月面著陸器遮陽(yáng)傘輔助熱控方法散熱性能分析

鄒天琦，陳江平2,趙 亮2,王 帥,謝 鳴

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

月面著陸器是月球探測(cè)任務(wù)中的重要組成部分，在月表的復(fù)雜熱環(huán)境下執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，要求內(nèi)部電子設(shè)備的工作溫度不超過(guò)某特定溫度，以確保設(shè)備的正常工作[1]，要求載人月球車(chē)必須具有自適應(yīng)能力強(qiáng)的散熱系統(tǒng)[2-3]，它是影響月球車(chē)整體性能、安全可靠的關(guān)鍵因素，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)具有深遠(yuǎn)的意義[4-5]。自上世紀(jì)末，美國(guó)NASA在詹姆斯·韋伯太空紅外觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡中采用遮陽(yáng)板作為輔助溫控系統(tǒng)以來(lái)，美、俄等國(guó)家在空間飛行器上多次采用遮陽(yáng)傘作為輔助熱控裝置抑制太陽(yáng)對(duì)局部設(shè)備的輻照加熱，但對(duì)于設(shè)備整體以及同時(shí)考慮太陽(yáng)輻照加熱抑制與空間輻射散熱功能的遮陽(yáng)傘溫控裝置缺乏研究。熱控系統(tǒng)是月面著陸器的主要系統(tǒng)[6]，由于月面熱環(huán)境溫度變化明顯，表面極限溫度可達(dá)到400 K以上，此時(shí)月面著陸器散熱面只能位于其頂面，但受太陽(yáng)照射影響，散熱能力受限，嚴(yán)重抑制了著陸器的整體性能。本文結(jié)合月面著陸器熱環(huán)境以及太陽(yáng)光輻照加熱的特點(diǎn)，以提高月面著陸器散熱能力為目標(biāo)，提出一種用于月面著陸器遮陽(yáng)傘輔助熱控的方法，通過(guò)遮陽(yáng)傘抑制太陽(yáng)直射輻照加熱的同時(shí)，著陸器上部散熱面仍具備向空間散熱的能力，保證元器件正常工作和宇航員的正常生活環(huán)境，從而增強(qiáng)航天器月面探測(cè)能力和駐留能力，增加月面著陸器的可靠性和安全性。采用該方法并與月面著陸器熱控分析模型相結(jié)合，以阿波羅登月著陸器為對(duì)象，分析了無(wú)遮陽(yáng)傘、固定型遮陽(yáng)傘以及調(diào)節(jié)型遮陽(yáng)傘這三類(lèi)應(yīng)用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能，獲得了不同情況下月面著陸器散熱能力隨太陽(yáng)高度角的變化關(guān)系。

1 數(shù)理模型及計(jì)算方法

月面著陸器遮陽(yáng)傘輔助熱控原理如圖1所示。采用遮陽(yáng)傘可以遮擋直射的太陽(yáng)光，同時(shí)增大傘離開(kāi)散熱面距離，降低傘對(duì)散熱面的立體角，從而減弱散熱面朝向深冷空間排散熱量的影響，在抑制太陽(yáng)直射輻照加熱的同時(shí)保障了月面著陸器的散熱能力。其中月球表面吸收的熱量主要為來(lái)自太陽(yáng)的輻射，來(lái)自其它天體和天空的背景輻射可忽略，因此其接收到的熱流密度為[7-8]

qma=am1Csinθ

(1)

式中qma——月球表面吸收到的熱輻射熱流；

am1——月球表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率；

C——太陽(yáng)常數(shù)；

θ——太陽(yáng)高度角。

與月球表面接收到的太陽(yáng)輻射熱流密度相比，月球表面接受到的地球輻射熱流密度和月壤導(dǎo)熱熱流密度可以忽略，則月球表面的輻射平衡溫度Tm為[9-10]

(2)

式中εm——月球表面的發(fā)射率；

σ——黑體輻射常數(shù)。

當(dāng)月面著陸器上部無(wú)遮陽(yáng)傘時(shí)，著陸器表面熱流密度為[11]

岸上的男子跳上船，船猛地向下一沉，擺渡人晃了晃，扶著船沿才沒(méi)有摔倒。男子笑呵呵地問(wèn)：“你叫什么名字？”他搖著槳，沉吟道：“誰(shuí)謂河廣？一葦杭之?！蹦凶影讯錅愡^(guò)來(lái)，疑惑地問(wèn)：“你說(shuō)什么？”他淡淡一笑，重復(fù)道：“誰(shuí)謂河廣？一葦杭之?！蹦凶诱f(shuō)：“我問(wèn)你叫什么名字?！彼€是道：“誰(shuí)謂河廣，一葦杭之。”男子搖搖頭，低聲自言自語(yǔ)：“是裝傻還是真瘋？”男子又問(wèn)：“你從哪里來(lái)？”他說(shuō)：“遠(yuǎn)方?！蹦凶硬唤?，“遠(yuǎn)方是哪里？”他說(shuō)：“遠(yuǎn)方就是遠(yuǎn)方?！?/p>

(3)

式中α2——著陸器表面涂層的吸收率；

ε2——著陸器表面涂層的發(fā)射率；

T2——著陸器表面的溫度；

Ttk——太空當(dāng)量輻照溫度；

Q——著陸器需排散的熱量。

當(dāng)月面著陸器上部有遮陽(yáng)傘時(shí)，其散熱能力依據(jù)遮陽(yáng)傘是否依據(jù)太陽(yáng)高度角變化而不同，將太陽(yáng)輻射熱流視為均勻熱流，遮陽(yáng)傘表面視為均勻壁溫[12]，當(dāng)遮陽(yáng)傘不可調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽(yáng)傘表面熱流密度可表示為

