卫星为什么能在零下270度的太空工作?航天器热控制系统的秘密
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发布时间：2023-04-23 04:48
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时间：2023-10-08 21:21
前几日，SpaceX成功完成一箭60星的发射，一级火箭成功回收，猎鹰9号火箭上面级将60颗星链（starlink）卫星部署到440km轨道上，它们将依靠自己的电推机动抬升到550公里53°倾角的轨道上运行5年时间，单颗重量仅为227千克， 本次发射60颗卫星在SpaceX内部代号starlink block v0.9, 是没有卫星间链路和Ka波段天线的原型卫星。
主要用于部署测试和在轨机动试验，每颗卫星都搭载有氪燃料霍尔电推，（不要被这个氪字迷惑了，你以为马斯克终于不抠门了？虽然马斯克是喜欢看二次元，但他玩 游戏 的话绝对是个低氪玩家。
虽然氪燃料名字高大上了起来，但这还是为了省钱，因为传统电推使用的氙燃料便宜多了，虽然氪燃料性能有所下降，但单位立方米的高纯度氙气价格却是氪气体的18到20倍）
为了能让它们的仪器稳定工作在零下二百多摄氏度的外太空环境中，小小的星链卫星自己的体温调节系统一点也不简单，这次星链卫星block v0.9版本采用扁长方体外形，为了提高整流罩内空间利用率，未来星链卫星应该都采用这种方便堆叠的结构设计；
星链卫星由SpaceX与合作伙伴共同设计生产，SpaceX截至现在还没有公布该卫星平台的相关设计数据，但根据其结构和一贯的成本控制判断，其热控制应该为 二次表面镜涂层+热管网络+贴片电加热元件+多层绝缘隔热等技术；不过具体还有待其平台信息的公布；SpaceX计划在2021年前完成700颗星链卫星的发射。
在没有恒星光照时，太空温度约为零下270摄氏度，也就是宇宙微波背景辐射的温度，感谢宇宙大爆炸，这是它留下的余温，而在近地轨道面临太阳光照时，金属将被太阳辐射加热到260摄氏度，如今一般取地球大气外太阳辐射度平均值为1367W/平方米，因为地球环日轨道为椭圆状，太阳辐照度在一年中也会不断变化。
低轨航天器还会受到地球反射太阳光和红外辐射影响。国际空间站的向阳面表面温度会达到121摄氏度，而背阳面却低至-157摄氏度，内部仪器工作时还会产生一定的热辐射，如何让精密仪器在太空中生存下去呢？航天器热控制系统应运而生，让各个系统都能工作在自己的合适温度环境中。
航天器上的仪器设备各有自己适合的工作温度，一般可充电电池工作在-5到20摄氏度，普通设备在-15到50摄氏度工作，CCD相机工作在-30到40摄氏度，太空天文望远镜和红外望远镜还有专门的低温需求，为了减少背景热噪声。
为了工作稳定，提高光学传感器精准度，比如光学传感器 原子钟 陀螺仪还有专门的恒温要求。
为了防止温差导致结构形变，使得光学结构产生巨大形变，像哈勃望远镜和韦伯望远镜等大型光学航天器还有严格的仪器温度均匀性要求。航天器的热控制系统的任务就是保证各个系统与设备都能工作在合适的温度范围，保证整个卫星平台温度的稳定性。其工作本质就是进行各种热交换，我们这儿来复习一下，热交换分为热传导，热对流，热辐射，前两者都很好理解，热辐射后面会经常提到，热辐射指通过电磁波辐射向外发散热量，其发散速度取决于自身温度，温度越高，辐射越强发散越快。不同航天器工作在不同轨道，如低轨卫星，同步轨道卫星，深空探测器等，热控制系统应需求也有很多差异。
发射前，在点火发射之前的地面段，任务载荷温度环境受发射场当地气候影响，航天器热控制主要由地面塔架的空调系统负责。发射中，即从点火到进入轨道前的上升段，火箭在大气内高速飞行，例如阿丽亚娜5型运载火箭，整流罩表面温度将超过700摄氏度，如果整流罩没有足够好的隔热设计，将直接影响任务载荷的内外温度。关于整流罩详见：火箭整流罩出了什么问题？为何中美俄下一代载人飞船将它抛弃？在整流罩打开脱离到进入轨道这段时间，航天器因为太阳能帆板还未展开，供电不足，热控制系统还未完全工作，这段时间的温度控制就要靠轨道设计姿态控制等措施了。
进入轨道后，航天器受到太阳的直接热辐射，还有地球的反射光，因为航天器姿态，表面各部分也有相当大的温度差异，且随轨道运行，温度还会不断变化。在真空环境中运行的航天器，除了载入航天器与特定需求的航天器之外，它们的舱体都是非密封的，对于非密封的航天器也就是大多数卫星来说，内部热交换为仪器结构间的热传导和热辐射，密封的航天器因为内部充气，不仅有热传导和热辐射，还有气体对流热交换。
航天器的热控制系统包括主动热控制与被动热控制。
