微型星用熱開關(guān)輻射器因其輻射能力可根據(jù)需要主動調(diào)節(jié)，整體采用薄膜和微結(jié)構(gòu)制造，具有輕小、低功耗等的特點，非常適合于微/ 納衛(wèi)星熱控應(yīng)用。國外同類器件主要采用硅工藝制作，由于材料和工藝限制，器件熱性能較差。本文提出了一種基于激光微加工技術(shù)，采用聚酰亞胺作為結(jié)構(gòu)材料的微型星用熱開關(guān)輻射器，介紹了器件的工作原理，對器件結(jié)構(gòu)和熱性能進(jìn)行了理論分析，確定了影響器件性能的主要素。然后采用紫外激光微加工、浸漬提拉法和磁控濺射薄膜沉積等技術(shù)制作了微型熱開關(guān)輻射器樣件，并進(jìn)行了驅(qū)動電壓和性能測試。測試結(jié)果表明，樣件驅(qū)動電壓為97 V，輻射功率調(diào)節(jié)量約為0.1 W。最后對測試結(jié)果進(jìn)行了分析和討論，提出了改進(jìn)方案。

　　航天器熱控制系統(tǒng)主要用于使航天器結(jié)構(gòu)部件、設(shè)備儀器在空間環(huán)境下處于一個合適的溫度范圍，以保證其正常運行和工作。航天器在軌期間，與外界的絕大部分熱交換通過熱輻射方式完成，因此，輻射器是在軌航天器與外界進(jìn)行熱交換的主要通道，是航天器熱控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，研制周期短、成本低、可批量化生產(chǎn)的微/納衛(wèi)星已經(jīng)成為航天技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。微/納衛(wèi)星由于結(jié)構(gòu)微小型化和高度集成，因此其自身熱容很小，功率密度較高，整星溫度很容易受到空間外熱流和星載儀器設(shè)備工作狀態(tài)的影響而導(dǎo)致衛(wèi)星溫度的大幅度變化，而傳統(tǒng)的輻射器等衛(wèi)星熱控裝置，由于本身重量面積比很大，一般為5~ 10 kg/cm²，且功耗很高，對于能源供應(yīng)有限且成本嚴(yán)格受控的微小衛(wèi)星極不適用。因此迫切需要輕小、低功耗且具有較強調(diào)控能力的主動熱控技術(shù)。

　　微機電系統(tǒng)(MEMS) 技術(shù)的發(fā)展為微納衛(wèi)星熱控提供了新的解決途徑，美國Johns Hopkins University (JHU)的Osiander 等針對微納衛(wèi)星熱控開發(fā)了一種梳齒電機驅(qū)動的遮蓋式衛(wèi)星熱控百葉窗，但是由于受結(jié)構(gòu)限制，熱控性能較低。隨后，美國NASA 和Sensortex公司聯(lián)合開發(fā)了一種基于熱開關(guān)原理的靜電可開關(guān)型輻射器(ESR) ，器件整體尺寸100 mm × 90mm，輻射功率變化量約為1.4 W ，但是由于驅(qū)動電壓高達(dá)300~ 400 V，難以應(yīng)用于能源有限的微納衛(wèi)星。為了降低熱開關(guān)輻射器的電壓和重量，美國海軍研究院和JHU 聯(lián)合開展了基于硅工藝的微型熱開關(guān)輻射器研究，研制的器件整體尺寸為5.5 mm× 6.5 mm，單個單元大小為0.550 mm × 0.550 mm，為了降低電壓，采用2 um 厚的Au 膜作為彈性散熱薄膜，驅(qū)動電壓為25 V。但是由于作為散熱膜的Au 本身發(fā)射率很小，因此未能測得輻射功率變化量等熱性能參數(shù)。

　　由此可見，基于MEMS 技術(shù)制作的微型熱開關(guān)輻射器整體具有體積小、重量輕的特點，同時由于采用靜電驅(qū)動，因此功耗很低，輻射器整體輻射功率可根據(jù)整星溫度和外界熱環(huán)境進(jìn)行實時調(diào)整，具有較強的自主調(diào)控能力，且易于與微/ 納衛(wèi)星集成。同時由于采用熱開關(guān)結(jié)構(gòu)，因此非常適合于微/納衛(wèi)星熱控應(yīng)用。本文提出了一種以具有較高紅外發(fā)射率和較強空間環(huán)境適應(yīng)性的聚酰亞胺薄膜作為彈性散熱薄膜，整體基于浸漬提拉法和紫外激光微加工技術(shù)制作的微型熱開關(guān)輻射器。

結(jié)果與討論

　　經(jīng)測試，我們制作的微型熱開關(guān)輻射器驅(qū)動電壓約為97 V。在該驅(qū)動電壓下輻射功率變化量約為0.1W，單位面積輻射功率變化量為5.3 mW/cm²，約為NASA ESR( 15.5 mW/ cm²) 的三分之一，熱控制性能較低，分析認(rèn)為主要原因如下:

　　(1) 各層發(fā)射率不能滿足要求。理論分析結(jié)果表明，E1和E2只要有一個小于0.1 即可，Au 膜發(fā)射率約為0.1，因此能夠滿足要求。然而現(xiàn)有的5 um厚的聚酰亞胺膜E3不到0.5，因此輻射功率變化量很小。然而要使E3> 0.9，散熱薄膜厚度就需要達(dá)到足夠的厚度( 約30 um 以上) ，而對于靜電驅(qū)動的熱開關(guān)輻射器，驅(qū)動電壓與散熱薄膜厚度平方成反比，30 um 厚的散熱膜驅(qū)動電壓高達(dá)幾百伏，無法實現(xiàn)星上應(yīng)用。

　　(2) 結(jié)構(gòu)漏熱嚴(yán)重。為了制備超薄懸空薄膜，我們采用的不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)漏熱較為嚴(yán)重，這也是輻射功率變化量小的原因之一。

　　后續(xù)設(shè)計優(yōu)化中，主要改進(jìn)是增加膜厚以提高散熱膜發(fā)射率，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)降低驅(qū)動電壓，將支撐結(jié)構(gòu)換成絕熱材料減小結(jié)構(gòu)漏熱等。