變吸收率涂層在載人飛船的應用效果分析

付 楊，陳 靈，張 立，張家強，平 托

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094； 2.北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

1 引言

中國神舟系列載人飛船返回艙外表面噴涂了熱控涂層。以神舟十一號載人飛船為例，其外表面熱控涂層的半球發射率約為0.50 ～0.60，太陽吸收率大于發射率。神舟十一號載人飛船與天宮二號對接，組合體結構相對簡單，主要姿態為三軸穩定對地和偏航頭或尾對日姿態。載人飛船任務時，太陽角基本在-30°～30°之間，受曬因子變化小，且無部分位置長期受照或者長期不受照的情況，故熱環境較好，外熱流變化較小，無極端高溫和低溫的外熱流環境。返回艙外壁涂層在上述熱物性指標下可滿足飛行任務的要求［1-3］。

當前中國空間站建造階段已基本完成，飛船與空間站構成組合體，其構型和飛行姿態更為復雜。神舟十二號飛船在?？靠臻g站期間，組合體長期為慣性飛行姿態。?？吭诠濣c艙前向對接口的載人飛船，陽照區其III 象限始終處于陽光受照狀態，會出現外熱流極高值。而背向太陽一側，則會出現外熱流極低值。此外神舟十三號和神舟十四號飛船?？抗濣c艙徑向對接口，慣性飛行姿態下則會出現長期被遮擋，無法得到陽光照射，長期處于低溫的情況。

針對上述情況，本文對空間站任務期間的返回艙外熱流進行計算分析，提出新涂層指標需求。研制出了一種吸收率隨入射角變化的低吸收低發射率熱控涂層，并且吸收率隨入射角增大而增大，并應用到神舟系列飛船。對神舟十二號至神舟十五號返回艙在軌溫度數據進行分析，以驗證新涂層對返回艙高溫區域和低溫區域艙壁溫度的影響。

2 熱環境分析

2.1 外熱流的影響因素

2.1.1 艙體形狀的影響

圓柱型艙體受陽光照射情況如圖1 所示，由于載人飛船艙體為圓柱體，當陽光直射到艙體A處，陽光入射角為0°，此時A 處接收陽光能量最大。當存在一定入射角θ時（如B 處），入射的陽光在艙壁法向分量則為qcosθ，其中q為太陽光熱流通量。故艙體為圓柱形狀，天然存在陽光分布不均勻性，因此為了盡可能拉平艙體周向溫度，希望外壁涂層太陽吸收率能隨入射角變化而變化：當入射角小時，太陽吸收率也??；當入射角增大時，太陽吸收率也增大，此即本文所提出的變吸收率涂層的需求背景。

圖1 圓柱型艙體受陽光照射情況Fig.1 Sunlight exposure to cylindrical capsule

2.1.2 太陽角的影響

航天器太陽角（β）定義為陽光矢量與航天器運行軌道平面之間的夾角，如圖2 所示。綜合考慮圓柱體艙體和太陽角，則實際艙體接受的陽光的入射角為φ＝arccos（cosβcosθ）。此外，太陽角影響航天器受曬因子τ，在軌道參數確定的情況下，受曬因子為太陽角的函數［4］。

圖2 陽光對不同太陽角下飛行器的照射情況Fig.2 Sunlight exposure to spacecraft at different solar angles

2.2 外熱流分析

2.2.1 陽照區外熱流

以神舟十二號對接空間站前向對接口、組合體慣性飛行姿態為分析對象。以載人飛船返回艙錐段區域為例，其周期平均到達外熱流分布如圖3 所示。從圖中可以看出，當太陽角為0°時，陽照面最大周期平均外熱流極值約900 W／m2，當太陽角 為 65° 時，最 小 周 期 平 均 外 熱 流 僅 約140 W／m2，外熱流變化巨大。

圖3 返回艙錐段周期平均到達外熱流分布情況Fig.3 Distribution of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the re-entry capsule

