近日，由中国空间技术研究院抓总的空间站航天技术试验领域完成我国首次液态金属热管理在轨试验，取得了系列关键技术成果。这些技术的成熟将意味着什么呢？

提到热传导，大家想到最多的是生活中常见的水。不过，受制于沸点100℃，水超过100℃就会蒸发成水蒸气。气体的导热能力急剧下降，所以在工业领域的设备往往都是高温运转。

为什么要使用液态金属？

而液体金属，不仅和水一样有着流动性，其热传导能力也极高，在10℃到1300℃之间依然保持液体状态。

“液态金属本身导热的能力是水的40到70倍。在太空里，一般都是把热取出来变成电。要发电，要么就用太阳能。但是远离太阳的深空探测器，很难被阳光照到。没有阳光的时候，怎么发电？那就只能通过热电的转换，把热取出来到热电转换装置上。取热的介质很关键，这个时候，就得用液态金属”，空间液态金属科技发展（江苏）有限公司技术总监刘贵林介绍。

液态金属的导热和吸纳热量能力远大于传统导热剂，能够实现高热量的快速散发，在航空航天、先进能源、大功率器件等领域具有很高的应用价值。液态金属热管理技术主要包括界面导热、对流换热和相变控温技术，是空间高热流密度散热系统的关键技术之一。基于液态金属的散热系统具有结构简单、传热能力强、控温均匀度高、振动小及噪声低等优点，能够高效、可靠地实现反应堆或同位素等高温热源与热电转换装置之间的热传递，且能够为大功率电子器件或大功率设备提供高性能的热冲击应对能力，在未来星表核电站、深空探测器核电源、超大功率载荷的散热系统等空间任务中，具有广阔的应用前景。

液态金属热管理到底又有什么用呢？

这次的液态金属热管理技术，是为空间核动力准备的。中国计划到2025年左右发射百千瓦级核反应堆实验星，正式把核反应堆搬到太空进行试验，在那之前必须对相关技术进行充分的验证，才能保证最终试验的安全。

经过广泛调研和深入论证，提出了液态金属空间热管理关键技术在轨试验验证项目。航天技术试验领域液态金属热管理试验装置由中国科学院理化技术研究所研制，安装于空间站“梦天”实验舱航天基础试验机柜内，采用低熔点、生物安全性高且化学特性稳定的铋基金属，在空间微重力环境下开展流动散热和相变控温技术的特性研究和试验验证。入轨后先后完成了在轨测试和两阶段在轨试验，在轨试验过程中，航天基础试验机柜为试验装置提供了稳定的供电、信息、热控等各接口的支持，确保试验装置在轨试验环境受控，有力支持了试验的顺利开展。液态金属热管理试验装置全程运行稳定，验证了空间微重力环境下铋基金属受控熔化、膨胀缓冲、对流换热和相变控温等关键技术，获取了液态金属层流-湍流过渡区纯强迫对流换热特性数据和微重力环境下相变控温能力的特性数据，为空间液态金属高热流密度散热系统设计提供了关键技术依据。

1、美苏的核动力

到目前为止，只有美国和苏联或俄罗斯试验过空间核反应堆技术，其中美国只实践过一次，苏联在空间核反应堆领域投入的精力最大，一共发射了37个携带核裂变反应堆的航天器，其中有两个没有成功入轨，目前在轨运行的还有33个。美国空间核动力也很发达，但是他们主要发展同位素衰变发电技术，核反应堆在地面研究比较多，应用于空间实践的很少，相关经验也不多。中国如果按时发射相关卫星 ，将成为第三个真正掌握空间核反应堆技术的国家。其他国家只是在地面进行了相关技术的研究，暂时没有付诸实施的计划。

美国的空间核动力技术主要应用到外太空探测上，一共发射了47个携带核反应装置的航天器，其中46个都是携带的同位素电源，这里面有5个应用到了火星上，20个应用到了地球轨道以外的空间探测，目前还有11个在地球轨道上空工作。不管是美国，还是俄罗斯，都有一批携带核装置的卫星运行在地球轨道上，而且运行时间都不短了，将来能否安全处置也是值得关注的。

需要说明的是，同位素电源虽然也算核动力装置，但是这些电源本身是不可控的。核衰变能量损耗是有自然规律的，不受人类技术干扰，消耗完也不能更换燃料。同时更重要的是，同位素电源的功率明显偏低，用来发电问题不大，但如果用来驱动航天器飞行还是功率不足。未来的航天器尤其是载人飞船，要求停留在路上的时间越短越好，必须要有足够强劲的动力，核裂变甚至核聚变反应堆才是未来空间动力的最佳选项。

