航天器熱傳輸技術研究進展

苗建印 張紅星 呂 巍 范含林

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

高效率熱傳輸技術是航天器熱控的重要手段。如從20 世紀60年代開始發展起來的熱管技術,其中的槽道熱管目前已經在航天器中得到了普遍應用,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年代提出的環路熱管技術,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展,并開始在航天器中得到應用;機械泵驅動的單相流體回路是載人飛船等大型航天器中實現熱量收集與傳輸排散的主要手段;導熱銅條、銅導索等作為有效載荷內部發熱元器件的熱量收集與傳輸手段也得到了部分應用;鋁擴熱板在高熱流密度器件的熱控中也得到了個別應用。隨著航天器內部元器件及整星功耗的增加,原有的熱傳輸技術需要進行能力提升或開發新的高效率熱傳輸技術;新型有效載荷的發展和應用要求熱傳輸技術提高適應能力,拓寬適用范圍。按照技術特點可以歸納為以下幾個方面:

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

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

3)以相控陣雷達、TR 組件等為代表的有效載荷,要求發展具備解決分散點熱源散熱的主動熱傳輸技術;

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

5)開發具有極高熱流密度適應能力的熱傳輸技術;

6)發展基于M EM S 技術的微型熱傳輸集成系統,以適應未來微小衛星對熱傳輸技術的要求。

2 超高導熱材料技術[1]

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

2.1 碳纖維材料

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

圖1 碳纖維復合材料Fig.1 Carbonized fibre materials

2.2 金剛石薄膜材料

金剛石薄膜是上世紀90年代開始發展起來的超高導熱材料,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,熱傳導系數高于2 000W/m·K;國內加工的金剛石薄膜材料直徑Φ60mm, 厚度2mm,熱傳導系,1 850W/m·K左右。應用情況見圖3、4、5。

圖2 天然石墨環氧復合材料散熱器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Fig.5 Diamond heat spreaders for laser diode

2.3 金剛石復合材料

由金剛石粉末及金屬材料組成的復合材料也是超高性能導熱材料的發展趨勢之一。美國、歐洲經過聯合技術攻關,目前已經形成了工藝成熟的產品;國內也開始進行相應研究。該類材料的密度及導熱系數可調,適于機械加工及焊接。其中金剛石-銀復合材料導熱系數:400～600W/m·K,密度:5.8×103kg/m3;金剛石-銅復合材料導熱系數:600～1200W/m·K,密度:5.9 ×103kg/m3;金剛石-鋁復合材料導熱系數: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-銀復合材料Fig.6 Diamond-silver composite materials

圖7 金剛石-銅復合材料Fig.7 Diamond-copper composite materials

圖8 金剛石-鋁復合材料Fig.8 Diamond-aluminum composite materials

3 微小型熱管技術[2]

3.1 微型熱管

微型熱管由Cotter 于1984年提出,內部通道當量直徑一般小于幾百微米。目前美國已經在硅表面上制成了水力直徑近5μm 的微小型熱管,可以實現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

目前先進的平板式微小型熱管典型參數為:厚度2～3mm,極限熱流密度100～150W/cm2。目前該類技術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 。熱管材質為純鋁,易于彎曲,非常適合現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。目前已經完成了多個型號的正樣產品,并有2 套產品在軌飛行,目前狀態正常。

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

4 大傳熱能力熱管技術

從上世紀90年代中后期開始, BABAKIN S pace Center(俄羅斯)和A LENIA(美國)聯合研制開發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品,目前已經廣泛地應用于俄羅斯的通信衛星及大功率軍用衛星,解決了星內高功率器件的熱控技術難題。美國的SWALES 公司,在90年代末也具備了生產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(現更名為Thales Alenia Space)研制的熱管產品,目前使用的熱管內槽道仍然保持矩形結構(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,中國空間技術研究院在矩形或內梯形槽道結構熱管的基礎上研制開發了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

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,因此相應的熱控技術需要具備良好的適應性。泵或毛細泵驅動的流體回路技術是解決該類技術問題的有效途徑之一。泵驅動兩相流體回路技術,工質流量小,因此管路直徑可以很小(3mm 以下),非常適合于小空間的安裝,而管路內的兩相態,可以保證多個發熱器件之間的溫度均勻性,因此具有良好的發展前途。圖17 為泵驅動兩相流體回路技術用于多熱源熱控的原理圖;圖18 為AM S02 T TCS 系統兩相流體管路與熱源耦合實物照片[3]。

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

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

6 深冷熱傳輸技術[4-9]

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

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

表1 深冷環路熱管研制進展統計表Table 1 Development of CLHP

7 極高熱流熱傳輸技術

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

噴霧冷卻技術具有傳熱系數大、溫度均勻性好、過熱度小、臨界熱流密度高和循環流量低的特點,是最具有競爭力的高熱流密度熱控制技術。NASA將閉式噴霧冷卻回路系統技術列為未來五年熱控系統的研究重點之一,其下屬的Glenn Research Center 對噴霧冷卻技術進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體激光器陣列(包括空間環境中產生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[10-11]。圖23為中國空間技術研究院研制的噴霧冷卻系統原理樣機,極限熱流密度達到了300W/cm2以上。

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

圖22 激光器陣列的噴霧冷卻系統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 技術的微型熱傳輸技術[12-13]

航天器的微小型化對熱控系統提出了新的要求和挑戰,熱控系統除了具備微小型的尺寸、輕質的特性,還必須具備高熱流密度散熱能力。MEM S 技術的發展為解決星載微機電系統高熱流密度、微尺度散熱問題提供了新思路,通過M EMS 加工技術可將整個熱控系統加工或安裝在線路板上,從而實現基于M EMS 的微型熱控系統集成。這種線路板級的散熱系統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的散熱問題。典型的微型熱傳輸技術如微型泵驅動流體回路、微型環路熱管等,其極限熱流密度可以達到100W/cm2以上。圖24 為NASA 的“Lab-On-A-Chip”項目研制的基于M EMS 技術的微型環路熱管;圖25 為直接在芯片背面刻蝕的封閉微通道。

圖24 基于MEMS 技術的微型環路熱管(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 結論

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

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