基本介紹
- 中文名：航天熱調節設備
- 外文名：Aerospace Thermal Conditioning Equipment
- 作用：調節太空飛行器內外的熱交換過程
- 理論基礎：傳熱學和工程熱力學
定義,調節的方式,被動式熱調節,主動式熱調節,地面段熱調節,發射段熱調節,再入段熱調節,衛星,國際空間站,航天服,
定義
太空飛行器是在十分嚴酷的溫度條件下工作的，例如返回式太空飛行器要經歷-200°C以下到 10000°C以上的環境溫度變化。太空飛行器的結構、儀器設備和所載生物都無法承受這樣劇烈的溫度變化。人造地球衛星上的有些紅外遙感器還需要有超低溫工作環境；廣播衛星的大功率行波管要求強化散熱；一些太空飛行器的電子設備艙要求均勻而恆定的溫度環境；太空梭則需要解決多次重複使用的防熱問題。太空飛行器熱調節一般可分為空間運行段熱調節和過渡段熱調節。前者是各類太空飛行器所共用的技術，是太空飛行器熱調節的主要內容;後者除地面段熱調節以外,主要是返回型太空飛行器和進入有大氣行星的空間探測器需要採用的技術。
空間運行段熱調節 太空飛行器在軌道上受到太陽和行星加熱，並向溫度相當於4K的宇宙空間散熱。宇宙空間是超高真空環境，所以太空飛行器是以輻射方式與周圍環境進行熱量交換的。空間運行段熱調節可分為被動式和主動式兩類。
調節的方式
被動式熱調節
依靠選取不同的熱控材料和合理的總裝布局來處理太空飛行器內外的熱交換過程，使太空飛行器的各部分溫度在各種工作狀態下都不超出允許的範圍。被動式熱調節本身沒有自動調節溫度的能力，但它簡單可靠，是熱調節的主要手段。
一般常用的技術有：①在太空飛行器外殼表面覆蓋特殊的溫控塗層，以降低表面的太陽吸收率與熱輻射率比值，這是太空飛行器常用的熱調節技術；②在外殼不同部位或儀器之間布置熱管，把熱端的熱量導向冷端，減少部件、儀器之間的溫度差；③在儀器或部件表面包敷多層隔熱材料或低輻射率塗層，防止熱量散失或阻隔其他熱源；④採用在熔化、凝固過程中吸收和釋放熱量的相變材料，例如石蠟、水化物等，以緩和某些元、部件的高低溫交替變化。除此之外太空飛行器內部儀器設備的布局使熱源分布合理並安排足夠的傳熱通道，選擇太空飛行器外殼溫度變化不大的表面作為儀器設備的散熱熱沉，以減少儀器設備的溫度波動。
主動式熱調節
當外熱流或內熱源發生變化時，自動調節太空飛行器內部設備溫度，並保持在規定的範圍之內。主動熱調節根據不同的傳熱方式分為輻射式、對流式和傳導式三種:①輻射式熱調節:當太空飛行器內設備溫度升高或下降時能自動改變表面組合熱輻射率，從而改變散熱能力以保持設備的溫度範圍，如熱控百葉窗和熱控旋轉盤。②對流式熱調節：在具有氣體或流體循環調節的太空飛行器內部改變流體的對流換熱係數以實現溫度調節，這類系統有液體循環和氣體循環兩種。流體在泵或風扇的驅動下將太空飛行器內部熱量引出，流經外部的熱輻射器排向宇宙空間。③傳導式主動熱調節：將太空飛行器內部設備的熱量通過傳導的方式散至外殼表面排向宇宙空間。熱傳導係數可以隨設備的溫度升降而改變，從而對設備溫度起自動調節作用，如接觸導熱開關和可變熱導的熱管。電加熱器也是太空飛行器常用的主動熱調節器件。電加熱絲（片）安裝在被加熱部件上，通過遙控或自動調節加熱。它的結構簡單，使用方便，調節精度較高。
過渡段熱調節 太空飛行器在發射前的地面段、發射段（上升段）和再入地球大氣段或進入其他行星大氣段所採取的熱調節技術。地面段熱調節是各類太空飛行器共用的技術；發射段熱調節僅用於發射時沒有整流罩保護的太空飛行器；再入段或進入段熱調節是返回型太空飛行器或進入有大氣行星的空間探測器採取的熱調節技術。
地面段熱調節
主要指太空飛行器在發射場的溫度調節。發射場存在四季和晝夜的氣溫變化，為保證太空飛行器的正常測試和適宜的起飛溫度，在發射塔架上設有溫度調節系統。地面段的溫度調節比較容易實現，可以充分利用地面的電源、氣源和低溫系統。夏季採用氟利昂冷卻或其他低溫氣體的表面式或混合式冷卻系統；冬季採用電加熱系統或熱氣系統。
發射段熱調節
太空飛行器在運載器運送下飛離地面，穿過大氣層進入軌道過程的熱調節。用運載火箭發射太空飛行器時，太空飛行器外面大多套有整流罩，以使太空飛行器內部能保持良好的環境。太空梭運送太空飛行器進入空間時，太空飛行器裝在它的貨艙內，環境條件可以調節和調節。
許多返回型太空飛行器和一些其他太空飛行器用運載火箭發射時不帶整流罩，發射環境比較惡劣，這些太空飛行器在發射段直接經受氣動加熱，溫度迅速增加，入軌後初期受溫升滯後的影響，太空飛行器內部的溫度仍繼續升高，上升段熱調節的任務就是防止太空飛行器結構和儀器設備過熱。主要的措施是：①減少高溫外殼傳給內部儀器設備的熱量；②增加儀器設備的熱容量；③降低太空飛行器在發射時的初始溫度。
再入段熱調節
這是太空飛行器返回技術和進入行星大氣層技術中的一項關鍵技術（見太空飛行器進入技術）。利用大氣阻尼可有效地消除太空飛行器返回地球表面時的巨大動能，但是氣動加熱會引起太空飛行器表面產生高溫。解決方法是降低氣動加熱量，加強太空飛行器的對外輻射散熱和增加殼體的熱容和潛熱，通常需要專門設計再入（進入）防熱結構。
衛星
人造衛星在離地球赤道300公里的軌道上運行時，有65-70%的時間，都受到太陽光的強烈輻射，致使衛星向陽的一面，溫度可達到200℃。
在高溫和低溫中，衛星內的儀器都無法使用。如何才能有效地控制衛星的體溫呢?
