2023年8月18日，中國(guó)載人航天工程辦公室召開載人航天工程空間應(yīng)用與發(fā)展情況介紹會(huì)。“首次液態(tài)金屬空間熱管理在軌試驗(yàn) ”作為近期在空間站開展的航天技術(shù)試驗(yàn)之一，獲得了廣泛關(guān)注。本次試驗(yàn)取得了哪些試驗(yàn)成果？未來(lái)將如何應(yīng)用？

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航天技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域液態(tài)金屬熱管理試驗(yàn)裝置由中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制，安裝于空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜內(nèi) ，采用低熔點(diǎn)、生物安全性高且化學(xué)特性穩(wěn)定的鉍基金屬，在空間微重力環(huán)境下開展流動(dòng)散熱和相變控溫技術(shù)的特性研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

PART. 1

液態(tài)金屬是什么？試驗(yàn)涉及哪些原理？

液態(tài)金屬是一種不定型、可流動(dòng)的液體金屬，它是一系列低熔點(diǎn)金屬以及合金材料的統(tǒng)稱，在室溫或較低的加熱溫度下呈液態(tài)并且兼具流動(dòng)性，具有導(dǎo)電性強(qiáng)、導(dǎo)熱率高、粘度低和液態(tài)溫區(qū)廣等特點(diǎn)。本次試驗(yàn)主要用到液態(tài)金屬的兩種散熱原理，即對(duì)流換熱 和固液相變熱控 。

對(duì)流換熱 就是液態(tài)金屬流過(guò)發(fā)熱的表面，吸收表面熱量，使發(fā)熱表面的溫度維持在某一合適的值，吸收熱量的液態(tài)金屬會(huì)升溫，在某一散熱裝置內(nèi)將熱量傳給環(huán)境后恢復(fù)到初始溫度，從而再次流過(guò)發(fā)熱表面，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)；

固液相變熱控 是安裝在發(fā)熱表面上的相變熱沉在吸收熱量后熔化，從固態(tài)變成液態(tài)，熔化過(guò)程吸收熱量但溫度不變，從而將發(fā)熱表面控制在某一合適的溫度，當(dāng)發(fā)熱表面不再工作時(shí)，液態(tài)金屬又逐漸凝固成固態(tài)，凝固過(guò)程溫度不變但會(huì)釋放熱量，這些熱量逐漸散到環(huán)境中，完全凝固后的金屬又準(zhǔn)備迎接發(fā)熱表面的下一次工作，固液相變熱控用的金屬材料擁有較低的熔點(diǎn)，一般在100℃以下，可以按照需求調(diào)整。

PART. 2

試驗(yàn)取得哪些成果？

本次在軌試驗(yàn)中，對(duì)流散熱試驗(yàn)?zāi)K 獲得了傳熱系數(shù)隨流速的變化特性，主要針對(duì)小型流體回路的低流速應(yīng)用。在此之前，本試驗(yàn)項(xiàng)目關(guān)注的低流速區(qū)域尚無(wú)可靠的傳熱系數(shù)特性數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)人員參考，本次試驗(yàn)結(jié)果填補(bǔ)了此項(xiàng)空白 ；

相變控溫模塊 獲得了金屬材料熔化過(guò)程的溫度隨時(shí)間變化的曲線 ，熔化過(guò)程中材料的溫度分布受重力影響明顯，有重力時(shí)流體溫度不同造成的密度差異會(huì)引發(fā)自然的流動(dòng)，這種流動(dòng)會(huì)促使液態(tài)金屬內(nèi)部溫度更快速地趨于均勻；而太空環(huán)境重力極微弱，密度差不會(huì)引發(fā)自然流動(dòng)，液態(tài)金屬內(nèi)部的溫度分布就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)不均勻，本次試驗(yàn)在裝有金屬相變材料的腔體內(nèi)設(shè)置了增強(qiáng)傳熱結(jié)構(gòu)，可以快速將熱量傳遞到金屬材料內(nèi)部，使其熔化更加均勻，從而溫度更加均勻， 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果符合預(yù)期 。

除了驗(yàn)證對(duì)流換熱 和相變控溫技術(shù) ，本次試驗(yàn)還驗(yàn)證了空間微重力環(huán)境下鉍基金屬受控熔化 、膨脹緩沖 、界面導(dǎo)熱 等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)術(shù)語(yǔ)知識(shí)帖

受控熔化： 指金屬按照預(yù)先設(shè)定的位置、順序可控地依次熔化。

膨脹緩沖： 指對(duì)金屬固液變化時(shí)體積的變化做出緩沖，對(duì)于封閉的回路，這種體積變化如果不緩沖，會(huì)將管道撐裂。

界面導(dǎo)熱： 指兩個(gè)固體表面接觸時(shí)會(huì)有細(xì)微的縫隙，這些縫隙里殘留的空氣會(huì)阻礙熱量在兩個(gè)固體表面間傳遞，因此需要在縫隙中填充熱界面材料，如液態(tài)金屬，這種填充材料的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)高于空氣，能夠使熱量在兩個(gè)固體表面間以較小的溫差進(jìn)行傳遞。

PART. 3

試驗(yàn)有哪些研究意義？

本項(xiàng)目是國(guó)際上首次采用生物安全性高的低熔點(diǎn)鉍基合金 ，在軌開展液態(tài)金屬空間熱管理關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)成果可為未來(lái)空間核動(dòng)力電源、高功率密度航空電子以及民用高功率器件等具有高效傳熱及散熱需求的工程或產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐 。

PART. 4

未來(lái)期望在哪些領(lǐng)域開展應(yīng)用？

本項(xiàng)目在液態(tài)金屬對(duì)流散熱和相變控溫方面獲得的成果主要針對(duì)高熱流密度電子器件的持續(xù)性發(fā)熱或間歇性高負(fù)荷發(fā)熱等工程熱控需求 ，隨著人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和高通量圖像處理技術(shù)等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，具備這些功能的電氣設(shè)備的功率密度持續(xù)增加，為保障電器元件在高負(fù)荷工況的工作性能，需要采用更加高效、簡(jiǎn)潔和可靠的散熱技術(shù)，本項(xiàng)目涉及的兩項(xiàng)液態(tài)金屬散熱技術(shù)就是針對(duì)這種工業(yè)需求開展的試驗(yàn)驗(yàn)證，在多個(gè)領(lǐng)域均有望發(fā)揮重大作用。

作者/中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 劉貴林