可变发射率材料：航天器自适应热控制

 

摘要：航天器在日光区和阴影区之间切换时，表面温度会出现从+200℃以上到-200℃以下的剧烈波动。传统热控手段如固定发射率涂层、多层隔热材料、加热器和机械辐射器，不仅增加航天器质量、消耗电能，还缺乏环境适应性。可变发射率材料（VEMs）可通过动态调节红外发射率实现自适应热控：高温时提高发射率散发热量，低温时降低发射率保存热量，成为传统技术的理想替代方案。本文综述了主流可变发射率材料技术，包括以二氧化钒（VO₂）为代表的被动热致变色涂层、主动电致变色薄膜、基于微机电系统（MEMS）的微型百叶窗，以及新兴的超材料和形变辐射器。可变发射率材料能降低航天器的功耗需求和整体质量，实现自主热调节，非常适用于小卫星和功率受限的航天任务。目前已有采用卷对卷沉积技术，研发基于二氧化钒及复合可变发射率材料涂层，以制备大面积柔性热控薄膜的案例。后续持续测试与多方合作有望加速可变发射率材料从实验室研发走向航天飞行认证系统，用轻质自适应表面替代笨重的机械热控装置。

 

 

一、可变发射率材料（VEMs）简介：

太空环境对航天器的热管理提出了极高要求。航天器在直射日光区和阴影区之间切换时（图1），在极端情况下，其外表面可在数分钟内从+200℃以上骤降至–200℃以下 [1]。传统上，热控工程师采用固定发射率辐射器、多层隔热材料以及星载加热器，航天器内部温度维持在任务要求的临界范围内[2][3]。

 

图1 绕地轨道卫星示意图， 展示卫星相对太阳的极端轨道位置。（左）在远日点（离太阳最远），太阳辐照度低，卫星表面温度相对较低；（右）在近日点（离太阳最近），卫星承受最大热负荷。卫星实际接收的太阳辐射量，取决于地球相对太阳的轨道位置及卫星相对地球的位置。此外，地球、月球及其他天体的热辐射，会进一步影响卫星的热环境。

可变发射率材料（VEMs）是一类新兴的热控表面材料，能够对环境变化做出动态响应。这类涂层可调节自身的红外发射率（即辐射散热的效率），既可随温度被动调节，也可通过电信号或光信号主动调控。尽管这些发射率变化发生在红外光谱范围，人眼无法察觉，但会对航天器的热学特性产生显著影响。当表面温度升高时，可变发射率材料可提高发射率以辐射多余热量；当表面处于低温环境时，同一表面则可降低发射率以保存热能[4]。

这种自适应特性使航天器表面可充当智能辐射器，实时调节热辐射强度。因此，可变发射率材料（VEMs）能够减少甚至取消对机械百叶窗或电阻式加热器的需求，为航天器热管理提供更高效、更紧凑的解决方案，这对于体积、功率或质量受限严苛的航天任务尤为重要[5]。

 

二、太空环境中的热控制基础

在太空环境中，热辐射是热量传递的主要方式。物体表面的热辐射量取决于其温度和发射率（ε）——发射率是材料的固有属性，理想反射体的发射率为0，理想黑体的发射率为1。高发射率表面的热辐射效率高，冷却速度更快；低发射率表面则通过减少红外辐射损耗实现保温[6]。

图2材料受日光照射时，因吸收太阳辐射而升温，升温程度取决于太阳辐照光谱、材料的太阳吸收性及热容。太阳辐射带来的热量主要集中在电磁波谱的紫外-可见-近红外区域。同时，材料会通过热辐射降温，降温速率由其热发射率决定，且热辐射主要集中在红外区域。

太阳吸收率（α）是另一项关键参数，用于描述表面对入射太阳能量的吸收能力。性能优异的热控涂层通常设计为低太阳吸收率（α）以减少太阳吸热，并具备高发射率（ε）以最大化辐射散热。航天器表面通过平衡吸收的太阳辐射通量与发射的红外辐射，达到热平衡状态[7]。图2展示了热发射率和太阳吸收率的作用原理。

以往，热控工程师使用具有静态光学特性的材料（如白色热控漆、光学太阳能反射器）进行热控[8]。这类材料的太阳吸收率（α）和发射率（ε）为固定组合，能在特定热环境下表现良好，但无法适应全轨道的复杂环境变化，这往往导致设计上的权衡取舍：为高温日光环境优化的表面，在阴影区的性能会大幅下降，反之亦然。

