本文從航天器用熱控涂層的控溫機理出發，講述了熱控涂層如何確保航天器載荷設備在空間的正常運行；并通過鋁合金、鎂合金等輕質合金典型熱控表面處理技術的發展，介紹了航天用輕質合金目前常用熱控涂層的特點及應用方向，并對未來航天需求熱控涂層進行了展望。

　文| 白晶瑩 北京衛星制造廠熱表工程中心

　太空是一個高真空的特殊環境，航天器在空間環境運行時，太陽照射及非照射時，其溫差變化范圍超過數百度。為保障航天器在苛刻的高真空、高低溫交變環境中的正常運行，航天器上所有的載荷、設備必須保持在一個相對恒定的溫度區間內，而惡劣的空間環境給航天器的正常工作帶來了極大的挑戰，必須采取有效的設計、工藝方法控制航天器的內外熱交換過程和各點溫度變化的速率，通過有效的熱控設計維持航天器載荷、設備在各種工作狀態下的溫度變動不超出設備允許的范圍，確保航天器的正常運行。熱控涂層是航天器上專門用來調整固體表面熱輻射性質從而實現熱控目的的一類特殊功能涂層。熱控涂層覆蓋于航天器艙板、儀器板以及儀器的表面，使其熱平衡溫度處于設備要求的范圍內，作為一種最常用的被動控溫方式，熱控涂層是航天器研制的重要組成部分，直接影響到其他系統正常運行和航天器壽命。

　對于一個在地球軌道上的等溫物體而言，如圖1 所示，服役條件下航天器太陽輻射Qa 和內熱Qi 為確定值，如果只考慮太陽光輻射和內熱源，沒有地球反照和地球紅外輻射的影響，達到穩定狀態時，它所吸收太陽光的熱量應等于它輻射的熱量。當等溫物體表面覆蓋熱控涂層時，其吸收太陽光的熱量及輻射的熱量就會受到熱控涂層熱輻射性能的影響。熱輻射性能包含熱吸收性能及熱輻射性能，其性能的高低表征了熱控吸收、輻射性能的大小，當涂層的熱吸收性能越低時，吸收的太陽光熱量就越少，當涂層的熱輻射性能越高時， 其輻射的熱量就越多，此時就可以通過控制熱控涂層的吸收及輻射特性來實現該物體熱量的控制。因此，航天器的熱平衡可通過其熱吸收性質和熱輻射性質決定。
 

　　
圖1 空間物體熱平衡示意圖
 

　每一種材料都具有特定的熱吸收性質（通常以太陽吸收比（αs） 表示）和熱輻射性質（通常以半球發射率（εH） 表示）， 從理論上說都可以應用于一定的熱環境中實現某種熱控功能。對于特定的航天器來說，在太空環境中運行時，載荷設備運行時的熱量變化及太陽照射等都會影響航天器的熱平衡，由于結構表面的溫度與表面太陽吸收比、發射率密切有關，因而可以通過熱量計算，在航天器表面制備具有特定太陽吸收比- 半球發射率的熱控涂層， 來實現其表面的熱平衡，并確保其溫度在一個合適的范圍內。

　為滿足輕量化的要求，航天結構金屬材料多采用鋁合金、鎂合金等輕質合金材料。由于材料應用于航天器不同的產品、部位，其熱平衡差異較大，導致材料本身的熱輻射特性無法滿足設備的熱控和環境服役需求，必須通過不同的熱控涂層確保航天器部件及材料在空間的長效穩定運行。隨著世界各國航天技術的不斷發展，輕質合金表面熱控涂層技術得到了很大的發展和應用，形成了各類具有特定太陽吸收比和半球發射率的熱控涂層，實現了航天器載荷、設備的熱控平衡，推動了航天技術的發展。
 

圖2 鋁合金表面熱控鍍金產品
 

  鋁合金熱控表面處理技術

　鋁合金作為航天器研制過程中應用最多的一種輕質合金材料，在航天器結構機構、天線、供配電、有效載荷等分系統中大量使用。鋁合金熱控技術是最早發展起來的一類熱控技術，通過幾十年的發展， 目前鋁合金材料已經形成了熱控鍍、熱控陽極氧化、熱控噴涂等熱控涂層制備技術體系，并應用在CE 系列、HY 系列、SZ 系列及空間站等各種航天器。

