微小衛(wèi)星熱控制的研究

1微衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)格來說，所謂的小型車輛（小型衛(wèi)星）利用超微電動(dòng)系統(tǒng)（sss）進(jìn)行集成，并利用微電動(dòng)系統(tǒng)的電源、傳輸和傳輸控制系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)、圓弧控制和數(shù)據(jù)處理。對(duì)小型衛(wèi)星的最小通信。實(shí)現(xiàn)建模、微型化和微量化。隨著電子集成技術(shù)特別是微機(jī)電技術(shù)迅猛發(fā)展,微小衛(wèi)星已嶄露頭角,為了提高有效載荷比,將星上電子系統(tǒng)和其它分系統(tǒng)高度集成,需要進(jìn)行光、機(jī)、電、熱一體化的設(shè)計(jì)。微小衛(wèi)星的研制涉及到MEMS技術(shù)、大規(guī)模集成電路封裝技術(shù)、電子系統(tǒng)集成與嵌入式組件設(shè)計(jì)、高強(qiáng)度蜂窩結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)熱率材料、輕質(zhì)復(fù)合材料、納米材料和薄膜結(jié)構(gòu)等。從衛(wèi)星總體的角度來看,微小衛(wèi)星的研制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有:姿態(tài)控制、能源技術(shù)、通信機(jī)制、熱控技術(shù)等等。從衛(wèi)星熱控制的角度來說,高熱流密度、低熱慣性將是面臨的新的挑戰(zhàn),尤其對(duì)于微小衛(wèi)星更是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文主要針對(duì)微小衛(wèi)星的特點(diǎn)給熱控帶來的新問題,提出了當(dāng)前可行解決的方法,并就今后實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星熱控制的任務(wù)提出了初步看法和意見。近年來微小衛(wèi)星出現(xiàn)了一些發(fā)展特點(diǎn)或轉(zhuǎn)變:(1)微小衛(wèi)星(航天器)形式和功能更加多樣(微小月球探測器、微小火星著陸器等);(2)兩個(gè)途徑推動(dòng)微小型化(原有技術(shù)的小型化和采用以MEMS為代表的微納技術(shù));(3)注重功能集成和應(yīng)用集成,強(qiáng)調(diào)衛(wèi)星系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì);(4)不再將質(zhì)量作為衡量微小衛(wèi)星性能的唯一或主要標(biāo)尺,轉(zhuǎn)向提高同等質(zhì)量微小衛(wèi)星的功能和性能等。2小尺寸、高熱流密度和熱控?zé)峥厥切l(wèi)星的一個(gè)重要部分。它必須滿足衛(wèi)星總體對(duì)熱設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,為星上儀器設(shè)備提供良好的溫度環(huán)境,保障衛(wèi)星各儀器設(shè)備正常運(yùn)行。衛(wèi)星熱控制是通過控制衛(wèi)星內(nèi)部和外部的熱交換過程,采取各種不同的熱控措施,使星上儀器設(shè)備的溫度在整個(gè)飛行期間均能維持在要求的范圍之內(nèi)。微小衛(wèi)星由于對(duì)其重量有嚴(yán)格要求,對(duì)星上的部、組件設(shè)備都力求輕量化,因此熱控仍然是要采用被動(dòng)熱控為主的設(shè)計(jì)方法,采用成熟的、經(jīng)過飛行考驗(yàn)的熱控涂層、多層隔熱材料、熱管、導(dǎo)熱填料等熱控制技術(shù)。一方面,在現(xiàn)階段我們還沒有研制出輕型、柔性的百葉窗,也還沒有直接可用于飛行的輕量、微型的熱管,只有采用上述這些熱控制技術(shù),才有可能使衛(wèi)星熱控的重量做到小于10kg;另一方面,這些熱控制硬件既簡單又可靠,它們的可靠度均可以認(rèn)為是1,所以力求簡單可靠應(yīng)當(dāng)成為熱設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)思想。