小卫星的冷暖迷局

邢强

卫星不大，难题不小

所谓热控制就是把被控对象的温度控制在合适的范围内。热控制与我们的生活息息相关。能够根据天气情况增减衣物的人就是生活中的热控制专家。夏天的空调凉风和冬天的供热暖气都是人们对室内环境进行热控制的有效手段。另外，盖在地球上的厚厚的大气层也在对地面上的物体进行着热控制。白天，大气层反射掉一部分太阳辐射，空中飘浮的云朵还能起到遮阳伞的作用。晚上，大气层则能保持一部分地面辐射的热能，起到棉被的作用。

但是，对于运行在大气层外的卫星而言，进行热控制并不是一件很容易的事情。在近乎真空的太空环境中，太阳辐射对卫星加热的效率很高。太阳这个表面温度达6 000℃的大辐射源把51.2%的能量集中在了波长为0.2至2微米的红外波段，在给地球上的生命赋予温暖的同时也把致命的杀伤力送给了卫星。如果不能对卫星进行有效的热控制，当太阳照射到卫星的时候，卫星的表面温度会迅速升高，而当卫星绕到地球阴影中的时候，其表面温度又会迅速下降，其温度波动范围可达±200℃。自从第一颗人造卫星上天以来，人们就想方设法地使卫星的温度处在合适的范围内，但早期的尝试不算很成功。在人造卫星发展的前10年中，卫星的平均寿命仅有1年左右，其中有很多卫星的失效是和恶劣的温度环境直接相关的。

而对于从上世纪80年代开始迅猛发展的小卫星来说，热控制的难度要比大卫星还要高，这主要得归咎于卫星的小体积。想让一个物体在波动的温度环境中保持恒定温度，应该把它做得足够大，并尽量做成球形。体积越大，则物体储备的热量越多，越容易维持温度的稳定，有利于增大物体的“热惯性”。表面积越大，物体跟外界进行辐射热交换的速度就越快，越不容易维持温度的稳定，会减小物体的“热惯性”。一个三维物体的体积与外形尺寸的三次方成正比，而它的表面积与外形尺寸的平方成正比。因此，对于相同形状的物体而言，其外形尺寸越大，表面积相对于体积来说就越小，“热惯性”越大。生长在寒冷地区的恒温动物的体型较大，有助于它们维持自己的体温。但是“生活”在更加寒冷的环境中的小卫星的体积却很小，这就注定了它抵御温度波动的能力先天不足。

小卫星内部紧凑的元器件布局给它的热控带来了更大的难题。卫星的小型化得益于集成电路的发展，而大规模集成电路却给卫星带来了两个新问题。首先，当集成电路替代电子管成为设备的核心部件之后，以往的那个当设备运行不畅时踢上一脚兴许会恢复正常的时代便一去不复返了。集成电路的高效掩饰不了其脆弱敏感的缺陷。在70℃以上的温度中工作的集成电路，每当温度升高1℃，可靠性就会下降5%。其次，大规模集成电路工作时的发热量非常大，我们可以从电脑高速旋转的风扇中体会到这一点。小卫星内集成电路的热流密度有时会达到100瓦/厘米2以上。在盛夏时节的正午时分，万里无云的华北平原地区的太阳辐射的最大强度可达893瓦/米2。可见，小卫星集成电路的热流密度是它的1 100多倍。大家可以找一个阳光充足的中午到户外随意感受一下。

方法总比困难多

整体热惯性小和局部热流密度高是小卫星热控系统要面临的大难题，也是阻碍小卫星做得更小的技术瓶颈。几十年来，一些优秀的设计使小卫星基本上解决了上述问题。这些设计花样繁多极具创意，但大体上可以归纳为被动式和主动式两种。

小卫星的体积较小，不能装备大型的太阳能帆板，这就意味着星上可供利用的能源不多。而小卫星执行的任务和搭载的有效载荷却往往并不逊色于那些数吨重的大卫星，因此原本有限的能源还要优先用来供应那些载荷设备。所以，不消耗星上能源的被动式热控技术成为了小卫星的首选。表面涂层和覆盖物技术是一种经典的被动式热控方法，卫星表面覆盖的那层常被误认为是金箔的聚酰亚胺薄膜层就是一种热控手段。