　案例1：鋁及鋁合金熱控電鍍技術

　鋁合金材料電鍍技術主要包括鍍金、鍍銀、鍍鎳等技術，鍍層的外觀、結合力及熱控性能需滿足特定的星用需求，并具有良好的耐空間環境性能，目前產品應用比較成熟，研究主要集中在工藝優化和可靠性的進一步提高上。鋁合金材料鍍層的熱控功能主要應用在數傳天線波導、電子產品機箱及微波殼體、T/R 模塊殼體等產品中，典型產品如圖2 所示。目前，鋁合金熱控電鍍產品耐空間環境性能好，鍍層不僅具有特定熱控性能，而且焊接性能優異，同時可實現產品局部鍍覆，控制精度可實現±1mm，且厚度靈活可控。

　案例2：鋁合金熱控陽極氧化技術

　鋁合金陽極氧化技術是最早發展起來的熱控技術之一，目前已經形成發黑陽極氧化熱控膜層（0.6 ≤ αs ≤ 0.75， εH ≥ 0.85）、光亮陽極氧化熱控膜層（αs=0.25±0.03，εH =0.30±0.03） 和消雜光超黑熱控膜層（αs ≥ 0.95） 等，經過多年的型號應用及飛行驗證，其膜層外觀、結合力及特殊性能夠有效滿足星上產品使用需求。目前鋁合金陽極氧化熱控涂層的高穩定耐空間交變性能及超黑熱控膜層的高系數是發展的主要方向。
 

　　
圖3 鋁合金表面陽極氧化產品：a黑色熱控膜；b光亮熱控膜；c消雜光熱控膜
 

   鎂合金熱控表面處理技術

　鎂合金作為新型的輕質金屬結構材料具有密度低、減震性能及電磁屏蔽性優異的特點，是航天器實現結構輕量化的理想材料。目前鎂合金材料已經開始應用于空間飛行器中電子產品機箱、相機、天線、結構與機構以及武器裝備領域單兵作戰領域，但鎂合金材料化學性質活潑易腐蝕， 應用于型號產品必須進行表面處理，滿足應用時的熱控及防腐等需求。目前北京衛星制造廠應研發成功鎂（含鎂鋰）合金化學鍍鎳、微弧氧化、鍍金、鍍銀等工藝技術功，性能穩定，質量可靠性高，能夠滿足鎂（含鎂鋰）合金電子產品機箱、相機、天線等結構產品表面防腐、熱控、導電等功能處理，并逐步應用到航天領域中。

　案例1: 鎂合金氧化類熱控膜層技術

　表面氧化處理是制備鎂合金防腐、熱控膜層的一類主要工藝技術。通過對工藝過程及參數的研究，北京衛星制造廠突破了微弧氧化及高壓陽極氧化等關鍵技術， 形成了白色微弧氧化熱控膜層及綠色高耐蝕陽極氧化熱控膜層制備技術，所得膜層厚度均勻，其中綠色氧化熱控膜層半球發射率（εH） ≥ 0.85，且具有良好的耐蝕性能（耐中性鹽霧96h 無腐蝕）和空間穩定性， 適用各種等鎂合金基材，已經在深空探測、二代導航以及單兵作戰裝備中實現應用。

　圖4 鎂合金氧化類熱控膜層技術

 

     案例2：鎂合金表面導電、防腐熱控鍍膜層技術

　在航天應用過程中，鎂合金材料需滿足地面存儲、試驗、發射環境防腐、導電及空間環境熱控等功能性需求，國外已經將微弧氧化及鍍覆技術應用于航天結構鎂合金的防腐熱控。北京衛星制造廠依托型號需求，研制成功了鎂合金微弧氧化黑色熱控膜層技術、化學鍍鎳導電強化技術及復合膜鍍層一體化工藝技術，在鎂合金電子機箱產品實現了整體防腐、局部熱控、局部導電強化等功能性需求，產品交變濕熱試驗240h 無腐蝕；熱控涂層中性鹽霧試驗240h 無腐蝕；半球發射率（εH） ≥ 0.85； 實現了鎂合金材料在深空探測型號的成功應用。該項技術穩定成熟，經中國航天科技集團公司鑒定：“鎂合金機箱表面處理技術總體水平處于國內領先，防腐、熱控、導電一體化技術以及部分指標達到了國際先進水平”。目前已經在深空探測、載人航天、二代導航等多個型號鎂合金電子產品機箱中實現應用。
 

