智能热控涂层在航天器上的应用及展望

张传鑫

摘 要：热控涂层是保证航空器稳定温度值的一个主要热控手段，对于航空器在轨正常运行具有非常重要的作用。该文就智能热控涂层展开讨论，对其主要性能、发展现状以及未来的发展前景展望做出叙述。随着航空器种类和技术的不断发展，智能热控涂层应运而生，成为航空器尤其是微小型卫星的主要热控材料，具备体积小、质量轻、性能优越等多种优势，能够自动、实时的对飞行时遇到的周围环境和工作条件进行自身温度的调节，最大可能的避免了被动热控所产生的遥控指令干预。智能热控解决了航空器在轨运行期间的热平衡问题，不仅满足了航空器的热控需求，而且在其他方面也能够发挥特定的功能。

关键词：热控涂层 智能热控 航天器 发射率

中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0001-02

随着航天技术的不断发展，航天器热控技术的研究也越发深入，它是一门涉及材料学、计算机学、化学、电子学、热学等多学科的综合性新技术，也是保证航天器安全性必不可少的保障之一。航天器在太空中的环境与地面有着很大的差距，其热环境相当恶劣，背阳面与向阳面的温差可达两百多度，航天器热控的功能保证了航空器的正常在轨运行，使得航天器的各种仪器能有一个维持运转的温度，对于载人航天器而言，还必须要能够满足航天员正常生活和工作的温度环境。目前，热控涂层是航天器热控的主要手段之一，在航天领域的应用也最为广泛，与此同时，智能热控涂层实现了航空器被动热控技术和主动热控技术的结合，而智能热控技术在航天器上的投入使用也印证了其无与伦比的优越性能。

1 智能热控涂层概述

热控涂层是航天器系统维持正常运作所必备的条件之一，主要原理是通过调节航天器的表面阳光吸收率与发射率，达到控制温度的目的。智能热控涂层是指航天器的热控涂层材料可以根据太空环境温度的高低改变自身的发射率，实现航天器温度系统的自主控制。当航天器所处的环境温度与保证航天器正常运行所需要的温度相比较高时，智能涂层能够提高发射率排除多余的热量，反之，智能涂层也能够降低发射率，有效减少航天器自身热量的散失，使得航天器的各种仪器和航天员保持适宜的温度。智能热控涂层是近年来研究出的一种新兴技术，与传统的热控涂层相比，具备一定的优越性。首先，在物理特性上，智能热控涂层比一般的热控涂层质量轻，能够在一定程度上减少航天器的负担，经实践证明，智能热控涂层能够减少加热功率超过90%，质量减轻超过75%[1]。其次，智能热控涂层具有一些普通热控涂层所不具备的辅助功能，实现航天器的自主调温，其太阳吸收比非常小，一般在0.5以内，可靠性比较高。由于这些特性，这项新兴的技术已经受到越来越多的人关注，当前最主要的两种智能热控涂层材料制作方法分别为固相反应法和电致变色。

1.1 固相反应法

固相反应法是指高温加热固体燃料所产生的物理化学现象，目前在航天领域中智能热控涂层材料比较常见的固体物质是钙钛矿结构锰氧化物RMnO3 ，这是一种缺陷型化合物，其中R代表三价稀土元素，如La、Pr、Nd等，当这样的物质与二价碱土元素相互掺杂时，作用产生的Mn3+和Mn4+离子通过氧空位相互交换，导致材料晶格结构发生改变，掺杂比例不同，进项转换时产生的温度会随之变化。在转变的过程中，材料表现不同的特性，当环境温度低于转变温度的时候，材料会表现出金属性；反之，材料则表现出绝缘性。而金属与绝缘体在发射率上具有差距，金属性物质热发射率低，绝缘性物质的热发射率高，二者之间的相互调节使得温度能够保持在一定的范围之内[2]。航空器的智能热控涂层主要利用这一原理，通过在航空器表面进行合理的热设计，从而使得航空器表面的温度实现自主调节，固定在具体的温度范围之内。与普通的航空器热控涂层相比，智能热控涂层的空间可靠性和稳定性都更胜一筹，并且使用简单灵活，能够实时的进行自我转变。目前，总体而言日本在固相反应法制作智能热控涂层方面的研究比较成功。随着科学技术的不断发展，固相反应法在航天领域的智能热控涂层上的应用前景将非常广泛。

