“新視野”探測(cè)器的熱控系統(tǒng)分析與啟示

余群 （中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心）

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“新視野”探測(cè)器的熱控系統(tǒng)分析與啟示

余群 （中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心）

為了滿(mǎn)足探測(cè)任務(wù)要求，“新視野”（New Horizon）探測(cè)器首次采用了雙層“保溫瓶”式熱控設(shè)計(jì)，改進(jìn)了防寒能力，以適應(yīng)冥王星和柯伊伯帶極度寒冷環(huán)境。此外，外太陽(yáng)系的深空環(huán)境無(wú)法利用太陽(yáng)電池帆板來(lái)提供電能，飛船上安裝了一套由美國(guó)能源部提供的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）來(lái)提供電能，其余熱可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的加熱控溫。放射性同位素?zé)嵩粗鲃?dòng)熱控為主，多層隔熱組件等被動(dòng)熱控為輔的熱控設(shè)計(jì)有效保障了“新視野”探測(cè)器各設(shè)備溫度水平。

1 “新視野”探測(cè)器簡(jiǎn)介

“新視野”探測(cè)器是美國(guó)航空航天局（NASA）“新疆域計(jì)劃”的第一次中級(jí)別太空探測(cè)任務(wù)， 2006年1月19日發(fā)射升空，飛向冥王星。

“新視野”采用箱式結(jié)構(gòu)，寬度約2.5m，加裝燃料之后總質(zhì)量達(dá)到465kg，安裝了16個(gè)小推力肼燃料火箭推進(jìn)器，加裝了77kg的肼燃料，用于飛行途中的定向、軌道修正和飛越冥王星后改變航向，繼續(xù)飛往柯伊伯帶天體。

“新視野”共攜帶了7臺(tái)質(zhì)量為30kg的科學(xué)儀器。其中光學(xué)設(shè)備有3臺(tái)，分別是：遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀（LORRI）、可見(jiàn)-紅外成像光譜儀（Ralph）、紫外成像光譜儀（Alice），分別拍攝可見(jiàn)光、紅外和紫外圖片。另外4臺(tái)儀器分別是：太陽(yáng)風(fēng)測(cè)量?jī)x（SWAP）、無(wú)線(xiàn)電科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀（REX）、能量粒子譜儀（PEPSSI）、學(xué)生塵埃計(jì)數(shù)器（SDC），分別用于測(cè)量冥王星附近和表面的太陽(yáng)風(fēng)、大氣、能量粒子和塵埃。

2 “新視野”熱控系統(tǒng)分析

“新視野”熱設(shè)計(jì)

“新視野”探測(cè)器的熱設(shè)計(jì)主要包括放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器、多層隔熱組件及設(shè)備/結(jié)構(gòu)采光孔的自然漏熱。該探測(cè)器熱控設(shè)計(jì)采用“保溫瓶”方式來(lái)平衡內(nèi)部耗能和自然產(chǎn)生的漏熱。探測(cè)器主體用熱包覆材料包裹，以防止整個(gè)系統(tǒng)中的最大熱量損失。另外，此探測(cè)器的熱控設(shè)計(jì)還綜合考慮了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件（REA）及熱包覆層的漏熱損失。

當(dāng)溫度超過(guò)25℃時(shí)，該熱設(shè)計(jì)可回收放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器產(chǎn)生的余熱，且打開(kāi)熱百葉窗以排散熱耗。未經(jīng)內(nèi)部探測(cè)器總線(xiàn)耗散的功率將通過(guò)兩塊外部并聯(lián)板耗散。推進(jìn)系統(tǒng)元件受探測(cè)器總線(xiàn)熱約束，通過(guò)與結(jié)構(gòu)之間的熱連接可保持在適宜溫度。

由于“新視野”的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，因此需要開(kāi)展加熱器控制。這些需求包括擴(kuò)展的任務(wù)周期、漫長(zhǎng)的單程光時(shí)、有限的可用功率以及不同的任務(wù)形態(tài)。擴(kuò)展的任務(wù)周期需采取冗余設(shè)計(jì)，摒棄機(jī)械開(kāi)關(guān)的使用。4.5光時(shí)飛行里，探測(cè)器上的能量管理與地面階段能量管理截然相反，整個(gè)任務(wù)分成科學(xué)數(shù)據(jù)采集、標(biāo)稱(chēng)接地期以及休眠模式。不同的工作模式，功率需求不同。比如：在巡航階段，不需要和地面保持聯(lián)系，且此時(shí)只有少量元器件耗能。這一階段，關(guān)鍵是加熱器控制的簡(jiǎn)潔化。在科學(xué)采集階段，關(guān)鍵是保持加熱系統(tǒng)不自動(dòng)關(guān)閉。超載時(shí)，功率分配單元（PDU）將會(huì)檢測(cè)到一個(gè)較低電壓，使飛行器處于低電壓感應(yīng)（LVS）狀態(tài)，該狀態(tài)的直接反應(yīng)即是關(guān)閉放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）上所有非臨界電力負(fù)載。

