北京火箭大街正式交付啟用，力鴻一號飛行器完成首次亞軌道飛行試驗(yàn)，谷神星一號海射型（遙七）運(yùn)載火箭“一箭四星”擴(kuò)容天啟星座……據(jù)新華網(wǎng)報(bào)道，新年伊始，商業(yè)航天領(lǐng)域進(jìn)展不斷。

01.

相變材料的優(yōu)點(diǎn)及種類

據(jù)錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部的工程師介紹，航天器在軌運(yùn)行時(shí)，因軌道的外熱流變化很大，致使儀器設(shè)備的熱負(fù)荷發(fā)生巨大變化。特別是某些熱容較小的特殊設(shè)備的工作溫度范圍越來越窄，同時(shí)對溫度波動(dòng)性又有很高的要求，這給航天器熱控設(shè)計(jì)帶來了很多技術(shù)難題。

由于相變材料在相變過程中具有等溫或近似等溫、吸收/釋放大量潛熱的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于具有周期性脈沖式工作的儀器設(shè)備；相變材料的另一特點(diǎn)是沒有運(yùn)動(dòng)部件，原則上可以進(jìn)行無限次的可逆工作，具有很高的可靠性。因此，廣東工業(yè)大學(xué)的研究人員認(rèn)為，對于暴露于周期性空間熱環(huán)境變化的航天器，基于相變材料的無源空間熱控技術(shù)將成為熱管理的最佳解決方案。

相變熱控機(jī)理圖

相變材料的種類很多，多達(dá)6000種以上。按相變的形式，可分為固-固、固-液、氣-液、氣-固4種相變材料，一般來說按上述分類順序，其相變潛熱逐漸增大。由于氣-液、氣-固相變過程中產(chǎn)生大量氣體，使得相變裝置必須能承受氣體膨脹高壓而變得復(fù)雜。目前在航天器熱控設(shè)計(jì)中普遍采用的是固-液相變材料，它的相變潛熱較大但相變體積變化小、相變溫度范圍廣。

02

航天器用相變材料的選用考慮

相變溫度

相變材料的相變溫度點(diǎn)應(yīng)選擇在被控設(shè)備溫度周期變化中的某一點(diǎn)上，盡可能使升溫傳熱量等于降溫傳熱量，這樣可以避免在多次固-液的相變轉(zhuǎn)換中，由于升溫傳熱量與降溫傳熱量的不平衡造成在升溫或降溫的方向上傳熱量的累加，使相變材料熱控裝置失效。

熱導(dǎo)率

由于相變材料的熱導(dǎo)率較低，會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部溫度梯度的增加，而使被控設(shè)備的溫度超過控制要求。提高相變材料熱導(dǎo)率的通常方法是在相變材料中加入熱導(dǎo)率高的填料，在相變材料內(nèi)生成低熱阻通道，降低內(nèi)部的溫度梯度。

據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)的研究人員對國內(nèi)外相關(guān)研究綜述：在內(nèi)部改善傳熱方面，可通過引入熱毛細(xì)對流為相變過程提供額外的熱傳輸，或耦合金屬泡沫、納米顆粒和翅片等高導(dǎo)熱材料框架形成復(fù)合相變材料（Composite Phase Change Material，CPCM）以提高其導(dǎo)熱性能。在外物理場調(diào)控方面，基于磁場的相變調(diào)控技術(shù)在提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與循環(huán)可控性方面極具前景。

過冷

相變材料的過冷是指材料在液相時(shí)，當(dāng)溫度低于其固-液平衡溫度以下仍不凝固的現(xiàn)象。這樣就不能很好地利用相變材料的熔化潛熱來控制溫度，致使被控設(shè)備溫度過高。因此，在選擇相變材料時(shí)，要考慮那些無過冷現(xiàn)象的或過冷現(xiàn)象可以忽略的材料。對于有過冷現(xiàn)象的相變材料，可通過加入結(jié)晶催化劑，消除其過冷現(xiàn)象。

與容器材料的相容性

目前航天器上儲存相變材料的容器常用金屬材料有鋁、鈦和不銹鋼3種。它們的強(qiáng)度-質(zhì)量比高，而且耐腐蝕。雖然不銹鋼的比重大，但彈性好，能夠適應(yīng)相變材料的體積變化。因此，在選擇容器材料時(shí)，必須充分考慮其與相變材料的相容性。

體積變化

相變材料固-液相的變化，會(huì)導(dǎo)致其體積的變化。由體積變化所導(dǎo)致的膨脹力非常巨大，可能引起容器破壞。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足熱要求、空間環(huán)境等因素外，要充分考慮容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在灌裝相變材料時(shí)，應(yīng)留有一定的空間余量。

目前符合航天器空間環(huán)境要求的相變材料有石蠟類。石蠟主要由直鏈烷烴混合而成，其通用分子式為CnH2n+2，常溫下，n＜5時(shí)為氣體，5≤n≤15為液體，n＞15是固體。石蠟類相變材料具有熔化潛熱高，可供選擇的熔點(diǎn)溫度范圍寬（-5～66℃），無毒、無腐蝕性，500℃以下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，過冷現(xiàn)象可以忽略，熔化時(shí)體積變化小，與大多數(shù)材料相容好，價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)。但它也有一些缺點(diǎn)，如導(dǎo)熱系數(shù)和密度均較小。為保證溫度控制的準(zhǔn)確性，相變材料的純度一般應(yīng)大于99.9%。