可变发射率材料通过根据实时环境变化调节表面发射率，解决了这一局限。这种动态控制不仅提升了热调节效果，减少了对笨重有源系统的依赖，还为航天器设计提供了更大灵活性，成为未来航天任务先进热控架构的理想解决方案。

 

三、传统热控方法（VEMs的替代方案）

在智能材料出现之前，航天热控工程师主要依靠被动与主动热控技术相结合的方式来应对极端温度变化。这些传统技术目前仍被广泛使用，而随着可变发射率材料（VEMs）即将补充或替代传统航天器热控架构的部分组件，了解这类技术的特点具有重要意义。

热控涂层与表面处理：航天器通常会根据特定的吸收率和发射率来选用并覆盖相应涂层。例如，多层隔热组件（MLI）和白色涂料用于减少热量散失，而高发射率辐射器涂料则用于增强散热。这类涂层的光学性能固定，无法随环境变化自适应调节[9]。

电加热器：采用恒温控制的电阻式加热器被广泛用于防止设备温度过低。当卫星进入阴影区或深空等低温环境时，加热器消耗电能以弥补太阳能量辐射的缺失。该方法虽有效，但会消耗宝贵的电能，且加热器元件与布线会增加系统质量[10]。

变导热管（VCHPs）：热管是一种被动式系统，可将热量从高温组件传递至辐射器表面。变导热管内置工质和气体储存器，通过调节冷凝器长度来控制热流量：高温时，储气室气体收缩，使热传导最大化；低温时，气体膨胀，减小有效辐射面积、防止过冷。该机制可实现一定程度的热调节，但无法改变表面发射率，且增加了机械复杂度[11]。

航天器姿态与轨道调整：操作人员有时会通过调整航天器的姿态或轨道来控制热负荷。例如将不同表面朝向太阳，或通过缓慢自旋重新分配热能。但这类机动操作受任务目标限制，无法持续稳定实施[12]。

机械百叶窗与遮光板：用于实现可变辐射控制的一种传统方案是热控百叶窗，其工作原理与微型百叶帘十分相似。该装置包含金属叶片，叶片打开时露出高发射率辐射器，实现散热；叶片闭合时形成隔热层，减少热损耗。欧洲空间局的“罗塞塔”探测器等早期航天器，采用由双金属弹簧驱动的无源百叶窗，可根据温度自动响应。但这类百叶窗体积庞大、包含活动部件，对于质量和体积高度受限的小卫星平台而言，应用难度较大。此外，大多数百叶窗系统的发射率调节范围仅为 0.15~0.55，难以完全替代辅助加热设备[13]。

可展开辐射器：部分航天器采用可展开辐射面板，可根据需求增大或减小辐射表面积。需要散热时，辐射器可向外展开或旋转；需保温时，则可收回或转为侧对太空以保存热能。该方式热控效果良好，但系统包含机械运动部件，可能增加运行复杂度与故障风险[14]。

上述每种方法在特定任务场景中均已体现出价值，但均需在质量、体积、复杂度或功耗方面做出权衡。例如，电阻式加热器需要持续供电与主动控制，而百叶窗、可展开辐射器等机械部件则会带来潜在的故障点。在这一背景下，可变发射率材料（VEMs）成为一种极具前景的替代方案。VEMs不依赖运动部件或持续供电，而是通过表面本征特性的变化调节热流，为航天器热控提供了一种更轻质、更简洁、更自主的途径。

 

四、可变发射率材料的工作原理

可变发射率材料可根据环境条件或外部控制信号，主动改变其自身的红外发射率，而这种改变可以通过EM100/EM10系列红外发射率测量仪、SRA太阳吸收比测量仪等设备进行测量并记录。可变发射率材料的设计理念是模拟自然界的热调节机制，例如某些动物通过调节皮肤表层的血流量来控制热量损耗。设计优良的可变发射率材料具有负热反馈特性：航天器温度升高时增强散热，温度降低时保存热量，从而实现自动稳温。这一特性可通过多种物理机制实现，并由此形成几大类主要的可变发射率材料技术：

