“玉兔”巡視器活動(dòng)式相機(jī)熱設(shè)計(jì)及在軌分析

張冰強(qiáng),向艷超,陳建新,宋馨,馬巨印

1.中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部,北京100094 2.空間熱控技術(shù)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100086

“玉兔”巡視器活動(dòng)式相機(jī)熱設(shè)計(jì)及在軌分析

張冰強(qiáng)1,2,*,向艷超1,2,陳建新1,2,宋馨1,2,馬巨印1,2

1.中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部,北京100094 2.空間熱控技術(shù)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100086

月面虹灣地區(qū)的環(huán)境溫度為-180～+90℃,需同時(shí)解決 “玉兔”巡視器活動(dòng)式相機(jī)在桅桿復(fù)雜活動(dòng)下的月晝散熱問題和月夜無(wú)電能供給下的保溫問題;另外月塵的不確定性也給相機(jī)熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。因此,月晝極端高溫下,轉(zhuǎn)動(dòng)桅桿為相機(jī)尋找最佳避暑姿態(tài),并優(yōu)化相機(jī)開關(guān)機(jī)時(shí)長(zhǎng)比例,從而解決相機(jī)月晝散熱問題。而在月夜極端低溫下,則調(diào)整相機(jī)與巡視器的熱耦合狀態(tài),將桅桿收攏至圍欄內(nèi),借用巡視器月夜保溫系統(tǒng)進(jìn)行保溫。此外,還對(duì)月塵在散熱面上的沉降誘因進(jìn)行分析,并采用限制工作太陽(yáng)高度角應(yīng)對(duì)月塵帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。熱分析和在軌實(shí)際數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果表明,采用避暑姿態(tài)和間歇工作模式,月晝高溫下相機(jī)工作溫度最高可降低15℃;月夜桅桿收攏,相機(jī)溫度不低于-26.1℃,相機(jī)安全度過(guò)月夜,并可節(jié)約4.5 W同位素功率。文中熱控與姿態(tài)相耦合的熱控方法可解決行星表面巡視探測(cè)器活動(dòng)式相機(jī)的高低溫難題,降低了熱設(shè)計(jì)的同位素資源,可為中國(guó)后續(xù)行星表面巡視探測(cè)器的熱控設(shè)計(jì)做參考。

“玉兔”巡視器;導(dǎo)航相機(jī);全景相機(jī);熱設(shè)計(jì);在軌熱分析;月塵

“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器包括著陸器和“玉兔”巡視器(以下簡(jiǎn)稱巡視器),該巡視器是中國(guó)首個(gè)月面巡視探測(cè)器。“嫦娥三號(hào)”在月球虹灣著陸后,巡視器從著陸器上行至月面,之后利用導(dǎo)航、全景相機(jī)開展月面巡視探測(cè)活動(dòng)。

與探月一期繞月任務(wù)不同,“玉兔”巡視器需要經(jīng)歷月面工作段。月晝?nèi)障曼c(diǎn)月面最高溫度約120℃,月夜的月表溫度很快降低至-180℃,且長(zhǎng)達(dá)340 h[1]。導(dǎo)航、全景相機(jī)安裝在三維轉(zhuǎn)動(dòng)的桅桿上,月夜期間無(wú)電能可以利用。因此,相機(jī)的熱設(shè)計(jì)需要在桅桿復(fù)雜活動(dòng)和月夜無(wú)電能供給條件下,解決月晝高溫散熱和月夜保溫問題。

已發(fā)射的巡視器中,蘇聯(lián)的“Lunokhod”月球車上的全景相機(jī)采用嵌入車體的固定安裝方式,通過(guò)與整車熱耦合解決月晝散熱和月夜保溫問題[2]。美國(guó)的“火星漫游者”火星車則需面臨13 h最低溫度達(dá)-105℃的夜晚低溫,其桅桿上導(dǎo)航、全景相機(jī)在夜晚無(wú)保溫措施,在清晨工作前采用電加熱器使電子線路從-95℃加熱到-55℃[3-4]?！癓unokhod”月球車采用的嵌入熱耦合安裝方式,限制了全景相機(jī)的活動(dòng)。“火星漫游者”火星車采用的預(yù)熱法僅解決了相機(jī)工作前啟動(dòng)問題。已有的巡視器全景相機(jī)熱控方法無(wú)法兼顧“玉兔”巡視器全景相機(jī)的活動(dòng)特性和面臨的極端溫度環(huán)境。

