Thermtest Asia

多层隔热及其在太空极端温度和保护宇宙飞船中的作用概述

前言

多层隔热 (MLI) 是一种广受好评的被动隔热系统,其在低温和太空探索计划中,被用作热绝缘体。热绝缘体都有一个共同特点,即能够阻止热量的流动或传递。热绝缘体所用的材料具有较低的热扩散率和导热系数。简而言之,这意味着它们不擅长通过自身传递热量。指定用于空间应用的设备,经常暴露在相对较小的时间内,发生的极端温度变化中。例如,国际空间站面向太阳的一侧可能会暴露在超过250°F的温度下,而背向太阳的一侧的温度,可能会降至-250°F。为了适应这些极端温度,并确保空间站或卫星内部的环境保持热平衡,空间站设备工程师必须选择一种极其有效的防护材料,例如MLI来完成这些任务。

传热机制:热扩散率

材料的热扩散率是衡量其散热能力的指标。热扩散率低的材料将在任何给定时间,都更能抵抗通过它的热量。热扩散率是材料热导率和比热容的函数。热导率是科学界非常普遍和广泛使用的热测量方法。它是衡量材料的一个原子或分子接受或释放热量的难易程度。众所周知,金属具有很高的导热系数,可以轻松快速地通过它们传递热量。热导率也可以看作是热扩散的一个因素。高效导热的材料还必须具有有效的热扩散特性,以促进热传递。就绝缘材料而言,如多层绝缘材料,材料的热导率和热扩散较低更为理想,因为它需要保持热量,而不是通过它移动热量。MLI 的导热系数值约为 5-10 W/(m/K)。这个值很大程度上取决于周围环境的温度和真空度。然而,无论环境变量如何,在高真空环境中,MLI的导热系数仍然是目前使用的所有隔热材料中最低的,这使得它成为在热敏性空间设备中,维持稳定低温的关键隔热系统部件。

卫星多层绝缘的特写
图一:卫星多层绝缘的特写

热传递具有空间性

在地球上,环境热量主要通过传导传递,传导的特点是构成分子的原子之间发生的碰撞次数。 对流在热传递中也起着至关重要的作用,与传导不同的是,对流主要表现为空气或气流的循环和整体运动。这些传热方法解释了为什么家用隔热材料旨在阻止空气流动,以防止发生对流。在太空中,就热量如何从一个原子传递到另一个原子而言,情况正好相反。在太空中,热运动主要通过辐射发生。物体会通过吸收阳光(紫外线辐射)而升温,并通过发射红外线辐射而冷却。太空中使用的绝缘材料必须适应这种差异,因此,这就是为什么传统的家用隔热材料,在太空中对于保护重要机械和结构的价值不大。

MLI 中的热传递是如何发生的?

辐射、固体传导和气体传导都是 MLI 中重要的热传递模式,因为它们可以在多层隔热层上保持数百个温度梯度。多层绝缘最早出现在20世纪50年代,由Kapton或 Mylar制成的多个箔片组成,这些箔片涂有高反射材料(通常是一种金属),然后彼此平行放置,每片箔片之间布置有导热垫片,以防止各层直接接触。Kapton是一种聚酰亚胺薄膜,可在4–673K的温度范围内保持稳定。Mylar是一种拉伸聚酯薄膜,具有其他空间应用,包括它作为一种材料广泛用于制造太空毯或热毯,用于包裹暴露于低温或创伤的患者,聚酯薄膜是镀铝的,因此太阳热辐射不能通过它,并且每个Mylar(聚酯薄膜片)之间都有涤纶织物层,将它们隔开,防止对流,并确保辐射仍然是热传递的主要模式。典型的 MLI 毛毯大约有 10-20 层,厚度通常不超过几毫米。MLI的另一个常见应用是在MRI扫描系统中,当与超导性耦合时,产生高强度磁场。这被称为被动热管理系统,与卫星中用于维持电子设备稳定工作温度的系统相同。

来自太阳的入射辐射将击中隔热层的第一层反射层,其中大部分被反射回周围的大气中。没有被反射的热量会被吸收到垫片的第一层,导致温度升高。随着这一层的温度开始攀升,固体传导、气体传导和辐射都在绝缘层内同时发生,并开始将热量传递到下一层。这个过程一直持续到最后一层绝缘层。当热量通过每一层传递时,大部分热量会流失到周围环境中。正是由于这种高度反射,只有一小部分传入的辐射和热量才能到达最后一层绝缘层。

小结

多项研究表明,最适合为太空应用提供隔热的材料是镀铝聚酯薄膜和玻璃纤维织物的组合。热管对于许多类型的空间设备和卫星的温度调节也至关重要,因为它们可以很容易地散发这些类型机械的电气部件内产生的热量。MLI在维持温暖的内部环境方面非常有效,因此热交换器也必须安装在许多类型的空间设备中,包括NASA的国际空间站,以去除空间站内许多电子设备运行产生的多余热量。MLI的高效性使许多可能存在过热风险的空间机械得以进一步完善,并使空间探索和低温领域取得更多进展。这些绝缘体的特殊性尚未达到顶峰,因为更多的研究正在进行中,以改进这种材料,提供更高水平的保护,从而使人类能够到达宇宙中新的未知区域。

 

作者:Kallista Wilson

文献参考:

Chapline, G., Rodriguez, A., Snapp, C., Pessin, M., Bauer, P., Steinetz, B., & Stevenson, C. (n.d.). Thermal Protection Systems. 18.

NASA-NSSDCA-Spacecraft-Details.(n.d.).Retrieved April 7, 2021, from https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1969-059A

Sutheesh, P. M., & Chollackal, A. (2018). Thermal performance of multilayer insulation: A review. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 396, 012061. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/396/1/012061

Thermal Diffusivity | Concept & Overview. (2019, November 14). Thermtest Inc. https://thermtest.com/thermal-diffusivity-overview