此外，不同太陽角β下，返回艙吸收的外熱流總量也相差很大。以返回艙錐段為例，陽照半球的周期平均外熱流進行統計，如圖4 所示。從圖中可以看出，慣性飛行姿態下，返回艙陽照半球周期平均到達外熱流變化很大，最小為330 W／m2，最大約為750 W／m2。由于返回艙為錐體，故圖4中外熱流左右不對稱。

圖4 返回艙錐段周期平均到達外熱流情況Fig.4 Statistics of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the reentry capsule

2.2.2 陰影區外熱流

陰影區由于沒有陽光直照，僅受地球紅外影響，外熱流很小，且在整個陰影區變化不大，基本在140～200 W／m2之間。故陰影區主要考慮涂層的保溫性能。

2.2.3 全遮擋情況下的外熱流

對于神舟十三號和神舟十四號飛船（徑向對接）出現的長期被遮擋情況，其所有表面的外熱流長期在100～200 W／m2之間。外熱流總量相比神舟十二號（前向對接）減少超過一半，飛船處于極端低溫。此工況需要重點解決涂層的保溫性能。

2.3 艙壁溫度分析

以神舟十一號返回艙外涂層為例，根據圖3的周期平均到達外熱流計算結果，建模計算返回艙外壁平均溫度，結果如圖5 所示。由上述外熱流分析，最大周期平均外熱流變化范圍約100 ～900 W／m2，計算得到艙壁平均溫度變化范圍為0～55 ℃。根據神舟十一號在軌經驗，高溫艙壁溫度波動不小于±5 ℃，故高溫下，艙壁可能超過60 ℃，對于設備有高溫超溫風險，對航天員也有高溫受傷風險。低溫情況下，艙壁溫度接近或者可能低于0 ℃，密封艙低溫部位有結露甚至結冰的風險，嚴重影響設備的安全運行和航天員的舒適性。因此迫切需要一種新的涂層解決上述問題。

圖5 神舟十一號涂層狀態下艙壁理論溫度Fig.5 Theoretical temperature of re-entry capsule in Shenzhou 11 re-entry capsule

3 需求分析

對于裸露在外太空的返回艙艙壁表面，表面涂層的太陽吸收率和半球發射率對返回艙表層溫度影響起決定作用。太陽吸收率影響太陽光的吸收，太陽吸收率小則吸收熱流小，有利于減少高溫情況。發射率影響返回艙熱量的散失，發射率大則有利于降溫，發射率小則有利于保溫。

考慮到陰影面無陽光直照，需要保溫，對于涂層的發射率要求為越小越好。根據涂層的試制結果，發射率在0.1～0.2 之間可以穩定實現。

考慮到陽照面需要降溫，故吸收率要求為越小越好。但是考慮到0.1 ～0.2 的發射率對于保溫還是不足，故提出盡可能地吸收太陽熱量的需求。再考慮到陽照面返回艙外熱流的分布極不均勻，綜合提出太陽吸收率在入射角0°時越小越好，隨入射角增加而增大的需求。

1）根據2.1.1 節分析，艙體接收的熱量為αsqcosθ，其中，αs為涂層的吸收率。如果要讓溫度平均，吸收率αs與1／ cosθ成正比；

2）根據2.1.2 節分析，艙體繞地球一圈平均接收的熱量為αsqτcosθcosβ，如考慮θ為定值，則吸收率αs與1／τcosβ成正比。

綜合考慮上述2 個因素，新型涂層需要具備低發射率、低吸收率以及吸收率隨入射角變化的特性，理論分析吸收率的變化需求如圖6 所示。

圖6 新涂層太陽吸收率與需求符合情況Fig.6 The solar absorption of the new coating

4 涂層研制

目前，美國NASA 在Apollo15 指令艙外表面包覆有吸收率和發射率均為0.1 的鍍鋁薄膜［5］。但是神舟飛船返回艙涉及返回功能，無法使用鍍鋁薄膜。美國AZ technology 公司、IITRI（Illinois Institute of Technology Research Institute）研究所以及俄羅斯信息衛星系統-列舍特涅夫公司對低吸收率低發射率涂層開展了相關研究，但是由于技術保密性，目前尚無可以參考的技術文獻。對于吸收率隨入射角變化涂層的研究，則未見報道。