由于微小衛(wèi)星尺寸小、熱功耗少,因此容易實(shí)現(xiàn)整星的等溫化,這是對(duì)熱控有利的一面,但還需考慮微小衛(wèi)星重量輕、體積小,將給熱控帶來的兩個(gè)突出問題:一個(gè)是高的熱流密度,一個(gè)是低的熱慣性。首先是由于微小化帶來的表面積/體積比增大,對(duì)外熱流的熱慣性變小,因此當(dāng)微小衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道的陰影時(shí),衛(wèi)星蒙皮的溫度波動(dòng)將會(huì)增大,加上儀器設(shè)備自身熱功耗的變化,從而使星內(nèi)儀器設(shè)備的溫度波動(dòng)增加,乃至超出其正常工作溫度范圍;其次是微小化要求各功能模塊的高度集成,各個(gè)器件可以做得很小,如大功率微波集成電路(MMIC)、高通量處理器、激光二極管等,但熱流密度卻非常高,國外文獻(xiàn)報(bào)道可達(dá)1～10W/cm2,有的甚至高達(dá)25W/cm2,使得熱耗/表面積比增大,導(dǎo)致在局部地方出現(xiàn)高溫,這就要求熱控必須解決高熱流密度,尤其是局部高熱流密度的散熱問題。小尺寸、高熱流密度對(duì)微小衛(wèi)星熱控提出了極為苛刻的要求,因?yàn)樾莾?nèi)電子集成器件的可靠性對(duì)溫度十分敏感,器件溫度在70℃～80℃水平上每增加1℃,可靠性就會(huì)下降5%。顯然,傳統(tǒng)的熱控技術(shù)已不能滿足微小衛(wèi)星的熱控要求,熱控技術(shù)已成為微小衛(wèi)星發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí),對(duì)微小衛(wèi)星熱控來說還必須考慮機(jī)、電、熱一體化設(shè)計(jì)問題,小型化、輕量化、智能化的問題,以及星上可利用的資源不多,包括電源不足、散熱面積不夠等,這些都是微小衛(wèi)星熱控制的關(guān)鍵問題。特別是對(duì)于有效載荷中的CCD相機(jī)和紅外相機(jī)等光學(xué)遙感設(shè)備,不但要求溫度控制低,而且還對(duì)溫度梯度有要求,這對(duì)于散熱面積有限、電源不足的微小衛(wèi)星來說是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。3熱控制方式的選擇針對(duì)上述的難題并根據(jù)我國現(xiàn)有的熱控技術(shù)水平提出了如下可行的解決方案:(1)要從設(shè)計(jì)思想入手,建立起新的設(shè)計(jì)理念和方法。熱控必須采用“功能設(shè)計(jì)+系統(tǒng)集成”的總體設(shè)計(jì)思想,打破傳統(tǒng)衛(wèi)星的分系統(tǒng)概念,進(jìn)行整星電子、結(jié)構(gòu)與熱控等一體化設(shè)計(jì),建立高效的星上網(wǎng)絡(luò)并形成網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化利用,通過一體化公用機(jī)箱(含星上電子、通信、供配電的電路板)實(shí)現(xiàn)減輕衛(wèi)星質(zhì)量的目的。在微小衛(wèi)星上將沒有艙段的概念,有效載荷與平臺(tái)混為一體,機(jī)、電、熱一體化公用機(jī)箱設(shè)計(jì)是目前衛(wèi)星輕量化的必由之路。此外,微小衛(wèi)星將從根本上打破傳統(tǒng)分系統(tǒng)間的分工和界限,相互間只有功能上的分工和界限,研制過程中將采取并行的和集成的熱設(shè)計(jì)方法。深入了解儀器設(shè)備內(nèi)部的熱設(shè)計(jì)是搞好整星熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),采取各種措施增強(qiáng)電子元器件與機(jī)殼或底板之間的導(dǎo)熱,使星上所有的電子元器件都能滿足溫度降額設(shè)計(jì)的要求。(2)為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星輕量化的目的,熱控應(yīng)采用以熱控涂層和多層隔熱材料為主要手段的熱控制方式。