空間輻射器是一種用於太空飛行器上的高精度輻射器。它是太空飛行器研製過程中的一個重要環節，空間輻射器的研究存在許多難題：一是太空飛行器功耗的快速增加，從幾千瓦到數百兆瓦，給輻射器散熱性能帶來了很大的挑戰；二是隨著空間碎片激增，太空飛行器的輻射器系統遭遇碎片和微流星撞擊的機率大大增加，從而給太空飛行器熱排散系統的可靠性設計提出了更高的要求；三是現代太空飛行器均攜帶高精度儀器設備，必須進行高精度溫度控制。
基本介紹
- 中文名：空間輻射器
- 外文名：Space radiator
- 學科：電力工程
- 領域：工程技術
- 範圍：能源
- 套用：太空飛行器
簡介,熱管輻射器,國外新型熱管輻射器研究進展,結論與展望,
簡介
載人航天及深空探測的發展，使空間輻射器的研究成為太空飛行器研製過程中的一個重要環節。空間輻射器的研究存在許多難題：一是太空飛行器功耗的快速增加，從幾千瓦到數百兆瓦，給輻射器散熱性能帶來了很大的挑戰；二是近年空間碎片激增，太空飛行器的輻射器系統遭遇碎片和微流星撞擊的機率大大增加，從而給太空飛行器熱排散系統的可靠性設計提出了更高的要求；三是現代太空飛行器均攜帶高精度儀器設備，必須進行高精度溫度控制。因此，研究新型高傳熱、高精度及高可靠性的輻射器系統是太空飛行器熱控制技術領域的重要課題。空間輻射器有多種類型，如流體迴路輻射器、熱管輻射器、粒子輻射器及帶條式輻射器等。其中，熱管式空間輻射器在傳熱性能、控溫及抗撞擊方面有很大優勢，且已成功套用於太空飛行器熱控系統，是國內外研究最多的輻射器，具有良好的套用價值。
從20世紀90年代開始，NASA發起了高性能空間輻射器的研究工作，以應對太空飛行器迅速增加的大功率、長壽命需求。其中，針對熱管式空間輻射器進行了多個專項研究，除了傳統鋁/氨管翅式熱管輻射器，先後研發了幾種新型熱管輻射器，包括單槽道熱管輻射器、輕質可控熱管輻射器、高溫熱管輻射器以及用於衛星精密熱控的熱二極體輻射器等。
熱管輻射器
熱管首先用於衛星的熱排散，此後，熱管逐漸用於各種太空飛行器的熱控系統，形成了空間輻射器的重要形式熱管輻射器（HPR），廣泛套用於衛星、太空梭、深空探測器等太空飛行器的熱排散。根據與熱傳輸液體迴路的連線方式，熱管輻射器可分為兩種基本構型，即直接接觸和非直接接觸形式。
熱管輻射器與傳統的流體迴路輻射器相比具有明顯的性能優勢。一方面，熱管輻射器通過熱管加強了熱交換能力，有效地實現了輻射面板的溫度均勻，傳熱效率遠大於單相流體迴路系統，可減少流體迴路的管路數量；另一方面，單個熱管自成體系，從而有效防止了單點失效問題，不用對熱管輻射器系統進行特殊加厚；此外，可採用微型熱管，用於控制設備的溫度，可達到較高的溫控精度。因此，熱管輻射器可以較好地解決當今輻射器設計所遇到的大功率和碎片撞擊的問題，從而具有很好的套用前景，是未來大型太空飛行器熱排散的首選。
熱管輻射器的基本形式是鋁/氨管翅式熱管輻射器，是最早研究並使用的結構，在此不再贅述。熱管輻射器已產生多種新型結構，包括單槽道熱管輻射器、熱二極體輻射器、輕質可控熱管輻射器、高溫輻射器等，所有新型輻射器都是在傳統輻射器的基礎上，在結構或材料上進行改進，從而具有了更優良的性能。
國外新型熱管輻射器研究進展
熱管輻射器研究的關鍵點是熱管的管型設計、熱管的布置方式及輻射器管壁材料和工質選擇等，其已成功用於太空飛行器熱排散，在可行性和套用性能方面都獲得了充分驗證，因此各國均在大力開發新型高性能熱管輻射器。
1.單槽道熱管輻射器
