楊雯 霍浩亮 李海波 張忠 熊健

航天多功能熱控材料及結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

楊雯1霍浩亮2李海波3張忠3熊健1

（1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱，150080；2 北京空天技術(shù)研究所，北京 100074；3 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

熱控材料與結(jié)構(gòu)是航天熱控系統(tǒng)的重要組成部分，直接關(guān)系到所承載的電子元器件的可靠性和安全性，進(jìn)而決定其工作狀態(tài)和使用壽命。電子元器件在服役過程中產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致熱控問題，而工程中航天熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多數(shù)停留在熱管與蜂窩集成上。近年來陸續(xù)發(fā)展了智能熱控材料、高導(dǎo)熱復(fù)合材料、隔/防熱材料、被動熱控結(jié)構(gòu)、主動熱控結(jié)構(gòu)、智能熱控結(jié)構(gòu)等一些關(guān)于熱控材料和熱控結(jié)構(gòu)的新概念。在此基礎(chǔ)上，本文將與熱控有關(guān)的最新研究成果進(jìn)行總結(jié)和分析，展望了航天多功能熱控材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

熱控結(jié)構(gòu)；熱控材料；多功能結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著航天技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展[1]，電子器件趨于高集成化和高功率化，產(chǎn)生的熱量容易導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備和工作溫度偏高，影響其工作的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致其工作失效?？蒲泄ぷ髡咭恢敝铝τ诟纳齐娮悠骷臒峥貑栴}，同時由于大量周期性、脈沖型熱源的存在以及外界環(huán)境的變化，也使得工作環(huán)境更為復(fù)雜[2-4]，因此迫切需要合理有效的熱控方式[5]。對于航天器系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)來說[6]，電源是十分寶貴的，熱設(shè)計(jì)應(yīng)盡量利用空間的冷、熱源及儀器設(shè)備自身的發(fā)熱量來保持結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下所需的溫度。傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)將相關(guān)設(shè)備和電子器件的輕量化和功能性分開考慮，或直接將熱控器件預(yù)埋在結(jié)構(gòu)中，一方面增加了熱控系統(tǒng)總體的重量，另一方面破壞了結(jié)構(gòu)的完整性，因此結(jié)構(gòu)承載-熱控一體化、輕量化的新型熱控結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。國內(nèi)外許多學(xué)者對新型熱控材料或結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及多功能化開展了相關(guān)研究，具有高比強(qiáng)、高比剛、多功能特性的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)[7]在航天領(lǐng)域應(yīng)用前景很廣。Sairajan等[8]從多功能能源結(jié)構(gòu)、集成電子設(shè)備、熱控系統(tǒng)、智能材料和結(jié)構(gòu)、電子束技術(shù)以及集成多功能結(jié)構(gòu)等方面對潛在的航天多功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。本文將從熱控材料和熱控結(jié)構(gòu)兩個方面綜述航天器熱控材料和結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。

1 熱控材料

隨著空間任務(wù)越來越復(fù)雜，對熱控技術(shù)的要求也越來越苛刻，智能熱控材料、高導(dǎo)熱熱控材料、隔熱材料等將是未來航天器熱控材料的新生力量。

1.1 智能熱控材料

結(jié)合中國航天器的任務(wù)特點(diǎn)和發(fā)展方向，李明等[9]對航天器用熱控材料提出了幾點(diǎn)思考，并指出智能熱控材料將是熱控技術(shù)的新突破。目前關(guān)于智能熱控材料的研究主要有熱致變色涂層、電致變色涂層、新型柔性熱控材料。

材料顏色隨所處環(huán)境溫度的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為材料的熱致變色[10]，目前國內(nèi)外關(guān)于熱致變色材料的研究主要集中在錳酸鑭和二氧化釩(VO2)材料上。VO2的熱致變色性能取決于與合成方法、生長控制有關(guān)的相成分和微結(jié)構(gòu)，由于其獨(dú)特的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變，極大的刺激了VO2規(guī)模系統(tǒng)性研究[11]。Park等[12]以與VO2具有相似結(jié)構(gòu)的ZnO、TiO2、SnO2和CeO2為過渡層來研究VO2薄膜的相轉(zhuǎn)變和熱致變色性能。研究結(jié)果表明：含有ZnO過渡層的薄膜有很大的變遷振幅和小滯后寬度。Liu等[13]通過無機(jī)溶膠-凝膠法制備了摻雜有W的VO2薄膜，結(jié)果顯示W(wǎng)O3的加入對VO2薄膜的平均粒徑和孔徑產(chǎn)生明顯變化，c的降幅為15.5℃/mol。澳大利亞莫納什大學(xué)的Wang等[14]從其制備方法、如何提升其熱致變色性能、相轉(zhuǎn)變機(jī)制和智能窗等方面展開了詳細(xì)的綜述，如圖1所示。關(guān)于熱致變色的機(jī)理理論研究主要集中在相轉(zhuǎn)變機(jī)制和VO2智能窗的理論認(rèn)知。豆書亮等[15]提出了一種簡單且通用的雙面局域表面等離子體共振方法，可以制備出同時滿足智能窗高透光率、高大型太陽能調(diào)制能力的VO2智能涂層。該技術(shù)可以很好的提高VO2涂層的性能，且經(jīng)過1500次循環(huán)后lum和Δsol下降不到1%，為獲得高質(zhì)量的VO2(M)太陽調(diào)制劑涂層提供了一種替代方法。

圖1 智能窗多層結(jié)構(gòu)示意圖[14]

在外電壓的作用下，材料的光學(xué)性能發(fā)生可逆且持久穩(wěn)定變化而外觀表現(xiàn)為材料顏色變化的現(xiàn)象稱為電致變色[16]。根據(jù)材料變色機(jī)理的不同可以將其分為三類：有機(jī)電致變色、無機(jī)電致變色和有機(jī)金屬螯合物材料。Hu等[17]提出了一種簡便、有效且低成本的制備納米電致變色材料和具有電致變色分層納米結(jié)構(gòu)的噴涂智能窗的方法，所得到的器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的電致變色性能。20世紀(jì)70年代有機(jī)電致變色材料開始發(fā)展，Dyer等[18]研究了以橙色和紅色為基色的透射電致變色聚合物的性能，結(jié)果表明：有機(jī)電致變色的機(jī)理是聚合物共軛結(jié)構(gòu)中電子能隙發(fā)生變化。Wang等[19]制備了含三芳胺聚倍半硅氧烷的有機(jī)-無機(jī)雜化電致變色材料，可以實(shí)現(xiàn)顏色由無色向藍(lán)色的轉(zhuǎn)變。柔性熱控薄膜由于輕質(zhì)、便宜、易于生產(chǎn)、便于安裝而廣泛應(yīng)用于航天器各平臺，根據(jù)功能及使用場所可以將其分為第一表面鏡、二次表面鏡、腐蝕防護(hù)膜熱控帶等。為了應(yīng)對航天器輕質(zhì)、高強(qiáng)、功能化的發(fā)展要求，PI基復(fù)合膜、相變熱控薄膜等作為新型熱控材料的研究受到了廣泛關(guān)注。楊淼等[20]結(jié)合航空熱控技術(shù)發(fā)展要求，從柔性熱控材料的技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用現(xiàn)狀展開了詳細(xì)的綜述。

1.2 高導(dǎo)熱復(fù)合材料

航天器熱控技術(shù)的突破點(diǎn)是高熱流密度，高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)材料和相應(yīng)強(qiáng)化界面導(dǎo)熱性能的填料是解決航天器熱控技術(shù)的關(guān)鍵材料。樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、價廉，但導(dǎo)熱性能比較差，目前改善其導(dǎo)熱性能的方法主要有研制高導(dǎo)熱纖維[21]、顆粒填充[22]和碳納米管填充[23]來改善其導(dǎo)熱系數(shù)。研究最多的樹脂基復(fù)合材料主要有環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、聚丙烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料、聚乙烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料。