從熱控涂層來看,可采用太陽吸收比很低而表面發(fā)射率較高的涂層,最大限度地使衛(wèi)星表面吸收較少而輻射較多的熱量。目前國內(nèi)已有的熱控涂層中,石英玻璃鍍銀二次表面鏡(OSR)是理想的選擇,其太陽吸收比≤0.08,表面發(fā)射率≥0.76。從熱控制技術(shù)來說,采用可變發(fā)射率的熱控涂層是最佳的方案,遺憾的是,迄今國內(nèi)外尚未研制出這種實(shí)用的涂層。此外,在星體外表面采用多層隔熱材料是別無選擇的,星內(nèi)一些無內(nèi)熱源、低熱耗、需保溫的儀器設(shè)備,通常都需用多層隔熱材料包覆起來。這種多層隔熱材料重量輕(每一個(gè)單元的面密度只有20g/m2左右)、性能好(其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到10-4的量級(jí)),又比較可靠(可靠度為1),因此勢必成為被動(dòng)熱控的主要手段。(3)采用微型熱管技術(shù),以增強(qiáng)儀器設(shè)備間及儀器設(shè)備與結(jié)構(gòu)間的傳熱能力,實(shí)現(xiàn)整星的等溫化。在衛(wèi)星熱控制中,為了合理組織熱交換過程,除了利用多層隔熱材料“堵截”熱流外,還常常要用熱管來有效地“導(dǎo)通”熱流。熱管是一種靠工質(zhì)的蒸發(fā)、凝結(jié)和循環(huán)流動(dòng)而傳遞熱量的器件。由于蒸發(fā)、凝結(jié)的熱阻很小,蒸汽流動(dòng)的溫降很小,所以熱管就可以在小溫差下傳遞很大的熱量。熱管在衛(wèi)星熱控中主要是用于等溫化和星內(nèi)儀器設(shè)備的溫度控制。幾十年來,在我國研制的大多數(shù)衛(wèi)星上,均采用了熱管技術(shù)進(jìn)行熱控制,獲得了良好的效果,但微型熱管技術(shù)至今尚未在星上得到應(yīng)用。由于微型熱管重量輕、柔性好,而且具有一定的熱傳輸能力,因此特別適合于微小衛(wèi)星的應(yīng)用,對(duì)高熱流密度器件的散熱是十分有效的。例如,一根長1m、直徑5mm的Ω形熱管只有50g左右的重量,其傳熱能力為10W。目前,這種型號(hào)的熱管已由中國空間技術(shù)研究院總體部熱控研究室解決了生產(chǎn)和充裝工藝問題,并進(jìn)行了大量的傳熱性能試驗(yàn),可以直接在星上使用。還有一種新型熱管叫脈動(dòng)熱管,是在上世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的。這種熱管利用了毛細(xì)管中自然形成的液塞和汽塞原理,可以實(shí)現(xiàn)高熱流密度傳熱,在等當(dāng)量體積時(shí)傳輸?shù)臒崃骺梢员葌鹘y(tǒng)熱管大一個(gè)數(shù)量級(jí),而且具有一定的柔性,受重力影響較小,甚至可以在反重力條件下工作。這種高性能的傳熱元件具有廣闊的應(yīng)用前景,目前脈動(dòng)熱管技術(shù)還有待深入的理論和試驗(yàn)研究。此外,近幾年發(fā)展起來的平板熱管,其厚度一般從1mm～6mm,可以將小面積上的點(diǎn)熱源變換到較大冷卻面上的面熱源,具有高熱流傳輸特性,亦適用于電子器件的冷卻,但需要解決精確灌裝技術(shù)和制造工藝等問題。4小衛(wèi)星產(chǎn)品熱控技術(shù)顯然,上述這些熱控制技術(shù)遠(yuǎn)不能解決高熱流密度問題,必須針對(duì)微小衛(wèi)星的特點(diǎn)去研究和開發(fā)新的熱控技術(shù),根據(jù)不同類型衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài),組合利用這些熱控技術(shù),以達(dá)到熱控的目的。作者認(rèn)為,今后需要盡快開發(fā)的熱控技術(shù)包括:(1)各類精細(xì)材料熱控涂層這種涂層也叫做智能型熱控涂層,其太陽吸收比或發(fā)射率可以隨著衛(wèi)星表面的溫度變化或航天器熱控的要求而改變,從而起到自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的作用,提高了衛(wèi)星的自主熱控能力。有了這種涂層不但可以使衛(wèi)星表面的溫度比較穩(wěn)定,而且還可以大大節(jié)省熱控所需的電加熱功率和重量。