利用載人航天器進(jìn)行熱控涂層艙外搭載試驗(yàn)研究

霍佳婧，白明生，魏傳鋒，韓海鷹，滿廣龍

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

從20世紀(jì)80年代開始，以美國為代表的國外航天發(fā)達(dá)國家利用其空間專項(xiàng)試驗(yàn)平臺(tái)和航天飛機(jī)進(jìn)行了大量的空間環(huán)境效應(yīng)飛行試驗(yàn)，用以積累環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)并驗(yàn)證地面模擬試驗(yàn)的結(jié)果。其中最具代表性的試驗(yàn)項(xiàng)目為 NASA的長期暴露實(shí)驗(yàn)裝置（LDEF）及其試驗(yàn)工作。LDEF在軌停留了5.7年（約69個(gè)月），經(jīng)歷了半個(gè)太陽活動(dòng)周期，這次飛行試驗(yàn)獲得的成果直到現(xiàn)在依然是航天器設(shè)計(jì)的重要參考資料[2]。

在試驗(yàn)艙上建立具有一定規(guī)模的長期暴露平臺(tái)，并通過多次的出艙太空行走來進(jìn)行操作，以完成相關(guān)試驗(yàn)。由于我國目前技術(shù)條件的限制，建立長期暴露平臺(tái)的條件尚不成熟。本文提出了一種在不影響正常任務(wù)、不需要改變飛行器設(shè)計(jì)的條件下，在前艙門外側(cè)布置搭載試驗(yàn)裝置，開展熱控涂層暴露試驗(yàn)的方案。

執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)的載人航天器在對(duì)接前自主飛行，前艙門外表面暴露在空間環(huán)境中；對(duì)接成功建立組合體后，此時(shí)艙門外表面在組合體密封空間內(nèi)，航天員可實(shí)現(xiàn)對(duì)搭載試驗(yàn)件的安裝、回收等操作。

1 艙外暴露搭載試驗(yàn)

利用航天器（衛(wèi)星、飛船或航天飛機(jī)、空間站）進(jìn)行的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，基本上可分屬3大類，即加（充）壓（密封）艙內(nèi)試驗(yàn)、非密封艙內(nèi)試驗(yàn)、暴露（艙外）試驗(yàn)。隨著空間科學(xué)研究的深入和載人航天空間探測的發(fā)展，暴露試驗(yàn)引起了人們更多的關(guān)注和重視。

暴露試驗(yàn)是指把試驗(yàn)裝置或試驗(yàn)樣品（材料、元器件或設(shè)備）放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空間環(huán)境之中所進(jìn)行的各種試驗(yàn)。與密封或非密封艙內(nèi)試驗(yàn)相比，暴露試驗(yàn)的空間環(huán)境既不同于非密封艙內(nèi)環(huán)境（屏蔽），也有別于航天器加壓艙的環(huán)境（非真空和屏蔽），它包括微重力、高真空、來自太陽及外太空的各種輻射、劇烈的溫度變化、等離子體、原子氧、微流星體/空間碎片等等[1]。

可開展的艙外暴露搭載試驗(yàn)主要有：1）空間環(huán)境下功能材料性能變化研究；2）空間環(huán)境下的航天醫(yī)學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)和制藥研究；3）空間天體物理學(xué)研究；4）天文觀測；5）空間環(huán)境下其他基礎(chǔ)研究。下面將重點(diǎn)介紹利用載人航天器開展熱控涂層材料的艙外搭載試驗(yàn)。

2 熱控涂層直接暴露試驗(yàn)需求分析

運(yùn)行于低地球軌道的航天器，其表面所使用的熱控涂層直接暴露在空間環(huán)境下，要經(jīng)受帶電粒子、紫外輻照、原子氧、高真空以及航天器表面釋放出的污染物的影響，使太陽吸收比αs增大（紅外發(fā)射率變化很小或不受影響），從而會(huì)影響熱控系統(tǒng)的性能。為了保證儀器設(shè)備在整個(gè)壽命周期中正常工作的溫度環(huán)境，準(zhǔn)確掌握熱控涂層在軌性能數(shù)據(jù)的變化情況對(duì)熱控設(shè)計(jì)和熱分析至關(guān)重要。

