基于VO2的低太阳吸收率航天器智能散热器设计

论文信息：

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)..

论文链接：

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

研究背景

热控涂层是航天器散热装置的重要组成部分，其作用是为航天器上的仪器和人员提供可生存的工作温度。传统的航天器热控涂层缺乏调节自身辐射特性的能力，使得航天器难以适应热载荷和环境条件的波动。如今，随着航天器任务需求的迅速增加，能够实现发射率可切换的热致变色薄膜因其能够降低热控分系统的热补偿功率和重量资源而受到广泛关注。

研究内容

本文提出了一种基于VO2的具有低太阳吸收率和高发射率可调性的航天器智能散热器。该智能散热器是由可切换谐振器(即一个叠加的Fabry-Perot谐振腔)和太阳能反射器(即分布式布拉格反射器)组成的多层结构薄膜，如图1。

图1. 基于VO2的航天器智能散热器结构示意图：( a )航天器智能散热器由底部的可切换谐振器和顶部的太阳反射器组成；( b )可切换谐振腔是一个可自适应切换红外发射率的叠加Fabry - Perot谐振腔；( c )太阳反射镜是由ZnSe / BaF2叠层组成的分布式布拉格反射镜，具有高红外透过率和高太阳反射率。

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

随后作者展示了可切换谐振腔、太阳反射镜和航天器智能辐射器的辐射特性，包括光谱法向吸收率、发射率和反射率。如 图3和 表2所示，可切换谐振器表现出优异的红外发射率切换能力，发射率可调谐性约为0.826，VO2处于金属态时的总法向发射度为0.941。对于航天器智能散热器而言，其光谱法向吸收率相对于可切换谐振器而言受到了很大的限制，并且其发射率可调性和高温总法向发射率几乎不受太阳反射面的影响。如 图4所示，在波长为0.5 μm处，无论是金属态还是电介质态，大部分电磁波都被太阳反射镜反射回来，只有一小部分被FP腔透射和吸收；在10 μm波长处，电磁波通过光谱选择滤波器透射。

表2. 可切换谐振器、航天器智能散热器和OSR的总法向吸收率和总法向发射率

图3.( a-b )光谱法向吸收率和发射率优化的可切换谐振腔，即无太阳反射镜的叠加Fabry - Perot谐振腔；( c-d )太阳反射镜的光谱法向吸收率/反射率；( e-f )航天器智能散热器的光谱法向吸收率和发射率。( a、c、e)中的阴影区域是归一化的AM0太阳光谱。( b , d , f)中的阴影区域是由普朗克函数给出的黑体在300K温度下的归一化发射功率Ebλ。

图4. 航天器智能散热器金属态和电介质态在( a ) 0.5 μm和( b ) 10 μm波长处的归一化电场|E/E0|。E0为入射电场，入射方向与地层垂直。

接着，作者研究了航天器智能散热器在金属态和电介质态下的偏振平均光谱方向吸收率和光谱方向发射率，以及偏振平均总方向吸收率和总方向发射率，如图5,6。并且以GEO卫星为例，数值证明了所提出的智能散热器与OSR相比，在允许的温度范围内，可以大大拓宽航天器净散热热流密度的调节范围，如图7。

图5. 航天器智能散热器在金属态和电介质态下的偏振平均( a-b )光谱方向吸收率和( c-d )光谱方向发射率图像。

图6：航天器智能散热器在金属态和电介质态下的偏振平均( a )总方向吸收率aθ和( b )总方向发射率εθ。

图7：在263.15~318.15 K温度范围内，无主动电加热补偿(即qh = 0)时，航天器智能散热器和OSR对( a )自转稳定卫星和( b )三轴稳定卫星的净散热热流密度

结论与展望

综上所述，作者提出了一种基于VO2的航天器智能辐射器，通过将太阳反射器集成到叠加的FP谐振器上，旨在降低太阳吸收率的同时确保显著的发射率开关。结合严格耦合波分析法和遗传算法对智能散热器的性能进行优化，实现了0.121的法向太阳吸收率和0.825的发射率可调性。智能散热器的太阳吸收率和发射率可调性即使在大入射角度下也保持优异性。智能散热器中涉及的潜在机制归因于叠加的法布里-珀罗共振和多次太阳反射的组合。此外，作者使用地球同步轨道卫星提供了一组数值，以证明在航天器允许的温度范围( 263.15 ~ 318.15 K)内，当使用所提出的智能散热器时，净散热通量密度的调节范围可以从使用光学太阳反射器时的146.5 - 463.9 W / m2增加到0 - 494.6 W / m2。这种基于VO2的航天器智能散热器具有优于现有热致变色薄膜的优异性能，揭示了热致变色薄膜在航天器智能热控应用中的巨大潜力。

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