[发明专利]航天器的热控制膜

说明书

背景技术

航天器通信有效载荷产生大量的热，这些热必须通过其外部表面借由热辐射散发到空间中。而且，辐射表面经受来自入射阳光的热辐射，这降低了它的热效率。寄生热输入效应可能通过选择辐射表面的方向或通过应用具有适当的热-光特性的表面材料而降低到某种程度。在后面的情况中，常规的方法是利用具有对阳光低吸收率且在红外区域内高发射率的材料涂敷经受相对较高水平的太阳照度的辐射表面，例如赤道轨道航天器的南-北朝向的表面。

一种这样类型的材料是包含反射阳光的颜料的白漆。这样的涂层便宜，但是由于表面的紫外线退化而呈现相对较差的性能，尤其在长期任务上。或者，可使用光学太阳反射器(OSR)材料。OSR(也叫做第二表面镜)包括例如玻璃的光学透明介电材料，其发射良好，以例如银的金属的反射层作背面。这些材料相对稳定，并且随着时间的流逝而保持它们的光学特性。

如图1所示，这些类型的材料均运行在输入的太阳辐射的波长不同于辐射表面发射的热辐射的波长基础上。因此，可以选择具有在每一个这些各自波段中的适当特征的材料来透射或反射辐射。但是，即便在金属反射层的情况下，也已经发现阳光的反射在太阳能的有效部分集中的紫外线波长处远非最佳。

US6587263描述了一种具有包括衬底、涂敷于其上的接合层、涂敷接合层的反射层以及涂敷反射层的散热层的复合结构的改进的OSR。反射层典型地由银或铝制成且具有约50-100nm的厚度。散热层直接淀积在反射层之上且包括呈现不同空间折射率的一层或多层已调制的SiO₂/SiO_xN_y/Si₃N₄涂层。

选择在太阳光谱(200nm到2500nm)中具有低电磁辐射吸收率的材料应用于散热层中。这包括部分紫外(UV)光谱(200-400nm)，可见光谱(4000-750nm)和近红外光谱(750-2500nm)。该材料还必须呈现出在红外波长范围(2.5μm到25μm)中的高吸收率和发射率，与由OSR本身中的电子器件生成的过量热相对应。另外，因为与在UV光谱中由金属(Ag或Al)反射层的反射有关的问题，设计已调制的散热层以便在与界面吸收有关的波长范围内(典型地是380nm)反射光，从而使得相应的入射太阳辐射不到达与反射金属层的界面。

主要通过实现了改进有害UV辐射的反射和改进红外发射率的金属层和散热层而实现了宽波段反射特性(UV、可见光和近红外)，上述结构取决于频率既作为散热器又作为反射器。但是，虽然这样的OSR呈现出改进的热性能以及允许使用更薄的玻璃，然而仍然需要依赖金属层实现可见光反射。

一个特定的问题在承载有源传输天线阵列的航天器中出现。这样的天线阵列可以包括几百个分立的辐射元件，每一个元件具有相关联的T/R模块，其为施加到或接收来自相关联的天线元件的射频(RF)信号提供相位控制，以便网状辐射图案的阵列具有期望的定向性。T/R模块也用低噪音放大器放大接收信号，放大由功率放大器传输的信号，且提供例如可调衰减和传输/接收切换的多种其它功能。因此，阵列的每一个分立的T/R模块包括许多高频电路，其必须装配在相关联的天线元件的区域中。这些天线阵列消耗了大量输入功率(10kW或更多)且要辐射的废热超过5kW。

因为这些天线典型地具有3米量级的直径，在正常的情况下，表面区域足够允许多余热能的耗散且保持正常运行温度。但是，对于朝向地球的直接辐射天线，对于每天的若干小时而言日光输入功率在约每平米1kW的量级。对于这样的天线，上述日光输入功率的耗散不可能利用常规的OSR，因为典型地银或铝的反射金属层在微波频率是不传导的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种膜材料，其在航天器应用中提供热控制并且满足微波传输需求。本发明的另一目的是提供适于航天器应用的热膜材料，其无需金属层即能实现反射。

本发明的第一方面在于用于航天器的热控制膜，包括多层干扰滤波器，适于呈现预选择的在2.5μm到50μm的远红外波长范围内的高吸收率和发射特性、在200-2500nm的太阳光谱范围内的低吸收率、和在1到30GHz的微波频谱内的高传输特性。

根据本发明构建的膜呈现出对太阳辐射的高反射率、在微波频谱内的低吸收率和在远红外内的高发射率的组合，这为可以用在例如通信或雷达天线的工作面的表面上的热控制散热器表面提供了所期望的热光特性，而不会导致RF信号的中断。