变吸收率涂层在载人飞船的应用效果分析

付 杨，陈 灵，张 立，张家强，平 托

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094； 2.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094）

1 引言

中国神舟系列载人飞船返回舱外表面喷涂了热控涂层。以神舟十一号载人飞船为例，其外表面热控涂层的半球发射率约为0.50 ～0.60，太阳吸收率大于发射率。神舟十一号载人飞船与天宫二号对接，组合体结构相对简单，主要姿态为三轴稳定对地和偏航头或尾对日姿态。载人飞船任务时，太阳角基本在-30°～30°之间，受晒因子变化小，且无部分位置长期受照或者长期不受照的情况，故热环境较好，外热流变化较小，无极端高温和低温的外热流环境。返回舱外壁涂层在上述热物性指标下可满足飞行任务的要求［1-3］。

当前中国空间站建造阶段已基本完成，飞船与空间站构成组合体，其构型和飞行姿态更为复杂。神舟十二号飞船在停靠空间站期间，组合体长期为惯性飞行姿态。停靠在节点舱前向对接口的载人飞船，阳照区其III 象限始终处于阳光受照状态，会出现外热流极高值。而背向太阳一侧，则会出现外热流极低值。此外神舟十三号和神舟十四号飞船停靠节点舱径向对接口，惯性飞行姿态下则会出现长期被遮挡，无法得到阳光照射，长期处于低温的情况。

针对上述情况，本文对空间站任务期间的返回舱外热流进行计算分析，提出新涂层指标需求。研制出了一种吸收率随入射角变化的低吸收低发射率热控涂层，并且吸收率随入射角增大而增大，并应用到神舟系列飞船。对神舟十二号至神舟十五号返回舱在轨温度数据进行分析，以验证新涂层对返回舱高温区域和低温区域舱壁温度的影响。

2 热环境分析

2.1 外热流的影响因素

2.1.1 舱体形状的影响

圆柱型舱体受阳光照射情况如图1 所示，由于载人飞船舱体为圆柱体，当阳光直射到舱体A处，阳光入射角为0°，此时A 处接收阳光能量最大。当存在一定入射角θ时（如B 处），入射的阳光在舱壁法向分量则为qcosθ，其中q为太阳光热流通量。故舱体为圆柱形状，天然存在阳光分布不均匀性，因此为了尽可能拉平舱体周向温度，希望外壁涂层太阳吸收率能随入射角变化而变化：当入射角小时，太阳吸收率也小；当入射角增大时，太阳吸收率也增大，此即本文所提出的变吸收率涂层的需求背景。

图1 圆柱型舱体受阳光照射情况Fig.1 Sunlight exposure to cylindrical capsule

2.1.2 太阳角的影响

航天器太阳角（β）定义为阳光矢量与航天器运行轨道平面之间的夹角，如图2 所示。综合考虑圆柱体舱体和太阳角，则实际舱体接受的阳光的入射角为φ＝arccos（cosβcosθ）。此外，太阳角影响航天器受晒因子τ，在轨道参数确定的情况下，受晒因子为太阳角的函数［4］。

图2 阳光对不同太阳角下飞行器的照射情况Fig.2 Sunlight exposure to spacecraft at different solar angles

2.2 外热流分析

2.2.1 阳照区外热流

以神舟十二号对接空间站前向对接口、组合体惯性飞行姿态为分析对象。以载人飞船返回舱锥段区域为例，其周期平均到达外热流分布如图3 所示。从图中可以看出，当太阳角为0°时，阳照面最大周期平均外热流极值约900 W／m2，当太阳角 为 65° 时，最 小 周 期 平 均 外 热 流 仅 约140 W／m2，外热流变化巨大。

图3 返回舱锥段周期平均到达外热流分布情况Fig.3 Distribution of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the re-entry capsule