張永存等[24]首次將漸進(jìn)均勻法應(yīng)用到周期性復(fù)合材料的等效傳熱系數(shù)的預(yù)測中并驗(yàn)證了其有效性，有效推動了其在復(fù)合材料等效傳熱系數(shù)預(yù)測中的應(yīng)用。楊雯等[25]通過構(gòu)建3D導(dǎo)熱通路的方法來提高環(huán)氧基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，研究結(jié)果表明：與高導(dǎo)熱填料填充復(fù)合材料比，構(gòu)建3D導(dǎo)熱通路的復(fù)合材料熱導(dǎo)率得到明顯提升。于國財[26]借鑒纖維金屬混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)思想，制備出了具有熱性能和力學(xué)性能的纖維-金屬混雜混合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，且導(dǎo)熱系數(shù)與溫度和材料的相對密度成正比。

目前可用于發(fā)熱元件和散熱元件之間的熱界面材料主要有導(dǎo)熱脂、柔性墊片、相變材料等。清華大學(xué)彭建軍[27]從導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱理論入手，設(shè)計(jì)制備了一種用以解決高端產(chǎn)品散熱問題的新型熱界面材料-高導(dǎo)熱柔性復(fù)合材料。崔永紅等[28]指出：開發(fā)可以解決納米填料團(tuán)聚問題的新型納米技術(shù)、增加導(dǎo)熱聚合物導(dǎo)熱機(jī)理和模型方面的研究以及合成新型導(dǎo)熱聚合物等，是未來高導(dǎo)熱材料的發(fā)展方向。碳納米管具有很低的界面熱阻，一經(jīng)出現(xiàn)就受到國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注，在熱管理中成為有效地?zé)峤缑娌牧?。碳納米管羧基官能團(tuán)(-COOH基團(tuán))可以改善碳納米管-聚合物納米復(fù)合材料的分散性能和導(dǎo)電性能，Gulotty等[29]通過實(shí)驗(yàn)研究了羧基官能團(tuán)對納米復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，研究結(jié)果表明：少量的碳納米管(~1wt%)可以增加復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，但是需要更多的碳納米管(~3wt%)才能大幅度提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能；功能化的多壁碳納米管作為填充材料時，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能最佳。Yuan等[30]采用促進(jìn)乳膠技術(shù)將多壁納米管涂覆在微尺度聚合物粉末上，從而在聚合物基體上構(gòu)建了一個緊密連接的三維碳納米管導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。表面活性劑的添加可以有效改善碳納米管之間、碳納米管與聚合物間的界面耦合，從而降低界面熱阻：多壁碳納米管與表面活性劑對納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱特性具有協(xié)同作用。

圖2 多壁納米管/聚合物基納米復(fù)合材料的制備過程[30]

1.3 隔/防熱材料

未來空間任務(wù)的前提是實(shí)現(xiàn)低溫推進(jìn)劑在軌可靠性貯存，以氣凝膠、聚酰亞胺泡沫、薄膜為主的絕熱材料是低溫推進(jìn)劑貯箱的關(guān)鍵材料，可有效控制推進(jìn)劑蒸發(fā)。氣凝膠材料因其獨(dú)特的三維骨架結(jié)構(gòu)而具有低密度(約為空氣的2~3倍)、低熱導(dǎo)率(~0.01Wm-1K-1)，是輕質(zhì)高效隔熱材料的首選，在航天領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，如圖3所示。

圖3 氣凝膠在航天領(lǐng)域的應(yīng)用[32]

(a) 火星車；(b) EDL充氣減速器；(c) 航天服

Fig.3 The application of aerogel in aerospace area

氣凝膠材料的易碎性極大的限制了其應(yīng)用，目前用于氣凝膠力學(xué)性能增強(qiáng)的方法主要有：選用合適的先驅(qū)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，聚合物增強(qiáng)氣凝膠，纖維增強(qiáng)氣凝膠。He等[31]采用一步法原位合成了多孔性、高力學(xué)性能的纖維素/氧化硅氣凝膠，纖維素的引入有效提高了氧化硅氣凝膠的柔韌性。Randall等[32]首次對氧化硅氣凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)方法進(jìn)行了綜述，并且對聚合物增強(qiáng)氧化硅氣凝膠的強(qiáng)度和彈性響應(yīng)進(jìn)行討論。Bheekhun等[33]從氣凝膠的發(fā)展、氧化硅氣凝膠在航天應(yīng)用中的重要性和功能性方面進(jìn)行了論述，最后介紹了傳統(tǒng)氣凝膠在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景。雖然人們做了許多努力來增強(qiáng)氣凝膠，但大多數(shù)的增強(qiáng)方法犧牲了氣凝膠的透明度或絕緣性，Zu等[34]以乙烯基二甲氧基硅烷為先驅(qū)體，制備出了集高比表面積、高疏水性、超柔性、彎曲度和絕緣性于一體的氣凝膠，進(jìn)一步推進(jìn)了透明柔性氣凝膠超絕緣材料的工程應(yīng)用（圖4）。

圖4 透明柔性氣凝膠[34]

碳?xì)饽z具有輕質(zhì)、高比表面積、使用溫度高達(dá)2000℃、低高溫輻射熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，在新型導(dǎo)彈和航天器熱控系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力巨大。碳?xì)饽z具有普通氣凝膠的致命缺陷-強(qiáng)度低、脆性大，碳纖維增強(qiáng)氣凝膠技術(shù)是改善其力學(xué)性能的有效方法，楊曉青等[35]研究了溶膠配比對其力學(xué)性能的影響。呂雙祺等[36]基于數(shù)字成像相關(guān)方法對高溫載荷下的陶瓷增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠材料的熱變形進(jìn)行測量和分析，結(jié)果表明氣凝膠基體中SiO2的顆粒團(tuán)聚和陶瓷纖維的鋪層分布是導(dǎo)致熱變形不均勻的主要原因。為航天器及其熱防護(hù)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)與可靠性性評估提供了重要參考。

2 熱控結(jié)構(gòu)

根據(jù)控制過程中被控對象的溫度有無反饋，習(xí)慣上將該類結(jié)構(gòu)分為被動熱控結(jié)構(gòu)和主動熱控結(jié)構(gòu)[4]。國內(nèi)外學(xué)者基于熱控結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并取得突破性研究成果。本文從被動熱控結(jié)構(gòu)、主動熱控結(jié)構(gòu)及智能熱控結(jié)構(gòu)三方面展開介紹。

2.1 被動熱控結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代衛(wèi)星及其它航天器上使用的被動熱控結(jié)構(gòu)主要有：熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、仿生式傳熱結(jié)構(gòu)、預(yù)埋或外貼熱控材料或器件等多功能結(jié)構(gòu)。