基于此,利用桅桿的轉(zhuǎn)動(dòng)特性采取熱耦合狀態(tài)調(diào)整方法,進(jìn)行了巡視器活動(dòng)式相機(jī)月晝極端高溫散熱和月夜極端低溫保溫研究,希望可以為中國(guó)今后行星表面探測(cè)器活動(dòng)式相機(jī)的熱控設(shè)計(jì)提供參考。

1 熱設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備構(gòu)型及熱耗

“玉兔”巡視器車體為箱式結(jié)構(gòu),大部分平臺(tái)設(shè)備安裝在箱體內(nèi),車體頂板、圍欄及+Y太陽(yáng)翼組成一個(gè)可展開的封閉夾層結(jié)構(gòu)。在該夾層結(jié)構(gòu)中安裝有桅桿和太陽(yáng)敏感器等;巡視器安裝有兩塊太陽(yáng)翼,其中-Y太陽(yáng)翼為一次性展開太陽(yáng)翼,+Y太陽(yáng)翼為可重復(fù)展收太陽(yáng)翼,如圖1所示。

導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)各有兩臺(tái),4臺(tái)相機(jī)安裝在巡視器頂板的桅桿上,如圖2所示。桅桿具有展開、偏航和俯仰3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)航相機(jī)熱耗為1.5 W/臺(tái),全景相機(jī)為4 W/臺(tái),由于相機(jī)安裝在相對(duì)獨(dú)立的桅桿上,受巡視器系統(tǒng)熱耗影響較小。

圖1 巡視器構(gòu)型布局示意Fig.1 Schematic ofYuTurover

圖2 導(dǎo)航相機(jī)、全景相機(jī)安裝Fig.2 Schematic navigation and panorama cameras

1.2 溫度指標(biāo)

根據(jù)設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)航相機(jī)溫度指標(biāo)滿足工作溫度范圍-30～55℃,存儲(chǔ)溫度-45～70℃。全景相機(jī)溫度指標(biāo)滿足工作溫度-20～+45℃,存儲(chǔ)溫度-50～+70℃,啟動(dòng)前溫度-30～45℃。

1.3 任務(wù)分析及熱設(shè)計(jì)

巡視器在月晝工作期間,外部太陽(yáng)輻照強(qiáng)度變化范圍約0～1 419 W/m2,同時(shí)虹灣區(qū)(北緯44.1°,西經(jīng)19.5°)月面最大紅外輻照強(qiáng)度接近900 W/m2,探測(cè)器對(duì)月面(半球發(fā)射率為0.79)平均吸收紅外熱流達(dá)690.4 W/m2[5]。導(dǎo)航、全景相機(jī)工作時(shí)的散熱熱流密度分別為428 W/m2和635 W/m2。而進(jìn)入月夜,巡視器將處在長(zhǎng)達(dá)14個(gè)地球日的-180℃低溫環(huán)境中,太陽(yáng)輻射降至0 W/m2,月面紅外輻射僅6 W/m2。同時(shí),相機(jī)自身沒有專門的月夜生存能源可利用。此外,由于巡視器的運(yùn)動(dòng)和自然因素等可能會(huì)導(dǎo)致月塵揚(yáng)起并沉降在相機(jī)散熱面上[6],引起散熱面的太陽(yáng)吸收比和紅外發(fā)射率的增大[7-8]。

針對(duì)月面的極端熱環(huán)境特點(diǎn),采用的熱設(shè)計(jì)如下:

(1)相機(jī)間熱耦合設(shè)計(jì)

非同種相機(jī)相鄰布置,使得兩種相機(jī)在間歇工作條件下可間接共用散熱面;所有相機(jī)均導(dǎo)熱安裝于相機(jī)支架上,使相機(jī)間通過(guò)安裝于支架進(jìn)行熱耦合;除散熱面和鏡頭外,4臺(tái)相機(jī)全包覆于同一個(gè)多層隔熱組件內(nèi),建立各個(gè)相機(jī)間熱輻射耦合。通過(guò)相機(jī)間的熱耦合設(shè)計(jì),擴(kuò)大了某一相機(jī)在單獨(dú)工作時(shí)的實(shí)際散熱面大小,降低散熱熱流密度。

(2)相機(jī)的熱控與桅桿運(yùn)動(dòng)的耦合設(shè)計(jì)

