相变材料在航天器上的应用

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1、航天器环境工程第30卷第5期522SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年10月相变材料在航天器上的应用12王磊，菅鲁京（1.钱学森空间技术实验室；2.北京空间飞行器总体设计部：北京100094）摘要：随着航天技术的发展，航天器内部仪器设备的功耗和热流密度不断增大，给航天器热控设计带来新的困难，但为相变材料的应用提供了机遇。文章针对相变材料在相变过程中具有温度恒定、没有运动部件等特点，重点介绍了相变材料分类、特性及其在航天器热控设计中的应用，分析了相变材料在工程应用中

2、面临的问题，给出了相变材料在航天器热控技术上应用的发展方向。关键词：航天器；热控；相变材料；热管理中图分类号：TK124文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)05-0522-07DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2013.05.0130引言如图1所示。航天器在轨运行时，因轨道的外热流变化很大，[1]致使仪器设备的热负荷发生巨大变化。特别是某些热容较小的特殊设备的工作温度范围越来越窄，同时对温度波动性又有很高的要求，这给航天器热控设计带来了很多技术难题。由于相变材

3、料在相变过程中具有等温或近似等温、吸收/释放大量潜热的优点，特别适用于具有周期性脉冲式工作的仪器设备；相变材料的另一特点是没有运动部件，原则上可以进行无限次的可逆工作，具有很高的可靠性。本文评述了相变材料图1相变材料分类在航天器热控技术中的具体应用，给出了相变材料Fig.1Classificationofphasechangematerials在航天器热控技术上应用的发展方向。1.2相变材料的选用考虑1相变材料及热控装置相变材料作为储存热量的载体，针对不同的应1.1相变材料的分类用场合和目的，应选择不

4、同的相变材料，这关系到相变材料的种类很多，多达6000种以上。按相变装置设计的成败。相变的形式，可分为固-固、固-液、气-液、气-航天器的相变材料选用应考虑以下几个方[4-5]固4种相变材料，一般来说按上述分类顺序，其相面。变潜热逐渐增大。由于气-液、气-固相变过程中产1）相变温度生大量气体，使得相变装置必须能承受气体膨胀高相变材料的相变温度点应选择在被控设备温压而变得复杂[2]。目前在航天器热控设计中普遍采度周期变化中的某一点上，尽可能使升温传热量等用的是固-液相变材料，它的相变潜热较大但相变于降温

5、传热量，这样可以避免在多次固-液的相变体积变化小、相变温度范围广[3]。相变材料的分类转换中，由于升温传热量与降温传热量的不平衡————————————收稿日期：2013-04-10；修回日期：2013-08-30基金项目：“十一五”预先研究项目（编号：51312040602）作者简介：王磊（1969—），男，博士学位，高级工程师，研究方向为航天器热控制，热控材料和空间环境。E-mail：leiwhit@sina.com。第5期王磊等：相变材料在航天器上的应用523造成在升温或降温的方向上传热量的累加

6、，使相变其中大多数材料的熔点都在室温附近。对于电子设材料热控装置失效。备的温度控制和载人航天器的环境控制来说，这个表1列出了-25～62℃温度范围内的相变材料，温度范围是很适合的。表1-25～62℃温度范围内典型的相变材料Table1TypicalPCMsintherangeof-25℃to62℃-1材料名称熔点/℃熔化热/(kJ·kg)正二十烷/n-Eicosane（C20H42）37246正十一烷/n-Undecane（C11H24）-25141正十二烷n-Dodecane（C12H26）-122

7、11正十三烷/n-Tridecane（C13H28）-6155正十四烷/n-Tetradecane（C14H30）6228正十六烷/n-Hexadecane（C16H34）17237正十七烷/n-Heptadecane（C17H36）22213正十八烷/n-Octadecane（C18H38）28244正十九烷/n-Nonadecane（C19H40）32187正二十八/n-Octacosane（C28H58）62253醋酸/Aceticacid（CH3COOH）17187水03332）热导率装相变材

8、料时，应留有一定的空间余量。由于相变材料的热导率较低，会导致其内部在选择相变材料时，若相变温度适合的不只一温度梯度的增加，而使被控设备的温度超过控制种，则应比较其他特性。相变材料特性的选择考虑要求。提高相变材料热导率的通常方法是在相变材见表2。实际上，不存在每一项特性都优异的相变料中加入热导率高的填料，在相变材料内生成低热材料，必须综合考虑。一般来说，选中的相变材料阻通道，降低内部的温度梯度。与未选中的相比，给设计带来的问题应当更少。3）过冷表2相变材料