱流密度變化、外部熱環(huán)境變化等)情況下的自我調節(jié)和適應，在軌重新構建系統(tǒng)的熱量平衡。在軌可重構方案也可分為3個類型：輻射重構方式、導熱重構方式和工質流動重構方式。

1)輻射重構

智能涂層熱控技術是熱控在軌重構技術中最為主要的一種實現(xiàn)方案，通過熱致變和電致變的方式實現(xiàn)對系統(tǒng)熱量的調控和平衡管理。目前熱致變色智能涂層主要開展的是基于摻雜錳氧化物的材料體系研究，調節(jié)能力更強的基于二氧化釩體系的研究是一個發(fā)展方向，需要通過合理的設計來充分利用其特性[22]?？烧箍墒?、可調向熱輻射器及多展開式輻射器匹配等方式也能自主調節(jié)熱量平衡，實現(xiàn)在軌輻射式重構。

2)導熱重構

在軌需更換電子設備的功耗發(fā)生變化、或由于某些原因無法安裝在原有位置時，導熱重構就尤為重要。可以采用柔性高導熱連接技術、可調控的界面熱導材料技術等實現(xiàn)重構，即通過設備功耗調節(jié)界面材料熱導率或直接采用高導熱柔性材料在設備與散熱面之間建立導熱通道。

3)工質流動重構

工質的流動是實現(xiàn)熱量傳輸?shù)囊粋€高效的方式，通過對工質流速(控制泵轉速)、溫度(控制儲液器溫度)、混合方式(溫控閥控制冷熱工質混合比)等可在軌實現(xiàn)傳熱量的有效控制，達到在軌重構的方式。

3.5 可補充技術

可補充技術指在軌對消耗型工質進行補充。如果可維修平臺因載荷或其他電子設備的熱控要求需采用消耗型相變控溫技術時，就必須考慮消耗型相變工質(如水升華器中的水[23]、氨蒸發(fā)器中的氨[24])在軌補加。同樣，基于流體回路的熱控系統(tǒng)，由于更換、維修不可避免的會造成工質泄漏，因此要對于這類工質的在軌補加開展相應研究。

目前一般采用攜帶足夠的工質進入太空，通過控制補償器[25]的壓力將工質補充至回路中。若完全實現(xiàn)在軌工質補加，需在軌對管路抽真空，系統(tǒng)非常復雜。

4 結束語

隨著大型、長壽命航天器在軌維護的需求與發(fā)展，熱控系統(tǒng)需要按照“基于能力”進行設計，發(fā)展模塊化自適應的熱控技術體系。該技術體系除了具備主動熱控技術體系的優(yōu)點外，還可以實現(xiàn)在軌更換、修復、重構和補充，在軌道、姿態(tài)、構型、載荷模塊等空間應用變化時具備功能拓展的能力，從而提高熱控系統(tǒng)的在軌適應性、可維修性和智能化水平。

(1)航天員參與的有人在軌維修在我國空間站任務中已經(jīng)進行了應用，包括部分流體回路模塊、艙內泡沫、電子單機等，今后需重點關注在軌維修情況，尤其是艙外維修。艙外設備的更換需著航天服，操作不如艙內方便，同時流體回路模塊的尺寸大，這些都增加了維修的難度。艙外設備維修應盡量減少工具的使用，將操作簡化為簡單的扳動扳手、旋轉手輪等動作。

(2)以空間機器人為核心的自主維修研究剛剛起步，要結合機器人的能力特點研究合適的模塊化標準接口，做到插拔式更換；要盡快做出原理樣機進行地面零重力環(huán)境試驗，驗證機、電、熱的接口匹配性，以及機械臂的定位和控制精度。

(3)熱控系統(tǒng)在軌可維修的4種類型都與流體回路技術相關，同時基于熱總線的熱控技術也是模塊化自適應熱控技術體系中一個重要的領域，因此未來要進一步開展流體回路模塊化、可更換性研究。如流體回路管路的在軌更換，涉及到工質排空、在軌焊接、管路檢漏等技術。