小衛(wèi)星的冷暖迷局

邢強

衛(wèi)星不大，難題不小

所謂熱控制就是把被控對象的溫度控制在合適的范圍內(nèi)。熱控制與我們的生活息息相關(guān)。能夠根據(jù)天氣情況增減衣物的人就是生活中的熱控制專家。夏天的空調(diào)涼風(fēng)和冬天的供熱暖氣都是人們對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行熱控制的有效手段。另外，蓋在地球上的厚厚的大氣層也在對地面上的物體進(jìn)行著熱控制。白天，大氣層反射掉一部分太陽輻射，空中飄浮的云朵還能起到遮陽傘的作用。晚上，大氣層則能保持一部分地面輻射的熱能，起到棉被的作用。

但是，對于運行在大氣層外的衛(wèi)星而言，進(jìn)行熱控制并不是一件很容易的事情。在近乎真空的太空環(huán)境中，太陽輻射對衛(wèi)星加熱的效率很高。太陽這個表面溫度達(dá)6 000℃的大輻射源把51.2%的能量集中在了波長為0.2至2微米的紅外波段，在給地球上的生命賦予溫暖的同時也把致命的殺傷力送給了衛(wèi)星。如果不能對衛(wèi)星進(jìn)行有效的熱控制，當(dāng)太陽照射到衛(wèi)星的時候，衛(wèi)星的表面溫度會迅速升高，而當(dāng)衛(wèi)星繞到地球陰影中的時候，其表面溫度又會迅速下降，其溫度波動范圍可達(dá)±200℃。自從第一顆人造衛(wèi)星上天以來，人們就想方設(shè)法地使衛(wèi)星的溫度處在合適的范圍內(nèi)，但早期的嘗試不算很成功。在人造衛(wèi)星發(fā)展的前10年中，衛(wèi)星的平均壽命僅有1年左右，其中有很多衛(wèi)星的失效是和惡劣的溫度環(huán)境直接相關(guān)的。

而對于從上世紀(jì)80年代開始迅猛發(fā)展的小衛(wèi)星來說，熱控制的難度要比大衛(wèi)星還要高，這主要得歸咎于衛(wèi)星的小體積。想讓一個物體在波動的溫度環(huán)境中保持恒定溫度，應(yīng)該把它做得足夠大，并盡量做成球形。體積越大，則物體儲備的熱量越多，越容易維持溫度的穩(wěn)定，有利于增大物體的“熱慣性”。表面積越大，物體跟外界進(jìn)行輻射熱交換的速度就越快，越不容易維持溫度的穩(wěn)定，會減小物體的“熱慣性”。一個三維物體的體積與外形尺寸的三次方成正比，而它的表面積與外形尺寸的平方成正比。因此，對于相同形狀的物體而言，其外形尺寸越大，表面積相對于體積來說就越小，“熱慣性”越大。生長在寒冷地區(qū)的恒溫動物的體型較大，有助于它們維持自己的體溫。但是“生活”在更加寒冷的環(huán)境中的小衛(wèi)星的體積卻很小，這就注定了它抵御溫度波動的能力先天不足。

小衛(wèi)星內(nèi)部緊湊的元器件布局給它的熱控帶來了更大的難題。衛(wèi)星的小型化得益于集成電路的發(fā)展，而大規(guī)模集成電路卻給衛(wèi)星帶來了兩個新問題。首先，當(dāng)集成電路替代電子管成為設(shè)備的核心部件之后，以往的那個當(dāng)設(shè)備運行不暢時踢上一腳興許會恢復(fù)正常的時代便一去不復(fù)返了。集成電路的高效掩飾不了其脆弱敏感的缺陷。在70℃以上的溫度中工作的集成電路，每當(dāng)溫度升高1℃，可靠性就會下降5%。其次，大規(guī)模集成電路工作時的發(fā)熱量非常大，我們可以從電腦高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇中體會到這一點。小衛(wèi)星內(nèi)集成電路的熱流密度有時會達(dá)到100瓦/厘米2以上。在盛夏時節(jié)的正午時分，萬里無云的華北平原地區(qū)的太陽輻射的最大強度可達(dá)893瓦/米2?？梢?，小衛(wèi)星集成電路的熱流密度是它的1 100多倍。大家可以找一個陽光充足的中午到戶外隨意感受一下。

方法總比困難多

整體熱慣性小和局部熱流密度高是小衛(wèi)星熱控系統(tǒng)要面臨的大難題，也是阻礙小衛(wèi)星做得更小的技術(shù)瓶頸。幾十年來，一些優(yōu)秀的設(shè)計使小衛(wèi)星基本上解決了上述問題。這些設(shè)計花樣繁多極具創(chuàng)意，但大體上可以歸納為被動式和主動式兩種。

小衛(wèi)星的體積較小，不能裝備大型的太陽能帆板，這就意味著星上可供利用的能源不多。而小衛(wèi)星執(zhí)行的任務(wù)和搭載的有效載荷卻往往并不遜色于那些數(shù)噸重的大衛(wèi)星，因此原本有限的能源還要優(yōu)先用來供應(yīng)那些載荷設(shè)備。所以，不消耗星上能源的被動式熱控技術(shù)成為了小衛(wèi)星的首選。表面涂層和覆蓋物技術(shù)是一種經(jīng)典的被動式熱控方法，衛(wèi)星表面覆蓋的那層常被誤認(rèn)為是金箔的聚酰亞胺薄膜層就是一種熱控手段。