圖3 太陽(yáng)高度角33°,相機(jī)頂面吸收熱流與俯仰角的關(guān)系Fig.3 Absorbed heat flux vs.angle for cameras top surface

月面高溫探測(cè)時(shí),桅桿的展開、偏航和俯仰使相機(jī)散熱面吸收的外熱流發(fā)生較大變化[10]。以太陽(yáng)高度角為33°,巡視器朝陽(yáng)姿態(tài)為例,分析相機(jī)頂面吸收熱流與桅桿俯仰角的關(guān)系。如圖3所示,相機(jī)的散熱面存在對(duì)太陽(yáng)輻射和紅外輻射的總吸收熱流為最小的避暑點(diǎn)。因此,將相機(jī)的熱控與桅桿運(yùn)動(dòng)相耦合,當(dāng)相機(jī)溫度接近指標(biāo)上限或結(jié)束工作時(shí),調(diào)節(jié)桅桿姿態(tài),設(shè)置相機(jī)趨于避暑點(diǎn)(如背陽(yáng)或側(cè)陽(yáng)),以降低相機(jī)的溫度水平,如圖4所示。另外,對(duì)于月表存在的月塵不確定性,除降低最大工作太陽(yáng)高度外,同樣可通過(guò)桅桿姿態(tài)調(diào)整的方式來(lái)輔助降溫。

長(zhǎng)月夜低溫來(lái)臨前,桅桿收攏相機(jī)至圍欄中,建立相機(jī)與巡視器主體的熱耦合,借用巡視器的兩相流體回路與同位素?zé)嵩唇M成的月夜保溫系統(tǒng)[6],進(jìn)行活動(dòng)式相機(jī)的月夜保溫。

除采用耦合設(shè)計(jì)之外,連接相機(jī)的電纜,整體包覆至相機(jī)多層之內(nèi),并在引出端再包覆500 mm,以減少相機(jī)和月面環(huán)境間的熱交換。

圖4 不同工作模式下桅桿的旋轉(zhuǎn)情況Fig.4 Rotation of mast in different modes

因此,活動(dòng)式相機(jī)在整個(gè)任務(wù)中運(yùn)動(dòng)策略如下:月面工作前,整個(gè)桅桿收攏。著陸至月面,桅桿展開,相機(jī)開始工作。當(dāng)月午來(lái)臨,太陽(yáng)高度角高于33或相機(jī)溫度超過(guò)55℃最高工作溫度,相機(jī)斷電并調(diào)整至利于降溫的避暑姿態(tài)。當(dāng)下午太陽(yáng)高度角低于33,相機(jī)繼續(xù)工作。在進(jìn)入月夜前,桅桿和太陽(yáng)翼相繼收攏,經(jīng)歷月夜。當(dāng)?shù)诙鞚M足喚醒條件,巡視器喚醒,桅桿再次展開,相機(jī)重新開始工作,相機(jī)完成一個(gè)月球日的工作循環(huán)。

2 熱分析

2.1 熱分析建模

根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)模型,采用Thermal Desktop軟件建立了導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)的熱模型。如圖5所示,模型中除包含相機(jī)外,還包含巡視器其他主體結(jié)構(gòu)和月壤。

圖5導(dǎo)航相機(jī)、全景相機(jī)熱分析仿真模型Fig.5Thermal model of navigation and panorama cameras

根據(jù)外熱流、設(shè)備工作模式和涂層參數(shù)等高低溫工況確定原則[11],以巡視器的飛行過(guò)程和相機(jī)的工作模式為基礎(chǔ),確定了3類典型工況(如表1所示):

表1 熱分析工況定義Table 1 Definition of thermal analysis case

1)巡視器至月面后,導(dǎo)航相機(jī)、全景相機(jī)相繼開始工作。相機(jī)月面工作時(shí)考慮不同太陽(yáng)高度角、姿態(tài)、工作模式等因素的影響。

2)月夜期間,導(dǎo)航相機(jī)、全景相機(jī)不工作,為長(zhǎng)時(shí)間低溫穩(wěn)態(tài)過(guò)程工況。

3)月塵對(duì)相機(jī)的散熱面有明顯影響。月面工作時(shí),月塵對(duì)相機(jī)散熱面的影響仍具有不確定性。因此,專門分析高溫工作下月塵影響后光學(xué)太陽(yáng)反射鏡(Optical Solar Reflect,OSR)吸收率退化后的影響。

