太空数据中心热控技术研究现状与展望

史佳豪; 张旭东; 杨敏; 刘静

doi:10.12465/issn.0253-4339.20251030004

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太空数据中心热控技术研究现状与展望

数据中心冷却技术 | 更新时间：2026-02-03

- 太空数据中心热控技术研究现状与展望
- Thermal Management Technologies for Space Data Centers： Current Status and Prospects
- 制冷学报 2026年47卷第1期页码：1-19
- 作者机构：
  
  1.低温科学与技术全国重点实验室中国科学院理化技术研究所北京 100190
  2. 中国科学院大学未来技术学院北京 100049
  3. 北京空间飞行器总体设计部航天器热控全国重点实验室北京 100094
- 作者简介：
  
  张旭东，男，研究员，中国科学院理化技术研究所，010-82543763，E-mail：xdzhang@mail.ipc.ac.cn。研究方向：芯片热管理，液态金属传热。
  刘静，男，研究员，中国科学院理化技术研究所，010-82543765，E-mail：jliu@mail.ipc.ac.cn。研究方向：液态金属物质科学，微/纳尺度传热学，低温生物医学与肿瘤热疗物理学。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(52206098)
- DOI：10.12465/issn.0253-4339.20251030004
  中图分类号： TK124;TP308;V11;V476.5
- CSTR：XXXXX.XX.XXX.20251030004
- 收稿：2025-10-30，
  
  修回：2025-11-17，
  
  录用：2025-11-18，
  
  纸质出版：2026-02-16
- 稿件说明：
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史佳豪,张旭东,杨敏等.太空数据中心热控技术研究现状与展望[J].制冷学报,2026,47(01):1-19.

Shi Jiahao,Zhang Xudong,Yang Min,et al.Thermal Management Technologies for Space Data Centers： Current Status and Prospects[J].Journal of Refrigeration,2026,47(01):1-19.
史佳豪,张旭东,杨敏等.太空数据中心热控技术研究现状与展望[J].制冷学报,2026,47(01):1-19. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20251030004. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20251030004.

Shi Jiahao,Zhang Xudong,Yang Min,et al.Thermal Management Technologies for Space Data Centers： Current Status and Prospects[J].Journal of Refrigeration,2026,47(01):1-19. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20251030004. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20251030004.

摘要

太空数据中心利用24 h太阳能与超低温环境实现计算能耗降低和效率提升，将为大规模航天任务与人工智能训练提供革命性算力支持。高效轻量化的热控系统是大功率太空数据中心的核心分系统之一，现有的航天器热控技术分为被动与主动2类，被动技术依赖自然势差构建基础热平衡，而主动技术则通过外部能量驱动来增强热控性能和调控灵活性。本文从太空数据中心发展趋势、太空热环境、航天器被动热控技术、航天器主动热控技术、太空数据中心热控技术展望5部分进行介绍。未来，需发展MW级散热功率、轻量化、在轨维护方便的热控分系统，以支撑太空数据中心向更高功率和更低成本方向的迫切需求。

Abstract

Significance

The rapid expansion of artificial intelligence， large satellite constellations， and deep-space exploration is reshaping global demand for computing infrastructure. On Earth， the continued scaling of data centers has resulted in a sharp rise in energy consumption and increasingly severe thermal constraints， driven by limitations in power supply and cooling efficiency. In the space domain， observation platforms and interplanetary missions generate a growing volume of raw data； however， their heavy reliance on downlink-based processing remains constrained by limited bandwidth and communication latency. These parallel trends have stimulated growing interest in space data centers as a means of deploying computing capabilities directly in orbit or deep space. An early conceptualization of space data centers and their enabling technologies was proposed in late 2011 by researchers at the Chinese Academy of Sciences， accompanied by a patent （CN201110452453.4）. By exploiting near-continuous solar power and the cold environment of space， space data centers offer a potential pathway to reducing the overall energy cost of computation while enabling on-orbit data processing， prioritization， and storage. Their practical realization， however， is fundamentally constrained by thermal management technology. The combination of high power density， distributed heat sources， extended heat transport distances， and microgravity-induced flow instability places thermal management at the core of system design. Rather than serving as an auxiliary function， thermal control directly determines system reliability， mass efficiency， and the extent to which space data centers can be scaled beyond early demonstrators.

Progress

Thermal control technologies for space data centers can be broadly categorized into passive and active approaches， which together establish baseline thermal balance and provide enhanced heat transport and regulation capabilities. Passive thermal control techniques， including heat pipes， thermal interface materials （TIMs）， phase change materials （PCMs）， radiators， and thermal control coatings， rely on conduction， radiation， and latent heat buffering to stabilize system temperatures with minimal energy input. Advances in variable-conductance heat pipes and loop heat pipes have improved temperature regulation and long-distance heat transport， while emerging TIMs emphasize reduced contact resistance， radiation tolerance， and long-term stability. PCMs are increasingly integrated with heat spreaders and vapor chambers to buffer cyclic and transient thermal loads， and radiator technologies are evolving toward lightweight， variable-emissivity designs capable of dynamically responding to orbital environments. Active thermal control technologies play an indispensable role as input power and thermal load increase. Mechanically pumped fluid loops and pump-driven two-phase convection systems use circulating working fluids to transport large amounts of heat away from concentrated sources， offering higher heat transport capacity and improved temperature uniformity. Significant progress has been achieved in multi-kilowatt-class systems through improvements in pump reliability， accumulator design， and two-phase flow stability in a microgravity environment. Complementary active components， including heaters， thermoelectric coolers， and thermal switches， enable precise local temperature regulation， low-temperature survival in extreme environments， and adaptive control of thermal pathways. Collectively， these technologies have been validated on platforms such as space stations， planetary probes， and high-power satellites， providing a technical foundation for future space data center deployment.

Conclusion and Prospect　Current thermal control strategies for space data centers are largely based on the combined use of passive and active approaches and have so far supported systems with power levels on the order of several tens of kilowatts. As computing capacity continues to expand， however， these approaches are approaching their intrinsic limits. At the hundreds-of-kilowatts and megawatt levels， constraints associated with radiative heat rejection， system mass growth， and controllability under variable operating conditions are expected to intensify， placing thermal management at the core of system-level scalability. Further advancement demands integrated thermal architectures that address heat generation， transport， storage， and rejection in a coordinated manner across multiple spatial and temporal scales. Progress in microgravity two-phase heat transfer， compact thermal energy storage， and lightweight radiators with controllable emissivity will be particularly critical， alongside the development of thermal materials that combine ultralow thermal resistance with long-term tolerance to the space environment. Cutting-edge thermal management strategies， such as liquid metal cooling， are expected to play increasingly important roles in addressing the extreme heat flux challenges posed by AI chips. Advances in these directions will be decisive in determining whether space data centers can evolve from early demonstrations into a robust and scalable computing infrastructure for future space missions.

关键词

Keywords

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