“保溫瓶”設(shè)計(jì)允許加熱系統(tǒng)從溫度控制方式變換為電平管理?！靶乱曇啊鄙显O(shè)計(jì)了加熱系統(tǒng)，目的是為了維持內(nèi)部功率耗散不變。當(dāng)外部環(huán)境一定時(shí)，熱包絡(luò)內(nèi)的功率耗散和包絡(luò)內(nèi)的溫度存在直接關(guān)系。當(dāng)接近上載目標(biāo)時(shí)，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)控制專(zhuān)用的冗余鏈路（2.5W、5W、10W、20W及3個(gè)30W加熱器），加熱系統(tǒng)控制軟件可維持總線(xiàn)功耗水平。這些加熱器為低溫工況下的驅(qū)動(dòng)元件，位于構(gòu)成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模塊（REMs）周?chē)＜訜崞骰芈酚纱⒙?lián)加熱器組合組成，因此，任何一個(gè)加熱器（開(kāi)或關(guān)）失效都不會(huì)改變回路的耗散。探測(cè)器上沒(méi)有溫度控制型加熱器。當(dāng)測(cè)量團(tuán)隊(duì)需要且功率和熱量允許的情況下，也可使用凈化加熱器。當(dāng)兩跟蹤器同時(shí)關(guān)閉時(shí)，需啟動(dòng)包含其余加熱器的星體跟蹤器組件。

依據(jù)探測(cè)器總線(xiàn)使用的功率來(lái)設(shè)定內(nèi)部熱耗散值。然而，有一些子系統(tǒng)的電功率耗散是在熱包絡(luò)外的。這些組件包括推進(jìn)系統(tǒng)的推力器及催化劑床，行波管放大器（TWTAs）和星體跟蹤器組件。這些元件的一些功率耗散排出艙外，因此總線(xiàn)上的有效功率偏低。

“新視野”探測(cè)器熱設(shè)計(jì)特征

每一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的推力器都有一個(gè)2W的催化劑床層加熱器。使用該加熱器可使催化劑床在推力器使用之間保持在125℃以上。推進(jìn)系統(tǒng)模擬漏熱情況，發(fā)現(xiàn)50%的功率被探測(cè)器吸收，另外50%在艙外反射掉。因此，其有效功率為1W。

行波管放大器傳遞時(shí)的耗能大約為30W，其中約12W以無(wú)線(xiàn)電頻率能量的形式發(fā)射出去，其余的18W以熱量的形式耗散到探測(cè)器內(nèi)部。因此，行波管放大器的有效熱耗即為耗散到探測(cè)器內(nèi)的18W熱量。

最后一個(gè)電和熱耗散不同的產(chǎn)品就是星體跟蹤器組件。星體跟蹤器運(yùn)行溫度比探測(cè)器總線(xiàn)內(nèi)溫度低，因此其和探測(cè)器隔熱安裝。該組件具有一個(gè)外部輻射器來(lái)排散跟蹤器的耗能。只有當(dāng)跟蹤器不運(yùn)行時(shí)才啟動(dòng)其余的加熱器。因此，星體跟蹤器組件不往總線(xiàn)中注入熱量，所以工況下其熱貢獻(xiàn)為0W。

探測(cè)器+Z和-Z方向存在兩個(gè)外部分流板，用來(lái)耗散放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器產(chǎn)生的不用的電功率。兩分流板一共帶有16路加熱回路，每一回路可耗散18W功率。第一和第二回路分開(kāi)，在兩分流板上都有加熱元件。當(dāng)只有少量的功率被分流時(shí)，該布置可維持每塊板上都有少量的熱功率。分流板上的加熱器通過(guò)分路調(diào)節(jié)器單元（SRU）自主選擇。

依據(jù)這些分流器是否被用作附加熱源，分路調(diào)節(jié)器單元支持操縱裝置選擇分流器。這些操縱裝置是由地面控制的，僅當(dāng)任務(wù)中有效探測(cè)器功率減少且僅使用專(zhuān)用非分流加熱器熱控制軟件無(wú)法維持艙內(nèi)熱環(huán)境時(shí)使用。