2.2 熱分析結(jié)果

(1)月晝高溫

月晝工作時(shí),隨著月面當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角不斷增加,巡視器溫度也不斷升高。以下均以當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角為33°、巡視器車頭朝陽(yáng)、桅桿俯仰角為0°作為基準(zhǔn),分析不同因素對(duì)相機(jī)溫度的影響。

Enhancement of SPF and PFA of sunscreen cosmetics by skincare actives 6 50

1)相機(jī)間熱耦設(shè)計(jì)下的間歇工作分析。

當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角33°時(shí),月面溫度高達(dá)69℃。桅桿水平姿態(tài)下,若相機(jī)各自獨(dú)立長(zhǎng)期工作,導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)的工作溫度將分別趨近65.7℃和71.3℃,遠(yuǎn)超過(guò)工作溫度上限。因此,在導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)耦合熱設(shè)計(jì)下,必須采取間歇工作模式。如相機(jī)采用周期性間歇工作,在一個(gè)300 min的周期內(nèi),導(dǎo)航相機(jī)工作45 min,全景相機(jī)工作30 min,其余時(shí)間相機(jī)均關(guān)機(jī),這樣可保證導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)的最高工作溫度分別為43.95℃和42.60℃,其溫度不超過(guò)其工作溫度上限,如圖6所示。

2)桅桿俯仰耦合影響分析。

在當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角為33°時(shí),考慮桅桿在向陽(yáng)俯仰36°、水平0°和背陽(yáng)俯仰36°三種俯仰姿態(tài)下,相機(jī)工作的溫度情況。三種姿態(tài)下,導(dǎo)航相機(jī)工作前的起始溫度分別為39.8℃、37.3℃和25.3℃,全景相機(jī)分別為37.8℃、33.2℃和21.4℃。由此可見,當(dāng)相機(jī)由向陽(yáng)傾斜姿態(tài)轉(zhuǎn)為避暑姿態(tài)時(shí),導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)的工作起始溫度可以降低14～16℃,相機(jī)工作的極限溫度也隨之降低14～16℃,如圖7所示。

3)桅桿偏航耦合影響分析。

在當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角為33°時(shí),分析桅桿處于偏航0°、偏航45°和偏航90°姿態(tài)下,相機(jī)工作的溫度情況。

圖6 相機(jī)長(zhǎng)期工作與間歇耦合工作的溫度對(duì)比Fig.6 Comparison of cameras temperature at longtime-working and intermittent-working state

圖7 月晝不同俯仰姿態(tài)下相機(jī)工作溫度曲線Fig.7 Curve of cameras work temperature for different pitch angle

導(dǎo)航相機(jī)在三種俯仰姿態(tài)下,工作前的存儲(chǔ)溫度分別為37.3℃、30.4℃和10.9℃,全景相機(jī)分別為33.2℃、27.9℃和8.7℃。相對(duì)于向陽(yáng)偏航,當(dāng)相機(jī)轉(zhuǎn)為偏航90°時(shí),導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)的最高溫度可以降低26℃和24℃,如圖8所示。

圖8 月晝不同偏航姿態(tài)下相機(jī)工作溫度曲線Fig.8 Curve of cameras work temperature for different crab angle

(2)月夜低溫

進(jìn)入月夜后,若相機(jī)裸露在艙外且無(wú)加熱措施,活動(dòng)式相機(jī)在30 h后,將從-10℃迅速降低至-130℃。至月夜第150 h,溫度逐漸趨近于-153℃。在之后的180 h內(nèi),相機(jī)將長(zhǎng)期處于-150℃的惡劣低溫環(huán)境下,如圖9所示。由此可見,相機(jī)若采用像“火星漫游者”方式,裸露相機(jī)在外,不采用保溫措施。在月夜極端溫度經(jīng)歷14天,其存儲(chǔ)溫度較“火星漫游者”-95℃的夜晚低溫低約55℃,由此給相機(jī)的安全過(guò)夜帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)前文所述的借用巡視器本體月夜保溫系統(tǒng)的方法,桅桿收攏后,圍欄內(nèi)的相機(jī)最低溫度分析結(jié)果為-26.1℃,滿足-50～70℃的儲(chǔ)存溫度指標(biāo)要求,如圖10所示。若不通過(guò)桅桿的運(yùn)動(dòng)耦合,而利用單獨(dú)的同位素?zé)嵩淳S持相機(jī)在相同溫度,其熱功率需求為4.5 W,資源消耗較大。