此外，不同太阳角β下，返回舱吸收的外热流总量也相差很大。以返回舱锥段为例，阳照半球的周期平均外热流进行统计，如图4 所示。从图中可以看出，惯性飞行姿态下，返回舱阳照半球周期平均到达外热流变化很大，最小为330 W／m2，最大约为750 W／m2。由于返回舱为锥体，故图4中外热流左右不对称。

图4 返回舱锥段周期平均到达外热流情况Fig.4 Statistics of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the reentry capsule

2.2.2 阴影区外热流

阴影区由于没有阳光直照，仅受地球红外影响，外热流很小，且在整个阴影区变化不大，基本在140～200 W／m2之间。故阴影区主要考虑涂层的保温性能。

2.2.3 全遮挡情况下的外热流

对于神舟十三号和神舟十四号飞船（径向对接）出现的长期被遮挡情况，其所有表面的外热流长期在100～200 W／m2之间。外热流总量相比神舟十二号（前向对接）减少超过一半，飞船处于极端低温。此工况需要重点解决涂层的保温性能。

2.3 舱壁温度分析

以神舟十一号返回舱外涂层为例，根据图3的周期平均到达外热流计算结果，建模计算返回舱外壁平均温度，结果如图5 所示。由上述外热流分析，最大周期平均外热流变化范围约100 ～900 W／m2，计算得到舱壁平均温度变化范围为0～55 ℃。根据神舟十一号在轨经验，高温舱壁温度波动不小于±5 ℃，故高温下，舱壁可能超过60 ℃，对于设备有高温超温风险，对航天员也有高温受伤风险。低温情况下，舱壁温度接近或者可能低于0 ℃，密封舱低温部位有结露甚至结冰的风险，严重影响设备的安全运行和航天员的舒适性。因此迫切需要一种新的涂层解决上述问题。

图5 神舟十一号涂层状态下舱壁理论温度Fig.5 Theoretical temperature of re-entry capsule in Shenzhou 11 re-entry capsule

3 需求分析

对于裸露在外太空的返回舱舱壁表面，表面涂层的太阳吸收率和半球发射率对返回舱表层温度影响起决定作用。太阳吸收率影响太阳光的吸收，太阳吸收率小则吸收热流小，有利于减少高温情况。发射率影响返回舱热量的散失，发射率大则有利于降温，发射率小则有利于保温。

考虑到阴影面无阳光直照，需要保温，对于涂层的发射率要求为越小越好。根据涂层的试制结果，发射率在0.1～0.2 之间可以稳定实现。

考虑到阳照面需要降温，故吸收率要求为越小越好。但是考虑到0.1 ～0.2 的发射率对于保温还是不足，故提出尽可能地吸收太阳热量的需求。再考虑到阳照面返回舱外热流的分布极不均匀，综合提出太阳吸收率在入射角0°时越小越好，随入射角增加而增大的需求。

1）根据2.1.1 节分析，舱体接收的热量为αsqcosθ，其中，αs为涂层的吸收率。如果要让温度平均，吸收率αs与1／ cosθ成正比；

2）根据2.1.2 节分析，舱体绕地球一圈平均接收的热量为αsqτcosθcosβ，如考虑θ为定值，则吸收率αs与1／τcosβ成正比。

综合考虑上述2 个因素，新型涂层需要具备低发射率、低吸收率以及吸收率随入射角变化的特性，理论分析吸收率的变化需求如图6 所示。

图6 新涂层太阳吸收率与需求符合情况Fig.6 The solar absorption of the new coating

4 涂层研制

目前，美国NASA 在Apollo15 指令舱外表面包覆有吸收率和发射率均为0.1 的镀铝薄膜［5］。但是神舟飞船返回舱涉及返回功能，无法使用镀铝薄膜。美国AZ technology 公司、IITRI（Illinois Institute of Technology Research Institute）研究所以及俄罗斯信息卫星系统-列舍特涅夫公司对低吸收率低发射率涂层开展了相关研究，但是由于技术保密性，目前尚无可以参考的技术文献。对于吸收率随入射角变化涂层的研究，则未见报道。