　 
　
　圖5 鎂合金長效防腐熱控膜層
 

   輕質合金熱控涂層技術

　熱控涂層具有熱輻射性能可控范圍大， 工藝操作簡單，性能重復性好，成本低的優點，可以用于輕質合金的表面熱控。熱控涂層包括黑漆、灰漆、白漆等品種，目前應用廣泛的為黑漆和白漆。
 

　　圖6 黑色熱控涂層
 

    案例1: 黑色熱控涂層技術

　黑色熱控涂層是為了強化航天器內部散熱研發出來的熱控涂層。航天器有效載荷在工作過程中會產生大量熱量，導致載荷內部溫度逐漸升高。為控制有效載荷工作溫度范圍，需研發具有高半球發射率的熱控涂層以滿足散熱需求。目前國內已經研制應用多種黑色熱控涂層，如HA95 黑漆熱控涂層（εH ＝ 0.88±0.03，αS ＝ 0.96±0.03）、E51-M 黑漆熱控涂層（εH ＝ 0.88±0.02，αS ＝ 0.93±0.02） 和ERB-2B 黑漆熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.02） 等。該類熱控涂層外觀呈均勻黑色，具有較高的半球發射率，可滿足航天器零部件表面的散熱需求。
 

　案例2: 白色熱控涂層技術

　白色熱控涂層技術是為了保證航天器內部環境的溫度均勻性，調節航天器外部零部件表面熱平衡溫度而研發的具有低吸收高發射特性的熱控涂層。為滿足航天器發展需要，目前已經研發成功各種白漆產品，如SR107 白漆熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.02，αS ＝ 0.17±0.03）、SR107- ZK 白漆熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.03，αS ＝ 0.16±0.03） 和防靜電熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.02, αS ＝ 0.16±0.03） 等。該類熱控涂層外觀呈白色，表面均勻平整， 具有較高的半球發射率和較低的太陽吸收比，可滿足航天器零部件表面的散熱需求， 應用于航天器儀器板、天線、設備機箱等產品。
 

　
　圖7 白色熱控涂層
 

　隨著航天技術的不斷發展，航天產品的熱控制范圍和精度要求不斷提高，熱控涂層技術也在不斷的發展，未來新型熱控涂層，如新型鍍金屬聚合膜、新型等離子噴涂涂層、導電熱控涂層、碳納米管超黑熱控涂層以及寬幅可變發射率涂層等將會提高航天器整體的熱控性能，另一方面， 通過表面新技術的推動，促進了熱控技術的發展，飛秒激光技術通過其高精密的微觀改性，成功制備了鋁合金/ 鈦合金黑色熱控膜層。隨著未來科技的不斷發展，熱控涂層技術也將得到進一步發展，推動航天事業不斷前進。

  延伸閱讀

　航天器熱控涂料

　航天器進入軌道繞地球作周期性運轉時，經受約正負200℃的溫度波動，為控制其內部溫度，航天器熱控材料迅速發展， 熱控涂料是應用最多、效果顯著的一類。航天器熱控涂料是一種對于太陽熱具有低吸收、高發射比率的光散射涂料，由顏料和粘結劑組成。顏料選擇具有高發射率、高純度和高光學穩定性的白色顏料；粘結劑選用耐溫、空間環境中穩定、易清洗的有機聚合物（如聚硅氧烷）和無機化合物（如硅酸鹽、磷酸鹽、鈦酸鹽）。例如ZnO/ 聚二甲基硅氧烷、ZnO/K2SiO3 為典型的航天熱控涂料體系。

責任編輯：班英飛

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