当从外界吸收外热与内部仪器工作废热太多时，需要热控制系统通过辐射散热排放出去，当缺乏外部热辐射时，还要内部热源产热维持温度。
热量太多时，向外热辐射可以靠航天器表面的的热控涂层，大致分为电化学型，涂料型，二次表面镜，它们的热辐射性质各有差异，二次表面镜是一种复合表面，由透明的表面层和反射可见光的金属背层构成，这是任何航天器最基础的热控制组成部分。二次表面镜涂层背面镀铝或银，具有太阳吸收比很低，发射率高的特点，按照星链卫星网络上公布的照片，及设计指标考量，其热控涂层应该为薄膜型二次表面镜。
为了减少各个仪器的热量损失，隔离环境热流，航天器上大多部位都包裹由多层隔热材料，负责发动机，推进剂储箱管道，电池与其它设备的热隔离。
接触热阻也起到相同作用，也能起到保护内部设备耐原子氧侵蚀和微小陨石撞击，其特点就是导热系数极低。我们常常看见卫星 探测器上外面一层那种金灿灿银闪闪的薄膜就是多层隔热材料（MLI）薄膜了。
顾名思义这是一种多层结构，由反射层 间隔层 包覆层等构成，反射层使用有机薄膜 金属镀层或金属箔，有机薄膜一般为聚酰亚胺膜，与金属层结合起到抵抗辐射，被动热防护的作用。间隔层为网状织物，用什么金属反射层就看具体需求了，最外面的包覆层也是镀金属的聚酰亚胺膜，所以我们看到的航天器有时候外面穿了一身银色衣服，有时候就是金色的了。最后其反射率最终会达到97%甚至更高。
如韦伯望远镜的遮阳板，由5层多层隔热材料MLI薄膜构成，每张MLI反射层均为双面镀铝聚酰亚胺膜。
对于主动去挑战太阳日冕层高温的帕克号探测器来说，工程师们还为它专门设计了一面2.3米直径的大热盾，反射热辐射，再降低热传导。
这面大热盾表面为白色的氧化铝反射层，11.4cm厚的热盾本体由碳碳复合材料夹泡沫隔热材料制成，就由它去挑战太阳日冕层1300摄氏度的热情吧。
对于大容量通信卫星至关重要的热管热控技术对于星链卫星来说肯定不会缺席，其热功耗大，功率密度高需要热管网络系统解决热控问题，热管是一种封闭管体，内壁为数层网状结构成为毛细芯，中间为中空，蒸发汽体在中间流通，凝结液在网状结构间流动。
热管与仪器热源接触后，管壁网状结构中的凝结液蒸发，蒸汽回流，在热管另一端冷却后在凝结再进入网状结构中回流；完成整个热交换过程。实现了减少向阳面和背阳面的温差，充分利用仪器设备产生的废热，实现了各仪器之间的等温。
热管可以组成热管网络，完成航天器各处的热量传递到散热器上，比如下面介绍的百叶窗散热等。
安装在航天器外的百叶窗通过控制转动叶片来遮挡散热底板，来控制散热速率；百叶窗散热器组件由五个主要元件组成：底板，叶片，致动器，传感元件和运动结构组件构成。
向外进行热辐射来发散热量的就是底板了，与热管网络连接，也可直接使用平板散热器或者可展开的散热面板。
当依然太热，无法满足仪器设备工作温度要求时，则需要热电制冷了。热电制冷器件的工作原理基于帕尔帖效应，当电流通过不同金属的结合部时，使结合部冷却。很多航天器也会携带液氮等超低温液体通过环路热管和制冷元件结合完成制冷。
然而并不是所有航天器都需要太强的散热能力，比如远离太阳的深空探测器们，它们的环境更需要热控制系统给予各仪器热量，当然在轨道上运转周期进入背阳面的卫星也是需要的。加热器与恒温器一起使用，保证特定组件的精确温度控制。或者在仪器组件开机工作之前预热到其最低工作温度。在航天器上使用的最常见的加热器是贴片加热器，其由夹在两片以上柔性电绝缘材料之间的电阻元件组成，通常为电热丝或其它电热元件。
非常薄，它们可放置进仪器内，也可包裹在一些管路上进行加热，贴片加热器可以同时包裹单个电路或多个电路，温度控制由计算机或者固态控制器负责。
还有两种加热方式分别为筒式加热和放射性同位素加热，对于深空探测器来说，到达木星之外后，太阳辐射已经非常低了，如果还依靠太阳能电池板是非常不现实的，太阳能电池板产生的功率大大降低，难以满足探测器仪器设备的用电需求。比如人类有史以来离太阳最近的帕克号探测器，整个探测器总功率也就343瓦，大家在家里随便组个台式机功耗都比它高，电加热器显然不能满足深空探测器的需求，这时候我们来放眼核能领域吧，既放射性同位素加热单元。
它们可以在需要的地方提供热量，而且不消化一点宝贵的电力。在每个同位素加热单元依靠放射性材料衰变以提供热量，最常用的材料是钚-238。
NASA用于深空探测器的单个加热单元重量仅为42克，可安装在直径26毫米，长32毫米的圆柱形外壳中。热量产生率随时间降低。
细分到各个仪器组件还有专门的热设计，满足各自独特的恒温 低温 均匀性等等要求。每个卫星根据其任务规划都有其专门的热控制系统设计,小小的227千克的starlink卫星要在太空长期稳定工作，提供高速互联网服务，其热控制技术也容不得一点马虎。未来应太空领域的不断开拓 探索 ，热控制技术也会顺应需求不断进步。