據(jù)美國NASA文獻(xiàn)報(bào)道,可節(jié)省系統(tǒng)電加熱功率90%左右,減輕熱控重量75%左右。從原理上來說,有多種方法可以得到這種涂層:基于MEMS技術(shù)制造的微型百葉窗、電致變色(Electrochromic)、電泳(Electrophoretic)、熱致變色(Thermochromic)。應(yīng)用電化學(xué)方法的原理是電致變色器件在施加很小的電壓下,通過附加或移走離子或電子來改變紅外波段的發(fā)射率?？勺儼l(fā)射率熱控涂層的材料有兩種:一種為無機(jī)材料WO3,另一種為基于導(dǎo)電聚合物的有機(jī)材料。我國中科院上海硅酸鹽研究所曾對(duì)無機(jī)材料WO3進(jìn)行了長期的試驗(yàn)研究,用輻射計(jì)法測得初始沉積態(tài)WO3薄膜在金基底上的法向發(fā)射率為0.042,經(jīng)過在-1.0V半分鐘著色處理后,著色態(tài)WO3薄膜在金基底上的法向發(fā)射率為0.45,可見WO3薄膜的發(fā)射率調(diào)制范圍為0.408,而兩發(fā)射率之比為10.7。美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)基于導(dǎo)電聚合物的有機(jī)材料進(jìn)行了長期的試驗(yàn)研究,測得其發(fā)射率從0.30可變到0.80,發(fā)射率的調(diào)制范圍為0.50,這相當(dāng)于現(xiàn)在的機(jī)械百葉窗的水平,但其重量遠(yuǎn)小得多,約為400g/m2。因此,這種可變發(fā)射率熱控涂層非常適合在電功率和重量都受苛刻限制的微小衛(wèi)星中應(yīng)用,和百葉窗相比,這種智能型熱控涂層還具有無移動(dòng)部件、響應(yīng)速度快、耗能小和容易實(shí)現(xiàn)智能化控制等優(yōu)點(diǎn)。目前的研究重點(diǎn)主要是涂層的制備技術(shù)、機(jī)理研究、如何獲得熱輻射性能的最大調(diào)控范圍。(2)等溫?zé)峥刂破靼偃~窗是一種利用低輻射率的可動(dòng)葉片,以不同程度地遮擋高輻射率的儀器散熱表面的辦法來控制溫度的裝置。這種裝置的控制作用是,當(dāng)儀器溫度由于發(fā)熱量增大而升高時(shí),葉片旋轉(zhuǎn)而張開,露出高輻射率的儀器表面,增大散熱量,從而使儀器溫度降下來;相反,當(dāng)儀器發(fā)熱量減小而溫度下降時(shí),葉片自動(dòng)關(guān)閉,輻射表面散熱量減小,從而使儀器溫度逐漸上升。在這種機(jī)構(gòu)中,葉片的動(dòng)作使得輻射表面的當(dāng)量輻射率發(fā)生了變化,輻射排熱改變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的溫度控制。目前,星用百葉窗的當(dāng)量輻射率變化范圍是0.07～0.82,約變化12倍,排熱能力的變化約20倍,因此可以認(rèn)為,這種裝置對(duì)儀器設(shè)備的溫度控制是相當(dāng)有效的,它不消耗電能而又簡單可靠,可安裝在任何部位,以補(bǔ)充整星被動(dòng)熱控能力的不足,并有一定的控溫精度,但是,它的重量一般為5kg/m2,對(duì)于微小衛(wèi)星來說,常規(guī)百葉窗的尺寸和重量均不能滿足這類航天器的要求,微小型、輕質(zhì)量、性能高的百葉窗熱控裝置已成為百葉窗技術(shù)的發(fā)展趨勢。2003年,美國NASA研制的MEMS百葉窗,應(yīng)用了MEMS的超微型加工和集成技術(shù),將百葉窗系統(tǒng)中的各部分組件高度集成,實(shí)現(xiàn)了微型化、超輕量化的目標(biāo)。這套百葉窗的驅(qū)動(dòng)裝置、葉片等結(jié)構(gòu)均集成在硅芯片上,葉片尺寸為微米量級(jí)(幾微米～幾百微米),葉片上分區(qū)鍍了幾百納米厚的金,以便得到很低的熱輻射系數(shù)(ε≤0.03)。微型百葉窗的加工工藝及其驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)是首先需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。