月面探測器噴氣除塵系統(tǒng)設(shè)計及試驗(yàn)研究

任德鵬 周曉舟 張伍 葉青

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

月面探測器噴氣除塵系統(tǒng)設(shè)計及試驗(yàn)研究

任德鵬 周曉舟 張伍 葉青

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

月球表面廣泛分布著塵埃顆粒，月面探測器設(shè)計過程中需要考慮月塵的影響作用。文章提出了一套利用探測器推進(jìn)系統(tǒng)剩余氣體實(shí)現(xiàn)探測器器表除塵的方案，分析了噴嘴內(nèi)氣流的引射特性，并開展了除塵系統(tǒng)的原理驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，噴氣除塵系統(tǒng)構(gòu)造簡單、方案可行、除塵效果明顯，具有較好的應(yīng)用前景。

月塵；除塵系統(tǒng)；噴嘴；引射特性

1 引言

月塵是月面特殊環(huán)境因素之一［1-2］，月塵能夠影響月面探測器的正常工作，造成設(shè)備失效甚至任務(wù)失敗［3-6］，月球表面探測器的研制過程中需要考慮月塵等月面環(huán)境對探測器的影響。有效清除設(shè)備表面上吸附的月塵是月球表面探測器設(shè)計的目標(biāo)之一，至今為止人們都在持續(xù)著該領(lǐng)域的研究工作。當(dāng)前已有的除塵技術(shù)，按其原理大致可以分為以下幾類:①薄膜遮擋替換除塵法［7］，主要應(yīng)用于光學(xué)鏡頭的除塵，即鏡頭前粘貼一層虹膜用于吸附污染物，當(dāng)污染物累積至一定程度后人工或者機(jī)械替換新的虹膜繼續(xù)對鏡頭進(jìn)行污染防護(hù)；②電簾除塵法［8-11］，即在除塵對象表面按一定規(guī)律排列平行電極，通過施加一定頻率電場，利用靜電力實(shí)現(xiàn)除塵；③機(jī)械刷除塵法［9，12］，即使用軟質(zhì)毛刷清掃保護(hù)面實(shí)現(xiàn)除塵；④噴淋除塵方法［9］，采用特殊液體沖刷保護(hù)面進(jìn)行除塵；⑤噴氣除塵法［13-14］，利用氣流沖刷表面進(jìn)行除塵。

上述主動除塵方案中，或需要人工操作，或需要設(shè)計專門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或高壓電源裝置，難以應(yīng)用于月面探測器上。例如，20世紀(jì)美國阿波羅登月工程中，雖然登月艙設(shè)計有一套機(jī)械除塵系統(tǒng)，但實(shí)際其工作效果不佳，最終只能依靠宇航員手動除塵［12］；而蘇聯(lián)的月面探測器上則均未考慮除塵系統(tǒng)。

本文完成了一種月面探測器除塵系統(tǒng)的方案設(shè)計，基本不需要探測器的專門資源，質(zhì)量輕、功耗小，且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其除塵效果明顯，具有較好的應(yīng)用前景。

2 方案設(shè)計分析

在有限的資源條件下，需要結(jié)合我國月面探測器的設(shè)計特點(diǎn)及其除塵需求，完成除塵系統(tǒng)的總體設(shè)計。

2.1 除塵系統(tǒng)設(shè)計要求分析

能夠應(yīng)用于月球表面探測器上的除塵系統(tǒng)必須同時具備以下特點(diǎn):①具備有效的除塵能力，由于月塵顆粒平均粒徑僅為70μm，其顆粒密度相對較大、硬度高，除塵系統(tǒng)須克服月塵與探測器表面的附著力，能夠清除探測器較大表面上微小的、吸附性強(qiáng)的月塵；②必須有較小的資源依賴性，發(fā)射至月球表面的探測器需要消耗大量的推進(jìn)劑，探測器的質(zhì)量資源尤為寶貴，在保證有效除塵的前提下，整套系統(tǒng)的質(zhì)量、功耗均需降至最低；③需具有高效工作能力，探測器在月球表面執(zhí)行任務(wù)的能力要受測控鏈路、月表地形、環(huán)境溫度等因素的綜合影響，因此月面工作程序編排得比較緊密，除塵系統(tǒng)必須在較短的時間內(nèi)完成任務(wù)，以避免對探測器正常工作時序產(chǎn)生影響。