據(jù)中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的研究人員介紹，液態(tài)金屬是近年來興起的一大類新型相變材料，具有高熱導(dǎo)率和大體積相變潛熱的優(yōu)點(diǎn)。雖然液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率和體積潛熱優(yōu)于石蠟，但是液態(tài)金屬的密度遠(yuǎn)大于石蠟，限制了其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。因此，在航天設(shè)備熱控應(yīng)用中，尋找液態(tài)金屬相變材料的適用領(lǐng)域具有重要意義。

03

相變材料在航天器熱控中的部分應(yīng)用

“阿波羅-15”

在“阿波羅-15”任務(wù)中，月球車用過三套相變材料熱控裝置。

第一套相變材料裝置通過導(dǎo)熱帶與信號處理單元、蓄電池連接。月球車每次行走時(shí)，信號處理單元和蓄電池產(chǎn)生的熱量被相變材料吸收；行走任務(wù)結(jié)束后，打開安裝在輻射器上的百葉窗向空間散熱，相變材料降溫而再次凝固，為下一次行走任務(wù)作好準(zhǔn)備。

第二套裝在驅(qū)動(dòng)控制器上。當(dāng)月球車行走時(shí)，相變材料吸收驅(qū)動(dòng)控制器產(chǎn)生的熱量；行走結(jié)束后，通過百葉窗散熱而使相變材料再凝固。

第三套用于月球通信繼電器單元的熱控。當(dāng)月球車行走時(shí)，相變材料吸收月球通信繼電器單元產(chǎn)生的熱量；行走結(jié)束后，移開蓋在月球通信繼電器單元輻射器上的隔熱板，使相變材料的熱量輻射到空間而再凝固。

相變材料熱控裝置示意圖

“漫游者”火星

“漫游者”火星著陸器采用相變材料熱控裝置對電池控溫。

火星夜間大氣溫度為-100℃，白天為0℃，環(huán)境溫度波動(dòng)大大超出了電池的允許溫度范圍-10～25℃，因此只好采用相變材料熱控方式減少環(huán)境溫度波動(dòng)對電池的控溫影響。相變材料熱控裝置為圓筒狀，將4個(gè)蓄電池包裹在中間，容器材料為鋁合金，相變材料采用正十二烷，其熔點(diǎn)為-9.6℃。

另外在火星表面探測器上還使用了石蠟相變材料控制驅(qū)動(dòng)熱開關(guān)。熱開關(guān)安裝在電池和外部輻射器之間。熱開關(guān)的工作原理是：當(dāng)石蠟熔化且隨著溫度的升高繼續(xù)膨脹時(shí)，將驅(qū)動(dòng)桿推出，使冷/熱端表面接觸在一起而提供傳熱路徑；當(dāng)石蠟冷凝凍結(jié)時(shí)，收縮的彈力將兩個(gè)端面拉開從而切斷傳熱路徑。

熱開關(guān)在“漫游者”探測器內(nèi)安裝示意圖

航天服

美國NASA將微膠囊相變材料置于紡物中，制成具有良好溫度調(diào)節(jié)功能的航天服，以保護(hù)航天員免受空間溫度急劇變化的傷害。

在泵驅(qū)動(dòng)流體換熱系統(tǒng)中，加入由正十八烷、正二十烷、正十七烷、正十九烷等制備的粒徑為10～30μm微膠囊相變材料，形成液體-顆粒懸浮物。試驗(yàn)結(jié)果表明，微膠囊相變材料懸浮液能夠提供10～40倍于一般流體的等效熱容，使Nu數(shù)提高2～3倍。這樣一來，在相同冷卻功率的要求下，冷卻系統(tǒng)所需的泵功耗、流體流速及熱沉體積均可大幅減小。

“嫦娥一號”衛(wèi)星

“嫦娥一號”衛(wèi)星的光學(xué)成像探測系統(tǒng)焦面組件的熱設(shè)計(jì)采用了相變材料熱管，利用相變材料的潛熱抑制CCD器件工作時(shí)的溫升。管材為純鋁，在單孔槽道熱管兩端分別附加2個(gè)腔體，充入80g/m的正十二烷。結(jié)果表明：氨熱管和相變材料的耦合性良好，該結(jié)構(gòu)不僅解決元件通過熱管將熱量導(dǎo)向散熱面時(shí)溫度波動(dòng)過大的問題，而且還起到了抑制溫度過高的作用。

小結(jié)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，面對航天器熱載荷的周期波動(dòng)和增加，同時(shí)又受到系統(tǒng)重量和尺寸的限制，需要有更先進(jìn)的熱控方法來滿足航天器發(fā)展的需要。這些都為相變材料在航天技術(shù)中的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

參考來源：

[1]王磊等：相變材料在航天器上的應(yīng)用，錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

[2]黃子昊：面向航天器熱控的復(fù)合相變體系熱毛細(xì)對流及磁場調(diào)控機(jī)制的數(shù)值研究，廣東工業(yè)大學(xué)

[3]張旭東等：面向航天應(yīng)用的液態(tài)金屬相變傳熱性能研究，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所