1、被动热致变色涂层（温度响应型）

这类材料无需任何电输入，仅随温度变化自动调节发射率，属于纯被动式热控材料。“热致变色”指材料在特定转变温度下发生物相或光学特性的变化。研究最广泛的典型材料是二氧化钒（VO₂），一种适用于航天器的热致变色氧化物。VO₂在约68 °C（154 °F）附近发生可逆相变：低于该温度：呈半导体相，红外发射率低；高于该温度：转变为金属相，发射率显著升高（图3）。因此，基于VO₂的表面可在高温时自动增强辐射散热，低温时减弱辐射散热[15]。在一项已验证的设计中，采用VO₂/Ge/VO₂/Ag法布里–珀罗结构的VO₂涂层辐射器，高温（金属相）时发射率接近0.78；低温（半导体相）时约为0.10。表明其辐射散热能力实现了大幅调节[16]。

图3热致变色表面的热辐射强度随温度的变化关系。辐射出射度（W/m²）遵循斯特藩–玻尔兹曼定律，对应两种发射率状态：低发射率“冷态”（ε≈0.3，蓝色虚线）高发射率“热态”（ε≈0.8，红色虚线）黑色曲线为热致变色可变发射率材料（VEM）的实际性能曲线，材料在325K附近完成两种状态间的转变。低于转变温度：表面将热量损耗降至最低，实现保温。高于转变温度：发射率急剧升高，大幅增强辐射散热。这种负热反馈效应是基于二氧化钒（VO₂）或类似相变智能涂层的典型特征。

热致变色涂层的优势在于结构简单、可靠性高，无需电子器件、输入电源和机械部件，非常适用于长寿命航天任务。但该材料仍存在一些技术挑战：二氧化钒（VO₂）的固有相变温度对部分航天器电子设备而言可能偏高，因此研究人员正通过掺杂改性VO₂来降低其切换温度。此外，VO₂易受原子氧侵蚀而发生性能退化，必须加以防护才能适应空间环境。尽管如此，热致变色可变发射率材料仍是一种精巧的相变热控方案，能够无需电源或外部指令即可实现连续调节。

2、主动电致变色表面（电压调控型）

电致变色可变发射率材料需要低压电信号来实现不同发射率状态之间的切换。这类器件为薄膜结构，通过电压驱动的离子迁移或电化学反应改变表面光学特性（图4）。典型的电致变色辐射器由反射金属基底、离子储存层、电解质层和可调电致变色层组成。施加电压时，离子会迁移至功能层，改变其光学常数，进而调节材料在红外波段的透过率或吸收率[17]。

这种电压控制架构可将发射率动态调节至目标值，与被动系统不同，电致变色器件可在连续范围内实现可调。例如，日食能源系统（Eclipse Energy Systems）研制的一款器件，在7～12μm热红外波段内实现的发射率变化量（Δε）可达0.8左右[18]。目前的电致变色系统采用氧化钨、导电聚合物等先进材料，通常与固态离子导体结合使用。这些薄膜兼具柔性、轻质及可扩展性，可作为薄型共形涂层集成于航天器辐射器表面。

图4电致变色可变发射率器件（IR‑ECD）在热循环条件下的实验室验证。四个IR‑ECD样品（每个有效面积3.8 cm × 3.8 cm）安装在50 °C 加热板上（左图）。红外热成像图（右图）显示：两个器件处于低发射率状态（深紫色）两个器件处于高发射率状态（黄红色）直观体现了对辐射散热的主动控制能力[18]。

电致变色可变发射率材料通常仅需几伏直流电压（1–3 V 直流），且切换功耗极低，通常为微瓦/平方厘米级别。其切换时间从几秒到几分钟不等，考虑到航天器热响应本身较慢，这一速度完全可以接受。许多电致变色系统在设定完成后，可依靠双稳态特性或低频次刷新，无需持续供电就能保持发射率状态。已有多款设计在近地轨道完成验证，包括小卫星和国际空间站。其核心优势在于：调节范围宽、质量轻，并有望用薄膜器件替代传统机械辐射器。

3、微机电（MEMS）辐射器

基于微机电系统（MEMS）的可变辐射器，将机械百叶窗原理与微加工技术相结合。这类系统利用微型驱动器来暴露或遮挡辐射表面，通过物理运动实现有效发射率的调节。某款原型器件以高发射率的碳填充聚酰亚胺薄膜为辐射面，表面覆盖微加工制备的翼片阵列，翼片的开合可实现辐射态与隔热态的切换[19]。

微机电辐射器的驱动方式包括热双晶片、静电力和磁微型执行器。部分设计通过热膨胀实现被动驱动，原理类似传统双金属百叶窗；另一些则通过低压电信号实现主动控制。MEMS辐射器的优势包括：质量轻、可批量制造、能对发射率进行精细空间调控。在立方星（CubeSat）及其他小型航天器上尤其具有应用前景，因为传统机械系统对这些平台而言体积过大、质量过重[14]。