2.1.1 熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

近些年在結(jié)構(gòu)傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了很多科研成果，有學(xué)者將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的概念引入到結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)中來。Bejan等[37]通過嵌入一定量的高導(dǎo)熱材料構(gòu)建樹形導(dǎo)熱通路的方法代替對流換熱，從而解決了給定尺寸、導(dǎo)熱材料低體積分?jǐn)?shù)結(jié)構(gòu)的體-點(diǎn)導(dǎo)熱問題。當(dāng)時間方向顛倒時，不能通過理論決定樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Johan等[38]提出了一種新的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，對導(dǎo)熱性能良好的樹突狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法利用遺傳算法表示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少了設(shè)計(jì)描述中的變量數(shù)量。遺傳算法驅(qū)動設(shè)計(jì)候選對象的生產(chǎn)，為目標(biāo)設(shè)計(jì)空間提供了高度多樣化的探索。眾所周知，水平集法是結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)優(yōu)化時經(jīng)常采用的方法，但該方法不能在結(jié)構(gòu)中形成孔洞。為了解決這一問題，華中科技大學(xué)的Xia等[39]將水平集法與雙向進(jìn)化優(yōu)化方法(BESO, bi-directional evolutionary optimization method)相結(jié)合，即將BESO的材料去除方案結(jié)合到基于水平集的拓?fù)鋬?yōu)化中，解釋了孔形核的判據(jù)，解決了熱傳導(dǎo)過程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

Jahangiry等[40]利用水平集法和反應(yīng)擴(kuò)散方程對設(shè)計(jì)變量的演化，建立了二維傳熱問題（包括集中熱流和均布熱流）拓?fù)鋬?yōu)化的等值幾何方法。NURBS曲面(NURBS, Non-Uniform Rational B-Splines)給出了精確的幾何表示，而水平集則導(dǎo)致了NURBS曲面拓?fù)渥兓淖R別?；贜URBS曲面各控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量的取值，將水準(zhǔn)集曲面擴(kuò)展為高維的隱式動態(tài)超曲面，使用相同的基函數(shù)來近似未知溫度和幾何建模。由于水平集網(wǎng)格的坐標(biāo)與控制點(diǎn)網(wǎng)格的坐標(biāo)相似，得到了控制點(diǎn)網(wǎng)格作為速度場的靈敏度分析，從而演化出反應(yīng)擴(kuò)散方程。然后，將水平集網(wǎng)格坐標(biāo)的任何變化映射到使用NURBS參數(shù)化的物理域上。Yu等[41]以常用低成本碳纖維樹脂基復(fù)合材料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制備了碳纖維樹脂基復(fù)合材料板/高導(dǎo)熱石墨膜混雜材料，如圖5。通過周期性填充銅桿/銅球的方法在復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)建導(dǎo)熱通路，有效提高了碳纖維樹脂基復(fù)合材料層合板的導(dǎo)熱性能。

圖5 Z向填充復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖[41]

2.1.2 仿生式傳熱結(jié)構(gòu)

由于拓?fù)鋬?yōu)化的成果很難直接應(yīng)用到工程實(shí)際中，對于制備出高熱導(dǎo)率的承載結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的研究比較少。為了滿足衛(wèi)星電子儀器板熱控管理和力學(xué)承載的雙重需求，Williams等[42]采用復(fù)合材料格柵加筋方式設(shè)計(jì)衛(wèi)星電子設(shè)備外殼壁板，基于生物體循環(huán)系統(tǒng)提出了一種仿生式傳熱多功能結(jié)構(gòu)，如圖6所示，在不增加結(jié)構(gòu)的整體重量的前提下將主熱管通道和次熱管通道與壁板結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合在一起，可有效的解決多功能衛(wèi)星壁板的熱控問題。由于采用了空管作為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的筋，因此該多功能結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的散熱能力和承載能力，其缺點(diǎn)是多功能結(jié)構(gòu)的制備工藝較為復(fù)雜。美國夏威夷大學(xué)的Nunes 等[43]借鑒生物學(xué)遺傳仿生方法對衛(wèi)星壁板熱控問題進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化分析。

浙江大學(xué)的劉景成等[44]結(jié)合鯊魚腮的結(jié)構(gòu)，提出了一種新型仿生傳熱翅片結(jié)構(gòu)，在二維平面內(nèi)研究了翅片角度、開口大小等對仿生傳熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度、流體速度、壓力等的影響：翅片角度對傳熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的影響要強(qiáng)于翅片開口，翅片開口對傳熱結(jié)構(gòu)流體場的影響要強(qiáng)于翅片角度。而三維仿生傳熱翅片結(jié)構(gòu)的傳熱性能研究有待后進(jìn)一步展開。趙雨亭等[45]借鑒植物葉片葉脈結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了不同分形角度的仿生葉脈平板熱管結(jié)構(gòu)，如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)：分形角度為80°平板熱管結(jié)構(gòu)的冷凝熱阻最小，比未進(jìn)行仿生表面處理的平板熱管結(jié)構(gòu)的冷凝熱阻降低了40.29%。

圖6 仿生式傳熱結(jié)構(gòu)[42]

(a)集熱控-承載于一體多功能結(jié)構(gòu)；(b)格柵結(jié)構(gòu)與流體通道

Fig.6 Thermal desktop model of symbiotic composite panel

圖7 仿生葉脈平板熱管結(jié)構(gòu)[45]

2.1.3 多功能熱控結(jié)構(gòu)

美國猶他州立大學(xué)空間動力實(shí)驗(yàn)室的Jensen等[46]提出了適用于小衛(wèi)星的熱控技術(shù)，使結(jié)構(gòu)傳向被支撐低溫部件的寄生漏熱率從90MW降為1MW，但一階響應(yīng)頻率增加到700Hz，最終使維持低溫部件所需的熱控重量和保持系統(tǒng)足夠剛度所需的連接重量大大減輕。深空1號衛(wèi)星使用的集電子器件-承載-熱防護(hù)于一體的多功能結(jié)構(gòu)如圖8所示[47]，該結(jié)構(gòu)由高熱導(dǎo)率多層Cu/PI復(fù)合材料板為基板，金屬芯子中埋置導(dǎo)熱器件。其中電子部分由多芯片模塊和柔性電路構(gòu)成，Cu/PI柔性電路片和柔性搭接片連接，形成信號傳輸通道。柔性電路埋置于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而使多芯片模塊的輸入和輸出電路得以高度集成。后來發(fā)展的多功能結(jié)構(gòu)大多以此為設(shè)計(jì)原型，如在面板內(nèi)埋置高導(dǎo)熱纖維增加熱傳導(dǎo)效率。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室Steve等[48]研制的Techsat 21衛(wèi)星采用集熱控組件、信號電纜和供電電纜等于一體的多功能結(jié)構(gòu)，在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)承載和熱控性能的條件下大大減輕了衛(wèi)星的整體質(zhì)量。而該多功能結(jié)構(gòu)具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，通過了英國國防和評價研究局的STRV－1衛(wèi)星的空間飛行驗(yàn)證。

圖8 電子器件與熱防護(hù)、輻射防護(hù)和承載結(jié)構(gòu)一體化[47]

夾芯結(jié)構(gòu)是近年出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度，內(nèi)部開放、貫通的空間易于實(shí)現(xiàn)熱控-承載于一體的潛在應(yīng)用受到了航天領(lǐng)域的青睞。Marcos等[49]以碳纖維復(fù)合材料板為面板、5052蜂窩做芯子制備點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，通過在空腔內(nèi)填充高導(dǎo)熱纖維制備出集熱控-電-輕質(zhì)-屏蔽輻射等于一體的多功能結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用在Proteus小衛(wèi)星中并驗(yàn)證其可行性。與同樣鋁面板制備的集力、熱、電于一體的多功能結(jié)構(gòu)比，質(zhì)量減輕了15%。而輻射、電磁干擾(EMI, electromagnetic interference)和電磁適應(yīng)性(EMC, electromagnetic compatibility)的隱蔽和連接未來需要進(jìn)一步研究。解決衛(wèi)星和其它航天器的熱控制，除了使用熱控材料外，還需要使用一些構(gòu)造比較復(fù)雜的熱控機(jī)構(gòu)和裝置。