“新視野”熱控方法

使用系統(tǒng)內(nèi)的功率耗散，“新視野”探測(cè)器熱控系統(tǒng)可維持探測(cè)器的總體溫度。該設(shè)計(jì)概念和大多數(shù)探測(cè)器的設(shè)計(jì)概念一樣。但“新視野”設(shè)計(jì)上的不同是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器產(chǎn)生的有限功率要求加熱器功耗最小化。系統(tǒng)溫度隨著功率增加，且表現(xiàn)出基于功率源位置的局部變化。探測(cè)器在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，把較大耗散分配在電子器件周?chē)允构β首罱K達(dá)到平衡。熱設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目就是推進(jìn)系統(tǒng)，其限定工作溫度在5～50℃之間。因考慮到推力器閥的溫降，探測(cè)器總體溫度的設(shè)計(jì)下限為20℃。

多層隔熱組件的自然泄漏是該系統(tǒng)的最大漏熱。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，該漏熱和系統(tǒng)總功率之間存在一個(gè)大的不確定關(guān)系?？紤]到多層隔熱組件漏熱的不確定性，只有少許額外的漏熱被用來(lái)支撐和保持系統(tǒng)溫度仍在要求范圍。由于當(dāng)溫度較高時(shí)，百葉窗動(dòng)作可提供一個(gè)較大的有效散熱面積，熱端溫度較小。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器整個(gè)壽命周期內(nèi)的預(yù)測(cè)功率約為191W?？紤]包含艙外功率損失和要求的瞬態(tài)儲(chǔ)存功率，有用功率約為135W。

“新視野”熱控驗(yàn)證

通過(guò)熱真空平衡試驗(yàn)可驗(yàn)證熱控系統(tǒng)的正確操作。試驗(yàn)驗(yàn)證了探測(cè)器的最小功率需求低于可用值，且熱控軟件通過(guò)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)負(fù)載可維持一個(gè)恒定的功率水平。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明120W可讓探測(cè)器維持在接近室溫，最小功率需求是107W。當(dāng)催化劑床層加熱器和行波管放大器打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，熱控軟件對(duì)熱耗散進(jìn)行控制。12h周期內(nèi)，耗散目標(biāo)值保持恒定（120W）。瞬時(shí)平均值為探測(cè)器的平均內(nèi)部耗散，由熱控軟件控制，每隔1s計(jì)算1次?？傒d荷為探測(cè)器產(chǎn)生的電功率。整個(gè)周期內(nèi)的平均熱耗控制在117.1W。

測(cè)試過(guò)程中，探測(cè)器中的多個(gè)組件都按真實(shí)飛行過(guò)程中的開(kāi)關(guān)模式切換。熱控軟件計(jì)算探測(cè)器熱耗散，且和預(yù)測(cè)值相比較。根據(jù)比較結(jié)果，可通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器面板開(kāi)關(guān)，以采用不同的加熱器系統(tǒng)補(bǔ)償。

最后，通過(guò)比較加熱器功率面板和加熱器當(dāng)前讀出，比較了該系統(tǒng)中使用的實(shí)際值和熱控軟件要求的加熱器功率。加熱器面板上功率和加熱器當(dāng)前讀出非常接近。

軟件控制和加熱器工作曲線(xiàn)（豎線(xiàn)表示此處存在數(shù)據(jù)丟失）

探測(cè)器熱真空試驗(yàn)驗(yàn)證了該探測(cè)器的熱設(shè)計(jì)、熱控制軟件以及專(zhuān)用加熱器釋放需求功率的能力。

3 “新視野”熱控關(guān)鍵技術(shù)

“新視野”探測(cè)器的熱控系統(tǒng)復(fù)雜，由多項(xiàng)主動(dòng)熱控措施和被動(dòng)熱控措施相互結(jié)合而組成，其中的關(guān)鍵熱控措施主要包括：多層隔熱組件、自動(dòng)化加熱系統(tǒng)、放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器。

多層隔熱組件

為了避免熱量流失，“新視野”采用了類(lèi)似保溫瓶的熱設(shè)計(jì)。探測(cè)器表面包覆著輕質(zhì)金色的多層隔熱材料，可用于留住工作中電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量以保持探測(cè)器溫度適宜。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量可使整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)，探測(cè)器都在10～30℃之間運(yùn)行。

探測(cè)器外表面包裹著18層多層隔熱材料組成。多層隔熱組件由鍍鋁聚酯薄膜和聚酰亞胺薄膜組成，兩薄膜之間以滌綸網(wǎng)狀布填充，除了溫度控制應(yīng)用外，還可以保護(hù)探測(cè)器免受微碎片的撞擊。

自動(dòng)化加熱系統(tǒng)