MEMS器件的主要技术难点，是在空间环境下保证可靠性——成百上千个活动部件必须在真空、辐射和热循环条件下稳定工作。目前，该领域的研究仍在持续推进。例如，欧洲空间局（ESA）已研究了利用微型双金属线圈在太阳辐照加热下驱动的MEMS热控百叶窗。这类系统可集成到印刷电路板或小型热区上，实现局部热控，并与基于材料的可变发射率材料（VEM）形成互补。

 

4、电泳技术及其他新型方案

另一类颇具潜力的主动热控表面是电泳式发射率调控器件，其工作原理与电子墨水显示屏相似，但调控的是红外特性而非可见光。电泳可变发射率材料的核心结构为：将红外黑色（高发射率）和红外白色（低发射率）的带电颜料颗粒悬浮于流体或凝胶基质中，施加电场时，这些颗粒会发生迁移：当高发射率的深色颗粒迁移至表面时，材料呈现高发射率；当深色颗粒缩回，露出低发射率的反光基底时，材料呈现低发射率，由此实现高、低发射率状态之间的切换[20]。

该技术可实现显著的发射率对比度，且通常功耗极低。与电子墨水屏类似，这类器件在设定状态后无需持续供电即可保持状态。美国宇航局（NASA）在21世纪初的研究中，已将电泳涂层与电致变色、MEMS技术一并列为可变发射率辐射器系统的候选方案[21]。尽管电泳技术的关注度不及电致变色和二氧化钒涂层，但其具有轻量化、机械结构简单、发射率模拟可调等独特优势，通过调节电场强度，可控制迁移至表面的颜料颗粒数量，实现发射率的渐进式调节。

然而，这类技术采用基于液体的体系，在微重力环境中会带来工程挑战。悬浮液的长期稳定性以及颗粒可能发生的团聚问题，也必须得到解决。这些问题仍是该领域的研究重点。

除上述主流技术外，研究人员还在探索将机械重构与材料科学相结合的新型动态热控策略。

形变辐射器采用形状记忆合金、静电执行器等材料，在轨道中改变辐射器的物理几何形状，实现热控。图5所示的概念方案，采用折纸灵感的折叠表面，通过改变表面的折叠深度调节有效辐射面积[22]，进而控制热辐射量，为发射率调控提供了一种物理方法，无需单独依赖涂层。

图 5. 用于可调热辐射器的折纸型折叠结构。(A)水野折纸（2型）、(B)水野折纸（1型）、(C)W型折叠模式，分别给出了：俯视图（未压缩状态，折叠线标注：红色＝山折，蓝色＝谷折，黑色＝面板边界）、侧视图（压缩构型，标注几何宽度）、三维渲染图、加工出的铝制原型件，这些可折叠结构能够改变有效暴露面积，实现动态辐射散热，在航天器可展开辐射器中具有应用潜力[22]。

超材料是另一大前沿方向。这类材料是指通过人工设计的亚波长结构，实现天然材料不具备的电磁特性调控的表面材料。在热控领域，研究人员可设计超材料表面，使其根据温度变化、外加电压等外部刺激调节红外光谱特性，从而实现对发射率的精准、快速调制，且可针对特定波段进行定制化设计[23]。

尽管形状变形结构和发射型超材料仍处于研究阶段，但未来有望补充或拓展现有可变发射率材料技术（VEM）；将其集成于航天器系统，可打造高度自适应、可调的热控架构，助力未来航天任务。

 

五、可变发射率材料（VEM）对航天热控工程师的优势

可变发射率材料在航天器热控中的吸引力，在于其应用后的简洁性、多功能性与高效性。它们具备多项核心优势，足以重塑热控工程师的航天器设计思路：

被动式自主热调控：尤其是热致变色材料，可在无需传感器、控制器或任何电源输入的情况下，实现自调节热控。涂层本身直接对温度做出响应，工作方式就像一个内置的恒温器。这种被动特性对于在极端环境下运行、几乎无人值守的航天器而言，具有极高的价值。

降低质量与体积：可变发射率材料涂层通常为轻质薄膜，可直接涂覆于航天器辐射器或结构表面。与笨重的百叶窗、复杂的热管组件或大型可展开辐射器不同，VEM 所需的配套硬件极少。这能够减小系统质量（卫星设计中的关键约束条件），并节省出容积用于搭载其他有效载荷或分系统。对于小卫星而言，用简单的薄膜或涂层替代重型热控硬件，往往是决定任务能否实现的关键因素。