1.2 电致变色

电致变色是指通过外加电场的方法使材料的价态发生改变，这种改变是可逆转的，从而材料的发射性也是可逆转的，因此，如果想要温度保持在一定范围之内，只需要在合适的时机放上合适的电压即可。一般电致变色的原料为金属氧化物（氧化镍、氧化钨等）和导电高分子（CPs），这样的混合是基于两个电极设计。氧化镍、氧化钨等金属氧化物通过外加电场的方法可以形成WO3-NiO、WO3-V2O5等形式的对电极设计[3]，同时将离子导电层加入，另外，导电高分子则是导电高分子或者高分子和氧化物的复合物进行对电极设计，同时安装红外透明多空薄膜，以吸附点解作用时产生的液体。如果外加电场，那么将会产生不同的物理、化学反应，直接改变材料的红外发射率。电致变色智能热控涂层的发射率调控功能相对比较强，也同样成为航天器智能热控领域中研究的重点。

智能热控涂层对外太空环境具有较强的适应性，有利于航天器自主热控能力的提高，世界上航天技术比较成熟的国家早在20世纪90年代就开始致力于智能热控涂层的研究，目前已经进入了空间搭载的试验阶段，并且取得了一定的成绩。下面举例说明智能热控涂层对外界环境的适应能力。一般在航天领域计算温度的公式如下：

其中S1、S2、S3、S4代表航天器表面的四个区域：多层隔热面、散热面、一般涂层表面和调整涂层表面，αs1、αs2、αs3、αs4为四个区域对太阳辐射的吸收比，εh1、εh2、εh3、εh4为半球全发射率。假设S3=S/3，S4=S/6，在航空器表面涂覆智能热控涂层，其中αs和αh的变化范围在0～1之间，那么

可以计算出，在智能涂层对αs和αh的调控之后，航天器可适应的阳光强度范围为584～1446 W/m2，为太阳场数的42.7%～105.8%。（如图2所示）[4]。

2 智能热控涂层的发展及应用

目前，随着航天技术的不断成熟，智能热控涂层的应用也逐步推入。固相反应法和电致变色两种智能热控涂层研究方法都在不断发展。

固相反应法中的La1-xMxMnO3最早应用于陶瓷加工工艺，但是仅仅局限于贴片粘贴。日本空间和宇宙科学研究所和NFC公司研究人员通过溶胶凝胶转换，成功制备了La1-xCaxMnO3和La1-xSrxMnO3两种材料的智能热控涂层，得出温度在零下一百度到零上一百度时发射率的改变量在0.4左右，与航天器的热控要求相吻合。近几年，加拿大对固相反应法也进行了相关的试验，得出了可以在固相反应法的基础上加入极光辅助沉积（PLD），即在石英和金属基底之上制备La1-xMxMnO3薄膜，这样将有利于发射率调控范围的改变，但是其负面的影响是太阳吸收率随之变大，因此，如果采用此种方法进行热控，那么必须采用多膜设计，以保证太阳吸收率的降低。

2003年5月，日本将通过固相反应法制作的智能热控涂层涂覆于ISAS的MUSES-C空间飞行器X波段发射机的热辐射表面，进行了一次成功的空间飞行试验，这对于该项技术的发展和成熟具有重要的意义。

电致变色智能热控涂层的发展相对比较成熟，2006年3月，美国发射成功的ST-5卫星是对该项技术的智能热控涂层技术成功的印证。另外，美国一家公司通过该技术研制出一种名为Eclipse VEECD的薄膜，可以改变航天器的热发射率（图4），并且可以隔离电致变色层与恶劣的空间环境[5]。这种薄膜在美国海军学院的MidSTAR小卫星上进行飞行搭载试验，较为成功的印证了其热控作用。

智能热控涂层具备多种优点，目前已经被世界各国广泛应用于微小卫星中。微小卫星自身的性质比较特殊，其体积较小，质量轻，但是内部系统复杂，在执行各种航天任务中起着非常重要的作用。仅1985-2000年15年间，全球发射微小卫星总量接近330颗。智能热控涂层技术的发展成功应对了微小型卫星在热控方面的要求和挑战，为微小型卫星技术的成熟奠定了基础。