“新視野”復(fù)雜精密自動(dòng)化加熱系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)探測(cè)器內(nèi)部的功率水平，以保證電子元件有足夠的功率運(yùn)行以保持安全溫度。當(dāng)比運(yùn)行功率（約150W）低時(shí)，將觸發(fā)探測(cè)器周?chē)男〉募訜崞饔靡匝a(bǔ)足這些不足。當(dāng)探測(cè)器接近地球和太陽(yáng)，內(nèi)部溫度過(guò)高時(shí)，百葉窗將開(kāi)啟。

放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器

由于冥王星和柯伊伯帶遠(yuǎn)離太陽(yáng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度只是地球上的0.1%，太陽(yáng)光要經(jīng)過(guò)4個(gè)多小時(shí)長(zhǎng)途跋涉才能來(lái)到冥王星。“新視野”所需的電力無(wú)法通過(guò)太陽(yáng)能電池發(fā)電提供。為此，“新視野”探測(cè)器攜帶了一臺(tái)放射性同位素溫差發(fā)電機(jī)。

核能發(fā)電機(jī)位于“新視野”的尾部，內(nèi)裝10.9kg二氧化钚，其中的钚-238衰變時(shí)會(huì)釋放出熱量，通過(guò)溫差發(fā)電提供穩(wěn)定的電力。所有的探測(cè)設(shè)備都將依賴(lài)這臺(tái)核能發(fā)電機(jī)供電，其產(chǎn)生的電力相當(dāng)于一對(duì)100W燈泡。

核能發(fā)電機(jī)所用的燃料被封裝在特制的球形防火陶瓷中，這種陶瓷有抗分解能力，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且外面的密封箱完全能經(jīng)受住墜地撞擊或空中爆炸的沖擊。

放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器剖面示意圖

4 啟示

熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保成功

卓越的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是確?！靶乱曇啊碧綔y(cè)器歷時(shí)9年多的長(zhǎng)期飛行后，任務(wù)仍然成功的關(guān)鍵，我們應(yīng)該吸取其成功的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?！靶乱曇啊碧綔y(cè)器成功在距離冥王星1.25×104km的地方飛過(guò)，這個(gè)距離僅相當(dāng)于地球與月球之間距離的1/30，這標(biāo)志著人類(lèi)初步完成了太陽(yáng)系范圍的標(biāo)識(shí)工作。在這次任務(wù)中熱控系統(tǒng)發(fā)揮了重要的保障作用。我們應(yīng)加強(qiáng)先進(jìn)熱控設(shè)計(jì)方法的研究，積極謀劃相關(guān)熱控技術(shù)研究項(xiàng)目，預(yù)先開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為未來(lái)的領(lǐng)域拓展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

主被動(dòng)熱控措施結(jié)合，是手段

多層隔熱組件、自動(dòng)化加熱系統(tǒng)、放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器等先進(jìn)主被動(dòng)熱控措施是實(shí)現(xiàn)“新視野”探測(cè)器長(zhǎng)期深空運(yùn)行的基本熱控手段。“新視野”探測(cè)器使用放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）產(chǎn)生的余熱來(lái)保證艙內(nèi)溫度，且外部多層隔熱組件具有足夠的熱阻，僅用內(nèi)部電子元件耗散的熱量就可維持探測(cè)器內(nèi)部溫度在5℃以上。當(dāng)艙內(nèi)溫度超過(guò)25℃時(shí)，熱百葉窗啟動(dòng)，可抑制在這一時(shí)刻（即內(nèi)部耗散達(dá)到其最大設(shè)計(jì)水平）內(nèi)部溫度變得太高。我們應(yīng)該進(jìn)一步跟蹤這些技術(shù)發(fā)展和設(shè)計(jì)思路，盡快開(kāi)展高性能、高可靠熱控技術(shù)研究，為我國(guó)航天深空探測(cè)領(lǐng)域提供相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備。

熱試驗(yàn)把關(guān)，提質(zhì)量

在滿(mǎn)足任務(wù)需求的情況下，盡量選用成熟的熱控產(chǎn)品，加上嚴(yán)格的熱試驗(yàn)把關(guān)，以保證“新視野”探測(cè)器質(zhì)量、提升任務(wù)可靠性?！靶乱曇啊碧綔y(cè)器熱控系統(tǒng)的長(zhǎng)期任務(wù)要求其具有極高的可靠性，因此，多層隔熱組件、放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器等關(guān)鍵熱控措施遵循首選成熟產(chǎn)品的原則。同時(shí)，對(duì)于“新視野”這類(lèi)全新飛行器而言，要嚴(yán)格開(kāi)展真空熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證、考核首發(fā)空間飛行器熱設(shè)計(jì)、熱控制軟件以及專(zhuān)用加熱器釋放需求功率的能力及正確性。上述措施保證了探測(cè)器的整體質(zhì)量，也提升了在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的可靠性。

Analysis and Revelation of Thermal Control System of New Horizons Rover