针对中国空间站以及后续载人登月等复杂热工况环境的热控需求，采用有机硅树脂及金属铝粉材料进行了多种配比和不同工艺的摸索，研制了中国第一款喷涂型吸收率随入射角变化的低吸收、低发射率热控涂层［6-7］。

4.1 新型热控涂层性能

采用分光光度计对新型涂层在不同入射角下的太阳吸收率进行测试，如图6 所示。在太阳近直射条件下（入射角为8°），涂层太阳吸收率为αS＝0.18；在入射角8°～40°范围内，涂层太阳吸收率的变化较小，仅增加约17%；当入射角超过45°，涂层太阳吸收率随入射角的变化大幅增大，在60°时，涂层太阳吸收率达到0.31，增加约72%；75°时，涂层太阳吸收率达到0.34，增加约89%。新涂层吸收率较好满足了理论的需求。由于地面测试设备限制，在入射角接近0°和90°时，没有吸收率测试数据，在计算过程中采取8°和80°的测试数据进行外推。

在轨道上，热控涂层受到带电粒子、紫外（UV）辐射、高真空以及沉积在航天器各个表面上的污染膜的影响。这些作用的综合结果是太阳吸收比增大，而红外发射率变化很小或不受影响［8］。在新涂层的研制过程中，在地面进行了新涂层的6.5×1025个／m2计量的原子氧试验和381 kJ／cm2计量紫外辐照实验。数据表明，吸收率平均合计增加了0.0185，发射率几乎不变，新涂层具有良好的空间环境适应性。

4.2 新型热控涂层的应用

对载人飞船外壁整体进行新型热控涂层的涂覆实施，外观为银色，相比神舟十一号返回舱有较大的不同，如图7 所示。

图7 载人飞船返回舱及其新型热控涂层Fig.7 The new coating on the re-entry capsule

5 新涂层计算

仍然以神舟十二号对接空间站前向对接口，组合体惯性飞行姿态为分析对象。根据新涂层研制结果，以返回舱锥段区域为例，周期平均吸收外热流如图8 所示，对比图3 可以发现，新涂层在不同太阳角时的吸收热流差别减小，相同太阳角下阳照面不同区域的吸收热流均匀性大幅提高。

图8 新涂层返回舱锥段阳照面周期平均吸收外热流分布情况Fig.8 Distribution of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the re-entry capsule（new coatings）

根据新涂层状态，返回舱锥段阳照半球的吸收外热流进行统计如图9 所示。对比图4 可以发现，不同轨道太阳角，平均吸收外热流和最大吸收外热流的均匀性均大幅提高。在轨道太阳角65°时吸收热流偏高，轨道太阳角-65°时吸收热流偏低，主要是由于返回舱舱体锥形造成，与理论圆柱形计算值有所差别。

图9 新涂层返回舱锥段平均吸收外热流情况Fig.9 Statistics of the average period environmental heat fluxes on the conical sections of the reentry capsule（new coatings）

6 在轨验证

2020 年，新型涂层在新一代载人飞船试验船进行了首飞搭载验证。空间站阶段，随着神舟十二号到神舟十五号的发射，新涂层通过了长期在轨验证。其中神舟十二号飞船于2021 年6 月17日发射，停靠节点舱前向口，组合体主要为惯性飞行姿态。神舟十五号飞船于2023 年6 月4 日发射入轨，停靠节点舱前向口，组合体主要为正向飞行姿态。

6.1 在轨返回舱舱壁III 象限温度分析

对于神舟十二号载人飞船，惯性飞行下III 象限一直朝向太阳，故利用锥段铝壁位于III 象限正象限的温度数据进行分析，如图10 所示。此测点温度范围在25～42 ℃。