3 目前智能热控涂层应用的不足及其原因

虽然智能热控涂层技术取得了以上成绩，但是其应用依然还不够成熟，在未来的研究道路上，尤其需要加大投入，进行深入的研究和试验。例如在固相反应法中需要加强对钙钛矿结构锰氧化物的热辐射性能的关注，加强智能热控涂层的实用性能，不断优化生产工艺，进行昂贵设备的替代性研究，对涂料型La1-xSrxMnO3智能热控涂层进行深入的探讨和研究，以实现其制备方便简单和实用性强的突出特点在航天器上得到成功普及。另外，对于新型功能热控材料的研究也是智能热控涂层领域必须进行的工作之一，如何保证热控涂层性能的发挥，同时具备一定的防御作用是当前热控涂层材料选用上需要思考的问题之一。航天器的外表面大部分是热控材料，如热控涂层、多层隔热材料等，在遭到激光或高能粒子束武器袭击和空间碎片撞击时，能否依靠这些材料减少和防止对于航天器的破坏，这是非常值得思考的问题[6]。

而航天器智能热控涂层尚且存在以上不足，主要原因有两个。一是我国改革开放时间不长，综合国力偏弱。美日等发达资本主义国家经济实力雄厚，有足够的资本开展航天方面的调查试验，而我国相关条件比较简陋，研究经费有限。二是研究技术人员的缺乏。我国在航天器热控涂层上的研究没有强大的教育基础，人才开发的缺乏加上费用的不足使得我国航天器热控涂层领域与许多西方国家存在一定的差距。

4 智能热控涂层的未来发展趋势

目前，国外在智能热控涂层领域的研究比较多，而我国相比于美日等在航天领域研究比较先进的国家，在智能热控涂层上的研究刚刚起步，需要在技术引进和研究上加强努力，制定各种航天研究举措以实现我国航天领域的发展。首先，兴建热控涂层研究单位和热控涂层基础材料的研究所，通过相互之间的通力合作，务必将智能热控涂层的技术研究落实到位，对相应的空间模拟试验加大投入，促进我国航天事业的发展，增强我国的综合国力。除此之外，近年来推出的MEMS技术、微型热开关、智能型可反复展开式辐射器等都是智能热控技术中应运而生的新型产物，是各国研究学者不断努力的结果，并且有些技术已经得到了实践的验证，微型热开关曾在美国的“火星漫游者”探测器上得到了成功的应用。热控涂层和热控材料的性能对于航天器的热控系统具有非常重要的作用，高性能和高实用性的热控涂层和热控材料技术、可变发射率技术等对我国未来航空器的热控和总体设计意义非凡。我国在航天领域要想跟上先进国家，必须加强对航天器热控涂层和新型热控材料的研究，充分实现热控涂层的智能化，吸收国外技术中的精华，结合我国航天器的实际情况，加强研究与实践，不断推进航天事业的向前发展。

5 结语

航天器的热控涂层在航天器表面的热控系统中具有基础性的作用，它的热辐射性能和太阳吸收比往往决定了航天器在外太空与周围环境的热交换能力，是航空器保持正轨运行和适宜温度非常重要的条件之一。面对航天器种类和性能的不断提高，热控涂层材料学的发展不断拓宽，智能热控涂层的研究解决了航天领域热控涂层发展的瓶颈，提高了航天器在热控设计方面的灵活性和稳定性，使得航天器能够自主适应并调节在外太空热控系统中由于变轨或者内部热源变化而产生的偏差，既节省了大量的人力、物力、财力，又增加了航空器运行的稳定性，有利于对成熟航天器平台技术的继承和保持。另外，高性能的隔热和导热材料也是未来研究的重点，提高热控涂层材料的隔热性和导热性是降低智能热控涂层太阳吸收比和提高发射率变化范围的基础工作，因此，在未来的航天器热控涂层研究上，我们还有许多工作需要去做。

参考文献

[1] 王磊，于云，范含林.智能热控涂层性能研究[J].功能材料，2013（20）：2959-2962.

[2] 王旭东，顾鹏飞，李春东，等.ZnO白漆空间性能退化的地面恢复与保护研究[J].材料工程，2011（1）：7-10.

[3] 王丹，魏强，刘海，等.空间环境防护型薄膜评述[J].材料导报，2011（9）：28-32.

[4] 王雯雯，宋庆雷，王永强，等.基于航天器表面涂层材料的热设计分析及应用[J].红外技术，2011（5）：305-308.

[5] 赵春晴，沈自才，冯伟泉，等.质子辐照对防静电热控涂层导电性能影响[J].航天器环境工程，2009（2）：118-121，97.

[6] 范含林.航空器热控材料的应用和发展[J].宇航材料工艺，2007（6）：7-10.