11航天器熱控〖1〗11.1前言航天器熱控制是指對(duì)航天器設(shè)備和結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行控制?航天器需要進(jìn)行熱控制的原因主要有兩個(gè):①電子和機(jī)械設(shè)備有效可靠運(yùn)行的溫度范圍通常較窄;②大多數(shù)材料具有非零熱膨脹系數(shù)，溫度變化意味著熱變形?從設(shè)計(jì)上講，航天器設(shè)備在室溫或接近室溫條件下運(yùn)行最有效?其原因在于，航天器設(shè)備的多數(shù)電子和機(jī)械部件原本是為地面應(yīng)用設(shè)計(jì)的?在室溫下進(jìn)行設(shè)備開(kāi)發(fā)，最后的驗(yàn)證和飛行驗(yàn)收測(cè)試也容易得多和廉價(jià)得多?通常，一般的電子設(shè)備需要保持在-15~+50 ℃，充電電池為0~20 ℃，太陽(yáng)陣展開(kāi)機(jī)構(gòu)?動(dòng)量輪?陀螺等機(jī)械裝置一般在0~50 ℃?當(dāng)然，也有例外，例如，天文望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的一些探測(cè)器要求降到很低的溫度?許多航天器有效載荷需要很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，必須將熱變形減少到最小或嚴(yán)格控制?例如，追求天基望遠(yuǎn)鏡更高的分辨率就意味著口徑數(shù)米望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)內(nèi)的溫度往往要穩(wěn)定在零點(diǎn)幾開(kāi)爾文的范圍?航天器熱控制中涉及的熱量來(lái)自航天器自身和空間環(huán)境?航天器產(chǎn)生熱量的部件包括火箭推進(jìn)器?電子裝置和電池等，其中，火箭頭部整流罩可以最大程度地減小上升段的熱效應(yīng)?來(lái)自空間環(huán)境的熱量主要是太陽(yáng)輻射?此外，航天器也以輻射方式向空間環(huán)境散熱?得到熱量和散發(fā)熱量的平衡就決定了航天器的溫度?航天器構(gòu)形由很多因素決定，熱控是其中之一?熱控工程師的任務(wù)主要包括三部分:①熱分析——對(duì)給定航天器構(gòu)形進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)任務(wù)各階段設(shè)備和結(jié)構(gòu)的溫度;②熱設(shè)計(jì)——針對(duì)熱分析結(jié)果中溫度落在允許范圍外的情況，設(shè)計(jì)合適的熱控措施，如修改傳熱路徑?調(diào)整加熱器或輻射器等;③熱試驗(yàn)——完成充分和恰當(dāng)?shù)脑囼?yàn)，驗(yàn)證任務(wù)熱分析的精確度和熱預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性?現(xiàn)代航天器(特別是進(jìn)行太陽(yáng)系探索或涉及載人飛行的航天器)通常由世界各地不同組織提供的硬件設(shè)備構(gòu)成?航天器的客戶和負(fù)責(zé)各階段裝配的承制單位往往要求這些硬件設(shè)備按照公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法和程序開(kāi)發(fā)?在歐洲，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的控制權(quán)威是歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)作機(jī)構(gòu)(ECSS)?關(guān)于航天器熱控工程專業(yè)學(xué)科的要求包含在ECSS�睧�睸T��31C[1]中?11.2熱環(huán)境空間環(huán)境的一個(gè)重要特點(diǎn)是高真空度?通常，航天器發(fā)射后所進(jìn)入軌道上的殘余大氣壓力和阻力非常小(但通常不可忽略，國(guó)際空間站(ISS)就需要推進(jìn)器定期補(bǔ)償空氣阻力)，極低的阻力同時(shí)也意味著不存在任何較大的氣動(dòng)加熱，十分有利于熱控設(shè)計(jì)?對(duì)于在軌運(yùn)行的航天器，氣動(dòng)加熱以及航天器與環(huán)境間的對(duì)流換熱可以忽略不計(jì)?地球大氣壓力隨高度的上升近似呈指數(shù)下降，在海拔100 km處，氣壓下降超過(guò)六個(gè)數(shù)量級(jí)[2]?繞地球運(yùn)行的航天器的軌道通常高于海拔300 km，相應(yīng)殘余大氣壓力低于10-7 mb(毫巴，1 mb=100 Pa)?發(fā)射階段需要采用合理的方案實(shí)現(xiàn)航天器從完全保護(hù)于發(fā)射裝置內(nèi)部到在空間自主運(yùn)行的轉(zhuǎn)換?當(dāng)火箭確定時(shí)，頭部整流罩越早分離，可以攜帶的有效載荷越多?