(4)

(5)

當(dāng)月面著陸器上部遮陽(yáng)傘可調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽(yáng)傘表面熱流密度可表示為

(6)

著陸器表面熱流密度可表示為

(7)

式中ε11——遮陽(yáng)傘上表面的發(fā)射率；

T1——遮陽(yáng)傘上表面的溫度；

ε12——遮陽(yáng)傘下表面的發(fā)射率；

α12——遮陽(yáng)傘下表面的吸收率；

x21——遮陽(yáng)傘角系數(shù)；

εm——月球表面發(fā)射率；

ρm——月球表面反射率；

α11——遮陽(yáng)傘上表面的吸收率；

β——遮陽(yáng)因子。

為了比較散熱能力變化，定義散熱能力提高比為[13-14]

(8)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

考慮到阿波羅登月著陸點(diǎn)選擇在赤道附近緯度不大于30°的范圍內(nèi)，我國(guó)開(kāi)展載人登月也會(huì)將登月著陸點(diǎn)首選在此區(qū)域，因此以阿波羅登月著陸器為例對(duì)無(wú)遮陽(yáng)傘、固定型遮陽(yáng)傘以及調(diào)節(jié)型遮陽(yáng)傘這三類(lèi)應(yīng)用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能進(jìn)行分析。

由于月球的自轉(zhuǎn)，表面輻射平衡溫度隨時(shí)間周期性變化，周期為一個(gè)月球日。月球表面不同緯度地區(qū)的輻射平衡溫度在一個(gè)月球日中的變化如圖2所示[8]，可見(jiàn)在緯度不大于30°的范圍內(nèi)輻射平衡溫度差別較小。以月球赤道處載人月面著陸器需排散1 500 W的熱量(阿波羅著陸器的散熱能力水平)為例進(jìn)行分析。

圖3顯示出了遮陽(yáng)傘表面溫度隨太陽(yáng)高度角的變化，可看出可調(diào)節(jié)式遮陽(yáng)傘的表面溫度略微高于傘柄不可調(diào)節(jié)式遮陽(yáng)傘的表面溫度；圖4顯示出了散熱能力隨太陽(yáng)高度角的變化關(guān)系，遮陽(yáng)傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)，隨太陽(yáng)高度角增大，散熱能力逐漸升高，最終和遮陽(yáng)傘傘柄可調(diào)節(jié)時(shí)的散熱能力相當(dāng),攜帶有可調(diào)節(jié)式遮陽(yáng)傘的輻射器的散熱能力明顯優(yōu)于攜帶有傘柄不可調(diào)節(jié)式遮陽(yáng)傘的輻射器及無(wú)遮陽(yáng)傘的輻射器的散熱能力；圖5顯示出了散熱能力提高比隨太陽(yáng)高度角的變化關(guān)系，當(dāng)遮陽(yáng)傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)，散熱能力在太陽(yáng)高度角較大時(shí)才逐漸提高，當(dāng)遮陽(yáng)傘傘柄可調(diào)節(jié)時(shí)，散熱能力提高比隨太陽(yáng)高度角的增加而增大，并且散熱能力提高比明顯大于遮陽(yáng)傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)的散熱能力提高比。

無(wú)遮陽(yáng)的散熱量小于所需排散的熱量；有遮陽(yáng)傘時(shí)，當(dāng)遮陽(yáng)傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)，散熱量隨太陽(yáng)高度角變化較大，當(dāng)太陽(yáng)高度角較大時(shí)，散熱功率高于額定功率，滿(mǎn)足要求，當(dāng)太陽(yáng)高度角較小時(shí)，散熱功率低于額定功率，無(wú)法滿(mǎn)足要求；當(dāng)遮陽(yáng)傘傘柄可調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽(yáng)傘散熱功率大于所需額定功率，且散熱功率隨太陽(yáng)高度角的變化而基本不變，為了使散熱量與需排散的熱量相等，可在設(shè)計(jì)的過(guò)程中減少輻射散熱器的面積，輻射器的散熱量與載人月面著陸器需排散的熱量近似相等，不需要增加水升華器或可展開(kāi)式輻射器。

3 結(jié) 論

結(jié)合月面著陸器熱環(huán)境以及太陽(yáng)光輻照加熱的特點(diǎn)，以提高月面著陸器散熱能力為目標(biāo)，提出一種用于月面著陸器遮陽(yáng)傘輔助熱控的方法，通過(guò)遮陽(yáng)傘抑制太陽(yáng)直射輻照加熱的同時(shí)，著陸器上部散熱面仍具備向空間散熱的能力，保證元器件正常工作和宇航員的正常生活環(huán)境，從而增強(qiáng)航天器月面探測(cè)能力和駐留能力，增加月面著陸器的可靠性和安全性。采用該方法并與月面著陸器熱控分析模型相結(jié)合，以阿波羅登月著陸器為對(duì)象，分析了無(wú)遮陽(yáng)傘、固定型遮陽(yáng)傘以及調(diào)節(jié)型遮陽(yáng)傘這三類(lèi)應(yīng)用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能，研究結(jié)果顯示有、無(wú)遮陽(yáng)傘輔助熱控裝置，散熱性能相差300%，并且可調(diào)節(jié)型遮陽(yáng)傘輔助熱控裝置可滿(mǎn)足月面著陸器整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)的散熱性能要求。