目前衛(wèi)星熱控系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、溫控效果最好的是熱管技術(shù)，熱管的應(yīng)用可解決衛(wèi)星高熱流部件的散熱溫控以及實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的等溫化設(shè)計(jì)等問題[50]。Douglas等[51]最先利用熱力學(xué)模型設(shè)計(jì)出集承載-熱控于一體的多功能熱管夾芯結(jié)構(gòu)，如圖9所示，通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多功能熱管結(jié)構(gòu)的工作原理并將它描述為對局部熱源的瞬態(tài)響應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)不僅具有很強(qiáng)的力學(xué)承載能力，最主要的是它的高效導(dǎo)熱性能。Steeves等[52]在此基礎(chǔ)上改進(jìn)，制備出了適合于高超速飛行器尖端的熱管結(jié)構(gòu)并論證了其可行性。當(dāng)熱管結(jié)構(gòu)受熱后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部受熱端液體汽化，汽化液體通過夾芯空間傳遞到冷凝段放熱液化，整個過程的驅(qū)動力為毛細(xì)作用，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)成傳熱回路，因此整個結(jié)構(gòu)具有高效的散熱能力。

圖9 多功能熱管結(jié)構(gòu)[51]

國內(nèi)關(guān)于多功能結(jié)構(gòu)的研究起步相對比較晚，為了滿足高超聲速飛行器、可重復(fù)使用火箭、航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展需求，Wei等[53]首次提出并通過編織和化學(xué)氣相滲透制備了可滿足高馬赫飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的C/SiC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，通過幾何參數(shù)優(yōu)化滿足熱防護(hù)和應(yīng)有的力學(xué)性能（剛度和表面屈服失效）。針對月地再入返回式航天器的服役環(huán)境，寧獻(xiàn)文等[54]設(shè)計(jì)并成功制備出一種適合小型返回式航天器的基于異構(gòu)式環(huán)路熱管的新型熱控系統(tǒng)，如圖10所示，并通過具體應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了其可行性。

本課題組一直致力于將輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與新型傳熱概念融合在一起，形成新型的集承載與傳熱一體化的超輕多功能結(jié)構(gòu)。吳林志等[55]對輕質(zhì)夾層多功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述，指出設(shè)計(jì)概念實(shí)物化、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及拓?fù)錁?gòu)型具體化是輕質(zhì)夾層多功能發(fā)展的三個特點(diǎn)。唐統(tǒng)帥[56]通過將傳熱介質(zhì)集成到格柵加筋板結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)出了一種具有散熱和承載功能的格柵加筋板結(jié)構(gòu)，并研究了結(jié)構(gòu)的散熱和承載性能，采用流體力學(xué)軟件FLUENT模擬了格柵加筋板結(jié)構(gòu)在輔助傳熱介質(zhì)下承受恒定熱流載荷時的熱傳輸性能，根據(jù)結(jié)構(gòu)所能承受的最高溫度對格柵結(jié)構(gòu)的肋條數(shù)目和間隔進(jìn)行了優(yōu)化。于國財[57]設(shè)計(jì)并制備出兼具輕質(zhì)、可承載及高導(dǎo)熱特性的多功能復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，并對其導(dǎo)熱和基本力學(xué)性能展開了相關(guān)研究。與原復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)相比，其導(dǎo)熱系數(shù)提升了29倍，其比導(dǎo)熱系數(shù)提高了11倍，拓展了復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)在高端散熱領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖10 環(huán)路熱管工作原理示意圖[54]

2.2 主動熱控結(jié)構(gòu)

通過流體強(qiáng)制對流實(shí)現(xiàn)熱量散失的結(jié)構(gòu)是主動熱控結(jié)構(gòu)的一種，目前強(qiáng)制對流也是工程應(yīng)用中最常見的一種散熱方式。

2.2.1金屬泡沫結(jié)構(gòu)

具有高比表面積的開孔金屬泡沫能允許冷卻液體流經(jīng)其內(nèi)部開放、貫通的空間，因此可以作為熱交換結(jié)構(gòu)，從而勾畫了其在工程應(yīng)用中的藍(lán)圖。盧天健[58]研究了以開孔金屬泡沫為緊湊式熱交換器的對流冷卻性能，并根據(jù)目前已有圓柱容器的對流換熱數(shù)據(jù)提出了適用于金屬泡沫熱交換的解析模型。密歇根大學(xué)的 Salas等[59]通過實(shí)驗(yàn)研究了泡沫尺寸效應(yīng)對強(qiáng)制對流換熱的影響并確立了泡沫厚度與強(qiáng)制對流的關(guān)系，提出了比較準(zhǔn)確的形狀函數(shù)有限元模型。Azzi等[60]研究了在渦輪式引擎發(fā)動機(jī)的燃燒室和渦輪之間安置環(huán)形金屬泡沫來實(shí)現(xiàn)溫控的可能性。通過紅外線成像技術(shù)研究了鋁泡沫的傳熱性能，結(jié)果顯示層厚為10cm的5PPI和10PPI鋁泡沫對高溫和低溫的混合效率分別為21%和37%；為了評估鋁泡沫的壓降損失對其在空氣可壓縮區(qū)域進(jìn)行測試，結(jié)果顯示每2.54cm的泡沫壓降為34.5kPa。泡沫金屬在熱交換過程中引起的壓降問題制約了其在工程中的應(yīng)用，Bai[61]根據(jù)鉆石型單胞提出了一種預(yù)測泡沫材料傳熱性能的簡單解析模型，并從理論和數(shù)值模擬兩方面研究了金屬泡沫材料中熱交換的提高及其對應(yīng)的壓降問題，采用CFD模型來預(yù)測金屬泡沫壓降。

2.2.2 輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)

類桁架材料是近年出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)材料，對其流動傳熱規(guī)律的研究較少。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及金屬絲網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)中的流動具有共同特點(diǎn)即圓柱管束的繞流運(yùn)動。在圓柱根部與夾心板接觸點(diǎn)以及圓柱繞流區(qū)均有渦旋產(chǎn)生，因此，在這兩種結(jié)構(gòu)中以湍流流動換熱為主。

Kim[62]采用理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法研究了鋁合金四面體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)制對流熱性能，因其內(nèi)在結(jié)構(gòu)的各向異性選擇了兩個相互垂直的方向進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)表明：由于存在堆積效應(yīng)，壓降與熱流加載方向有很大關(guān)系；在不同的方向下，傳熱性能相當(dāng)，所需壓力降則相差30%~60%；夾芯結(jié)構(gòu)桿件與面板的接觸位置、桿件的傾斜角度對局部傳熱影響較大。根據(jù)桿件直徑得到Re約為300，Nu的預(yù)測值跟實(shí)驗(yàn)值吻合：相同孔隙率下，鋁合金四面體的熱交換性能等效于圓柱空腔的傳熱性能，是空管道的7倍。

閆國良等[63]采用理論推導(dǎo)（翅片法）與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了芯子桿件尺寸、導(dǎo)熱系數(shù)和熱流方向?qū)λ拿骟w點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)主動換熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：芯子桿件的長度和熱流方向?qū)p質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的主動換熱性能影響較大，同等條件下Kagome型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的主動換熱性能最優(yōu)。考慮到超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室需要主動冷卻，Yu等[64]通過ANSYS軟件研究了具有輔助流場的復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的壓力場和速度場隨工作時間的變化。結(jié)果表明，采用復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)來降低超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室的溫度，不僅可以避免傳統(tǒng)窄管道的堵塞，而且可以起到冷卻燃燒室的作用。