(3)多功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)所謂多功能結(jié)構(gòu)就是把電、熱和結(jié)構(gòu)的功能集成到衛(wèi)星的艙壁板上。這是美國洛克希德-馬丁公司(LockheedMartin)在1996年提出的一種具有重要意義的新的設(shè)計(jì)理念。具體地說,是將電子設(shè)備組件(例如,多芯片組件)、小型傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、連同傳輸功率和信號(hào)的電纜一起嵌裝到承力結(jié)構(gòu)中去。它由集成有熱控制部件的結(jié)構(gòu)受力壁板、銅/聚酰亞胺柔性電路、多芯片組件接插件以及用于電磁屏蔽和保護(hù)的成型蓋板組成。多功能結(jié)構(gòu)提供了敷設(shè)電纜和內(nèi)部連接的新方式,采用銅/聚酰亞胺柔性連接設(shè)計(jì),取消了粗重的電纜/線束和插頭座,不僅提供了功率和信號(hào)的傳輸,而且也改善了散熱條件。此外,可以把多芯片組件通過柔性電路板直接安裝在具有高導(dǎo)熱率的擴(kuò)熱板上,從而取消了大的機(jī)殼和電路板。采用柔性電路板代替常規(guī)環(huán)氧玻璃纖維制作的硬性電路板,使電子設(shè)備集成到航天器結(jié)構(gòu)壁板上成為可能,同時(shí)也使高功率密度的多芯片組件能夠通過柔性電路板直接與夾層蜂窩結(jié)構(gòu)輻射板相連,從而為電子設(shè)備向空間散熱提供了一條盡可能低的熱阻通路,解決電子器件的高熱流散熱問題。由于傳統(tǒng)的電路板、機(jī)箱、大型插頭座等輔助部件的重量可占到衛(wèi)星總重量的50%,因此采用多功能結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)可大大減小衛(wèi)星的重量和體積,同時(shí)由于多功能結(jié)構(gòu)本身就是一種模塊化組合,極有利于大批量生產(chǎn)和裝配,因而可以大大地降低成本。此外,取消了電纜和插頭后使航天器研制過程中的手工操作大大減少,從而顯著提高航天器的可靠性。綜上所述,多功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一種全新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法,是機(jī)、電、熱一體化設(shè)計(jì)典型集中的表現(xiàn),是微小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)小重量、低成本的有效途經(jīng),但必須首先解決好多功能結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)以及大規(guī)模集成電路封裝技術(shù)、結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)及復(fù)合工藝問題等。(4)熱開關(guān)w無熱控制器熱開關(guān)是一個(gè)具有主動(dòng)熱控功能的熱控組件。它利用溫度敏感元件感應(yīng)被控設(shè)備的溫度,然后通過執(zhí)行部件切斷或接通被控設(shè)備的傳熱途徑,以控制被控設(shè)備在不同熱工況下的溫度。熱開關(guān)具有可靠性高、控溫效果明顯等特點(diǎn),在早期的載人航天、阿波羅登月飛船、火星著陸器中得到了廣泛應(yīng)用。由于熱開關(guān)技術(shù)不消耗能源或消耗很少的能源,重量輕,可靠性高,因此它特別適用于能源較為短缺的微小衛(wèi)星上。美國已研制出一種重量只有120g的微型熱開關(guān),并作為關(guān)鍵技術(shù)在納衛(wèi)星(Nanosat)微小衛(wèi)星和“火星漫游者”探測器上得到了成功的應(yīng)用。這種熱開關(guān)在開啟狀態(tài)下的熱導(dǎo)率為0.4W/℃,在一定條件下通過開關(guān)控制,其熱導(dǎo)率能達(dá)到30倍的變化。還有一種由高分子材料制成的可膨脹的小型機(jī)械式熱開關(guān),其熱導(dǎo)率可在0.015W/℃～0.45W/℃之間變化,工作溫度在290K～298K之間。