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中国人造地球卫星在太空会不会被冻坏?

时间:2017年08月22日 信息来源:网易军事 点击: 字体:

中国人造地球卫星在太空环境中运行过程中,会遇到高温和低温两种环境。因为太阳是一个巨大的热源,在太空的真空环境中又没有传导与对流散热,所以在太阳直接照射人造地球卫星时,如果不加防护,温度可达100°C以上;但当人造地球卫星进入地球阴影区时,温度又会低于—100°C以下。显而易见,人造地球卫星内的各种仪器设备不可能在如此大的温差环境中正常工作。另外,地球的太阳光反射和红外低温辐射也会影响卫星温度;人造地球卫星内的仪器设备工作时还要向外散发热量。为此,中国人造地球卫星都有热控制(或叫温度控制)分系统,把卫星内温度控制在仪器设备可以正常工作的温度范围内。

人造地球卫星的热控制就是通过控制卫星内外的热交换,使星体各部位及星上仪器设备在整个飞行任务期间都处于正常工作的温度范围内。一般的电子设备,如果长时间工作在50℃以上的环境中就会产生故障,而化学电池等一些设备,如果在0℃以下工作其效率又会很低。所以,虽然卫星外的温差为100℃到-100℃,但人造地球卫星内的温度一般要保持在5~45℃的范围内,个别的部分只允许在恒定的温度下有1~2℃的变化范围。

中国人造地球卫星的热控制方法有被动式和主动式两种。其中被动式热控制可采用多层隔热、涂层和热管等方法;主动式热控制可采用百页窗、电加热器、流体循环换热等方法。

被动式热控制是依靠选取不同的热控材料,合理地组织卫星内外的热量交换过程,其优点是不需要消耗能量,只要在卫星的内外表面及仪器设备上采取相应的措施就能达到热控制的目地。

用多层隔热材料把需要保温的仪器包扎起来是最简单的被动式热控方法。这种材料由多层镀铝聚酯薄膜构成,通常用真空沉积法将铝镀到聚酯膜的正面或正反两面。

喷涂法是在人造地球卫星外表的不同方位喷涂上白漆、三氧化二铝等低吸收辐射比的涂层,使人造地球卫星吸收太阳的热量与向外辐射的热量达到平衡,以降低蒙皮温度;在卫星壳体的内表面通常喷以高辐射率涂层,以增强各部位之间的内辐射,改善壳体温度的均匀性。也可在人造地球卫星表面采取抛光或电镀的办法,来提高它的辐射率。

热管是一种传热元件,它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力,可以把发热量大的仪器的热量传导到不发热的仪器上。

尽管被动式热控制简单、经济、可靠,但其热控制精度稍低,控制的范围有限,本身没有自动调节温度的能力,只适用于一些对温度调节要求比较低、仪器设备发热量不大的人造地球卫星。一些对温度调节要求比较高的卫星,还需在被动式热控制的基础上采用被动式热控制。

主动式热控制很象一般的冷热空调,它是用主动加温或降温来达到热量的平衡,即热了吹冷气,冷了送热风。

可在人造地球卫星的表面安装能活动的百叶窗。这种百叶窗主要由热敏动作器、叶片和底板组成,当卫星内的温度超过要求的范围时,用热敏材料制成的动作器会受到膨胀,使驱动叶片打开,露出表面涂有高反射涂层且与发热量较大设备基座连在一起的底板,从而调节卫星内部的温度。

人造地球卫星内用的电加热器一般由由电热丝、温度敏感元件和恒温控制器组成,具有结构简单、使用方便、控制精度高等优点,既可以用于整舱的主动热控制,也能用于个别仪器的温度调节,但需消耗星上的宝贵电能,只限用于一些能源比较充裕的卫星上。

流体循环换热主要用于发热量多的大型人造地球卫星或载人航天器。它是采用一套复杂的流体循环换热装置,即在卫星的各个部位和仪器上用热收集器收集热量,然后收集的热量通过导管中液体的流动带到一个热交换器上,再由热交换器把热量传到热辐射器,通过辐射器把热量辐射到空间。

在大多数的情况下,人造地球卫星一般采用被动和主动两种方式联合工作,以确保温度控制的可靠性和高效率。

中国已发射的人造月球卫星,如嫦娥1号的热控系统与人造地球卫星的热控系统有什么不同呢?相对于月球环境,地球表面的大气层分布均匀,环绕地球飞行的人造地球卫星所受的热辐射的影响比较小,而在月球表面不存在大气层,并且受太阳的影响,所以其表面的温度变化非常大。当有太阳照射时,其月面温度高达约130C°,而它的背阴面此时的温度却是约—180C°。如此大的温差变化对人造月球卫星的热控提出了更高的要求。所以,与人造地球卫星相比,嫦娥1号热控制分系统的研制也是一大难点。

由于嫦娥1号绕着月球转,月球绕着地球转,地球带着月球和月球旁的卫星绕着太阳转,相对关系比较复杂,从而导致绕月卫星的热变化巨大。在嫦娥1号奔月和绕月飞行的过程中会受到太阳、月球、月球阴影、地球阴影(月食)等影响,外热流条件非常恶劣、复杂,星体各个表面外热流变化很大,尤其是对月面的月球红外热流值在某些轨道条件下,从每平方米超过1000瓦到几十瓦的范围内波动。因此,对人造月球卫星的热控制有两个鲜明特点,其一是其热环境较地球环境有非常大的差异,其二是有特殊热控要求的仪器设备多,而且对热控制要求高。

嫦娥1号在一年的寿命期内,不可避免地需经历两次月食,每次月食的影响时间均在5小时左右。月食对热控制分系统的温度维持能力和供配电分系统的供电能力、星上状态设置的准确性和最小功耗模式的稳定性等都提出了更高的要求。

为了保证星内各探测仪器正常工作,解决好热防护问题,经过攻关,科研人员建立了整个月球温度场模型,并结合轨道条件和卫星姿态条件计算出了卫星各个面的外热流。最终,科研人员为嫦娥1号研制了一件能“冬暖夏凉”的特制保温“衣服”,即特殊的新型热控制分系统。它可实现卫星在热的时候能够起到散热的作用,在寒冷的环境下又能够保证卫星的温度。尤其是在发生“月食”时,其热控制分系统要能保证星上所有设备在正常的工作温度范围。

为了科学探测的需要,嫦娥1号这个六方体中安装科学探测仪器的一面要一直对着月球。为此,星体的这个对月面采用了一种特殊的超级隔热材料,主要是为了防止月面上的红外热流对卫星探测仪器产生影响。而其余的5个面由于不对着月面,所以安装了一种特殊的散热面材料,能够做到最大程度的散发热量。

当嫦娥1号绕月正常飞行时,其太阳电池翼吸收阳光,而5个散热面就是热控制分系统的最重要部分。当嫦娥1号飞行至月球的背阴面时,由于经历的时间较短,其热控制分系统能够根据之前收集的热量进行适当调整。当卫星进入月食环境后,真正考验热控制分系统的时刻来到了。由于需经历长达5小时的寒冷环境,所以科研人员在热控制分系统中采用了热管技术,它是一种被动式热控制方式,在嫦娥1号内部安装的这种特殊导热管可以把发热量大的仪器的热量传导到不发热的仪器上,让冷热温度在导管内部循环流动,使冷热面的温度得以均匀化。采用这种技术让温度均匀化后,可以减少5个散热面的面积,也就相应的减少了热量的流失。当用蓄电池给嫦娥1号、2号提供能源的时候,其产生的多余热量可以通过导热管散布到卫星的各个面,这就使蓄电池的温度得以控制而正常工作。





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