然而，如果整流罩分離過(guò)早，動(dòng)壓和氣動(dòng)加熱將會(huì)對(duì)航天器造成損害?一般而言，整流罩要在氣動(dòng)加熱等于或小于入射太陽(yáng)輻射加熱時(shí)分離?分離高度與運(yùn)載火箭和發(fā)射軌道的特征有關(guān)，大約為海拔100 km?因此，航天器熱設(shè)計(jì)師可以忽略此處的氣動(dòng)加熱效應(yīng)?在重新進(jìn)入大氣層或進(jìn)行空氣制動(dòng)操作時(shí)(見(jiàn)第5章)，需要給航天器提供專門的保護(hù)，確保不影響航天器的熱設(shè)計(jì)?宇宙空間中的航天器通過(guò)輻射方式與周圍環(huán)境進(jìn)行相互作用，其特征是以下列方式進(jìn)行能量交換(圖11.1)?圖11.1典型的航天器熱環(huán)境
(1) 太陽(yáng)直接輻射;(2) 行星反射(附近行星反射的太陽(yáng)輻射);(3) 行星輻射(附近行星輻射的熱能);(4) 航天器向深空的輻射?當(dāng)上述前三種源頭接收到的輻射能總和加上航天器內(nèi)部發(fā)出的熱耗散與航天器向深空的輻射能相等時(shí)，航天器將進(jìn)入熱平衡狀態(tài)?正是這種平衡決定了航天器的物理溫度?11.2.1太陽(yáng)輻射熱設(shè)計(jì)工程師所關(guān)注的太陽(yáng)輻射參數(shù)有光譜分布?強(qiáng)度和光線的平行度?整個(gè)太陽(yáng)系中的光譜分布可以認(rèn)為是恒定的，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度或光譜能量的分布類似于普朗克曲線，具有5800 K的有效溫度(見(jiàn)第2章)?這意味著絕大部分太陽(yáng)輻射能(99%)處于150 nm~10 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，最大輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)在450 nm附近(處于可見(jiàn)光譜的黃色區(qū)域)?地球大氣層外按日地平均距離(1 AU)計(jì)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度稱為太陽(yáng)常數(shù)，其值約為(1371±5) W/m2?離太陽(yáng)不同距離d的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Js可由下式計(jì)算Js=P4πd2(11.1)
式中，P為太陽(yáng)的總能量輸出，3.856×1026 W?表11.1給出了太陽(yáng)系中各星體距離太陽(yáng)平均距離處的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度?表11.1星體的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和反照率[3，4]
星體太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Js(1 AU距離輻射強(qiáng)度的百分?jǐn)?shù))反照率α水星6670.06~0.10金星1910.60~0.76地球1000.31~0.39月亮1000.07火星43.10.15木星3.690.41~0.52土星1.100.42~0.76天王星0.270.45~0.66海王星0.110.35~0.62冥王星0.0640.16~0.40太陽(yáng)光線在地球附近(距離太陽(yáng)1 AU)的發(fā)散角約為0.5°?熱設(shè)計(jì)中，一般可以認(rèn)為是平行光束?但是，對(duì)于在距離太陽(yáng)很近位置上執(zhí)行任務(wù)的航天器，則需要考慮發(fā)散角的影響?太陽(yáng)輻射被行星表面和/或大氣反射部分的比例稱為行星反照率，其數(shù)值與行星表面和大氣的特性十分相關(guān)?以地球?yàn)槔�，云的反照率高達(dá)0.8，而水和森林等表面的反照率則低至0.05[3，4]?令熱控工程師欣慰的是，相對(duì)于大多數(shù)航天器的熱慣性，反照率變化十分快，熱設(shè)計(jì)中可以采用軌道平均反照率?就地球而言，平均反照率一般取為0.31~0.39?表11.1給出了太陽(yáng)系中各星體的反照率?值得指出的是，對(duì)于距離太陽(yáng)較遠(yuǎn)的行星，反照率的測(cè)量十分困難，表中所給出的數(shù)據(jù)應(yīng)謹(jǐn)慎使用?雖然反照輻射的光譜分布與太陽(yáng)不一致(行星表面各種各樣的顏色就能證明這一點(diǎn))，但從熱控工程的角度來(lái)看，差異不大，可以忽略?入射到航天器上的反照輻射強(qiáng)度Ja是一個(gè)與行星的大小和反射特性?航天器的高度以及當(dāng)?shù)卮咕�與太陽(yáng)光線之間的夾角β有關(guān)的復(fù)雜函數(shù)，具體可由可見(jiàn)角系數(shù)F表達(dá)Ja=JsaF(11.2)計(jì)算反照輻射的輸入時(shí)，可以把地球看成一個(gè)漫反射球體，相應(yīng)可見(jiàn)角系數(shù)的變化情況近似如圖11.2所示?圖11.2航天器反照輻射，β是當(dāng)?shù)卮咕�與太陽(yáng)光線之間的夾角
