航天器柔性熱控薄膜研究現(xiàn)狀

2013-09-27 楊 淼 蘭州空間技術(shù)物理研究所

  柔性熱控薄膜材料廣泛應(yīng)用于各種航天器平臺(tái),其性能對(duì)維持航天器正常工作環(huán)境至關(guān)重要。本文針對(duì)空間熱控技術(shù)發(fā)展要求,綜述了國(guó)內(nèi)外柔性熱控薄膜材料的技術(shù)指標(biāo)以及應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了國(guó)內(nèi)外各種航天器上普遍應(yīng)用的一次表面鏡、二次表面鏡、腐蝕防護(hù)膜和熱控帶等柔性熱控材料的工作原理及應(yīng)用范圍,并對(duì)國(guó)內(nèi)外典型柔性熱控產(chǎn)品性能進(jìn)行了對(duì)比。并介紹了相變熱控材料、CCAG 熱控薄膜等新型智能柔性熱控材料的研究情況。

  柔性熱控薄膜材料廣泛應(yīng)用于各種航天器平臺(tái),其性能對(duì)維持航天器正常工作環(huán)境至關(guān)重要。柔性聚合物材料由于其低廉的價(jià)格、易于生產(chǎn)、易于安裝、重量輕等優(yōu)勢(shì)而備受航天器設(shè)計(jì)人員青睞。隨著航天事業(yè)的發(fā)展,各種新型柔性聚合物材料被研制并大量用于國(guó)內(nèi)外各種航天器上,代表航天器未來(lái)發(fā)展方向的膨脹展開部件更是絕大部分采用柔性聚合物材料。但是,各種柔性聚合物材料也有其固有的缺點(diǎn),例如耐輻照性能較差、耐原子氧作用較差、聚合物一般為絕緣材料而引起空間充放電效應(yīng)等。雖然也開發(fā)研制了一批適應(yīng)特殊要求的高聚物材料,如導(dǎo)電型聚合物,但也要損失原有材料的某些優(yōu)異性能。

  材料表面處理是解決聚合物材料空間環(huán)境適應(yīng)性能差的主要方案,采用對(duì)柔性聚合物基底表面真空鍍膜的方法能得到具有高穩(wěn)定可靠性、空間長(zhǎng)壽命、優(yōu)越防護(hù)性等多種優(yōu)異性能的柔性熱控材料。因此,柔性熱控薄膜在各類航天器上的應(yīng)用越來(lái)越被重視。

1、航天器常用柔性熱控薄膜

  航天器柔性熱控薄膜在空間環(huán)境中的所處位置不同,其熱控系數(shù)以及耐空間環(huán)境性能也有所不同。根據(jù)各種航天器熱控的性能要求,國(guó)內(nèi)外已研制出多種不同性能的熱控薄膜材料。根據(jù)薄膜的功能和使用范圍的不同,柔性熱控薄膜主要分為以下幾種類型:第一表面鏡、二次表面鏡、腐蝕防護(hù)膜、透明導(dǎo)電膜、黑膜、多層復(fù)合膜、熱控帶等,以及各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的可調(diào)發(fā)射率智能熱控材料。另外,上述所有的柔性薄膜又都可以做成打孔型熱控薄膜材料。

  國(guó)際上目前對(duì)柔性熱控膜的產(chǎn)品生產(chǎn)以美國(guó)Sheldahl 公司最全,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的定型化和系列化,并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)貨采購(gòu);此外,英國(guó)PS 公司、美國(guó)OCLI公司在聚酰亞胺熱控膜方面也較早地開展了應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的工程化應(yīng)用。我國(guó)針對(duì)柔性熱控薄膜技術(shù)研究起步較晚,很多技術(shù)還處起步階段。蘭州空間技術(shù)物理研究所從1987 開始進(jìn)行柔性熱控薄膜的研究工作,研制的多種產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,替代進(jìn)口產(chǎn)品應(yīng)用于我國(guó)的多種航天器平臺(tái)。

1.1、二次表面鏡

  二次表面鏡(Second-Surface Mirrors) 是一種衛(wèi)星用長(zhǎng)壽命被動(dòng)溫控材料。它具有重量輕、穩(wěn)定性好、可制作成大面積產(chǎn)品、安裝方便、工作可靠等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于各種空間飛行器,如:空間站和通信、中繼、導(dǎo)航、氣象等各類衛(wèi)星。主要技術(shù)特點(diǎn)是,對(duì)太陽(yáng)光譜具有較高的反射率,可反射掉大部分的太陽(yáng)輻照能量,從而減少?gòu)?qiáng)日照對(duì)衛(wèi)星等航天器造成的溫升;同時(shí),具有很高的發(fā)射率,可將衛(wèi)星內(nèi)部的廢熱發(fā)射出去,可以降低星載儀器所處的環(huán)境溫度,使其始終處于正常工作的溫度范圍,對(duì)保證整星的正常工作和延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命具有非常重要的作用。此外,導(dǎo)電型的二次表面鏡外表面還鍍有一層透明導(dǎo)電膜,具有靜電防護(hù)功能和防原子氧功能,可消除空間放電和原子氧作用對(duì)衛(wèi)星和材料本身的威脅。沖孔型的導(dǎo)電型二次表面鏡不但簡(jiǎn)化了防靜電膜的接地,而且提供了大量的出氣通道,常用于特殊部位包扎和多層隔熱表面。

二次表面鏡功能示意圖

圖1 二次表面鏡功能示意圖

結(jié)束語(yǔ)

  隨著開發(fā)利用空間資源和空間軍事的需求日益增長(zhǎng),各類人造地球衛(wèi)星、空間實(shí)驗(yàn)室、空間望遠(yuǎn)鏡、深空探測(cè)器等航天器的數(shù)量逐漸增加,面對(duì)的空間環(huán)境要求越來(lái)越復(fù)雜,增加柔性熱控薄膜的重要性也逐漸提高,尤其是對(duì)各種新型柔性熱控薄膜的需求刻不容緩。因此,研制價(jià)格適當(dāng)性能優(yōu)異的柔性薄膜材料是一項(xiàng)重要的課題。