對(duì)于具有多種工作模式和瞬態(tài)熱流變化較大的微小衛(wèi)星,熱開關(guān)無疑將是一種理想的熱控部件。利用熱開關(guān)可以對(duì)衛(wèi)星的局部熱控進(jìn)行優(yōu)化,尤其是對(duì)于一些采用傳統(tǒng)熱控難以解決的、有較高溫度要求和復(fù)雜邊界條件的儀器設(shè)備非常有效,對(duì)于能源比較短缺的航天器特別適用。熱開關(guān)技術(shù)與環(huán)路熱管、可變涂層等技術(shù)相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)整星優(yōu)化熱設(shè)計(jì)的目標(biāo),是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ臒峥丶夹g(shù)。如何提高熱開關(guān)在開啟和關(guān)閉時(shí)的熱導(dǎo)比和降低熱開關(guān)的質(zhì)量是熱開關(guān)研制的重點(diǎn)。(5)微細(xì)cpl的發(fā)展歷程毛細(xì)抽吸兩相回路(CapillaryPumpedLoop,CPL)是一種以毛細(xì)泵驅(qū)動(dòng)的高效傳熱裝置,主要依賴蒸發(fā)器中的一個(gè)細(xì)薄多孔層產(chǎn)生的毛細(xì)抽吸力作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力,利用工質(zhì)汽化時(shí)在汽液界面產(chǎn)生的毛細(xì)力來驅(qū)動(dòng)兩相流體循環(huán),依靠流體的潛熱來吸收和排散熱量,具有傳熱能力大、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、等溫性好、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的單相換熱系統(tǒng)相比,這種傳熱裝置由于利用相變傳熱而具有較高的熱傳輸效率,因此,系統(tǒng)的尺寸和重量也要小得多。另外,這類毛細(xì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要外加壓力部件就可以獲得工質(zhì)循環(huán)所需的壓力差,因此,越來越受到國內(nèi)外航天熱控同行的關(guān)注。在過去的10多年中,CPL作為一種熱控新技術(shù),已成功應(yīng)用于航天器熱控制領(lǐng)域。對(duì)于微小衛(wèi)星來說如何在高熱流密度、小尺寸條件下實(shí)現(xiàn)有效冷卻和如何將熱控裝置與星內(nèi)的微型器件組裝在一起,是應(yīng)用中必須解決的難題,而其中最具潛力、最有效、也最有發(fā)展前途的微小衛(wèi)星熱控技術(shù)就是小型CPL和基于MEMS的微型CPL。一般來說,小型CPL蒸發(fā)器的圓柱形尺寸在6mm以下、平板型尺寸在35mm以下,蒸汽、液體管路的直徑在1.5mm～2mm之間。目前,俄羅斯已研制出一種小型CPL,其蒸發(fā)器的圓柱形尺寸為5mm×0.2mm,有效長度20mm,采用不銹鋼制作,內(nèi)裝燒結(jié)鈦粉毛細(xì)芯。蒸汽、液體管路的尺寸為1.8mm×0.25mm,長度分別為165mm和250mm,冷凝器采用管翅結(jié)構(gòu),工質(zhì)為氨,系統(tǒng)最大傳輸功率130W,總重量小于45g?；贛EMS的微型CPL的工作原理與常規(guī)尺寸的CPL類似,主要區(qū)別在于前者是將CPL的蒸發(fā)器直接加工在衛(wèi)星發(fā)熱元件上,系統(tǒng)尺寸非常小,僅有幾厘米大小,而后者是采用鉚接等機(jī)械方式將蒸發(fā)器與熱控對(duì)象聯(lián)接在一起。此外,基于MEMS的微型CPL的蒸發(fā)器一般由多個(gè)微槽道構(gòu)成,工質(zhì)在微槽道內(nèi)發(fā)生相變,產(chǎn)生毛細(xì)抽吸力推動(dòng)工質(zhì)循環(huán),而常規(guī)尺寸CPL的蒸發(fā)器多采用燒結(jié)多孔體、絲網(wǎng)等作為工質(zhì)發(fā)生相變過程的毛細(xì)芯。