目前關(guān)于近地軌道衛(wèi)星熱控涂層的性能退化尚沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，熱設(shè)計(jì)中通常參考地球同步軌道飛行數(shù)據(jù)、地面退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)或國外相近涂層的飛行數(shù)據(jù)。由于空間和地面兩種環(huán)境的差異、地面模擬試驗(yàn)的誤差以及國產(chǎn)涂層與國外涂層之間性能不一致，設(shè)計(jì)計(jì)算選用的有些參數(shù)不能準(zhǔn)確體現(xiàn)實(shí)際在軌的情況，驗(yàn)證在軌環(huán)境對(duì)熱控涂層的影響有著顯著的工程意義。

3 熱控涂層艙外搭載試驗(yàn)方案

3.1 約束條件

對(duì)于執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)載人航天器前艙門的搭載試驗(yàn)，有以下幾個(gè)約束條件。

1）系統(tǒng)約束

① 滿足布局設(shè)計(jì)條件與機(jī)械接口條件；

② 對(duì)航天器系統(tǒng)無電能供應(yīng)、測控指令需求；

③ 不需要采取專門的溫濕度控制措施，不影響航天器的系統(tǒng)熱控方案。

2）交會(huì)對(duì)接任務(wù)約束

① 不影響對(duì)接機(jī)構(gòu)動(dòng)作；

② 不影響敏感器視場，不增加光干擾源；

③ 試驗(yàn)不產(chǎn)生多余物，不得對(duì)其他產(chǎn)品造成污染。

3）航天員操作約束

① 不影響艙門的開啟和關(guān)閉；

② 不需要航天員照料，但航天員可操作。

3.2 總體試驗(yàn)方案

熱控涂層搭載試驗(yàn)件共配置2套。A套試驗(yàn)件安裝在載人航天器前艙門舷窗外側(cè)，完全暴露在外部空間，該套試驗(yàn)件的平面法線方向與飛行方向一致。試驗(yàn)件隨目標(biāo)飛行器發(fā)射和整流罩拋射后，暴露在外部空間；載人飛船與目標(biāo)飛行器對(duì)接后，前艙門外在“神舟”飛船艙內(nèi)，航天員不需進(jìn)艙活動(dòng)即可將該套試驗(yàn)件取下帶回密封艙，封裝在軟包內(nèi)，并于任務(wù)結(jié)束后帶回地面；在地面進(jìn)行測試和分析，獲取涂層在軌退化等數(shù)據(jù)。B套試驗(yàn)件用大密封袋封裝后裝于帶有明顯標(biāo)識(shí)的試驗(yàn)件軟包中，固定在載人航天器密封艙內(nèi)，以供第二次暴露試驗(yàn)之用。

3.3 搭載試驗(yàn)材料

本次搭載試驗(yàn)中選取的均為載人航天器和衛(wèi)星常用的熱控涂層材料，如表1所示。

表1 熱控涂層材料Table 1 Thermal control coating materials for flight experiment

3.4 搭載試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)件樣品有熱控多層、涂層試驗(yàn)片和熱敏電阻3種，將這3種試驗(yàn)樣品布置在舷窗玻璃外沿的艙門多層上，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

熱控多層為環(huán)狀，用尼龍搭扣固定于熱控多層上，再用繩索系住，這種方式方便航天員解開；涂層試驗(yàn)片也用尼龍搭扣均勻排布于艙門多層上，并用繩索系?。粺崦綦娮栌煤谏柘鹉z粘于熱控多層上。

回收后，可分別研究空間環(huán)境對(duì)熱控多層、熱控涂層、熱敏電阻的影響。涂層試驗(yàn)片材料及其編號(hào)見表2，編號(hào)也標(biāo)識(shí)在圖1中。

圖1 搭載試驗(yàn)件構(gòu)型圖Fig.1 The layout of the exposed testing components

表2 涂層試驗(yàn)片及其編號(hào)對(duì)應(yīng)表Table 2 The coating material samples and their corresponding serial numbers

3.5 在軌回收操作

以執(zhí)行至少 2次搭載試驗(yàn)任務(wù)為例說明試驗(yàn)件的在軌回收及操作步驟。

1）第一次搭載試驗(yàn)