圖9 月夜中相機(jī)降溫曲線(桅桿不收攏)Fig.9 Curve of cameras temperature during moon night without mast folded

圖10 桅桿收攏,月夜相機(jī)存儲(chǔ)溫度云圖Fig.10 Temperature nephogram of cameras during moon night

(3)月塵影響

月塵擁有較高的紅外輻射率(0.93)和相對(duì)較高的太陽(yáng)吸收率(0.76)。巡視器在月球表面展開探測(cè)活動(dòng),月塵對(duì)散熱面影響具有不確定性。若月塵覆蓋相機(jī)散熱面表面,將使得散熱面的太陽(yáng)吸收率αs增大,從而導(dǎo)致相機(jī)的溫度水平有所上升。月塵沉降情況分析如下:

1)探測(cè)器軟著陸沖擊引起月塵激揚(yáng),揚(yáng)起最大高度為0.3～0.4 m。

2)巡視器車輪行走造成的黏附起塵,由于行進(jìn)速度僅為200 m/h,輪行走黏附起塵的高度和輪子直徑是一致的,即起塵高度約為0.2 m。

3)動(dòng)力下降過(guò)程中,當(dāng)著陸器距月面高度小于12 m時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)羽流激起月塵。當(dāng)著陸器距月面高度4 m發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)氣壓,羽流可能引起的月塵會(huì)影響到兩器表面。

4)相對(duì)人為因素而言,自然因素造成的揚(yáng)塵對(duì)探測(cè)器的影響程度是個(gè)小量,所以,關(guān)于自然因素導(dǎo)致月塵的激揚(yáng)對(duì)探測(cè)器的影響基本可以忽略。

針對(duì)人為因素,活動(dòng)式相機(jī)散熱面高度大于1.5 m,可以忽略沖擊月塵和車輪的黏附月塵的影響。在動(dòng)力下降過(guò)程中,桅桿收攏在圍欄內(nèi),其封閉的腔體可以阻擋動(dòng)力下降羽流引起的月塵。因此,可忽略月塵對(duì)活動(dòng)式相機(jī)的影響,但出于故障預(yù)案考慮,分析了月塵影響太陽(yáng)吸收率為0.25的故障情況。

當(dāng)太陽(yáng)吸收率αs從末期值的0.19增大到月塵輕微污染的0.25,導(dǎo)航相機(jī)工作溫度從43.95℃升高到48.3℃,全景相機(jī)工作溫度從42.6℃升高到47.35℃。兩種相機(jī)溫度均升高了4℃以上,超過(guò)工作指標(biāo)上限。通過(guò)將最大工作太陽(yáng)高度角從33°降低至25°,或通過(guò)尋找避暑姿態(tài)的方式,可將溫度降低至最高溫度以內(nèi)。

3 在軌情況

2013年12月15日至2014年1月13日為巡視器在月面經(jīng)歷的第1個(gè)完整月球日,分別經(jīng)歷了月午高溫、月夜低溫休眠和月晝喚醒。

(1)月晝高溫

2013年12月23日,月球下午太陽(yáng)高度為29.43°時(shí),巡視器進(jìn)行成像。成像過(guò)程采取的策略為:

1)成像前,由背陽(yáng)避暑姿態(tài)調(diào)整為拍照姿態(tài)(偏航角由-29.4°調(diào)整至-129.1°);

2)成像后,由拍照姿態(tài)調(diào)整回側(cè)向陽(yáng)的避暑姿態(tài)(偏航角從-129.1°調(diào)整至+101.2°)。

如圖11所示,巡視器調(diào)整至拍照姿態(tài),全景相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)溫度分別從14.5℃和12.6℃升高到20.4℃和18.2℃。相機(jī)工作期間,全景相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)平均溫度從20.4℃和18.2℃升高到29.4℃和29.9℃。成像完成后進(jìn)入避暑姿態(tài),10 h后再次進(jìn)入測(cè)控弧段,此時(shí)全景相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)溫度下降了15.3℃和18.5℃。由此可見,非工作段通過(guò)桅桿轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)至避暑姿態(tài),降低了相機(jī)工作的起始溫度達(dá)15℃以上,降溫效果顯著。