為了提高盤式制動器系統(tǒng)的熱交換性能，Yan等[65]設(shè)計(jì)了一種X型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)并提出了一種可以實(shí)現(xiàn)雙向通風(fēng)的制動盤，努塞爾系數(shù)比對照組高1-14%，并通過實(shí)驗(yàn)方法探索了其各向同性換熱機(jī)制。Gao等[66]通過理論和數(shù)值模擬研究了復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的流體流動和傳熱特性，如圖11所示，采用速度場探究了局部熱流和主動換熱機(jī)制。根據(jù)溫度場分析揭示了流速和熱通量對結(jié)構(gòu)最高溫度的影響，綜合考慮來看復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有卓越的主動傳熱性能。Zhao等[67]研究了三種流型（軸向，部分分支，全分支）、兩種工作冷卻劑（水和空氣）條件下多孔結(jié)構(gòu)的傳熱性能，與其他采用空氣或水做冷卻劑的熱交換器比，標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化的三維編織銅點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了極高的流阻和換熱性能。除此之外，在部分分支流型中編織點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有極高的溫度均勻性，因此對排熱和溫度均勻性要求比較高的應(yīng)用部件有很好的應(yīng)用前景。

圖11 復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)傳熱特性圖[66]

2.3 智能熱控結(jié)構(gòu)

需求推動科研發(fā)展，智能熱控技術(shù)巧妙的結(jié)合了傳統(tǒng)的被動和主動熱控方法，更強(qiáng)調(diào)了裝置的閉環(huán)控制能力，同時具有重量輕、體積小、能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)。智能熱控結(jié)構(gòu)主要包括智能型電加熱器（如PTC電加熱器）、智能型可展開輻射器等。

2.3.1 PTC電加熱器

正溫度系數(shù)材料(PTC, positive temperature coefficient)是一種溫度敏感材料，當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)時，溫度變化很小即可使得電阻增加3-5個數(shù)量級，因此可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻器作熱控元件。1989年Watts等[68]提出了PTC電加熱器的概念，李運(yùn)澤等[69]對可應(yīng)用在衛(wèi)星局部溫控系統(tǒng)的PTC電加熱器進(jìn)行了建模仿真分析，結(jié)果顯示智能電加熱器可以有效降低溫控對象的變化幅度，從而顯著改善衛(wèi)星局部熱控情況。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的程文龍等[70]通過實(shí)驗(yàn)以鋁塊為被控對象，對比分析了實(shí)驗(yàn)溫度為60℃時PTC電加熱器和普通電加熱器的溫控精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)時，PTC電加熱器的溫控精度比普通電加熱器的溫控精度優(yōu)越的多。然而，現(xiàn)有理論模型忽略了PTC材料內(nèi)部的熱傳遞，極大影響了理論預(yù)報的準(zhǔn)確性[71]?；诖?，Wang等[72]提出了一種新型的PTC材料傳熱模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了導(dǎo)熱系數(shù)、熱容以及接觸熱阻對PTC材料熱控性能的影響，同時分析了PTC材料在環(huán)境溫度線性變化、環(huán)境溫度周期性變化和環(huán)境溫度突然下降三種工況下的熱控性能。研究發(fā)現(xiàn)：PTC材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，受控裝置的平衡溫度越低、達(dá)到平衡溫度所需時間越長；接觸熱阻越大，受控裝置的平衡溫度越低；而熱容對受控裝置平衡溫度的影響可以忽略；在各種工況條件下的PTC材料均具有很好的溫控性能，環(huán)境溫度變化幅度為5℃、加載時長為300s時，受控裝置的溫度幾乎沒有變化。

2.3.2 可展開式輻射器

可展開式輻射器(Deployable radiators, DPR)在航天器發(fā)射階段時處于折疊狀態(tài)，以減少航天器的發(fā)射體積、滿足航天器維型的需求；航天器入軌工作時處于展開狀態(tài)，將航天器在軌運(yùn)行時產(chǎn)生的多余熱量從內(nèi)部傳遞通過輻射器面板傳遞到外部空間。1976年Cox等[73]以鋁蜂窩版為主散熱系統(tǒng)、柔性金屬/介電復(fù)合材料板為可展開散熱系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了可用于航天飛機(jī)余熱消散的可展開輻射器的設(shè)計(jì)和性能特點(diǎn)。2006年12月18日ETS-VIII衛(wèi)星成功發(fā)射并進(jìn)入地球靜止軌道，拉開了熱源嵌入式回路熱管作為傳熱裝置在DPR中應(yīng)用的序幕，如圖12所示。研究發(fā)現(xiàn)[74]：在微重力服役環(huán)境下，DPR可以很容易打開，且局部冷卻區(qū)域遠(yuǎn)小于在地球重力環(huán)境的局部冷卻區(qū)域，但DPR為一次展開結(jié)構(gòu)且展開角度不可調(diào)節(jié)。

圖12 可展開輻射器和熱源嵌入式回路熱管[74]

2001年日本的Nagano等[75]首先提出了可反復(fù)展開式輻射器(RTP, Reversible Thermal Panel)的概念。RTP的工作原理[76]：如圖13所示，輻射器處于高溫環(huán)境時，通過展開輻射器表面促進(jìn)熱量的耗散；當(dāng)輻射器處于低溫環(huán)境時，通過收緊輻射器表面從而抑制熱量的散失。Nagano等[77-78]開展了一系列研究，通過理論和實(shí)驗(yàn)等方法表征了可適用于行星系空間探索的RTP熱性能，同時指出RTP可以作為火星計(jì)劃、行星-C計(jì)劃熱控裝置的候選結(jié)構(gòu)。

圖13 可反復(fù)展開式輻射器 [76](a)工作原理和(b)實(shí)物圖

同時，我國也將可展開熱輻射器的相關(guān)研究納入了國家“十三五”重大科研課題的范疇。中科院上海技術(shù)物理研究所的張龍等[79]基于DPR的熱傳導(dǎo)和熱輻射提出了一種傳熱性能模型，通過I-DEAS TMG軟件研究了DPR展開角度和熱源溫度對輻射器在軌穩(wěn)態(tài)服役條件下散熱能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著展開角度的增加、熱源溫度的升高，DPR的散熱能力增強(qiáng)；理論值和仿真模擬結(jié)果的誤差在3%以內(nèi)。劉欣等[80]提出了一種新型的、與流體回路相結(jié)合的DPR，通過建立DPR空間散熱模型研究了不同展開角度下熱控系統(tǒng)的控溫能力：輻射器展開角度為0°時，輻射器從環(huán)境吸收的熱量最少，控溫能力最強(qiáng)；展開角度為90°時，從環(huán)境吸收的熱量最多，控溫能力最弱；通過調(diào)節(jié)展開角度，熱控系統(tǒng)的控溫能力提升了70%。

