如何给卫星精准测量“体温”?

　　太空环境严苛而复杂，要想弄清卫星能否在太空中稳定运行，有一项试验必不可少。这项试验通过模拟太空极端温度条件，给卫星精准测量“体温”，这就是热平衡试验。

真空设备内的热沉示意图

　　热平衡试验通常在大型热真空罐中进行，整个过程需要1～4个星期，覆盖所有在轨极端工况，从而确保卫星的在轨热安全。

　　热平衡试验设备主要模拟太空的真空环境、外热流环境以及冷黑背景。其中直径大于2米的试验设备，用于整星或者大型分系统的热平衡试验;直径小于2米的试验设备，用于卫星部组件、元器件及材料试验。

　　真空环境模拟设备主要由真空容器、真空泵组系统和真空测量系统等组成。在试验中，真空泵组系统可将真空容器内部压强维持在10-3帕以下。此时辐射传热是空间传热的主要形式，对流与气体热传导可以忽略，已经能够较为真实地模拟卫星所处真空环境的热交换效应，因此不必追求更高的真空度。

　　在空间外热流环境中，卫星主要承受三部分辐射能量：来自太阳可见光和红外辐射的能量、地球反射太阳辐射的能量、地球大气的热辐射能量。卫星吸收能量的大小取决于卫星的结构外形、表面材料特性和飞行轨道。波长小于300纳米的紫外线，辐射能量虽然只占太阳总辐射能量的极小部分，但会使材料表面的光学性能发生很大的变化，主要表现为紫外辐射效应的光化学效应和光量子作用。

　　空间外热流模拟，主要模拟太阳辐射环境对卫星等产生太阳光谱热效应。模拟空间外热流有两种方法，一类是入射流模拟法，也称为太阳模拟法，采用太阳模拟器;另一类是吸收热流模拟法，又称红外模拟法，采用红外灯阵、红外加热笼和接触式电加热器等。外形和表面材料形状复杂的试件，一般适合采用太阳模拟法;外形规则、表面材料形状单一的试件，可采用红外模拟法。如果需要模拟紫外辐照环境的光化学效应，可利用紫外辐照模拟器进行模拟。

　　至于模拟空间冷黑环境的真空设备，其内部会采用表面涂特制黑漆的液氮壁板来模拟宇宙冷黑环境。液氮壁板通常使用铝、铜或不锈钢材料制成的构件，其表面涂有高吸收率的特制黑漆，并将液氮通入构件内部，这种装置也称为热沉。

　　目前，世界各航天国家均采用这种以液氮作为冷源的热沉来模拟空间冷黑环境，因为热分析理论计算和试验数据分析表明，用低于100开尔文的液氮温度和吸收率在0.9以上的热沉来模拟空间冷黑环境，模拟误差仅为1%左右，完全能够满足冷黑环境模拟试验的要求。

　　未来，随着人类对宇宙探索的不断深入，卫星热平衡试验的重要性和意义将更加凸显。

文章转载于：中国航天报