在太空「清涼解熱」

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導語：

如果在太空中電子設備過熱怎麼辦？答案是：實在沒什麼好的辦法！比如說，在地面上，你的電腦可以通過小風扇來散熱，而在微重力環境下，空氣不發生對流，從而使計算機散熱成為一個難題。那麼如果你是航天系統設計師，怎麼才能防止太空中的電子設備和計算機器件過熱呢？

航天器已由衛星、飛船、太空梭發展到國際空間站，規模越來越大，執行的任務越來越多也越來越複雜，星載計算機和儀器儀錶等眾多電子電氣設備消耗的能量也越來越多，消耗的功率從幾十瓦發展到上百千瓦。因此在太空中給電子電氣設備降溫以達到「清涼解熱」將具有重要意義，這也是空間站技術的重要一步。

在通信衛星、全球定位衛星(GPS)和國防衛星中，有一種稱為熱管的元件用於調節溫度使得系統可靠地運行。熱管是一種不用機械泵就可以高效地將熱量從一個比較熱的區域轉移到遠處另一個溫度較低的區域的元件。根據以往的記錄，1963年，科學家喬治·格瑞夫(GeorgeM.Grove)第一個發明並且成功的製造出了熱管。不過，通用汽車就早在1935年就申請了類似於這種元件的專利。直到20世紀的60年代，熱管才普遍的受到人們的重視，逐漸成為一種提高傳熱效率的元件，熱管受到了眾多國家的重視。在這之前，熱管的造價也是相當的昂貴。在20世紀80年代之前，熱管的客戶還是政府、衛星和空間站上的系統等一些高端科技和重要部門。但是，到了20世紀80年代，高端電子產品身上開始見到熱管的身影。到了近期的十多年，熱管開始被用於大量的家用電器，當中也不乏CPU散熱器的開發，超頻散熱也開始使用熱管了。

熱管現在是航天領域應用很廣的散熱元件。比如，由丁肇中主持的於今年5月16日搭乘「奮進」號太空梭升空的阿爾法磁譜儀2，就是包覆著環路熱管。這種熱管應用於大規模集成電路、深冷、航空航天等領域，具有獨特的旁路閥及主副毛細芯結構，實現了35瓦至600瓦熱量之間的大範圍負荷的高效運轉，並能在零下20攝氏度環境中正常工作，是當今世界環路熱管的最高技術水平。

為了進一步研究熱管在太空中的工作狀況，科學家們在國際空間站上開展了一項稱為約束蒸汽泡(Constrained Vapor Bubble)的試驗研究。約束蒸汽泡是無管心熱管的原型，並且是第一個漂浮在國際空間站美國艙段的液體整合架(Fluids Integrated Rack)上開展的全尺寸流體研究。這項實驗完成於今年3月1日，之後在軌實驗人員帶著第四個艙段乘太空梭(STS-135)返回地球。

熱管通常是一個抽干所有空氣但在部分真空中通有少量液體的密封管。接觸熱區表面的那部分液體由於從熱區那裡吸收到熱量後蒸發變成蒸汽。蒸汽接觸到冷區後又凝結回液體了，那樣就釋放所帶的熱量到冷區了。然後液體迴流到熱區，這是由於單個液體分子的相互作用以及容器表面的吸引——一種被稱為毛細管作用的過程。整個液體和蒸汽循環不需要任何運動的機構，並且熱量轉移過程能一直重複進行下去。

圖1 熱管工作原理

幾乎所有的熱管都包含管芯或者溝槽以增強毛細管作用，從而提高液體從冷液體池中到能又變成蒸汽的熱區的能力。「這些在管子里的管芯或者溝槽是非常難以安裝的，並且也為熱管增加了重量。沒有管芯的熱管可以為太空飛行減重不少」，位於克利夫蘭的美國航空航天局格倫研究中心(NASA』s Glenn Research Center)的約束蒸汽泡項目經理羅納德·斯科爾(Ronald Sicker)說。

約束蒸汽泡代表了先進的熱管試驗研究。它使用的是由石英玻璃做的方形管，裡面充滿稱為戊烷的液體。這種設計能使沿著約束蒸汽泡的溫度測量達到很高的精度。透明的玻璃管還允許科學家們觀測到液體的流動，從而可以測量液面上彎曲的弧度，即液體爬升管子內壁所形成的形狀。

約束蒸汽泡熱管在地面上已經試驗過，然後被發射到太空中在空間站的微重力環境中進行試驗。「熱管能比地球上高得多的溫度和壓力下工作，」位於紐約特洛伊的任森樂理工大學(Rensselaer PolytechnicInstitute)的約束蒸汽泡負責人喬·普拉斯基(Joel Plawsky)解釋說。「這種現象的解釋是在微重力環境下，不存在由引力驅動的自然對流來幫助冷卻熱管表明。熱管在太空中釋放熱量的唯一方式是向環境直接散播熱量。」

圖2 宇航員在開展約束蒸汽泡試驗

這項研究將幫助科學家增加對這些事件控制基本原則的理解並提高製冷設備的效率。「熱管提供了一種非常可靠的熱量轉移的可能，由於它們沒有任何活動的機械，不像泵或者壓氣機那樣最終會磨損而失效。但是，在機械上用熱管，那麼這在人類空間飛行器里就是另一回事了。如果熱管用於支持長期載人探索任務，它們的工作溫度範圍和規模就必須極大地擴展，而且使用它們的風險就必須很好地理解。如果我們在長期載人任務中最終使用熱管作為基本的熱量轉移技術，那麼在微重力環境下熱管性能研究顯得如此重要」普拉斯基補充說。

這些液體綜合架也包含了光學顯微鏡模塊，這是一個能從地球上控制的全自動光學顯微鏡。這個顯微鏡允許記錄在約束蒸汽泡中可見的變化並且記錄戊烷在蒸汽泡中液面的變化。

「流體力學和傳熱學為改進熱管技術設計和開發提供必要且基礎的知識，」普拉斯基說。「我們收集和分析到的數據也將有助於解決在液體沸騰、蒸發、冷凝、吸附和蒸發自組織等領域的基本問題。實驗結果也將有利於地面上很多技術，從傳統空調、製冷系統和冷卻設備到微電子製造自組裝的系統如光子晶體。」

空間站中功耗最終都是以廢熱的形式排散的，因此如果能用熱管以一定的方式對這些熱量加以利用和管理，則將對空間站輕量化和低功率化將具有重要意義。比如用熱管釋放的熱量加熱空間站航天員淋浴用水及洗滌用水，使其達到空間衛生用水所需的溫度（通常為45攝氏度左右），從而節省了以電加熱方式所需的功率，並降低了系統需排散的廢熱規模。當然，熱管換熱技術也可以用於未來星球基地熱管理系統，既大大地減小了熱排散系統的質量，又降低了整個系統的功耗，可謂一舉兩得。

作者：錢航 中國科學院國家空間科學中心博士 現中國運載火箭技術研究院總體設計部 型號設計師

來源：中國航天員科研訓練中心《航天員》刊

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