在典型空间粒子束装置中，通常由高功率射频系统向加速器提供能量，其射频脉冲功率达到了MW 量级，其中的能量部件会产生大量的废弃热量。热管与系统功率紧密联系，在空间系统中，废弃热量的处理系统约占整个系统重量、体积的30% ［18］。
在1989 年美国的天基中性氢粒子加速器试验中，采用液氦对加速管进行温度控制，如图9-4 所示。由于氢离子加速器属于粒子加速器，其采用射频频率相对较低的波进行加速，工作频率为425 MHz，波长远大于应用电子加速器的射频波长，其慢波结构热形变的容忍度比电子加速器要高很多［17］。总体而言，电子加速器的恒温系统比离子加速器的恒温系统要求苛刻，温度波动范围更小。
空间粒子束装置与空间大功率激光装置能源利用及发热情况类似，空间大功率激光装置的研究开展较早，论证比较充分，下面简单介绍一下空间激光设备的热控方法及手段。
空间大功率激光设备或系统的热负荷密度通常为10～2 000 W/cm2，采用的冷却方法取决于热负荷密度、运行环境和温度、热控制精确要求等因素。评价冷却方法的原则包括散热能力、温度均匀性、抽运功率和系统体积等［15-16］。图9-5 给出了在此原则下大功率激光装置冷却方法的发展趋势［14］。对于固体激光器，其热负荷范围为500～1 500 W/cm2，可采用微通道液冷或喷雾冷却等方法。对于化学氧碘激光器等，其功率通常超过1 MW，采用喷雾冷却或热泵等方法。
图9-4 美国空间粒子束试验系统整体结构示意图
图9-5 大功率激光装置冷却方法的发展趋势(www.xing528.com)
天基激光器的子系统主要有激光本体系统、热管理系统和电源系统。其中热管理系统按功能结构又分为内部集热回路和外部排热回路。对外部排热回路而言，由于天基激光平台所处的工作环境是真空，故不存在传导或对流形式的散热。因此，可供利用的终端排热方式只有两种：①从外表面将热量辐射到宇宙空间的热辐射器；②消耗性冷却剂。由于消耗性冷却剂带来重量增加的问题，对长期在轨运行的激光器而言，一般不考虑采用这种排热的方式［16］。因此，在设计激光器的热管理方案时，如何将激光器所产生的废热有效地排放到太空环境中，这就涉及热管内回路与辐射器之间需采用何种耦合方式以保证废热的高效传输和排放。
目前，在航天器热控技术中被广泛采用的单相流体/两相流体热控回路通常由内回路和辐射器回路（外回路）两部分组成，它原则上适用于天基激光器热管理系统，不足之处在于辐射器面积过大，如图9-6 所示。该回路的工作流程是：内回路流体吸收来自激光本体系统、供电系统等处的废热，通过中间热交换器传输给外回路的工质，然后经辐射器排放至宇宙空间。
图9-6 单相流体/两相流体热控回路方案
结合天基激光器的工作性能指标（受空间供电系统所限，1 kW 激光器持续工作时间通常不超过1 h），文献［15］提出辐射冷却-冰蓄冷组合热控方案的设想，如图9-7 所示。通过设计一块较小面积的辐射器，在激光器未工作时，一定流量的外部回流体在泵驱动下沿外回路1-2-3-4-1 做循环流动，当流经辐射器时，由于辐射致冷，出口流体温度降低，当经过蓄冰器时，流体将冷量传输给蓄冰器中的蓄冰介质，如此反复循环，当循环历经一段周期后，蓄冰器中的水便可全部凝结为冰；激光器正式启动后，内回路中的流体吸收来自激光器的废热，在节点8 处分为两路，一部分沿8-3-4-1-5 路径经空间辐射器放出热量，另一部分则沿8-6-5 路径流经蓄冰器吸收冷量，两路流体在节点5 处汇合后继续回到舱内重复废热的收集和传输。由于此组合热控方案可借助蓄冰来达到减少辐射器面积的目的，因而大大降低了激光器排热系统的重量。
图9-7 辐射冷却-冰蓄冷组合热控方案
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