2023年8月18日，中國載人航天工程辦公室召開載人航天工程空間應用與發展情況介紹會。“首次液態金屬空間熱管理在軌試驗 ”作為近期在空間站開展的航天技術試驗之一，獲得了廣泛關注。本次試驗取得了哪些試驗成果？未來將如何應用？

(資料圖片)

航天技術試驗領域液態金屬熱管理試驗裝置由中國科學院理化技術研究所研制，安裝于空間站夢天實驗艙航天基礎試驗機柜內 ，采用低熔點、生物安全性高且化學特性穩定的鉍基金屬，在空間微重力環境下開展流動散熱和相變控溫技術的特性研究和試驗驗證。

PART. 1

液態金屬是什么？試驗涉及哪些原理？

液態金屬是一種不定型、可流動的液體金屬，它是一系列低熔點金屬以及合金材料的統稱，在室溫或較低的加熱溫度下呈液態并且兼具流動性，具有導電性強、導熱率高、粘度低和液態溫區廣等特點。本次試驗主要用到液態金屬的兩種散熱原理，即對流換熱 和固液相變熱控 。

對流換熱 就是液態金屬流過發熱的表面，吸收表面熱量，使發熱表面的溫度維持在某一合適的值，吸收熱量的液態金屬會升溫，在某一散熱裝置內將熱量傳給環境后恢復到初始溫度，從而再次流過發熱表面，實現循環流動；

固液相變熱控 是安裝在發熱表面上的相變熱沉在吸收熱量后熔化，從固態變成液態，熔化過程吸收熱量但溫度不變，從而將發熱表面控制在某一合適的溫度，當發熱表面不再工作時，液態金屬又逐漸凝固成固態，凝固過程溫度不變但會釋放熱量，這些熱量逐漸散到環境中，完全凝固后的金屬又準備迎接發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，一般在100℃以下，可以按照需求調整。

PART. 2

試驗取得哪些成果？

本次在軌試驗中，對流散熱試驗模塊 獲得了傳熱系數隨流速的變化特性，主要針對小型流體回路的低流速應用。在此之前，本試驗項目關注的低流速區域尚無可靠的傳熱系數特性數據供設計人員參考，本次試驗結果填補了此項空白 ；

相變控溫模塊 獲得了金屬材料熔化過程的溫度隨時間變化的曲線 ，熔化過程中材料的溫度分布受重力影響明顯，有重力時流體溫度不同造成的密度差異會引發自然的流動，這種流動會促使液態金屬內部溫度更快速地趨于均勻；而太空環境重力極微弱，密度差不會引發自然流動，液態金屬內部的溫度分布就會出現相對不均勻，本次試驗在裝有金屬相變材料的腔體內設置了增強傳熱結構，可以快速將熱量傳遞到金屬材料內部，使其熔化更加均勻，從而溫度更加均勻， 試驗驗證結果符合預期 。

除了驗證對流換熱 和相變控溫技術 ，本次試驗還驗證了空間微重力環境下鉍基金屬受控熔化 、膨脹緩沖 、界面導熱 等關鍵技術。

關鍵技術術語知識帖

受控熔化： 指金屬按照預先設定的位置、順序可控地依次熔化。

膨脹緩沖： 指對金屬固液變化時體積的變化做出緩沖，對于封閉的回路，這種體積變化如果不緩沖，會將管道撐裂。

界面導熱： 指兩個固體表面接觸時會有細微的縫隙，這些縫隙里殘留的空氣會阻礙熱量在兩個固體表面間傳遞，因此需要在縫隙中填充熱界面材料，如液態金屬，這種填充材料的導熱能力遠高于空氣，能夠使熱量在兩個固體表面間以較小的溫差進行傳遞。

PART. 3

試驗有哪些研究意義？

本項目是國際上首次采用生物安全性高的低熔點鉍基合金 ，在軌開展液態金屬空間熱管理關鍵技術試驗驗證，相關成果可為未來空間核動力電源、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業化應用提供關鍵技術支撐 。

PART. 4

未來期望在哪些領域開展應用？

本項目在液態金屬對流散熱和相變控溫方面獲得的成果主要針對高熱流密度電子器件的持續性發熱或間歇性高負荷發熱等工程熱控需求 ，隨著人工智能技術、虛擬現實技術和高通量圖像處理技術等領域的持續發展，具備這些功能的電氣設備的功率密度持續增加，為保障電器元件在高負荷工況的工作性能，需要采用更加高效、簡潔和可靠的散熱技術，本項目涉及的兩項液態金屬散熱技術就是針對這種工業需求開展的試驗驗證，在多個領域均有望發揮重大作用。

作者/中國科學院理化技術研究所 劉貴林