值得注意的是，上面所述為近似處理?對(duì)于復(fù)雜的航天器，尤其是低軌道中的復(fù)雜航天器，每個(gè)外部表面元素的反照輸入可能就要根據(jù)軌道的位置予以精確計(jì)算?此類復(fù)雜運(yùn)算可以使用特殊軟件工具進(jìn)行處理?11.2.2行星輻射太陽(yáng)系的行星溫度都不是零值，都能輻射熱量?由于溫度相對(duì)較低，地球以紅外波長(zhǎng)輻射所有的熱量，波長(zhǎng)范圍在2~50 μm，峰值波長(zhǎng)約為10 μm?因此，地球輻射通常又稱為熱輻射?地球熱輻射的光譜分布如圖11.3所示[3]?大氣基本上是不透明的，在8~13 μm光譜范圍內(nèi)有透明窗口?因此，航天器上看到的輻射由上層大氣的輻射(該輻射具有218 K有效黑體溫度)和穿過(guò)紅外窗口的地球表面輻射組合而成?由于地球的溫度隨時(shí)間和地理位置而異，所以在軌航天器所受到的熱輻射強(qiáng)度也會(huì)隨時(shí)間和其在軌道上所處的位置而變化?事實(shí)上，由于地球相對(duì)于晝夜交替及季節(jié)變化的熱慣性和航天器相對(duì)于軌道周期的熱慣性均較大，使用平均地球輻照只會(huì)產(chǎn)生極小的誤差?實(shí)際應(yīng)用中，熱控工程師可以假設(shè)地球在整個(gè)截面區(qū)域均具有強(qiáng)度為237 W/m2的熱輻射?圖11.3地球熱輻射強(qiáng)度分布288 K的黑體曲線近似于地球表面輻射，218 K的黑體曲線近似于光譜區(qū)域中
不透明大氣產(chǎn)生的輻射
由于輻射強(qiáng)度隨軌道高度的升高按平方反比的規(guī)律下降，可以根據(jù)下式計(jì)算得出指定軌道高度上的地球輻射強(qiáng)度Jp的近似值(單位為W/m2)Jp=237RradRorbit2
式中，Rrad是地球有效輻射表面的半徑，Rorbit是軌道半徑?Rrad的精確數(shù)值很難確定，實(shí)際應(yīng)用中，可以假定與地表半徑RE相等?對(duì)于其他行星，則需要根據(jù)具體情況予以驗(yàn)證?例如，在水星上，一個(gè)恒星日與一個(gè)水星年的數(shù)量級(jí)相同，分別為59和88個(gè)地球天，晨昏線移動(dòng)十分緩慢，水星處于陽(yáng)光照射下的部分與處于陰影中的部分保持著上百攝氏度的溫差?水星軌道的偏心率也非常大，近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的太陽(yáng)常數(shù)相差2倍以上，季節(jié)變化很大?11.2.3航天器熱輻射航天器自身具有一定的溫度，也能向宇宙空間輻射熱量?由于航天器溫度與地球溫度相近(熱工程師正確地完成熱控設(shè)計(jì)的情況下)，航天器也將以紅外波長(zhǎng)熱輻射的方式向空間輻射所有的熱量?11.3熱平衡如前文所述，航天器溫度取決于其從內(nèi)部和外部熱源接收到的熱量與其自身輻射到空間的熱量之間的平衡?要控制航天器溫度，就必須控制航天器吸收的熱量?輻射的熱量或(通常)對(duì)二者同時(shí)采取控制措施?如果把航天器看成黑體，即假設(shè)航天器像黑體一樣向外輻射，并吸收所有外來(lái)的輻射，那么航天器最終將達(dá)到某一特定的溫度?在這種情況下，除了改變內(nèi)部熱耗散外，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行其他熱控?然而，實(shí)際中的航天器并不是黑體，只能吸收部分入射能量α，而且像灰體一樣發(fā)射熱量，所輻射的能量?jī)H相當(dāng)于相同溫度下黑體輻射的一部分ε，具體可表達(dá)為Jabsorbed=αJincident(11.3)Jradiated=εσT4(11.4)
式中，α和ε分別為吸收率和發(fā)射率，σ是斯特藩�膊�爾茲曼常量，等于5.67 × 10-8W/(m2?K4)?對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部熱耗散的航天器，有效吸收面積(面向太陽(yáng)的投影面積)為Aα，發(fā)射面積為Aε，達(dá)到熱平衡的條件為AαJabsorbed=AεJradiated(11.5)
將式(11.3)和式(11.4)代入上式可得AααJincident=AεεσT4
進(jìn)而可以導(dǎo)出熱平衡溫度T的計(jì)算式，T4=AαAεJincidentσαε(11.6)
由于Aα?Aε和σ都是常數(shù)，所以當(dāng)Jincident給定時(shí)，可以通過(guò)改變?chǔ)?ε的值實(shí)現(xiàn)對(duì)熱平衡溫度T的控制?然而，實(shí)際情況沒(méi)這么簡(jiǎn)單，α和ε并非獨(dú)立變量?在任何給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，