2.2 除塵系統(tǒng)的組成及原理

本文設(shè)計了一套噴氣除塵系統(tǒng)，同時滿足2.1節(jié)的要求。其設(shè)計方案是利用著陸后探測器氣瓶內(nèi)殘余的高壓氣體，將其通過管路引至探測器需要除塵的部位；同時設(shè)計一套噴嘴將氣體引射外掠除塵表面，在高速氣流的吹除作用下，月塵顆粒脫離被吸附表面，實(shí)現(xiàn)對探測器表面的除塵。

整套除塵系統(tǒng)的組成如圖1所示。除塵系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)通過一個電爆閥連通（電爆閥是防止管路泄漏而影響推進(jìn)系統(tǒng)的工作，提高可靠性）；電爆閥下游是導(dǎo)氣管路，在靠近除塵面附近安裝了一個自鎖閥，控制管路的通斷；導(dǎo)氣管出口與噴嘴連接，最終氣流通過噴嘴引射至除塵面。探測器落月后，電爆閥起爆，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)氣管氣體填充，需要時將自鎖閥打開氣體噴射而出，完成除塵任務(wù)。

圖1 除塵系統(tǒng)組成原理示意圖Fig.1 Configuration and principle of dust removal system

圖2 導(dǎo)氣管內(nèi)徑與氣體質(zhì)量流量的對應(yīng)圖Fig.2 Relationship between internal diameter and mass flow rate of gas

2.3 除塵系統(tǒng)基本參數(shù)確定

除塵系統(tǒng)的設(shè)計必須要與推進(jìn)系統(tǒng)氣體的剩余量相匹配，某月球表面探測器推進(jìn)系統(tǒng)冷流試驗(yàn)中測得月面著陸后，氣瓶內(nèi)氦氣剩余量約為1.5 kg，經(jīng)減壓后仍保證2 MPa的恒定壓力可供除塵系統(tǒng)使用。

除塵系統(tǒng)擬采用等截面的圓管作為導(dǎo)氣管，并擬定配置6～8個噴嘴以滿足探測器大面積、多部位除塵的需求，為提高除塵的工作效率初步確定單次噴氣除塵時間為2 s。在初步確定上述系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)后，假設(shè)導(dǎo)氣管內(nèi)氣體流動為一維定常流動，滿足絕熱等熵條件，則導(dǎo)氣管內(nèi)徑與管內(nèi)氣體的質(zhì)量流量對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

可見，6 mm內(nèi)徑的導(dǎo)氣管對應(yīng)氣體的質(zhì)量流量約為0.06 kg/s，能夠支持8個噴嘴同時噴氣2 s，因此初步選用該尺寸的導(dǎo)氣管可滿足與除塵氣源的匹配。

方案設(shè)計初考慮并投產(chǎn)了3種不同形狀的噴嘴，分別為直噴嘴、擴(kuò)張噴嘴和漸縮-擴(kuò)張噴嘴，如圖3所示。不同噴嘴的特點(diǎn)描述如下:

（1）直噴嘴，噴嘴截面內(nèi)氣流流場分布均勻，出口流速不超過當(dāng)?shù)匾羲伲?/p>

（2）擴(kuò)張噴嘴，能夠擴(kuò)大噴嘴出口氣流擴(kuò)散角，出口流速不超過當(dāng)?shù)匾羲伲?/p>

（3）漸縮-擴(kuò)張噴嘴，能夠擴(kuò)大噴嘴出口氣流擴(kuò)散角，可以使出口流速超過當(dāng)?shù)匾羲佟?/p>

圖3 3種噴嘴構(gòu)型示意圖Fig.3 Types of nozzle configuration

3 數(shù)值分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

在確定探測器基本除塵方案后，需要對系統(tǒng)工作的匹配性及其除塵作用進(jìn)行驗(yàn)證。為降低方案設(shè)計的難度，在系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證之前需要對系統(tǒng)的除塵效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 噴嘴引射特性分析

方案的除塵效果數(shù)值仿真需要模擬噴嘴內(nèi)外氣流的流動，并需要建立氣流與月塵顆粒的相互作用模型，是一個氣固兩相耦合求解過程，計算分析工作量大。為降低仿真難度，本文在數(shù)值分析中不求解顆粒的固相方程，僅研究噴嘴內(nèi)外氣體的流動特性，后續(xù)通過除塵試驗(yàn)相配合，綜合進(jìn)行系統(tǒng)除塵效果的評估完善方案設(shè)計。

采用FLUENT商業(yè)軟件對3種噴嘴的氣流場進(jìn)行了仿真分析:選用k-ω兩方程模型計算噴嘴的湍流流動，Courant數(shù)設(shè)置為1，通量格式使用AUSM格式。忽略導(dǎo)氣管內(nèi)氣體流動壓降，計算條件如下:噴嘴入口總壓為2 MPa；噴嘴入口靜壓1.88 MPa；噴嘴入口總溫300 K；噴嘴入口靜溫294 K；環(huán)境背壓0.01 Pa。