圖11 相機(jī)在軌第一個(gè)月晝溫度遙測(cè)曲線Fig.11 In-orbit temperature of cameras in first two weeks

(2)月夜保溫

2013年12月26日,在月夜保溫系統(tǒng)工作后,收攏桅桿至圍欄內(nèi),建立相機(jī)與系統(tǒng)月夜保溫系統(tǒng)間的熱耦合,巡視器進(jìn)入首個(gè)月夜休眠。由于月夜探測(cè)器無(wú)溫度遙測(cè)數(shù)據(jù),因此僅能通過(guò)喚醒后相機(jī)的性能間接判斷是否安全度過(guò)月夜。2014年1月11日巡視器喚醒,導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)的起始遙測(cè)溫度分別為20.19℃和20.27℃。隨著太陽(yáng)高度角的增加,相機(jī)開機(jī)工作,其功能和性能正常,由此間接判斷相機(jī)安全度過(guò)月夜。另外,月夜期間相機(jī)保溫效果得到了巡視器熱平衡試驗(yàn)后修正的熱分析模型的驗(yàn)證,修正后相機(jī)的最低分析溫度為-31.1～-21.9℃。因此,通過(guò)在軌實(shí)際效果和熱試驗(yàn)修正模型的綜合驗(yàn)證,可以看出針對(duì)活動(dòng)式相機(jī)的活動(dòng)特性,而采取的建立相機(jī)與巡視器的熱耦合方法,解決了相機(jī)夜晚的保溫問題。

(3)月塵影響

根據(jù)實(shí)際在軌數(shù)據(jù),通過(guò)熱模型修正獲取OSR在軌退化情況。經(jīng)修正可知,第一個(gè)月晝期間,活動(dòng)式相機(jī)的OSR光學(xué)性質(zhì)基本未發(fā)生退化,其太陽(yáng)吸收比處于0.135～0.145之間。即圍欄與太陽(yáng)翼隔離了動(dòng)力下降過(guò)程中和著陸沖擊中可能誘發(fā)的月塵影響,且巡視器月面移動(dòng)激起的月塵對(duì)相機(jī)OSR也基本無(wú)影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)月面環(huán)境特點(diǎn),提出了月面活動(dòng)式相機(jī)的熱控設(shè)計(jì)方法,通過(guò)分析計(jì)算及在軌數(shù)據(jù)驗(yàn)證,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)月晝極端高溫環(huán)境下,相機(jī)采用間歇性工作模式及尋求最佳散熱姿態(tài),有效地降低相機(jī)起始溫度,在軌避暑時(shí)降溫達(dá)15℃以上。

2)月夜長(zhǎng)期無(wú)電能的極端低溫環(huán)境,利用相機(jī)活動(dòng)特性建立起的相機(jī)與系統(tǒng)熱耦合,解決了相機(jī)長(zhǎng)月夜的保溫問題,節(jié)省了單獨(dú)使用同位素?zé)嵩此鶐?lái)的高額成本。

3)由于著陸前圍欄對(duì)活動(dòng)式相機(jī)起保護(hù)作用,相機(jī)在第一個(gè)月晝內(nèi),OSR光學(xué)屬性基本未發(fā)生退化。

References)

[1] 歐陽(yáng)自遠(yuǎn).月球科學(xué)概論[M].北京:中國(guó)宇航出版社,2005:46. OUYANG Z Y.Introduction to lunar science[M]. Beijing:China Astronautic Publishing House,2005:46 (in Chinese).

[2] STEPHAN ULAMEC,JENS BIELE,ED TROLLOPE. How to survive lunar night[J].Planetary and Space Science,2010,58(14-15):1985-1995.

[3] GLENN T TSUYUKI,ARTURO AVILA,HENRY I AWAYA,et al.Mars Exploration Rover:thermal design is a system engineering activity[R].California: Jet Propulsion Laboratory,2003.

[4] 侯欣賓,王立.NASA火星車MER熱控設(shè)計(jì)[C].中國(guó)宇航學(xué)會(huì)首屆學(xué)術(shù)年會(huì),廣西,2005. HOU X B,WANG L.Introduction of NASA MER thermal control architecture[C].First Academic Annual Meeting of the Chinese Space Society,Guangxi,2005(in Chinese).