由于微型CPL與熱控對(duì)象采用一體化結(jié)構(gòu),所以發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量很容易傳遞給蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì),熱響應(yīng)速率快,而且尺寸極小,特別適用于微小衛(wèi)星的熱控制。1999年,美國加州大學(xué)最早研制出了微型CPL,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明可以傳輸4W的熱量。目前,基于MEMS的微型CPL技術(shù)尚處于初級(jí)階段,還有許多技術(shù)問題需要去研究解決,如燒結(jié)毛細(xì)芯的研制、加工工藝、工質(zhì)灌裝技術(shù)、微型CPL的啟動(dòng)、運(yùn)行和控制技術(shù)等。(6)冷卻器件與熱離子制冷器電子器件的微型化將成為微小衛(wèi)星電子設(shè)備發(fā)展的主流,使得電子器件的尺寸不斷減小、芯片集成密度不斷提高、熱流密度不斷增加。為了解決高熱流密度的散熱問題,開展微型致冷技術(shù)的研究是較為有效的辦法,這就是如何通過MEMS技術(shù)把冷卻裝置與電子器件高度地集成在一起。例如,徳國的一家公司研發(fā)了一種新的冷卻裝置采用了流體微噴技術(shù),以提高芯片及器件的局部換熱系數(shù)。梅隆大學(xué)也正在研制一種叫做嵌入式電子器件液滴沖擊冷卻系統(tǒng),其冷卻能力達(dá)到100W/cm2,它內(nèi)嵌的軟件可以根據(jù)芯片溫度場、溫度梯度、介電薄膜厚度等參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液滴尺寸、沖擊頻率、沖擊位置,以達(dá)到精確控溫的目的。美國NASA目前正在研究噴霧冷卻技術(shù)和電磁水力泵技術(shù),對(duì)基于MEMS技術(shù)的泵式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究,熱沉采用在硅片上腐蝕形成的微通道,與熱源直接安裝在一起,通過微通道內(nèi)部液體的循環(huán)將熱量帶走。隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn),近來出現(xiàn)了一種新型熱電制冷器——熱離子制冷器,其工作原理是,與發(fā)熱部件相連的陰極電子吸收熱量,發(fā)射并越過兩極之間的勢壘層到達(dá)與冷端相連的陽極,放出熱量后通過外電路重新回到陰極,完成了一個(gè)能量傳遞過程,冷卻了發(fā)熱器件。與傳統(tǒng)的熱電制冷器不同的是,電子在熱離子制冷器陰、陽兩極間是通過發(fā)射而不是擴(kuò)散來傳輸能量的,因而熱離子制冷器的冷卻效率更高。據(jù)報(bào)道,美國加州大學(xué)已研制了一種異型結(jié)構(gòu)集成熱離子制冷器,其冷卻功率可達(dá)幾百瓦每平方厘米,控溫精確度很高。熱離子制冷器結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、體積小、重量輕、冷卻效率高,也是未來非常具有潛力和廣闊應(yīng)用前景的空間熱控技術(shù)。我國南京理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院開展了這方面的工作,目前,熱離子制冷器的研究還處于初級(jí)階段,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料加工工藝、試驗(yàn)測試方法等許多關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。(7)復(fù)合材料的研制與開發(fā)為了有效地將高功率密度的電子器件產(chǎn)生的熱量傳輸出去,往往需要采用高導(dǎo)熱材料,但在衛(wèi)星、飛船的空間應(yīng)用中,這種材料必須滿足密度低、膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率高、放氣率小的要求。鋁、金、銅等金屬材料是熱的良導(dǎo)體,它們的導(dǎo)熱率分別為247W/m·K、315W/m·K、398W/m·K,但還不能滿足上述要求,鋁密度低但導(dǎo)熱率卻不夠高,且熱膨脹系數(shù)