图10 在轨返回舱舱壁III 象限某测点温度随不同轨道太阳角变化情况Fig.10 The temperature at Quadrant III of re-entry capsule at different solar angles

从图10 中可以看出，到达外热流变化范围相当大，对应的更改前涂层的理论计算舱壁温度范围为25～55 ℃。在新涂层下，其理论吸收外热流变化则相对平缓。反应在温度的变化上，实际在轨温度变化与理论吸收外热流趋势基本一致。

注意到在轨道太阳角0°附近时，实际在轨温度与理论外热流趋势相反，分析原因为地面测试受设备限制，计算时接近0°入射角的吸收率为外推值。根据在轨数据，0°入射角附近时实际吸收率比外推值应该更低。新涂层在0°入射角附近时的参数特性比预期更为优秀。

另外，在轨道太阳角度接近65°时，阳光对于舱壁的入射角也较大，在轨温度相比其他太阳角时下降较多。分析原因：一是返回舱紧挨着测点的背阳面温度较低，由于舱壁的导热，拉低了此测点温度；二是计算时采用外推值可能不够准确。综上，后续将利用在轨数据对涂层参数进行修正。

6.2 在轨返回舱舱壁周向温度分析

对神舟十二号载人飞船惯性飞行不同太阳角下舱壁不同点温度进行统计，如图11 所示。考虑到舱壁温度测量受舱内结构复杂略有影响，舱壁温度与外热流的变化基本一致。

图11 在轨惯性飞行姿态返回舱舱壁不同位置温度情况（0°轨道太阳角）Fig.11 Temperature at different position of re-entry capsule in coasting flight（0°solar angles）

如图11 所示，到达外热流变化范围为200 ～900 W／m2，对应的更改前神舟十一号返回舱涂层状态的计算舱壁温度范围为5 ～55 ℃，变化范围相当大。新涂层下，吸收外热流变化更为平缓。从在轨温度来看，温度变化范围为21.5 ～42 ℃，变化范围大大减小。

6.3 在轨新涂层退化分析

神舟十五号飞船已完成在轨停靠6 个月任务并成功返回。神舟十五号停靠时间长，停靠为前向停靠，停靠阶段无其他飞行器遮挡，有利于评估返回舱涂层退化情况。

选取神舟十五号飞船返回舱III 象限附近温度测点，此区域测点在太阳角为0°时，温度达到最高点。比较4 个温度测点，当太阳角为0°时的温度数据如图12 所示。可以看出，在轨的半年期间，温度变化在4 ℃以内，且无明显趋势性变化，证明涂层半年内无明显退化现象。虽然半年时间对于其他航天器来说，时间稍短，但根据涂层退化的趋势，一般涂层在入轨初期退化更为严重，故新涂层半年内无明显退化，也可以说明涂层的良好环境适应性。

图12 返回舱舱壁温度情况变化Fig.12 Temperature changes of the re-entry capsule

综上，变吸收率涂层的使用，提高了舱壁低温区域的温度，降低了高温区域的温度，降低了高低温风险，效果显著。涂层在轨半年无明显退化，有较好的环境适应性。

7 结论

通过低吸收率、低发射率且吸收率随入射角变化的新涂层在神舟十二号及后续载人飞船返回舱成功运用，得出如下结论：

1）新涂层的使用减小了受太阳直照处舱壁的吸收热流，降低了舱壁温度，消除了设备和航天员可触碰表面的高温风险；

2）新涂层增大了大入射角下舱壁的吸收热流，且同时减小舱壁的漏热，提高了舱壁温度，减小了密封舱设备低温带来的风险。

新型涂层保障了设备的可靠运行和航天员的舒适性。新型涂层为适应神舟飞船空间站任务而研发，现已发展出多种不同指标的家族系列涂层，除载人飞船外，已成功用于新一代载人飞船和火星探测项目，并为后续解决类似空间热流剧烈变化问题提供成熟合理的研制思路。