針對中國空間站以及后續載人登月等復雜熱工況環境的熱控需求，采用有機硅樹脂及金屬鋁粉材料進行了多種配比和不同工藝的摸索，研制了中國第一款噴涂型吸收率隨入射角變化的低吸收、低發射率熱控涂層［6-7］。

4.1 新型熱控涂層性能

采用分光光度計對新型涂層在不同入射角下的太陽吸收率進行測試，如圖6 所示。在太陽近直射條件下（入射角為8°），涂層太陽吸收率為αS＝0.18；在入射角8°～40°范圍內，涂層太陽吸收率的變化較小，僅增加約17%；當入射角超過45°，涂層太陽吸收率隨入射角的變化大幅增大，在60°時，涂層太陽吸收率達到0.31，增加約72%；75°時，涂層太陽吸收率達到0.34，增加約89%。新涂層吸收率較好滿足了理論的需求。由于地面測試設備限制，在入射角接近0°和90°時，沒有吸收率測試數據，在計算過程中采取8°和80°的測試數據進行外推。

在軌道上，熱控涂層受到帶電粒子、紫外（UV）輻射、高真空以及沉積在航天器各個表面上的污染膜的影響。這些作用的綜合結果是太陽吸收比增大，而紅外發射率變化很小或不受影響［8］。在新涂層的研制過程中，在地面進行了新涂層的6.5×1025個／m2計量的原子氧試驗和381 kJ／cm2計量紫外輻照實驗。數據表明，吸收率平均合計增加了0.0185，發射率幾乎不變，新涂層具有良好的空間環境適應性。

4.2 新型熱控涂層的應用

對載人飛船外壁整體進行新型熱控涂層的涂覆實施，外觀為銀色，相比神舟十一號返回艙有較大的不同，如圖7 所示。

圖7 載人飛船返回艙及其新型熱控涂層Fig.7 The new coating on the re-entry capsule

5 新涂層計算

仍然以神舟十二號對接空間站前向對接口，組合體慣性飛行姿態為分析對象。根據新涂層研制結果，以返回艙錐段區域為例，周期平均吸收外熱流如圖8 所示，對比圖3 可以發現，新涂層在不同太陽角時的吸收熱流差別減小，相同太陽角下陽照面不同區域的吸收熱流均勻性大幅提高。

圖8 新涂層返回艙錐段陽照面周期平均吸收外熱流分布情況Fig.8 Distribution of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the re-entry capsule（new coatings）

根據新涂層狀態，返回艙錐段陽照半球的吸收外熱流進行統計如圖9 所示。對比圖4 可以發現，不同軌道太陽角，平均吸收外熱流和最大吸收外熱流的均勻性均大幅提高。在軌道太陽角65°時吸收熱流偏高，軌道太陽角-65°時吸收熱流偏低，主要是由于返回艙艙體錐形造成，與理論圓柱形計算值有所差別。

圖9 新涂層返回艙錐段平均吸收外熱流情況Fig.9 Statistics of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the reentry capsule（new coatings）

6 在軌驗證

2020 年，新型涂層在新一代載人飛船試驗船進行了首飛搭載驗證?？臻g站階段，隨著神舟十二號到神舟十五號的發射，新涂層通過了長期在軌驗證。其中神舟十二號飛船于2021 年6 月17日發射，?？抗濣c艙前向口，組合體主要為慣性飛行姿態。神舟十五號飛船于2023 年6 月4 日發射入軌，?？抗濣c艙前向口，組合體主要為正向飛行姿態。

6.1 在軌返回艙艙壁III 象限溫度分析

對于神舟十二號載人飛船，慣性飛行下III 象限一直朝向太陽，故利用錐段鋁壁位于III 象限正象限的溫度數據進行分析，如圖10 所示。此測點溫度范圍在25～42 ℃。

圖10 在軌返回艙艙壁III 象限某測點溫度隨不同軌道太陽角變化情況Fig.10 The temperature at Quadrant III of re-entry capsule at different solar angles