[5] 陳建新,斯東波,張冰強(qiáng),等.月球探測(cè)器外熱流計(jì)算與散熱面分析[C].空間熱物理會(huì)議,四川,2011. CHEN J X,SI D B,ZHANG B Q,et al.External heat flux calculation and thermal analysis of lunar probe [C].Space Thermal Physics Conference,Sichuan,2011 (in Chinese).

[6] 劉自軍,向艷超,斯東波,等.嫦娥三號(hào)探測(cè)器熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].中國(guó)科學(xué),2014,44(4):353-360. LIU Z J,XIANG Y C,SI D B,et al.Design and verification of thermal control system for Chang′E-3 probe[J].SCIENTIA SINICA Technologica,2014, 44(4):353-360(in Chinese).

[7] 張濤,邵興國(guó),向艷超.月塵對(duì)熱控系統(tǒng)的退化影響[J].航天器工程,2010,19(5):82-88. ZHANG T,SHAO X G,XIANG Y C.Degradation effects of the lunar dust on thermal control system [J].Spacecraft Engineering,2010,19(5):82-88(in Chinese).

[8] GAIER J R,SIAMIDIS J,PANKO S R,et al.The effect of simulated lunar dust on the absorptivity, emissivity,and operating temperature on AZ-93 and Ag/FEP thermal control surfaces[R].NASA/TM-2008-215492,2008.

[9] AGUI J H,NAKAGAWA M.Dust on the Moon and Mars,2005[C].43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,AIAA 2005-539,2005.

[10] 宋馨,張有為,周向東,等.適用于月面高溫環(huán)境的嫦娥三號(hào)地形地貌相機(jī)熱設(shè)計(jì)[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2014,12(6):65-71. SONG X,ZHANG Y W,ZHOU X D,et al.Thermal control design for topography camera of Chang′e-3 under high temperature environment of lunar surface[J]. Chinese Space Science and Technology,2014,12(6): 65-71(in Chinese).

[11] GILMORE D G.Satellite thermal control handbook [M].Los Angeles:The Aerospace Corporation, 2003:433.

(編輯:車曉玲)

Thermal design and on-orbit thermal analysis onYuTurover movable cameras

ZHANG Bingqiang1,2,*,XIANG Yanchao1,2,CHEN Jianxin1,2,SONG xin1,2,MA Juyin1,2
1.BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094,China 2.BeijingKeyLaboratoryofSpaceThermalControlTechnology,Beijing100094,China

In the brutal temperature environment in Sinus Iridium with the range between-180℃to+90℃,it needs to solve camera heat dissipation during lunar daytime and heat preservation in moonlit night without electric energy supply under the complex rotation ofYuTuRover mast.Besides,the uncertainty of lunar dust still results in risks to thermal design.In order to solve the extreme high temperature problem in daytime,the mast rotates to an optimal position for heat dissipation and avoids the camera being too hot,and the proportion of power on and off is optimized.In extremely low temperature at night,the thermal coupling state of the camera and the rover has been changed;the mast is folded into the fence to keep warm by means of heat preservation systems.Based on the analysis of the cause of dust subsidence,the max sun elevation angle for working is restricted to avoid risks by dust.According to the thermal analysis results and in-orbit results,it can be confirmed that the highest temperature decreased 15 degrees by methods of finding optimal position and optimizing the proportion of power on and off.By folding the mast in moon night,cameras have safely undergone the cold night,therefore 4.5 W power generated by RHU has been saved.It indicates that the coupling method between thermal control and posture adjustment can be used to solve the high-low temperature problem of movable cameras on the planet'surface rover,and reduce the rover power demand for RHU.It could provide thermal design reference for the follow-on celestial body surface explorations.

YuTuRover;navigation cameras;panorama cameras;thermal design;on-orbit thermal analysis;lunar dust

V476.4

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0001

2015-04-09;

:2015-09-01;錄用日期:2015-09-28;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2016-04-19 14:15:17

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1415.001.html

*

:張冰強(qiáng)(1985-),男,碩士,工程師,zbq07@mails.tsinghua.edu.cn,主要研究方向?yàn)楹教炱鳠峥刂?/p>

張冰強(qiáng),向艷超,陳建新,等.“玉兔”巡視器活動(dòng)式相機(jī)熱設(shè)計(jì)及在軌分析[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2016,36(2): 58-65.ZHANGBQ,XIANGYC,CHENJX,etal.Thermaldesignandon-orbitthermalanalysisonYuTurover movablecameras[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):58-65(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn