[科普中國]-航天器熱設(shè)計(jì)

航天器熱設(shè)計(jì)完成航天器熱控系統(tǒng)研制的全部圖樣和技術(shù)文件的過程。根據(jù)航天器總體的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，編制航天器熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和研制技術(shù)流程，提出對總體和其他系統(tǒng)的接口要求，確定航天器熱控技術(shù)狀態(tài)，提出試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目，編制航天器熱數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行詳細(xì)的熱分析，給出航天器各設(shè)備、部件的預(yù)計(jì)溫度，根據(jù)熱中衡試驗(yàn)的結(jié)果檢查設(shè)計(jì)方案的合理性和熱數(shù)學(xué)模型的正確性，修改熱數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)，完成熱控圖樣及總裝技術(shù)要求。

簡介航天器熱設(shè)計(jì)完成航天器熱控系統(tǒng)研制的全部圖樣和技術(shù)文件的過程。根據(jù)航天器總體的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，編制航天器熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和研制技術(shù)流程，提出對總體和其他系統(tǒng)的接口要求，確定航天器熱控技術(shù)狀態(tài)，提出試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目，編制航天器熱數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行詳細(xì)的熱分析，給出航天器各設(shè)備、部件的預(yù)計(jì)溫度，根據(jù)熱中衡試驗(yàn)的結(jié)果檢查設(shè)計(jì)方案的合理性和熱數(shù)學(xué)模型的正確性，修改熱數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)，完成熱控圖樣及總裝技術(shù)要求。航天器熱設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)是合理選擇熱輻射器的位置和尺寸，合理選用熱控設(shè)備和部件1。

航天器軌道變化的情況航天器的軌道變化(如機(jī)動變軌)將引起外熱流(主要是太陽光照)的改變。一方面，可以通過調(diào)整航天器內(nèi)熱源的加熱功率來適應(yīng)外熱流的變化，例如，某些型號的衛(wèi)星通過星體主動調(diào)溫電加熱器等措施保持星體內(nèi)部環(huán)境的等溫化水平；另一方面，可以通過調(diào)整表面涂層材料的熱輻射能力或布局來適應(yīng)外熱流的變化。

航天器系統(tǒng)性和魯棒性熱設(shè)計(jì)方案和流程以成熟的散熱十電加熱設(shè)計(jì)手段為前提，航天器系統(tǒng)性和魯棒性熱設(shè)計(jì)方案和流程如下:

(1)在航天器設(shè)計(jì)初期，各分系統(tǒng)功耗不十分準(zhǔn)確的前提下，熱設(shè)計(jì)以簡單、全面為主，在可以噴涂熱控涂層的外壁板上全部設(shè)計(jì)為散熱面。如果外壁板上沒有安裝儀器設(shè)備，從流程優(yōu)化的角度考慮，在航天器熱平衡試驗(yàn)前再對這些散熱措施予以實(shí)施，這時，可根據(jù)各設(shè)備實(shí)測熱耗對散熱面進(jìn)行修改，減小熱設(shè)計(jì)的不確定性。

(2)在合適的位置盡量多地布置補(bǔ)償電加熱回路，包括航天器散熱面上。部分加熱回路并非熱控正?？刂扑?，而是為研制過程和在軌運(yùn)行階段預(yù)留調(diào)控資源。

(3)使用相對而言路數(shù)更多、性價比更高的控溫儀進(jìn)行電加熱控制。

(4)根據(jù)研制過程中航天器的技術(shù)狀態(tài)變化，為發(fā)生變化的設(shè)備提供必要的電加熱控制。

(5)在航天器出廠前，確定根據(jù)出廠狀態(tài)確定的最終加熱回路路數(shù)，并將其他的回路設(shè)置為關(guān)閉的狀態(tài)，使相應(yīng)加熱回路“休眠”。