航天專家在為解決這一課題而苦苦探索之時，想到了在風雨中“不知冷”的蝴蝶。在蝴蝶身上，既沒有獸類的皮毛，也沒有鳥類的羽毛，它到底是憑什麼來，禦寒的呢?
原來，蝴蝶的身體表面覆蓋著一套細微的鱗片，形成無數個光鏡，能夠起到調節溫度的作用。當氣溫升高，陽光直射到蝴蝶體表時，鱗片就會恰到好處地自動張開，以減少太陽光的直射角度，從而減少對熱輻射能量的吸收；反之，當氣溫下降時，體表鱗片會緊緊地貼在身體表面，讓陽光直射在鱗片上，從而增加體溫。於是，科學家按照蝴蝶鱗片的控溫原理，研製成一種巧妙而靈敏的仿生裝置，順利地解決了人造衛星在太空中的抗輻射、抗溫差的問題。
這種仿生裝置的外形很像氣象站的百葉窗，轉動部位裝有一種熱脹冷縮的金屬絲。當衛星飛至地球陽面溫度超過標準時，金屬絲就會受熱膨脹，使葉片紛紛張開，將輻射散熱能力大的那個表面朝向太空；當衛星溫度迅速下降時，金屬絲會遇冷立刻收縮，使每個葉片緊緊閉合，抑制衛星的散熱。
美麗多姿的蝴蝶，就這樣對航空航天科學立了“奇功”。
在高溫和低溫中，衛星內的儀器都無法使用。如何才能有效地控制衛星的體溫呢?
航天專家在為解決這一課題而苦苦探索之時，想到了在風雨中“不知冷”的蝴蝶。在蝴蝶身上，既沒有獸類的皮毛，也沒有鳥類的羽毛，它到底是憑什麼來，禦寒的呢?
原來，蝴蝶的身體表面覆蓋著一套細微的鱗片，形成無數個光鏡，能夠起到調節溫度的作用。當氣溫升高，陽光直射到蝴蝶體表時，鱗片就會恰到好處地自動張開，以減少太陽光的直射角度，從而減少對熱輻射能量的吸收；反之，當氣溫下降時，體表鱗片會緊緊地貼在身體表面，讓陽光直射在鱗片上，從而增加體溫。於是，科學家按照蝴蝶鱗片的控溫原理，研製成一種巧妙而靈敏的仿生裝置，順利地解決了人造衛星在太空中的抗輻射、抗溫差的問題。
這種仿生裝置的外形很像氣象站的百葉窗，轉動部位裝有一種熱脹冷縮的金屬絲。當衛星飛至地球陽面溫度超過標準時，金屬絲就會受熱膨脹，使葉片紛紛張開，將輻射散熱能力大的那個表面朝向太空；當衛星溫度迅速下降時，金屬絲會遇冷立刻收縮，使每個葉片緊緊閉合，抑制衛星的散熱。
美麗多姿的蝴蝶，就這樣對航空航天科學立了“奇功”。
國際空間站
各國（美國、俄羅斯、歐洲、日本）的基本原理相同，以美國為例，各艙段帶有氣體溫控系統包括實驗艙、生活艙、氣閘艙、節點艙 I 、II以及I 、II 、III號加壓對接適配器。各艙的溫濕度控制子系統設計指標：除濕功率/kW 3．5；最大空氣流速/(L -s ) 194；控溫範圍/*C 18I3～26．7；控濕範圍/% 25～70；最大工質流速/(kg ·h ) 558；質量/kg 93．6；最大耗電功率，w 467．5；控制檔 3；露點溫度/*C 4．4～15．6。
硬體構成，艙內空氣溫濕度控制子系統主要包括 3 大模組：共用艙室空調組件，電子設備空調組件和艙 間通風組件。其中共用艙室空調組件不但負責艙室除濕降溫，而且為溫濕度控制提供動力源，為該子系統的核心部件。冷凝乾燥器為一個四通道的冷卻水橫向交叉流動的結構，具有 33 個空氣流通層及 34 個冷卻層 ，安裝在有褶邊的不鏽鋼框架中。電子設備空調組件是一個高度集成的袖珍型組件 ，集成有入出口消音器、煙霧檢測器、風扇、電動機、感測器、電子控制單元以及安裝支架等。該組件的工作參數為：氣流速度 18．9～56． 6 L/s，冷卻水流速 45．4～81．7kg/h ，最大除熱功率 1200 W (指氣壓在 101-3kPa 時)。
航天服
頭殼的面窗部分除應有透光良好外，還要有防霧、去濕的措施，因為航天員出艙活動時會遇上-150℃的低溫，面窗內的溫度也會下降。當降到空氣露點以下時面窗上就會結霧，妨礙航天員的視線。已用的方法有通風去濕法、雙層面窗法、電熱面窗法和化學防霧劑等，以保障面窗的透明度。
保暖層：在環境溫度變化範圍不大的情況下，保暖層用以保持舒適的溫度環境。選用保暖性好、熱阻大、柔軟、重量輕的材料，如合成纖維絮片、羊毛和絲綿等。