太陽輻射的升溫效應(yīng)和衛(wèi)星向宇宙空間輻射放熱的降溫效應(yīng)會最終實現(xiàn)平衡，而不同材質(zhì)和顏色的涂層對平衡溫度的大小起著決定性的作用。以一顆能被太陽照射到且沒有內(nèi)部熱源的地球同步衛(wèi)星為例，如果其表面是明晃晃的金屬外殼的話，平衡溫度可達(dá)425.7℃，如果表面刷著灰漆，則平衡溫度為86.3℃，而如果表面敷上石英玻璃鍍銀二次表面鏡（optical solar reflector簡稱OSR）這種熱控材料的話，平衡溫度可以降到-71℃。這是因為不同材料的“吸收輻射比”（從輻射中吸收熱量的能力與向宇宙空間中釋放熱量的能力的比值）是不同的。金屬對熱量很貪婪，其吸收輻射比大多在2以上，比如黃金為10.5、鈦為6.4、不銹鋼為2.2、灰漆和OSR的吸收輻射比分別為0.7和0.07。上文提到的聚酰亞胺薄膜的吸收輻射比為0.55左右。涂層的顏色對吸收輻射比的影響也比較大，用炭黑制成的黑漆的吸收輻射比是用二氧化鈦制成的白漆的4倍以上。我們可以通過比較烈日照射下的鋼鐵和玻璃的表面溫度來體驗材質(zhì)和顏色對吸收輻射比的影響。

一個用雙手捏成的小雪球在陽光下一會兒就會化盡，而一個大雪堆則能夠屹立數(shù)天，這就是熱慣性的力量。小衛(wèi)星的“體能”先天不足，熱慣性太小，只好從“智能”方面來彌補。一種用鑭錳氧和二氧化釩制成的能夠隨不同溫度改變顏色的智能涂層能顯著提高小衛(wèi)星的熱控能力。當(dāng)環(huán)境溫度由-100℃升高到100℃的時候，該涂層向外輻射熱量的能力會提高3倍以上。一種只有120克的微型熱開關(guān)也能智能地控制熱量，其開啟和關(guān)閉兩個狀態(tài)下的熱導(dǎo)率能相差30倍。另外，有一種長得像兩扇門板的智能散熱片很值得一提?！伴T板”的正面涂有吸收輻射比很高的涂層，反面涂有吸收輻射比很低的涂層。當(dāng)溫度較低時，門板緊閉，正面朝外，有助于在吸收外界熱能的同時保持星內(nèi)溫度。當(dāng)溫度較高時，散熱片轉(zhuǎn)軸處的形狀記憶合金被喚醒，兩扇門向外打開，露出了不愛吸熱只愛放熱的反面，此時的小衛(wèi)星長出了兩只大象耳朵，有利于將熱量輻射到宇宙空間中。

以上都是被動式的熱控，隨著技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星具備了對自身溫度進(jìn)行主動控制的能力。用微機電系統(tǒng)控制的百葉窗就是主動熱控的代表。在小衛(wèi)星表面安放密密麻麻的百葉窗（400個/厘米2），當(dāng)星內(nèi)溫度過高的時候，開窗散熱，衛(wèi)星向外輻射熱量的功率可以瞬間提升10倍。針對小衛(wèi)星內(nèi)局部熱流密度高的問題，人們研發(fā)了主動噴霧降溫裝置。微型泵把絕緣冷卻液泵入陣列噴嘴，冷卻液被液化成細(xì)小的霧滴附著在集成電路表面后形成一層熱量傳遞薄膜，能夠有效冷卻熱流密度在100瓦/厘米2以上的高發(fā)熱器件。

我國在2002年成功發(fā)射入軌的“海洋一號”衛(wèi)星是一顆典型的小衛(wèi)星。該星質(zhì)量約為367千克，上面搭載了十波段水色儀和四波段CCD相機等重量級觀測設(shè)備。在巧妙設(shè)計了衛(wèi)星涂層并設(shè)置了13個主動閉環(huán)溫控后，星內(nèi)設(shè)備的溫度在全年范圍內(nèi)都可控制在16℃到24℃之間，對溫度十分敏感的水色儀的溫度更是能夠一直保持在10℃左右，現(xiàn)代熱控技術(shù)能讓小衛(wèi)星在兇險的宇宙空間中始終保持著如江南春天般的舒適溫度。亞利桑那大學(xué)設(shè)計的一顆質(zhì)量為5.9千克的納衛(wèi)星用鍍銀聚四氟乙烯、導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂、黑漆以及陽極化鋁等材料搭建的熱控系統(tǒng)能夠把星內(nèi)溫度控制在0到50℃之間，是一次把衛(wèi)星進(jìn)一步小型化的大膽嘗試。NASA的一份報告指出，智能化主動熱控技術(shù)可以使小衛(wèi)星熱控系統(tǒng)的重量減輕75%左右。未來更巧妙的設(shè)計一定會使衛(wèi)星越來越小的同時也越來越能抵抗太空的極端環(huán)境。

雖然現(xiàn)有的熱控技術(shù)已經(jīng)能夠保證小衛(wèi)星的健康，但我們希望未來的技術(shù)還能讓小衛(wèi)星更加長壽。想讓小衛(wèi)星長期在軌正常運行，還需要考慮空間紫外線輻射等因素。紫外線輻射的能量僅占太陽總輻射能量的1%左右，但卻能嚴(yán)重傷害小衛(wèi)星表面薄薄的涂層。防熱涂層的損壞會使星內(nèi)溫度逐漸上升，最終使設(shè)備損壞。小衛(wèi)星需要解決的難題還有很多。

責(zé)任編輯：王鑫邦endprint