(6)航天器在軌運(yùn)行時，如遇到意外故障情況，根據(jù)需要喚醒休眠的加熱回路，為航天器溫度提升及控制提供保障2。

空間環(huán)境與航天器熱設(shè)計(jì)有關(guān)的空間環(huán)境主要有以下幾個方面。

1.真空環(huán)境

隨著離開地球表面高度的增加，大氣壓力降低，逐漸達(dá)到極高真空狀態(tài)。分析表明，當(dāng)氣壓降至10ˉ3Pa以下時，氣體的傳導(dǎo)和對流傳熱便可忽略不計(jì)。因此航天器與空間環(huán)境熱交換幾乎完全以輻射形式進(jìn)行。

2.微重力

航天器在空間運(yùn)行時處于微重力狀態(tài)。航天器結(jié)構(gòu)分為非密封結(jié)構(gòu)與密封結(jié)構(gòu)。對非密封結(jié)構(gòu)航天器，在入軌過程中，艙內(nèi)氣體進(jìn)入空間，使艙內(nèi)處于真空狀態(tài)，不存在對流換熱；對密封結(jié)構(gòu)的航天器，在空間微重力作用下，艙內(nèi)因溫差而產(chǎn)生的空氣自然對流換熱非常微小，可以忽略不計(jì)。

3.空間外熱流

從近地空間到行星際空間,航天器所接收到的空間外熱流主要是太陽輻射，地球、月球和各行星的熱輻射以及它們對太陽輻射的反射。其中太陽輻射是主要來源，在大氣層外地球到太陽的平均距離處(1AU)與陽光垂直表面上的太陽總輻照度稱為太陽常數(shù)，其測量數(shù)據(jù)平均值為1 367 W/m2。太陽是很穩(wěn)定的熱源，即使在11年的太陽活動周期內(nèi)，太陽常數(shù)的變化也只有士0.1%左右。但是，由于地球軌道是橢圓的，到達(dá)地球的太陽總輻照度隨地球到太陽的距離而變化。在遠(yuǎn)日點(diǎn)，太陽總輻照度達(dá)到最小值1 322 W/m2，在近日點(diǎn)，太陽總輻照度達(dá)到最大值1414W/m2?？紤]到測量和太陽的周期性活動等不確定因素，以上數(shù)據(jù)的偏差為±5 W/m2。地球反照輻射是地球表面及其大氣反射的太陽入射輻射，通常取地球反照率為0.30。地球發(fā)射的紅外輻射由地球大氣發(fā)射的紅外輻射以及地球表面、云項(xiàng)層發(fā)射的紅外輻射(除去大氣吸收的部分)兩部分組成。要精確計(jì)算地球投射到航天器的紅外輻射十分困難，它的大小與地球表面狀態(tài)、位置、季節(jié)變化有密切關(guān)系。為了工程應(yīng)用和簡化計(jì)算，假設(shè)地球紅外的空間分布為漫射，遵循朗伯余弦定律，計(jì)算中采用平均值，可把地球當(dāng)作250K左右的絕對黑體。

4.深冷空間背景

空間背景的熱輻射近似于特征黑體溫度約3K的均勻輻射。航天器的幾何尺寸與它和行星或恒星的距離相比，小到可以忽略不計(jì)，從熱交換的觀點(diǎn)可以完全不考慮行星或恒星對航天器輻射的反射，因此可以認(rèn)為航天器的自身輻射全部加入宇宙空間，也就是說空間對航天器來說是黑體。

5.微流星體和空間碎片

微流星體是自然形成的物質(zhì)顆粒，幾乎所有的微流星體均起源于彗星和小行星。空間碎片是遺留在地球軌道上的人造物體，主要分布在近地軌道和地球同步軌道，其撞擊在軌航天器的概率比微流星體大。

6.帶電粒子輻射

地球空間環(huán)境的高能帶電粒子來自于地球輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線、等離子體等。

7.等離子體

近地球空間存在著由離子和電子組成的宏觀上處于電中性狀態(tài)的等離子體環(huán)境。等離子體環(huán)境有三個區(qū)域:電離層、地球磁層和太陽風(fēng)。

8.原子氧

距地面90 km以上的高層大氣主要成分為原子氧，隨著軌道高度的增加，原子氧的密度逐漸降低3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

任毅如 - 副教授 - 湖南大學(xué)