从这个角度来说，苏联还是很有前瞻性的，要不是缺钱和提前解体，苏联应该可以比美国更早登陆火星。

2、液态金属助力核动力

现在，中国也要发展空间反应堆技术了，未来很有可能发展出使用核动力的星际飞船。那要想发展空间核反应堆技术，相关的配套技术必须提前都掌握好。前面提到的空间斯特林技术，就是可以利用核能来发电的技术，不仅可以发电供飞行器使用，同时还可以驱动电推进发动机，实现基于核能的推进技术。

当然斯特林发动机不可能直接放到核反应堆里面去加热，否则是会被烧坏的。核反应堆产生的热量需要通过一种液体给带出来，然后再传递到发电装置上。在地球上主要用水来把热量携带出来，但是空间核反应堆应该不会用水来完成这项工作，因为水很容易沸腾，需要高压管路才能确保安全，明显增加设备的安全风险。换成液态金属的话，就可以避免这样的困扰，因为有些金属的熔点虽然很低，但沸点很高，吸收反应堆热量以后并不会气化，也就不会给管路带来很大的压力。

常用的金属有锂、钠、钾、铅、铋、镓等，这些金属都可以在反应堆里面的管道中变成液体，从而把反应堆的热量给带出来。同时因为它们都是液体，可以在流动的过程中把热量传递给发电装置，通过循环不断把反应堆的热量往外传导，既可以控制反应堆温度，也可以用来发电。

在地球上液态金属怎样流动、怎样控制，我们已经很熟悉了，但在太空有什么样的规律，还需要到太空实践一番才能掌握。中国有了自己的空间站，当然就可以对这样的技术进行验证了。通过这次试验，肯定会为下一步正式启用空间核反应堆积累了宝贵的数据，有利于优化相关设计。

这次试验中用到的铋金属，虽然有点沉，不如锂、钠、钾等金属轻便，但它在核反应堆中跟中子很少发生反应，可以耐受各种各样反应堆的蹂躏，尤其是快中子反应堆，以及将来可能要搬上太空的核聚变反应堆。所以说，这次的液态铋金属循环试验为将来发展核动力技术奠定了良好的基础。

3、金属相变控温

当然，根据相关报道，这次试验，并不仅仅是为了发展核动力而进行的。铋金属具有很好的温度控制能力。因为在加热的情况下，固态的铋金属可以熔化变成液态铋金属，这个熔化的过程会吸收很多的热量，但温度不会发生变化，通过相变把热量吸收掉。相变保温是在地面上和太空中应用非常广的一项技术，其中中国的祝融号火星车就利用了相变能来储存热量，但那不是金属相变，跟这次试验的材料有很大的差别，用途也不一样。

铋金属在271.5℃就会熔化，但是到1564℃才会气化，符合我们前面说的特征。通过熔化可以吸收很多的能量，同时它本身又是一种金属，导热性能很好，可以把热量快速传导到外面来，相对于石蜡等那些有机相变冷却剂来说，铋金属可以快速吸收能量，把热量尽快传导出来。所以，金属相变冷却材料可以应用到发热比较快的场合。

随着计算机技术的不断提高，空间飞行器的芯片计算能力也越来越强，计算能力强了，发热量就会很大，使用金属相变材料可以把芯片的温度控制在一定范围内，避免芯片烧毁。

另外，我们在科幻电影中经常看到空间飞行器都安装着激光武 器，可以发射激光束。其实我们今天已经掌握了激光武 器，只是它们还存在一些缺点，不适合批量化应用。那激光武 器使用的瞬间会产生大量的热量，如果不能及时传导出来，就会把激光武 器自己给烧毁，我们刚刚提到的这类用来控温的金属就能在激光武 器冷却方面发挥很好的作用。

当然，这种温控技术适用于发热比较快的空间设备的冷却，这样的设备在空间飞行器中挺多的，相变温控应用前景比较广泛。

另外，这类液态金属不仅可以应用到空间核动力，在地面上的第四代核电站中也将有非常广泛的应用前景。

总之，中国空间站这次成功试验液态金属热量控制和相变温控，为将来发展更先进的空间科技奠定了良好的基础，绝对称得上是黑科技。我们期待这样的黑科技尽快投入使用。

文章来源： 东城观星，看苏州，中国载人航天