月面采樣相機(jī)的熱設(shè)計與熱分析

陳 陽，薛淑艷，寧獻(xiàn)文，蘇 生，韓 璐，王耀兵

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月面采樣相機(jī)的熱設(shè)計與熱分析

陳 陽，薛淑艷，寧獻(xiàn)文，蘇 生，韓 璐，王耀兵

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

月面采樣相機(jī)安裝于月球無人采樣返回探測器的機(jī)械臂上，其質(zhì)量小，熱耗較大，長期工作在高溫環(huán)境中，故溫度水平成為影響相機(jī)能否正常工作的重要因素，須予以分析。文章根據(jù)相機(jī)工作模式和機(jī)械臂的姿態(tài)運動特性，構(gòu)建出適應(yīng)機(jī)械臂運動的熱分析模型，提出幾種實現(xiàn)相機(jī)高溫散熱的方法，通過對比分析，分別確定了基于OSR涂層和白漆的熱控方案，并推演了散熱窗口的臨界模型，為后續(xù)器外設(shè)備熱設(shè)計提供借鑒思路。

月表采樣；相機(jī)；熱設(shè)計；熱分析

0 引言

月球無人采樣返回探測器采用機(jī)械臂進(jìn)行月表樣品的采集。為便于路徑規(guī)劃和監(jiān)視，機(jī)械臂上安裝了遠(yuǎn)攝相機(jī)和近攝相機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)視月表的地形地貌、表取采樣機(jī)械臂[1]的工作狀態(tài)、月樣傾瀉過程、初級封裝容器填充等情況，為采樣器向初級封裝容器內(nèi)準(zhǔn)確傾瀉月樣、采樣器準(zhǔn)確夾持初級封裝容器、采樣器將初級封裝容器準(zhǔn)確放入密封裝置提供參考。

遠(yuǎn)攝和近攝相機(jī)屬于器外運動機(jī)構(gòu)，受月面環(huán)境影響，長期工作在70℃以上的高溫環(huán)境中，相機(jī)的溫度水平直接影響其成像質(zhì)量，對月面機(jī)械臂執(zhí)行采樣任務(wù)至關(guān)重要。

國外航天器器外運動部件，如歐空局遙感衛(wèi)星ERS-1上的支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[2]，俄羅斯“流行-3”衛(wèi)星上應(yīng)用的微波輻射計MTVZA等，均采用隔熱設(shè)計，設(shè)置常規(guī)二次表面鏡（OSR）或白漆散熱面，并通過噴涂黑漆等方式降低運動部件本體的溫度梯度。

蘇聯(lián)的“Lunokhod”月球車上的全景相機(jī)[3]采用嵌入車體的固定安裝方式，通過與整車熱耦合解決月晝散熱和月夜保溫問題。美國的“火星漫游者”火星車桅桿上的導(dǎo)航、全景相機(jī)在夜晚無保溫措施，在清晨工作前采用電加熱器將電子線路從-95℃加熱到-55℃。

我國的“玉兔號”月球車上的導(dǎo)航相機(jī)[4]和全景相機(jī)在頂面設(shè)計了OSR作為散熱面，并采用避暑姿態(tài)，利用桅桿運動至外熱流較小的區(qū)域，來降低相機(jī)的溫度水平。探月二期著陸器頂面的地形地貌相機(jī)[5-6]，在頂部布置OSR作為散熱面，并借助相機(jī)轉(zhuǎn)動裝置在設(shè)備開機(jī)前先將相機(jī)轉(zhuǎn)動到外熱流最小、散熱條件最好的位置。

本文通過對幾種相機(jī)熱控方案的對比分析，提出了適應(yīng)月面高溫環(huán)境的月面采樣相機(jī)的熱設(shè)計方案，并分析推導(dǎo)了設(shè)備散熱面優(yōu)化選擇的臨界模型，可為其他高溫條件下設(shè)備散熱問題提供借鑒。

1 相機(jī)熱控設(shè)計特點和難點分析

月面采樣相機(jī)中的遠(yuǎn)攝相機(jī)為單目，近攝相機(jī)為雙目，如圖1所示。其熱控設(shè)計的特點和難點如下：

(a) 遠(yuǎn)攝相機(jī)

(b) 近攝相機(jī)

圖1 遠(yuǎn)攝相機(jī)和近攝相機(jī)構(gòu)型示意

Fig. 1 Telephoto camera (a) and close-up camera (b)

1）由于相機(jī)在月面工作，外熱流環(huán)境較為惡劣。在月面采樣階段，遠(yuǎn)攝相機(jī)與月表距離約為65～89mm，近攝相機(jī)與月表距離約為12～40mm。

2）相機(jī)單件質(zhì)量較小，開機(jī)時，內(nèi)部熱耗會驟然加大。近攝相機(jī)單側(cè)電路板功耗約為2W；遠(yuǎn)攝相機(jī)單側(cè)功耗分別為CMOS端7W、FPGA2.8W。近攝相機(jī)開機(jī)時的熱耗與質(zhì)量比約為14.9W/kg；遠(yuǎn)攝相機(jī)開機(jī)時的熱耗與質(zhì)量比接近5W/kg，單位質(zhì)量熱耗值均大于探月二期的全景相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)等。

3）相機(jī)隨機(jī)械臂運動姿態(tài)變化多。月表取樣機(jī)械臂在月面工作階段，會經(jīng)歷壓緊以及在采樣中間點、采樣點、放樣中間點、瀉樣點、密封封裝點等[1]不同位置和各位置之間的運動過程，外熱流變化非常復(fù)雜，且需要根據(jù)采樣點的不同，滿足不同姿態(tài)下采樣的能力。

4）溫度和質(zhì)量指標(biāo)要求較高。遠(yuǎn)攝相機(jī)溫度指標(biāo)為-20～90℃（工作），-40～100℃（存儲）；質(zhì)量不超過100g。近攝相機(jī)溫度指標(biāo)為0～110℃（工作），-35～135℃（存儲），且需要在月面110℃的高溫環(huán)境下長期工作，其高溫指標(biāo)較之探月二期的著陸緩沖機(jī)構(gòu)等設(shè)備的更為嚴(yán)酷。

5）控溫加熱回路數(shù)量受限。為避免電纜對運動的影響，近攝相機(jī)的功率、信號電纜只能通過其他機(jī)械臂產(chǎn)品內(nèi)部穿出，而1個控溫回路至少需要測溫加熱4個通道，因此受安裝空間的限制，控溫加熱回路數(shù)量有限。

2 熱控設(shè)計方案

相機(jī)熱控設(shè)計需要采取光、機(jī)、電、熱一體化設(shè)計，充分合理地利用熱控資源，且需采取主動和被動熱控措施相結(jié)合的方式。

2.1 外熱流分析

在航天器的熱設(shè)計中，外熱流分析既是熱分析的重要工作，也是溫度場計算的基礎(chǔ)，為航天器高低溫工況熱控設(shè)計提供依據(jù)[7]。月面采樣相機(jī)在飛行過程中主要經(jīng)歷奔月、環(huán)月和月面工作階段。其中，奔月、環(huán)月段相機(jī)不開機(jī)，外熱流較??；月面工作階段紅外熱流較大。

由文獻(xiàn)[8-9]可知，月晝時間月球表面溫度較高，最高溫度發(fā)生在正午，夜晚溫度緩慢下降，至黎明達(dá)到最低。相機(jī)工作期間屬于月晝溫度較高的時間段，紅外熱流極大。在機(jī)械臂采樣和放樣姿態(tài)下，近攝和遠(yuǎn)攝相機(jī)各個面的到達(dá)外熱流密度統(tǒng)計如表1所示。

表1 相機(jī)到達(dá)外熱流密度

2.2 熱控設(shè)計方案

2.2.1 散熱窗口方案選擇

在采樣和放樣姿態(tài)下，遠(yuǎn)攝相機(jī)-面的外熱流均較小。鏡頭朝向月面，-面受月面紅外輻射最小，因此選取-面為散熱面。經(jīng)計算，-面面積占整個相機(jī)焦面箱表面積不到21%，本文針對不同散熱面大小和散熱面涂層選擇，對比分析了遠(yuǎn)攝相機(jī)的6種熱控設(shè)計方案，如表2所示。

采樣時，近攝相機(jī)距月面更近，為便于辨識相機(jī)內(nèi)部散熱通道和隔絕月面紅外輻射兩者之間的關(guān)系，設(shè)置6種熱控設(shè)計方案（如表3所示）。

遠(yuǎn)攝和近攝相機(jī)的熱控方案示意可參見圖2。

表2 遠(yuǎn)攝相機(jī)6種熱控方案匯總

表3 近攝相機(jī)6種熱控方案匯總

(a) 遠(yuǎn)攝相機(jī)

(b) 近攝相機(jī)

圖2 相機(jī)不同熱控方案示意

Fig. 2 Different thermal control designs for the cameras

2.2.2 隔熱設(shè)計

由于光學(xué)設(shè)計的原因，相機(jī)遮光罩表面為黑色陽極化處理。遠(yuǎn)攝相機(jī)鏡頭與焦面箱之間設(shè)置隔熱墊。近攝相機(jī)本體與鏡頭部分采用一體化設(shè)計，相機(jī)內(nèi)部是真空非封閉腔體，利用多層材料良好的隔熱性能防止鏡頭與本體之間的輻射傳熱。

除散熱面外，2臺相機(jī)殼體表面均包覆多層隔熱組件，多層面膜為高透明導(dǎo)電鍍鋁二次表面鏡。2臺相機(jī)與機(jī)械臂本體采用聚酰亞胺隔熱墊隔熱。

2.2.3 導(dǎo)熱設(shè)計

為加強(qiáng)內(nèi)部發(fā)熱電路板與散熱面的熱耦合關(guān)系，在近攝相機(jī)的電路板與L型安裝支架間設(shè)置導(dǎo)熱條，L型安裝支架與殼體散熱面之間填充導(dǎo)熱填料，形成電路板→L型安裝支架→相機(jī)殼體散熱面的散熱途徑。這類似于國內(nèi)激光通信器[10-11]等大功率密度光學(xué)器件的散熱設(shè)計方案。

2.2.4 低溫補(bǔ)償設(shè)計

環(huán)月陰影段飛行時，為保證相機(jī)溫度始終高于存儲溫度的下限，在遠(yuǎn)攝相機(jī)焦面箱側(cè)面和近攝相機(jī)±側(cè)面粘貼加熱器及熱敏電阻，2臺相機(jī)共用1個主動加熱控制回路，根據(jù)熱敏電阻溫度信號進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.3 適應(yīng)機(jī)械臂運動模式的熱仿真

針對相機(jī)的光學(xué)、機(jī)械和電子設(shè)備結(jié)構(gòu)，根據(jù)幾何等效和熱等效的原則進(jìn)行一定的簡化和假設(shè)，采用Thermal Desktop軟件建立了遠(yuǎn)攝和近攝相機(jī)的熱模型，如圖3所示。

圖3 相機(jī)熱分析模型

機(jī)械臂在月面工作階段，外熱流變化復(fù)雜，熱分析計算中，單個工況采用瞬態(tài)工況進(jìn)行計算，根據(jù)機(jī)械臂運動模式和相機(jī)開機(jī)模式，選取機(jī)械臂典型位置，設(shè)置單次采樣周期的路徑，如圖4所示。瞬態(tài)外熱流隨時間的變化采用位置1→位置4的外熱流周期循環(huán)的過程，兩個位置之間的運動過程采用前一個位置來近似實現(xiàn)。多次循環(huán)后，溫度會達(dá)到周期平衡。

圖4 熱分析路徑規(guī)劃

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，以飛行過程和相機(jī)的工作模式為基礎(chǔ)，計算了月面高溫工作典型工況下的遠(yuǎn)攝和近攝相機(jī)溫度水平，如表4所示。

表4 相機(jī)溫度水平

從表4中可以看出：

1）方案2（+面噴漆，±、-面多層）中近攝相機(jī)殼體溫度最低，月面采樣平衡后，殼體最高溫度為105.8℃。

2）對比發(fā)現(xiàn)，近攝相機(jī)側(cè)面（+面）選擇多層（方案2）比噴漆（方案3）的溫度要低。

3）遠(yuǎn)攝相機(jī)-面面積相同的情況下，散熱面粘貼OSR比噴涂白漆SR107-ZK的溫度要低。

4）遠(yuǎn)攝相機(jī)-面面積由65mm×65mm擴(kuò)大到80mm×90mm時，殼體最高溫由95℃降低至81.5℃；由80mm×90mm擴(kuò)大到90mm×120mm時，殼體最高溫由81.5℃降低至78℃。

3 設(shè)備散熱面設(shè)計優(yōu)選評估

OSR二次表面鏡等選擇性涂層無法像反射太陽熱流那樣克服紅外熱流進(jìn)行高效散熱。以相機(jī)散熱面為研究對象，其傳熱方程為

， (2)

式中：為太陽吸收率；為紅外發(fā)射率；s為到達(dá)太陽熱流；r為到達(dá)紅外熱流；i為內(nèi)熱耗；為斯忒藩-玻耳茲曼常量5.67×10-8；為散熱面表面溫度；為散熱面面積。

在不考慮涂層退化情況下，OSR二次表面鏡的吸收/發(fā)射比為0.17，SR107-ZK白漆為0.193。從式(2)中可以看出，相機(jī)散熱面溫度取決于太陽熱源項、紅外熱流項以及內(nèi)熱源項的共同影響。而對于一定位置到達(dá)的太陽熱流s和紅外熱流r是一定的，故相機(jī)溫度主要取決于、和i的大小，吸收/發(fā)射比（/）越小越有利，越大越有利，但這兩點有時不能兼顧，因此需要結(jié)合涂層的具體性質(zhì)進(jìn)行具體分析。

為推導(dǎo)出設(shè)備散熱面窗口設(shè)計選用OSR或SR107-ZK涂層的臨界模型，假設(shè)某設(shè)備到達(dá)的太陽熱流s和紅外熱流r可通過外熱流計算得到，以下標(biāo)1、2分別代表OSR和SR107-ZK涂層，可得到它們的傳熱方程：

。 (4)

設(shè)內(nèi)熱耗的臨界值為，則必然存在i=，使得1=2，即

繼而可以得出

。 (6)

同理，可以求得2≥1的i范圍為

。 (8)

式(6)推導(dǎo)出，也就是說，當(dāng)i=時，2種涂層的散熱效果相同。式(8)推導(dǎo)出散熱面選擇白漆SR107-ZK更有利于散熱的i范圍，對于各種熱耗大小不同的設(shè)備，可通過判斷i的范圍來選擇涂層。與設(shè)備本體到達(dá)的太陽熱流有關(guān)，與紅外熱流無關(guān)。由式(8)可計算出本文中遠(yuǎn)攝和近攝相機(jī)的分別為4.5和7.9W，而它們的熱耗值i分別為2和11.8W，因此，2臺相機(jī)的散熱面應(yīng)采用不同的涂層。

4 結(jié)束語

結(jié)合月面高溫環(huán)境的特點，比較了適合月面采樣相機(jī)的幾種熱控設(shè)計方案，綜合考慮了相機(jī)隨機(jī)械臂運動、相機(jī)結(jié)構(gòu)材料等諸多因素。熱分析仿真結(jié)果表明，遠(yuǎn)攝采用-面白漆SR107-ZK涂層散熱面（80mm×90mm）和近攝采用+面OSR涂層散熱的方案可行，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

文中推演的散熱窗口臨界模型可為星外設(shè)備散熱面的選擇提供設(shè)計依據(jù)。該熱控設(shè)計也可為其他月面工作的器外設(shè)備的熱設(shè)計提供借鑒。

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（編輯：張艷艷）

Thermal design and thermal analysis for lunar surface sampling cameras

CHEN Yang, XUE Shuyan, NING Xianwen, SU Sheng, HAN Lu, WANG Yaobing

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

The lunar sampling cameras are installed on the robot arm of the lunar robotic sampling and return mission explorer. The cameras have a very small quality, but a very large heat rate. Both of the cameras required long-term work in high-temperature environment, thus the temperature level becomes an important factor to ensure normal work of the cameras. According to the working mode of the camera and the motion attitude of the manipulator, a thermal analysis model for adaptive motion is constructed, and several schemes to realize the high-temperature heat dissipation of the camera are presented. Through the comparative analysis, based on the OSR coating and white paint, the thermal control design of the cameras is determined, and the critical heat dissipation model of the cooling coating is selected. The research could provide reference for the thermal design of above deck equipment.

lunar surface sampling; camera; thermal design; thermal analysis

V476.4

A

1673-1379(2017)04-0364-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.004

陳陽（1986—），男，碩士學(xué)位，主要從事深空探測器熱控設(shè)計及新系統(tǒng)研究工作。E-mail: y_chenfdl1006@163.com。

2017-01-03；

2017-07-14

國家重大科技專項工程