太阳辐射的升温效应和卫星向宇宙空间辐射放热的降温效应会最终实现平衡，而不同材质和颜色的涂层对平衡温度的大小起着决定性的作用。以一颗能被太阳照射到且没有内部热源的地球同步卫星为例，如果其表面是明晃晃的金属外壳的话，平衡温度可达425.7℃，如果表面刷着灰漆，则平衡温度为86.3℃，而如果表面敷上石英玻璃镀银二次表面镜（optical solar reflector简称OSR）这种热控材料的话，平衡温度可以降到-71℃。这是因为不同材料的“吸收辐射比”（从辐射中吸收热量的能力与向宇宙空间中释放热量的能力的比值）是不同的。金属对热量很贪婪，其吸收辐射比大多在2以上，比如黄金为10.5、钛为6.4、不锈钢为2.2、灰漆和OSR的吸收辐射比分别为0.7和0.07。上文提到的聚酰亚胺薄膜的吸收辐射比为0.55左右。涂层的颜色对吸收辐射比的影响也比较大，用炭黑制成的黑漆的吸收辐射比是用二氧化钛制成的白漆的4倍以上。我们可以通过比较烈日照射下的钢铁和玻璃的表面温度来体验材质和颜色对吸收辐射比的影响。

一个用双手捏成的小雪球在阳光下一会儿就会化尽，而一个大雪堆则能够屹立数天，这就是热惯性的力量。小卫星的“体能”先天不足，热惯性太小，只好从“智能”方面来弥补。一种用镧锰氧和二氧化钒制成的能够随不同温度改变颜色的智能涂层能显著提高小卫星的热控能力。当环境温度由-100℃升高到100℃的时候，该涂层向外辐射热量的能力会提高3倍以上。一种只有120克的微型热开关也能智能地控制热量，其开启和关闭两个状态下的热导率能相差30倍。另外，有一种长得像两扇门板的智能散热片很值得一提。“门板”的正面涂有吸收辐射比很高的涂层，反面涂有吸收辐射比很低的涂层。当温度较低时，门板紧闭，正面朝外，有助于在吸收外界热能的同时保持星内温度。当温度较高时，散热片转轴处的形状记忆合金被唤醒，两扇门向外打开，露出了不爱吸热只爱放热的反面，此时的小卫星长出了两只大象耳朵，有利于将热量辐射到宇宙空间中。

以上都是被动式的热控，随着技术的发展，小卫星具备了对自身温度进行主动控制的能力。用微机电系统控制的百叶窗就是主动热控的代表。在小卫星表面安放密密麻麻的百叶窗（400个/厘米2），当星内温度过高的时候，开窗散热，卫星向外辐射热量的功率可以瞬间提升10倍。针对小卫星内局部热流密度高的问题，人们研发了主动喷雾降温装置。微型泵把绝缘冷却液泵入阵列喷嘴，冷却液被液化成细小的雾滴附着在集成电路表面后形成一层热量传递薄膜，能够有效冷却热流密度在100瓦/厘米2以上的高发热器件。

我国在2002年成功发射入轨的“海洋一号”卫星是一颗典型的小卫星。该星质量约为367千克，上面搭载了十波段水色仪和四波段CCD相机等重量级观测设备。在巧妙设计了卫星涂层并设置了13个主动闭环温控后，星内设备的温度在全年范围内都可控制在16℃到24℃之间，对温度十分敏感的水色仪的温度更是能够一直保持在10℃左右，现代热控技术能让小卫星在凶险的宇宙空间中始终保持着如江南春天般的舒适温度。亚利桑那大学设计的一颗质量为5.9千克的纳卫星用镀银聚四氟乙烯、导热环氧树脂、黑漆以及阳极化铝等材料搭建的热控系统能够把星内温度控制在0到50℃之间，是一次把卫星进一步小型化的大胆尝试。NASA的一份报告指出，智能化主动热控技术可以使小卫星热控系统的重量减轻75%左右。未来更巧妙的设计一定会使卫星越来越小的同时也越来越能抵抗太空的极端环境。

虽然现有的热控技术已经能够保证小卫星的健康，但我们希望未来的技术还能让小卫星更加长寿。想让小卫星长期在轨正常运行，还需要考虑空间紫外线辐射等因素。紫外线辐射的能量仅占太阳总辐射能量的1%左右，但却能严重伤害小卫星表面薄薄的涂层。防热涂层的损坏会使星内温度逐渐上升，最终使设备损坏。小卫星需要解决的难题还有很多。

责任编辑：王鑫邦endprint