① A套搭載試驗(yàn)件安裝在艙門外側(cè)隨載人航天器入軌后，開始艙外暴露搭載試驗(yàn)；

② 待第一次有人交會(huì)對(duì)接后，組合體飛行期間，航天員進(jìn)入密封艙，在配合地面完成組合體狀態(tài)設(shè)置后，開始進(jìn)行A套試驗(yàn)件的回收操作；

③ 航天員解開繩索取下試驗(yàn)件，裝入密封袋中，將回收后的試驗(yàn)件固定在飛船返回艙內(nèi)，并返回至地面。

2）第二次艙外暴露試驗(yàn)

① 第一次有人交會(huì)對(duì)接期間，完成A套搭載試件的回收后，航天員再將 B套試驗(yàn)件固定于該密封艙艙門外側(cè)，進(jìn)行拍照，完成第二次艙外暴露試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作；

② 飛船與目標(biāo)飛行器分離后，試驗(yàn)件再次暴露在空間環(huán)境中；

③ 待第二次有人交會(huì)對(duì)接時(shí)，航天員再次回收B套試驗(yàn)件；

④ 航天員將回收后的試驗(yàn)件固定在飛船返回艙內(nèi)并返回至地面；

3）對(duì)帶回地面后的試驗(yàn)件進(jìn)行外觀檢查與性能復(fù)測，分析三種熱控材料的性能受空間環(huán)境的影響。

4 搭載試驗(yàn)可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證搭載試驗(yàn)件滿足約束條件（3.1節(jié)）的情況，安排了以下專項(xiàng)試驗(yàn)。

1）光學(xué)特性驗(yàn)證試驗(yàn)

由于交會(huì)對(duì)接任務(wù)的需要，載人航天器表面的各種設(shè)備和材料均須進(jìn)行反射光試驗(yàn)。對(duì)搭載試驗(yàn)材料也須安排光學(xué)特性驗(yàn)證試驗(yàn)以摸清不同距離、不同光入射角情況下的反射特性，以保證搭載試驗(yàn)件的安裝不影響交會(huì)對(duì)接敏感器的正常工作。

2）工效學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)

因搭載試驗(yàn)件需要航天員實(shí)施安裝、回收操作，在地面安排了搭載試驗(yàn)件操作的工效學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)航天員操作的可行性進(jìn)行充分的地面驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文提出的利用我國目前載人航天器實(shí)現(xiàn)熱控涂層的艙外搭載試驗(yàn)方案，其主要特點(diǎn)和應(yīng)用目標(biāo)有：

1）搭載試驗(yàn)件的回收可實(shí)施性強(qiáng)。常規(guī)的艙外搭載試驗(yàn)回收均需要航天員出艙，而本方案是在帶對(duì)接結(jié)構(gòu)的艙門外側(cè)進(jìn)行搭載試驗(yàn)，不需要航天員出艙行走即可完成回收、再次安裝等操作，不影響交會(huì)對(duì)接主任務(wù)，為開展空間環(huán)境效應(yīng)的研究提供了便利；

2）可實(shí)現(xiàn)資源的最大利用。搭載試驗(yàn)充分利用了對(duì)接艙門于交會(huì)對(duì)接前后分別經(jīng)歷空間環(huán)境和密閉載人環(huán)境這個(gè)獨(dú)特資源優(yōu)勢；

3）搭載試驗(yàn)件一旦成功回收，可在地面對(duì)熱控涂層、熱控多層、熱敏電阻進(jìn)行性能復(fù)測與外觀檢查，從而獲得在軌環(huán)境對(duì)熱控涂層影響的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

4）本方案可對(duì)航天員在軌試驗(yàn)、樣品回收操作等技術(shù)進(jìn)行先行驗(yàn)證，為后續(xù)空間站的建立開展空間應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

（References）

[1]吳漢基, 蔣遠(yuǎn)大.空間暴露實(shí)驗(yàn)： 重要的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法[J].載人航天, 2008(4)： 39-44

Wu Hanji, JiangYuanda.Exposed experiment in space environment： a significant method of space research[J].Manned Space Technology, 2008(4)： 39-44

[2]Robinson J A, Thumm T L.NASA utilization of the International Space Station and the vision for space exploration[J].Acta Astronautica, 2007, 61： 176-184

[3]Dettmann J, Reitz G.MATROSHKA-the first ESA external payload on the International Space Station[J].Acta Astronautica, 2007, 60： 17-23