考慮對稱性，沿噴管縱向進(jìn)行切面，計算結(jié)果以二維平面坐標(biāo)進(jìn)行顯示。圖4為不同噴嘴引射氣流的靜壓分布圖，坐標(biāo)系表示幾何尺寸（單位為m），圖中采用不同的顏色表示氣流的靜壓值（單位為Pa），閉合的曲線表示等壓力線。由圖可見，被噴嘴引射后氣流的靜壓分布受噴嘴形狀的影響較明顯，其中漸縮-擴(kuò)張噴嘴引射氣流的壓力梯度最大，氣流在較小的范圍內(nèi)（x向小于0.3 m、y向小于±0.1 m）靜壓迅速降為環(huán)境背壓；而擴(kuò)張噴嘴引射氣流的壓力梯度最小，在噴嘴后0.5m處氣流靜壓仍能保持在400 Pa左右；直噴嘴引射氣流的壓力梯度介于前述兩種噴嘴之間，引射氣流的靜壓場主要在x向小于0.4 m、y向小于0.2 m的范圍內(nèi)。

圖4 噴嘴引射氣流的靜壓分布云圖Fig.4 Static pressure distribution of ejecting flow from the nozzle

圖5為不同噴嘴引射氣流的密流分布圖（氣體密度與流動速度標(biāo)量的乘積，表示單位面積內(nèi)氣流的質(zhì)量流量）。由圖可見，被噴嘴引射后氣流密流分布受噴嘴形狀的影響較明顯，其中直噴嘴對引射氣流的徑向擴(kuò)散作用最明顯，但也導(dǎo)致軸線方向密流梯度最大，在x=0.4 m處密流降為30 kg/（m2·s）；漸縮-擴(kuò)張噴嘴對引射氣流的徑向擴(kuò)散作用最差，但軸線方向密流梯度最小，在x=0.4 m處密流仍能保持70 kg/（m2·s）；而擴(kuò)張噴嘴的作用介于前述兩種噴嘴之間。

圖5 噴嘴引射氣流的密流分布云圖Fig.5 Mass flux distribution of ejecting flow from nozzle

經(jīng)仿真計算后可以對不同噴嘴的引射特性做以下總結(jié):①直噴嘴的徑向擴(kuò)散作用最好，但軸向密流衰減最大，可適用于除塵寬度較大的部位；②漸縮-擴(kuò)張噴嘴能夠在較小的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)引射氣流的加速，其軸向密流最大，可適用于除塵長度較大的部位；③擴(kuò)張噴嘴的綜合性能介于上述兩種噴嘴之間。

3.2 除塵驗(yàn)證試驗(yàn)

基于對噴嘴內(nèi)外氣體流動分析的基礎(chǔ)上，開展了除塵作用的系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1）試驗(yàn)系統(tǒng)組成

整套試驗(yàn)系統(tǒng)由真空艙、除塵管路系統(tǒng)、試件、模擬月塵及測量設(shè)備組成，如圖6所示。

圖6 除塵驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of test and verification system of dust removal

真空艙為直徑1.2 m、高2.0 m的立式空間模擬器，試驗(yàn)初始背壓可降至0.01 Pa，該背壓環(huán)境對于月塵顆粒而言，氣流的曳力相對顆粒的重力已經(jīng)可以忽略，滿足試驗(yàn)要求；氣源采用20 MPa的15 L標(biāo)準(zhǔn)高壓氦氣瓶，氣體被減壓后壓力降至2 MPa，與探測器推進(jìn)系統(tǒng)的供氣壓力一致；導(dǎo)氣管內(nèi)徑6 mm、總長度3 m；試驗(yàn)件為4件鋁合金平板，單件尺寸為240 mm×200 mm，4塊平板拼接成480 mm× 400 mm表面，其表面共粘貼240片鈰玻璃鍍銀表面二次鏡（OSR）片（單片尺寸40 mm×20 mm），以模擬探測器散熱面的設(shè)計狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 試件表面狀態(tài)Fig.7 Surface condition of test-piece