3 結(jié)論與展望

隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，對熱控分系統(tǒng)提出了更高的要求。與之相對應(yīng)的，對熱控材料也提出了新的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）在滿足熱控分系統(tǒng)所要求的功能和性能指標(biāo)外，還需滿足總體的相關(guān)約束條件，如占用的重量、體積，防靜電要求，載人航天中的衛(wèi)生學(xué)要求，對其他系統(tǒng)的影響等。對于長壽命航天器，還應(yīng)滿足在長期空間環(huán)境下性能的穩(wěn)定性要求。2）隨著航天器電子設(shè)備集成度的提高和元器件的進(jìn)步，其功率越來越大，熱流密度越來越高，未來的技術(shù)需求和發(fā)展，使得諸如用于空間通訊系統(tǒng)的激光二極管、高功率傳感芯片、功率電子器件等的熱流密度可達(dá)數(shù)百W/cm2甚至數(shù)千W/cm2，而其工作性能和可靠性與工作溫度直接相關(guān)，因此需要性能更好的導(dǎo)熱材料。如何將電子元器件所產(chǎn)生的熱量傳遞到儀器殼體，并最終傳遞到外部空間將是需要解決的問題。3）隨著深空探測的深度和廣度不斷擴(kuò)大，熱控材料需要適應(yīng)新的空間環(huán)境。除地球環(huán)境以外，其他行星的環(huán)境尚不完全清楚，而且和地球空間環(huán)境有著很大的不同。因此需要利用各種可能的技術(shù)，來保護(hù)電子設(shè)備和科學(xué)設(shè)備免受極端溫度變化所帶來的損害。4）對于長期載人航天，必須考慮空間碎片的防護(hù)問題。對于艙外大量使用的多層隔熱材料，需要研究其在長期軌道運(yùn)行環(huán)境下對于空間碎片的防護(hù)能力，提出防護(hù)方案，并對其隔熱性能的變化情況進(jìn)行研究。航天器熱控系統(tǒng)中的熱問題是最為核心的問題，熱問題影響到電子元器件的布置及總量。衛(wèi)星的輕質(zhì)要求極度苛刻，其熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持以可靠性高、工作壽命長、經(jīng)濟(jì)性能好的被動熱控措施為主，以溫度調(diào)節(jié)精度高但壽命和可靠性受限的主動熱控措施為輔的設(shè)計(jì)原則，這也是未來衛(wèi)星設(shè)計(jì)的方向。針對未來先進(jìn)衛(wèi)星系統(tǒng)，僅僅依靠現(xiàn)有導(dǎo)熱材料是不可能達(dá)到很好的熱控效果，解決衛(wèi)星領(lǐng)域熱控問題必須依賴結(jié)構(gòu)型傳熱，因此保持結(jié)構(gòu)具有良好傳熱設(shè)計(jì)顯得尤為重要。最后，本文展望了航天多功能熱控材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向：1）設(shè)計(jì)并制備熱控-承載多功能結(jié)構(gòu)。將新型的傳熱材料與承載結(jié)構(gòu)融為一體或者直接用傳熱材料制備承載結(jié)構(gòu)將是結(jié)構(gòu)型傳熱需要瞄準(zhǔn)的方向。2）開發(fā)與制備新型熱控材料。新型的熱控材料可以形成傳熱帶，從而達(dá)到預(yù)埋熱管的效果。經(jīng)過前期的探索研究，作者認(rèn)為現(xiàn)有蜂窩結(jié)構(gòu)與傳熱帶的良好結(jié)構(gòu)具有很大的發(fā)展前景。3）設(shè)計(jì)與制備高導(dǎo)熱低膨脹復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)。通過引入高模量的纖維復(fù)合材料，可以減小夾芯板的熱變形且使得結(jié)構(gòu)具有較小的膨脹系數(shù)，該方向也將會是未來航天熱控結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

[1] Cui H, Xing Y, Guo Y, et al. Numerical simulation and experiment investigation on unit heat exchange tube for solar heat receiver [J]. Solar Energy, 2008, 82(12): 1229-1234.

[2] 梁偉, 劉振祺, 麥漢超, 等. 基于輻射和傳導(dǎo)耦合的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)傳熱性能分析[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2008, 35(4): 31-36. [Liang Wei, Liu Zhenqi, Mai Hanchao, et al. Theoretical caclucation for thermal properties of honeycomb structure based on the radiation and conduction coupling model [J]. Structure & Environment Engineering, 2008, 35(4):31-36.]

[3] 柳超然, 龐世偉, 鄭紅陽, 等. 衛(wèi)星主動熱控離心泵的振動抑制研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2018, 45(6): 17-26.[Liu Chaoran, Pang Shiwei, Zheng Hongyang, et al. Research on vibration suppression for pump used as active thermal control equipment on the satellite [J]. Structure & Environment Engineering, 2018, 45(6): 17-26.]

[4] 顧欣, 曾捷, 鐘照振, 等. 復(fù)合材料加筋板筋條撞擊分布式光纖監(jiān)測方法[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2020, 47(1): 49-54.[Gu Xin, Zeng Jie, Zhong Zhaozhen, et al. Distributed optical fiber monitoring method for impact position of composite stiffened strips [J]. Structure & Environment Engineering, 2020, 47(1): 49-54.]

[5] 侯增褀, 胡金剛. 航天器熱控制技術(shù): 原理及其應(yīng)用[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

[6] 閔桂榮. 衛(wèi)星熱控制技術(shù)[M]. 北京: 中國宇航出版社, 1991.

[7] 吳林志, 熊健, 馬力. 復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能表征[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2015.

[8] SAIRAJAN K K, AGLIETTI G S, MANI K M. A review of multifunctional structure technology for aerospace applications [J]. Acta Astronautica, 2016, 120: 30-42.

[9] 李明. 我國航天器發(fā)展對材料技術(shù)需求的思考[J]. 航天器工程, 2016, 25(2): 1-5. [LI MING. Review on requirement of materials technology for development of Chinese spacecraft [J]. Spacecraft Engineering, 2016, 25(2): 1-5.]

[10] SHIMAZAKI, OHNISHI A, NAGASAKA Y. Development of spectral selective multilayer film for a variable emittance device and its radiation properties measurements [J]. International Journal of Thermophysics, 2003, 24(3): 757-769.

[11] MORIN F J. Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel temperature [J]. Physical Review Letters, 1959, 3(1): 34-34.

[12] KOO H, XU L, KO K E, et al. Effect of oxide buffer layer on the thermochromic properties of VO2 thin films [J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, 22(12): 3967-3973.

[13] LIU Y, TAO H, CHU X, et al. Effects of addition of tungsten chloride on optical properties of VO2-based thermochromic films prepared by sol–gel method [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2014, 383: 116-120.

[14] WANG S, LIU M, KONG L, et al. Recent progress in VO2smart coatings: Strategies to improve the thermochromic properties [J]. Progress in Materials Science, 2016, 81: 1-54.

[15] DOU S L, ZHAO J P, Zhang W Y, et al. A universal approach to achieve high luminous transmittance and solar modulating ability simultaneously for vanadium dioxide smart coatings via double-sided localized surface plasmon resonances [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(6): 7302-7309.

[16] GRANQVIST C G. Electrochromism and smart window design [J]. Solid State Ionics, 1992, 53: 479-489.

[17] HU E, YAN B, REN E H, et al. Constructing spraying-processed complementary smart windows via electrochromic materials with hierarchical nanostructures[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7: 14855-14860.

[18] DYER A L, CRAIG M R, BABIARZ J E, et al. Orange and red to transmissive electrochromic polymers based on electron-rich dioxythiophenes[J]. Macromolecules, 2010, 43(10): 4460-4467.

[19] WANG S, CAI S, CAI W, et al. Organic-inorganic hybrid electrochromic materials, polysilsesquioxanes containing triarylamine, changing color from colorless to blue [J]. Scientific Reports, 2017, 7(1):14627.

[20] 楊淼, 馮煜東, 王藝, 等. 航天器柔性熱控薄膜研究現(xiàn)狀[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2013 (8): 771-777.[YANG Miao, FENG Yudong, WANG Yi, et al. Latest progress in applications of flexible thermal control films in space industry [J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2013, 33(8): 771-777.]

[21] JOHN R, ATXAGA G, FRERKER H J, et al. Advancement of Multifunctional support structure technologies (AMFSST)[C]. Thermal Investigation of ICs and Systems, 2007, THERMINIC 2007. 13th International Workshop on. IEEE, 2007: 98-103.

[22] HU Y, DU G, CHEN N. A novel approach for Al2O3/epoxy composites with high strength and thermal conductivity [J]. Composites Science and Technology, 2016, 124:36-43.

