基於VO2的低太陽吸收率航天器智能散熱器設計

論文信息：

B. Xie, W. Zhang, J. Zhao, C. Zheng, and L. Liu, Design of VO2-based spacecraft smart radiator with low solar absorptance. Applied Thermal Engineering, 121751 (2023)..

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121751

研究背景

熱控塗層是航天器散熱裝置的重要組成部分，其作用是爲航天器上的儀器和人員提供可生存的工作溫度。傳統的航天器熱控塗層缺乏調節自身輻射特性的能力，使得航天器難以適應熱載荷和環境條件的波動。如今，隨着航天器任務需求的迅速增加，能夠實現發射率可切換的熱致變色薄膜因其能夠降低熱控分系統的熱補償功率和重量資源而受到廣泛關注。

研究內容

本文提出了一種基於VO2的具有低太陽吸收率和高發射率可調性的航天器智能散熱器。該智能散熱器是由可切換諧振器(即一個疊加的Fabry-Perot諧振腔)和太陽能反射器(即分佈式布拉格反射器)組成的多層結構薄膜，如圖1。

圖1. 基於VO2的航天器智能散熱器結構示意圖：( a )航天器智能散熱器由底部的可切換諧振器和頂部的太陽反射器組成；( b )可切換諧振腔是一個可自適應切換紅外發射率的疊加Fabry - Perot諧振腔；( c )太陽反射鏡是由ZnSe / BaF2疊層組成的分佈式布拉格反射鏡，具有高紅外透過率和高太陽反射率。

圖2. ( a ) VO2薄膜，( b ) BaF2薄膜，( c ) ZnSe薄膜的折射率n和吸收指數κ。

隨後作者展示了可切換諧振腔、太陽反射鏡和航天器智能輻射器的輻射特性，包括光譜法向吸收率、發射率和反射率。如 圖3和 表2所示，可切換諧振器表現出優異的紅外發射率切換能力，發射率可調諧性約爲0.826，VO2處於金屬態時的總法向發射度爲0.941。對於航天器智能散熱器而言，其光譜法向吸收率相對於可切換諧振器而言受到了很大的限制，並且其發射率可調性和高溫總法向發射率幾乎不受太陽反射面的影響。如 圖4所示，在波長爲0.5 μm處，無論是金屬態還是電介質態，大部分電磁波都被太陽反射鏡反射回來，只有一小部分被FP腔透射和吸收；在10 μm波長處，電磁波通過光譜選擇濾波器透射。

表2. 可切換諧振器、航天器智能散熱器和OSR的總法向吸收率和總法向發射率

圖3.( a-b )光譜法向吸收率和發射率優化的可切換諧振腔，即無太陽反射鏡的疊加Fabry - Perot諧振腔；( c-d )太陽反射鏡的光譜法向吸收率/反射率；( e-f )航天器智能散熱器的光譜法向吸收率和發射率。( a、c、e)中的陰影區域是歸一化的AM0太陽光譜。( b , d , f)中的陰影區域是由普朗克函數給出的黑體在300K溫度下的歸一化發射功率Ebλ。

圖4. 航天器智能散熱器金屬態和電介質態在( a ) 0.5 μm和( b ) 10 μm波長處的歸一化電場|E/E0|。E0爲入射電場，入射方向與地層垂直。

接着，作者研究了航天器智能散熱器在金屬態和電介質態下的偏振平均光譜方向吸收率和光譜方向發射率，以及偏振平均總方向吸收率和總方向發射率，如圖5,6。並且以GEO衛星爲例，數值證明了所提出的智能散熱器與OSR相比，在允許的溫度範圍內，可以大大拓寬航天器淨散熱熱流密度的調節範圍，如圖7。

圖5. 航天器智能散熱器在金屬態和電介質態下的偏振平均( a-b )光譜方向吸收率和( c-d )光譜方向發射率圖像。

圖6：航天器智能散熱器在金屬態和電介質態下的偏振平均( a )總方向吸收率aθ和( b )總方向發射率εθ。

圖7：在263.15~318.15 K溫度範圍內，無主動電加熱補償(即qh = 0)時，航天器智能散熱器和OSR對( a )自轉穩定衛星和( b )三軸穩定衛星的淨散熱熱流密度

結論與展望

綜上所述，作者提出了一種基於VO2的航天器智能輻射器，通過將太陽反射器集成到疊加的FP諧振器上，旨在降低太陽吸收率的同時確保顯著的發射率開關。結合嚴格耦合波分析法和遺傳算法對智能散熱器的性能進行優化，實現了0.121的法向太陽吸收率和0.825的發射率可調性。智能散熱器的太陽吸收率和發射率可調性即使在大入射角度下也保持優異性。智能散熱器中涉及的潛在機制歸因於疊加的法布里-珀羅共振和多次太陽反射的組合。此外，作者使用地球同步軌道衛星提供了一組數值，以證明在航天器允許的溫度範圍( 263.15 ~ 318.15 K)內，當使用所提出的智能散熱器時，淨散熱通量密度的調節範圍可以從使用光學太陽反射器時的146.5 - 463.9 W / m2增加到0 - 494.6 W / m2。這種基於VO2的航天器智能散熱器具有優於現有熱致變色薄膜的優異性能，揭示了熱致變色薄膜在航天器智能熱控應用中的巨大潛力。

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