單槽道熱管（Monogroove HP）由美國格魯曼公司（Grumman）開發，管路分蒸汽流道和液體流道，通過單紋毛細槽分開，單紋毛細槽尺寸小，具有較大毛細壓力，從而使液體抽吸到蒸汽管道，液體和蒸汽的分離能降低黏度，顯著增加了熱管的傳熱能力。將單槽道熱管加入空間輻射器面板就形成了單槽道式熱管輻射器。依據管材及工質的不同，單槽道熱管輻射器可進行不同溫度範圍熱排散。鋁/氨熱管可進行360K以下熱排散；不鏽鋼/甲醇（Methanol）熱管可進行500K左右熱排散。單槽道熱管性能已成功通過了微重力環境試驗的考驗。
2.熱二極體輻射器
熱二極體輻射器是熱管輻射器的重要類型，主要採用體裝式結構，實現精密元器件的熱控制。熱二極體輻射器的優點，在於能適應太空飛行器在軌運行過程中的冷熱交替環境，確保太空飛行器元件的溫差在較小範圍內。
為降低信使號的質量，其輻射器面板材料採用碳複合材料，由於碳的導熱係數較低，因而需要改善電子設備箱體的傳熱能力，系統熱電子箱體經過特殊設計，通過加入熱二極體，形成熱二極體輻射器，將熱載荷直接傳導給熱二極體，然後再傳導給輻射面板進行熱排散。
3.輕質可控熱管輻射器研究
輕質可控熱管輻射器是當今空間輻射器的一個重要發展方向，其密度小、可靠性及散熱效率高，壽命長（10～15年），具有抗空間碎片和微流星撞擊能力，因而是長期載人航天探測器用輻射器的主要發展方向。輕質可控熱管輻射器多為可展開式，分為大型一體式和分裝式，單板散熱能力一般為500～2000W，可布置多個輻射面板。輕質可控熱管輻射器的研究對象，主要有鋁絲微熱管輻射器、環路熱管輻射器及柔性可展開熱管輻射器等。
結論與展望
大部分熱管輻射器都具有良好的抗空間碎片及微流星撞擊性能，而單槽道熱管輻射器、輕質可展開輻射器和高溫熱管輻射器適應高功耗需求，適用於載人航天和深空探測，熱二極體輻射器、微熱管及環路熱管輻射器能夠實現高精度控溫，太空飛行器可根據實際需求選擇相應輻射器結構形式。熱管輻射器的研究方向及發展趨勢總結如下。
首先，新型熱管輻射器的研究的主要方向是輻射器結構的改善或者創新，以提高輻射器的適應性和傳熱性能。如適應低功率冷熱周期性交替變化環境的熱二極體輻射器，提高熱管傳熱性能的單槽道熱管輻射器，適應溫度環境急劇變化的具有熱存儲功能的各種先進輻射器結構。其中，可展開式輻射器是在輻射器構型上的主要研究方向，也是未來大型太空飛行器輻射器發展的主要趨勢之一。可展開輻射器可以是鉸接的多輻射面板結構，也可以是柔性結構，其散熱及可靠性上都有較大優勢，研究的難點在於輻射器的材料選擇、連線和密封技術以及在軌裝配及展開性能，其中密封及在軌展開是難點。隨著太空飛行器功率的增加（MW 級），可展開式熱管輻射器將是輻射器研究的重點。
其次，熱管輻射器管壁和面板材料以及工質性質研究。熱管輻射器的材料和工質必須適應工作溫度環境，管壁和工質不具有滲透性，相容且工質不能對管壁具有腐蝕性等。為適應不同散熱溫度，已開發出多種輻射器材料及工質。管壁主要有鋁材、鎳合金和鈦合金等，鋁材適用於中低溫，鎳、鈦合金則適用於中高溫範圍，而面板材料則主要有鋁蜂窩板、最新的雙面碳－碳（C－C）表面結構，其中C－C表面結構具有高發射、低吸收，適用溫度範圍廣（高溫可達550K）等優點，是新型輻射器面板的較大改進。在工質方面，低溫的有氨、全氟三乙胺、矽油等，中溫的主要是水、乙醇或混合溶液，高溫的主要是液態金屬作為工質，如鈉、鉀等。研究新型輻射器過程中，根據工作溫度的不同，設計輻射器結構，然後合理選擇輻射器材料及工質，生產試驗產品進行試驗，是新型輻射器研究的主要途徑。
當今世界各航天大國已發射的載人太空飛行器，都採用了以流體迴路為主的主動熱控技術，輻射器為單相流體迴路輻射器，但鑒於太空飛行器功耗日益增加及空間碎片激增問題，熱管輻射器將是未來太空飛行器主要採用的輻射器種類之一，尤其是可展開輻射器及高溫輻射器是未來載人太空飛行器的首選。文章對國外新型熱管輻射器的研究發展狀況進行了論述，對我國新型高性能空間輻射器的研究，如結構設計、材料及工質的選擇具有一定的借鑑意義。