[23] IM H, KIM J. Thermal conductivity of a graphene oxide–carbon nanotube hybrid/epoxy composite[J].Carbon, 2012, 50(15):5429-5440.

[24] 張永存, 尚士明, 梁宇靜. 周期性復(fù)合材料等效傳熱系數(shù)預(yù)測的漸進(jìn)均勻化新算法及其實(shí)現(xiàn)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2018-35(1): 208-217.[ZAHNG Yongcun, SHANG Shiming, LIANG Yujing. A new algorithm of asymptotic homogenization method for predicting the effective thermal conductivity and its implementation of periodic composite materials [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2018, 35(1): 208-217.]

[25] YANG W, XIONG J, WU L Z, et al. Methods for enhancing the thermal properties of epoxy matrix composites using 3D network structures [J]. Composites Communications, 2019, 12:14-20.

[26] 于國財. 纖維金屬混雜復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的熱力耦合分析[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.[YU Guocai. The analysis of the thermos-mechanical coupling properties for fiber metal laminate composite lattice structure [D]. Harbin Institute of Technology, 2012.]

[27] 彭建軍. 高導(dǎo)熱柔性復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用[D]. 清華大學(xué), 2013.

[28] 崔永紅, 焦劍, 汪雷, 等. 高導(dǎo)熱復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 粘接, 2015, 1: 83-87.[CUI Yonghong, JIAO Jian, WANG Lei, et al. Research progress of high thermally conductive polymer nano-composites [J]. Adhesion, 2015, 1: 83-87.]

[29] GULOTTY R, CASTELLINO M, JAGDALE P, et al. Effects of Functionalization on Thermal Properties of Single-Wall and Multi-Wall Carbon Nanotube–Polymer Nanocomposites [J]. Acs Nano, 2013, 7(6):5114-5121.

[30] YUAN S , BAI J , CHUA C K , et al. Highly enhanced thermal conductivity of thermoplastic nanocomposites with a low mass fraction of MWCNTs by a facilitated latex approach[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2016, 90:699-710.

[31] HE F, HE X D, YANG W, et al. In-situ synthesis and structural characterization of cellulose-silica aerogels by one-step impregnation [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2018:S0022309318300991.

[32] RANDALL J P, MEADOR M A B, JANA S C. Tailoring mechanical properties of aerogels for aerospace applications [J]. ACS applied materials & interfaces, 2011, 3(3): 613-626.

[33] BHEEKHUN N, Talib A, RAHIM A, et al. Aerogels in aerospace: an overview [J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2013, 2013: 1-19.

[34] ZU G , SHIMIZU T , KANAMORI K , et al. Transparent, Super flexible Doubly Cross-Linked Polyvinylpolymethylsiloxane Aerogel Superinsulators via Ambient Pressure Drying[J]. ACS Nano, 2018, 12.

[35] 楊曉青, 馮軍宗, 姜勇剛, 等. 溶膠配比對碳纖維增強(qiáng)炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2016, 33(6): 1251-1258.[YANG Xiaoqing, FENG Junzong, JIANG Yonggang, et al. Effects of sol proportion on mechanical properties of carbon fiber reinforced carbon aerogel insulation composites [J]. Aca Materia Compositae Sinica, 2016, 33(6): 1251-1258.]

[36] 呂雙祺, 楊曉光, 石多奇, 等.基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的氣凝膠復(fù)合材料各向異性熱變形測量[J]. 復(fù)合材料學(xué)報,2017,34(9): 2020-2029.[LV Shuangqi, YANG Xiaoguang, SHI Duoqi, et al. Anisotropic thermal deformation measurement of aerogel composites based on digital image correlation method [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2017, 34(9): 2020-2029.]

[37] BEJAN A. Constructal-theory network of conducting paths for cooling a heat generating volume [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1997, 40(4): 799813-811816.

[38] LOHAN D J, DEDE E M, ALLISONll J T. Topology optimization for heat conduction using generative design algorithms [J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2017, 55(3): 1063-1077.

[39] XIA Q, SHI T, XIA L. Topology optimization for heat conduction by combining level set method and BESO method [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 127: 200-209.

[40] JAHANGIRY H A, JAHANGIRI A. Combination of isogeometric analysis and level-set method in topology optimization of heat-conduction systems[J].Applied Thermal Engineering,2019,161: 14134

[41] Yu G C, Wu L Z, Feng L J, et al. Thermal and mechanical properties of carbon fiber polymer-matrix composites with a 3D thermal conductive pathway[J]. Composite Structures, 2016, 149: 213-219.

[42] WILLIAMS A, UNDERWOOD L, BUSCH G, et al. Biologically-Inspired Multifunctional Composite Panel with Integrated Thermal Control[C].51st AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference 18th AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference 12th. 2010: 2934.

[43] NUNES M A. A biologically inspired methodology for multi-disciplinary design optimization [D]. UNIVERSITY OF HAWAI ‘I AT MANOA, 2010.

[44] 劉景成, 張樹有, 周智勇.一種新型仿生翅片及其對流體流動與傳熱影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2015, 000(012): 161-169.[LIU Jingcheng, Zhang Shuyou, ZHOU Zhiyong. Influence on fluid flow and heat flow and heat transfer of a bionic fin in plate-fin heat transfer [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(12): 161-169.]

[45] 趙雨亭, 王長宏, 黃浩東, 等. 仿生葉脈分形微結(jié)構(gòu)表面的平板熱管傳熱性能研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù), 2019, 18(6): 471-475.[ZHAO Yuting, WANG Changhong, HUANG Haodong, et al. Heat transfer performance of flat-plate heat pipe with bionic vein microstructure surface [J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2019, 18(6): 471-475.]

[46] JENSEN S.Advances in Thermal Control Technologies for Small Satellite Systems[C].Small Satellite Conference.Logan, UT,1996:1-11.

[47] BARNETT D M, RAWAL S P. Multifunctional structures technology experiment on Deep Space 1 mission[C].Digital Avionics Systems Conference, 1997. 16th DASC, AIAA/IEEE. IEEE, 1997, 1: 2.3-1.

[48] CHIEN S, SHERWOOD R, RABIDEAU G, et al. The Techsat-21 autonomous space science agent[C]//Proceedings of the first international joint conference on Autonomous agents and multiagent systems: part 2. ACM, 2002: 570-577.

[49] MARCOS J, SEGURA M, ANTOLIN J C, et al. Multifunctional equipment design by using high thermal conductivity fibres [C]. Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing 2005, 581.

[50] 邵興國, 向艷超, 譚滄海. 嫦娥一號衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)中熱管的應(yīng)用及驗(yàn)證[J]. 航天器工程, 2008, 17(1): 63-67.[SHAO Xingguo, XIANG Yanchao, TAN Canghai. Heat pipe application and test in Chang’E-1 Satellite [J]. Spacecraft Engineering, 2008,17(1): 63-67.]

[51] QUEHEILLALT D T, CARBAJAL G, PETERSON G P, et al. A multifunctional heat pipe sandwich panel structure [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51(1): 312-326.

[52] STEEVES C A, He M Y, Kasen S D, et al. Feasibility of metallic structural heat pipes as sharp leading edges for hypersonic vehicles [J]. Journal of Applied Mechanics, 2009, 76(3): 031014.

[53] WEI K, CHENG X M, HE R J, et al. Heat transfer mechanism of the C/SiC ceramics pyramidal lattice composites [J]. Composites: Part B, 2014, 63: 8-14.

[54] 寧獻(xiàn)文, 蘇生, 陳陽, 等. 月地高速再入返回器熱控設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2015, 45(2): 145-150.[NING Xianwen, SU Sheng, CHEN Yang, et al. Design and implementation of circumlunar return and reentry spacecraft thermal control system [J]. Science China Technologica, 2015, 45(2): 145-150.]