2）試驗(yàn)過程概述

試驗(yàn)前將噴嘴按設(shè)計要求安裝在真空艙內(nèi)；隨后在試件表面上鋪設(shè)模擬月塵，該月塵曾在我國月面探測器研制過程被使用，顆粒級配與力學(xué)參數(shù)滿足試驗(yàn)要求，完成鋪設(shè)后采用激光位移測量儀掃描保證鋪設(shè)均勻，模擬月塵的鋪設(shè)厚度為400μm，以充分模擬探測器表面月塵的沉積；將試件放置在真空艙內(nèi)，關(guān)閉艙門抽真空；艙內(nèi)背壓滿足試驗(yàn)要求后，接通氣路進(jìn)行除塵，過程中測量氣流的參數(shù)和試驗(yàn)影像；噴氣完畢后，真空艙緩慢充氣至環(huán)境壓力，隨后打開艙門重新測量試件表面的模擬月塵分布狀態(tài)并對除塵效果進(jìn)行評估。

3）試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)，對3種噴嘴的除塵效果進(jìn)行了比對分析，如圖8所示。

圖8 不同噴嘴除塵效果示意圖Fig.8 Dust removal results of various types of nozzle

根據(jù)試驗(yàn)中高速攝像影像記錄判斷，直噴嘴的除塵時間（即噴氣起始時刻至試件表面月塵穩(wěn)定所需的時間）為0.62 s、擴(kuò)張噴嘴的除塵時間為1.24 s、減縮-擴(kuò)張噴嘴的除塵時間為1.47 s；各種噴嘴均不能將試件表面的月塵完全清除，有效除塵范圍為噴嘴前的一個喇叭狀區(qū)域；直噴嘴對試件的除塵面積比（定義為試驗(yàn)后月塵厚度為0的面積占試驗(yàn)件表面總面積的百分比）最大，為43%，而擴(kuò)張噴嘴與減縮-擴(kuò)張噴嘴的除塵面積分別為37%和36%。

總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，并與3.1節(jié)進(jìn)行比對，可以獲得以下認(rèn)識:①3種噴嘴均能實(shí)現(xiàn)對試件局部區(qū)域的有效除塵，在保證除塵時間的條件下，直噴嘴的除塵效果優(yōu)于其他兩種噴嘴，且直噴嘴構(gòu)型簡單故被優(yōu)先采用；②有效除塵區(qū)域基本與噴嘴氣流仿真分析中氣體的密流場分布一致，在未進(jìn)行氣固兩相耦合分析時可以用氣體的密流場大致代表最終的除塵區(qū)域，并可以通過改變噴嘴的相對位置、調(diào)整其有效除塵區(qū)域以滿足任務(wù)需求；③單個噴嘴最大除塵面積為0.083 m2，2 s工作時間內(nèi)能夠完成除塵任務(wù)，整個系統(tǒng)配置的多噴嘴除塵面積可超過0.6 m2，氣體消耗量小于1 kg，除塵系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)計匹配。

4 結(jié)論

在基于月球表面探測器除塵需求及其設(shè)計特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種噴氣除塵系統(tǒng)，開展了數(shù)值分析及除塵試驗(yàn)驗(yàn)證工作，最終完成了具體設(shè)計工作。通過除塵方案的設(shè)計工作，得到了以下結(jié)論:

（1）對高壓除塵方案設(shè)計而言，由于月塵顆粒細(xì)小，被氣流的攜帶作用明顯，除塵效果仿真分析中氣體的密流場基本反映了除塵區(qū)域，可以避免氣固兩相流耦合計算，降低設(shè)計難度；

（2）噴嘴的有效除塵范圍主要集中在其正前方的主流區(qū)域，具體方案設(shè)計中通過調(diào)整噴嘴的數(shù)量和布局，能夠?qū)崿F(xiàn)除塵需求區(qū)域的全覆蓋；

（3）利用探測器剩余氣體實(shí)現(xiàn)器表的除塵方案具有輕小、靈活的特點(diǎn)，其除塵效果明顯，有望被月面探測器所采用，也可為未來我國火星表面探測器的除塵設(shè)計提供參考。

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（編輯：張小琳）

Study on Design and Test of Dust Removal for Lunar Lander

REN Depeng ZHOU Xiaozhou ZHANG Wu YE Qing
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The lunar surface is almost completely covered by lunar dust particles.The effect of lunar dust must be considered in the design of lunar lander.This paper presents a dust removal scheme which takes advantage of the remaining gas in the propulsion system of the probe.The characteristics of the ejecting flow inside the nozzle are analyzed，and the principle verification test of the dust removal system is performed.The results of test indicate that the dust removal system applying gas ejection is effective，simple，feasible，and has good application prospect.

lunar dust；dust removal system；nozzle；characteristics of ejection flow

V476.3

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.021

2014-07-31；

2015-03-11

國家重大科技專項(xiàng)工程

任德鵬，男，高級工程師，從事月球探測器總體設(shè)計工作。Email：rdpsd@163.com。