從圖10 中可以看出，到達外熱流變化范圍相當大，對應的更改前涂層的理論計算艙壁溫度范圍為25～55 ℃。在新涂層下，其理論吸收外熱流變化則相對平緩。反應在溫度的變化上，實際在軌溫度變化與理論吸收外熱流趨勢基本一致。

注意到在軌道太陽角0°附近時，實際在軌溫度與理論外熱流趨勢相反，分析原因為地面測試受設備限制，計算時接近0°入射角的吸收率為外推值。根據在軌數據，0°入射角附近時實際吸收率比外推值應該更低。新涂層在0°入射角附近時的參數特性比預期更為優秀。

另外，在軌道太陽角度接近65°時，陽光對于艙壁的入射角也較大，在軌溫度相比其他太陽角時下降較多。分析原因：一是返回艙緊挨著測點的背陽面溫度較低，由于艙壁的導熱，拉低了此測點溫度；二是計算時采用外推值可能不夠準確。綜上，后續將利用在軌數據對涂層參數進行修正。

6.2 在軌返回艙艙壁周向溫度分析

對神舟十二號載人飛船慣性飛行不同太陽角下艙壁不同點溫度進行統計，如圖11 所示?？紤]到艙壁溫度測量受艙內結構復雜略有影響，艙壁溫度與外熱流的變化基本一致。

圖11 在軌慣性飛行姿態返回艙艙壁不同位置溫度情況（0°軌道太陽角）Fig.11 Temperature at different position of re-entry capsule in coasting flight（0°solar angles）

如圖11 所示，到達外熱流變化范圍為200 ～900 W／m2，對應的更改前神舟十一號返回艙涂層狀態的計算艙壁溫度范圍為5 ～55 ℃，變化范圍相當大。新涂層下，吸收外熱流變化更為平緩。從在軌溫度來看，溫度變化范圍為21.5 ～42 ℃，變化范圍大大減小。

6.3 在軌新涂層退化分析

神舟十五號飛船已完成在軌?？? 個月任務并成功返回。神舟十五號?？繒r間長，?？繛榍跋蛲？?，?？侩A段無其他飛行器遮擋，有利于評估返回艙涂層退化情況。

選取神舟十五號飛船返回艙III 象限附近溫度測點，此區域測點在太陽角為0°時，溫度達到最高點。比較4 個溫度測點，當太陽角為0°時的溫度數據如圖12 所示?？梢钥闯?，在軌的半年期間，溫度變化在4 ℃以內，且無明顯趨勢性變化，證明涂層半年內無明顯退化現象。雖然半年時間對于其他航天器來說，時間稍短，但根據涂層退化的趨勢，一般涂層在入軌初期退化更為嚴重，故新涂層半年內無明顯退化，也可以說明涂層的良好環境適應性。

圖12 返回艙艙壁溫度情況變化Fig.12 Temperature changes of the re-entry capsule

綜上，變吸收率涂層的使用，提高了艙壁低溫區域的溫度，降低了高溫區域的溫度，降低了高低溫風險，效果顯著。涂層在軌半年無明顯退化，有較好的環境適應性。

7 結論

通過低吸收率、低發射率且吸收率隨入射角變化的新涂層在神舟十二號及后續載人飛船返回艙成功運用，得出如下結論：

1）新涂層的使用減小了受太陽直照處艙壁的吸收熱流，降低了艙壁溫度，消除了設備和航天員可觸碰表面的高溫風險；

2）新涂層增大了大入射角下艙壁的吸收熱流，且同時減小艙壁的漏熱，提高了艙壁溫度，減小了密封艙設備低溫帶來的風險。

新型涂層保障了設備的可靠運行和航天員的舒適性。新型涂層為適應神舟飛船空間站任務而研發，現已發展出多種不同指標的家族系列涂層，除載人飛船外，已成功用于新一代載人飛船和火星探測項目，并為后續解決類似空間熱流劇烈變化問題提供成熟合理的研制思路。