节省功耗：许多主动热控系统需要持续消耗电能，无论是驱动电阻式加热器，还是带动机械部件。相比之下，大多数可变发射率材料（VEM）功耗极低甚至不耗电。电致变色系统仅需很小的电压（通常为1–3V直流）和极小的电流即可切换发射率状态，且切换后维持状态所需的功耗几乎可以忽略。被动式热致变色涂层则完全不需要电源。这对于功耗受限的任务尤其具有优势，例如立方星，或是依靠有限太阳能工作的深空探测器。

宽动态调控范围与优异性能：经过合理设计的可变发射率材料（VEM）可实现很宽的发射率动态范围。例如，表面发射率可从低至0.2切换到0.8以上。这一范围媲美甚至优于许多机械百叶窗系统。在高热负荷时最大化散热，在低温环境下最小化辐射热损失，VEM能够将关键器件温度控制在狭窄的温区内。这不仅提升了系统效率，还能避免极端温度循环，从而延长星载电子设备的寿命与可靠性。

可扩展性与灵活性：多数可变发射率材料基于薄膜或涂层技术，可轻松拓展至大面积表面，也可涂覆于不规则表面。理论上，整个航天器都可以包覆一层可变发射率的“智能热控皮肤”。这类材料还具有天然的模块化特性：航天器的不同区域可独立控温，一个区域工作在高发射率状态，而另一个区域可保持低发射率模式。这种空间分区调控能力，是全局加热器或统一化机械热控系统难以实现的。

基于上述优势，可变发射率材料（VEM）被广泛认为是航天器热控领域的突破性技术。通过降低系统复杂度、减少功耗需求，并实现更精细的温度调控，VEM有望简化航天器设计、大幅缩短研制周期并降低成本。

然而该技术仍存在待解决的技术挑战。相关材料的空间环境认证仍在进行中。可变发射率材料（VEM）必须能够耐受空间辐射、紫外照射、原子氧、真空环境以及多次温度循环。部分材料在长期在轨暴露后可能出现性能衰减或漂移，因此，利用EM100/EM10系列红外发射率测量仪、SRA太阳吸收比测量仪等设备对表层材料进行测量以及在轨验证至关重要。近期在国际空间站开展的MISSE‑FF飞行试验等研究工作，正为这类技术的可靠性提供支撑依据[24]。此外，工程师还需警惕次生效应：例如，电致变色表面需做好电磁屏蔽，避免产生电干扰；材料的放气效应需严格控制，防止对真空环境下的航天器造成污染。

 

六、展望与合作呼吁

可变发射率材料（VEM）正在重新定义航天器热控技术，以自适应涂层替代笨重的硬件，实现热流量的动态调控。美国空军研究实验室的SPIRRAL任务等飞行试验，已验证了该技术的潜力，但规模化制备和飞行环境认证，仍是其实现广泛应用的关键。

业内正积极研发新一代可变发射率材料（VEM）薄膜，并在商用领域实现对二氧化钒（VO₂）热物性的精准调控。依托在精密光学涂层领域数十年的技术积累，正将这一核心能力拓展应用于航天级系统。

如图6所示的5米卷对卷薄膜涂层设备能够在柔性基底上大批量制备均匀、高性能的可变发射率材料（VEM）涂层。这些薄膜可应用于大型辐射器、可展开面板及航天器曲面，在实现精准、可调热控的同时，降低系统质量与成本。

图6 5米卷对卷薄膜涂层设备，配备有四个在线物理气相沉积（PVD）源，采用离子辅助电子束（e-beam）蒸发技术。该系统能够在柔性基底上大批量沉积精密光学涂层和热控涂层（包括可变发射率材料VEM），适用于航天及商用领域。

 

我们诚邀卫星制造商、热控工程师及航天项目负责人与我们开展合作，共同针对具体任务需求，开发并优化基于二氧化钒（VO₂）及复合体系的可变发射率材料（VEM）配方；通过联合开展热真空与空间环境试验，完成涂层的产品验证与航天认证；将可变发射率材料技术集成到飞行验证与实际在轨任务中。最终推动可变发射率材料从实验室走向太空，让航天器实现自主智能热管理。让我们携手合作，将这一愿景变为现实。

 

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