[55] 吳林志, 熊健, 馬力, 等. 輕質(zhì)夾層多功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2012, 34(4): 8-18.[WU Linzhi, XIONG Jian, MA Li, et al. Integrated design of lightweight multifunctional sandwich structures [J]. Mechanics in Engineering, 2012, 34(4): 8-18.]

[56] 唐統(tǒng)帥. 基于散熱和承載功能的格柵加筋板研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.[TANG Tongshuai. Research on grid-stiffened panels base on heat transfer and load-carrying capacity [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology.]

[57] 于國財. 多功能復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱及力學(xué)性能[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.[YU Guocai. Thermal and mechanical properties of multifunctional composite honeycomb sandwich structure [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology.]

[58] LU T J, STONE H A, ASHBY M F. Heat transfer in open-cell metal foams [J]. Acta Materialia, 1998, 46(10): 3619-3635.

[59] SALAS K I, WAAS A M. Convective heat transfer in open cell metal foams [J]. Journal of Heat Transfer, 2007, 129(9): 1217-1229.

[60] AZZI W, ROBERTS W L, RABIEI A. A study on pressure drop and heat transfer in open cell metal foams for jet engine applications [J]. Materials & Design, 2007, 28(2): 569-574.

[61] BAI M, CHUNG J N. Analytical and numerical prediction of heat transfer and pressure drop in open-cell metal foams [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(6): 869-880.

[62] KIM T,ZHAO C Y, LU T J, et al. Convective heat dissipation with lattice-frame materials[J].Mechanics of Materials, 2004,36(8):767-780.

[63] 閆國良, 毛偉, 萬小朋. 輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)主動換熱性能影響因素分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2017, 36(3): 481-486. [YAN Guoliang, MAO Wei, WAN Xiaopeng. Analysis of active heat transfer characteristics for lightweight sandwich panel with lattice-frame material [J]. Mechanical science and technology for aerospace engineering, 2017, 36(3): 481-486.]

[64] YU J, SONG Q F,MA X L , et al. Study of heat transfer of composite lattice structure for active cooling used in the scramjet combustor[J]. Materials Research Innovations, 2015, 19(S5): S5-843-S5-849.

[65] YAN H B, ZHANG Q C, LU T J. An X-type lattice cored ventilated brake disc with enhanced cooling performance [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 80: 458-468.

[66] GAO L, SUN Y. Active Cooling Performance of All-composite Lattice Truss Core Sandwich Structure [J]. Heat Transfer Research, 2016, 47(12): 1093-1108.

[67] ZHAO L, RYAN S M, ORTEGA J K, et al. Experimental investigation of 3D woven Cu lattices for heat exchanger applications [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 96: 296-311.

[68] WATTS L M. Positive temperature coefficient heater: U.S. Patent 4,857,711[P]. 1989-8-15.

[69] 李運(yùn)澤, 魏傳鋒, 袁領(lǐng)雙, 等. 應(yīng)用 PTC 電加熱器的衛(wèi)星局部溫度控制系統(tǒng)仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2005, 17(6): 1494-1496.[LI Yunze, WEI Chuanfeng, YUAN Lingshuang, et al. Simulation study of satellite partial temperature control system using PTC heater [J]. Journal of System Simulation, 2005, 17(6): 1494-1496.]

[70] 程文龍, 宋嘉梁, 吳萬范. 應(yīng)用 PTC 電阻精確控溫的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 航天器工程, 2012, 21(6): 131-135. [CHENG Wenlong, SONG Jialiang, WU Wanfan. Experimental study of accurate temperature control using PTC resistance [J]. Spacecraft Engineering, 2012, 21(6): 131-135.]

[71] CHENG W L, Yuan S, SONG J L, et al. Studies on preparation and adaptive thermal control performance of novel PTC (positive performance coefficient) materials with controllable curie temperatures [J]. Energy, 2014, 74: 447-454.

[72] WANG R J, PAN Y H, NIAN Y L, et al. Study on dynamic thermal control performance of positive thermal coefficient (PTC) material based on a novel heat transfer model considering internal heat transfer [J]. Applied Thermal Engineering, 2020, 165(25):114452.

[73] COX, R L, DIETZ J B, LEACH J W. Deployable raditors for waste heat dissipation from shuttle payloads [R]. NASA Technical Reports Server, 1976, 10: 77A11817.

[74] ISHIKAWA H, NOMURA T, SATIO Y, et al. Heat transfer characteristics of a reservoir embedded loop heat pipe (Heat transfer characteristics of a deployable radiator for use on the ETS-VIII satellite while in orbit) [J]. Heat Transfer-Asian Research, 2011, 40(3):269-285.

[75] NAGANO H, OHNISHI A, NAGASAKA Y. Thermophysical Properties of High-Thermal-Conductivity Graphite Sheets for Spacecraft Thermal Design [J]. Journal of Thermophysics & Heat Transfer, 2001, 15(3):347-353.

[76] NAGANO H, OHNISHI A, HIGUSHI K, et al. Experimental investigation of a passive deployable/stowable radiator [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2009, 46(1): 185-190.

[77] NAGANO H, OHNISHI A, NAGASAKA Y. Development of a lightweight deployable/stowable radiator for interplanetary exploration [J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(16): 3322-3331.

[78] ONO S, NAGANO H, NISHIKAWA Y, et al. Thermophysical Properties of High-Thermal-Conductivity Graphite Sheet and Application to Deployable/Stowable Radiator [J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2015, 29(2): 403-411.

[79] 張龍, 徐紅艷, 謝榮建, 等. 可展開輻射器傳熱性能的理論分析和數(shù)值模擬[C]. 上海市制冷學(xué)會學(xué)術(shù)年會, 2011: 66-72.

[80] 劉欣, 梁新剛. 輻射器展開角度對航天器熱控能力影響的研究[J]. 宇航學(xué)報, 2018, 39(4): 457-463. [LIU Xin, LIANG Xingang. Study on influence of radiator deployment angle on spacecraft thermal control [J]. Journal of astronautics, 2018, 39(4):457-463.]

Research Progress of Multifunctional Thermal Control Materials and Structures of Aerospace Vehicles

YANG Wen1HUO Hao-liang2LI Hai-bo3ZHANG Zhong3XIONG Jian1

(1 Center for Composite Materials and Structures, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China; 2 Beijing aerospace technology research institute , Beijing 100074 China; 3 Science and Technology on Reliability and Environment Engineering Laboratory, Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076 China)

Thermal control materials and structures, which relate to the reliability and safety of electronic parts and components and then decide its work state and lifetime, are one of the most key techniques in design and manufacture of thermal control system. The heat which was produced during the work time will lead to thermal control system of spacecraft’s becoming worse and worse, thermal control materials and structures are playing more and more important role in spacecraft’s safety. The most popular design which used in engineering is still staying on honeycomb with integral heat pipes. Recently, several new concepts of thermal control materials and structures including intelligent thermal control materials, high thermal conductivity composites, thermal insulation materials, active thermal control structures, passive thermal control structures and independent thermal control structures have been developed. Based on current progress of research and application of thermal control materials and structures, the trendency for future research was also discussed.

thermal control structures; thermal control materials; multifunctional structures; composite materials and structures

V19，V45

A

1006-3919(2020)02-0001-12

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2020.02.001

2020-02-23；

2020-03-09

國家自然科學(xué)基金(11572100）

楊雯(1988—)，女，博士研究生，研究方向：金屬點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，承載-熱控多功能結(jié)構(gòu)；（150080）哈爾濱市南崗區(qū)一匡街2號哈工大科學(xué)園A棟復(fù)材所A304室.