載人月面著陸器貯箱熱控方案分析

齊 岳， 李志杰， 張有為， 曾 豪

(中國(guó)空間技術(shù)研究院空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094)

1 引言

為成功實(shí)現(xiàn)載人月球探測(cè)任務(wù)，載人月面著陸器不可或缺。 載人月球探測(cè)任務(wù)所需速度增量大，任務(wù)規(guī)模大，因此需要攜帶大量推進(jìn)劑，儲(chǔ)存于大容量貯箱中。 月球表面沒有大氣，晝夜溫度變化范圍非常大，推進(jìn)劑貯箱在載人月球探測(cè)任務(wù)周期內(nèi)需要經(jīng)受非常惡劣的熱環(huán)境。 因此，在載人月面著陸器月面工作期間，需要通過熱控方案設(shè)計(jì)，使貯箱溫度保持在允許的范圍內(nèi)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)載人航天器在月球表面工作階段熱分析方面的研究較少，只有美國(guó)阿波羅載人月面著陸器成功完成了載人登月任務(wù)。 阿波羅登月艙前期采用可展開式輻射器方案，但在后續(xù)設(shè)計(jì)中，認(rèn)為需要航天員出艙輔助進(jìn)行展開的輻射器展開式設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，提高了研制難度和任務(wù)危險(xiǎn)性，同時(shí)為了盡快完成載人月球探測(cè)任務(wù)，最終放棄了輻射器散熱的方案，而是采用水升華器作為散熱方式。 阿波羅登月任務(wù)在著陸位置太陽高度角較低的時(shí)刻開展，月表環(huán)境溫度較低，整體熱環(huán)境相對(duì)并不惡劣，所以水升華器只控制密封艙內(nèi)環(huán)境與一些電子設(shè)備的溫度水平，推進(jìn)劑貯箱采用純被動(dòng)的控溫方式，即通過多層隔熱減少推進(jìn)劑與外部的熱交換，在任務(wù)時(shí)間內(nèi)保證溫度范圍滿足要求[1－3]。

本文對(duì)載人月面著陸器月面停留和空間深冷5 種不同熱環(huán)境下的3 種貯箱熱控方案進(jìn)行分析，得到相對(duì)最優(yōu)熱控方案。

2 熱控方案設(shè)計(jì)

由于月球表面沒有大氣，溫度受太陽光高度角直接影響，月夜低溫和月晝高溫是月球表面熱環(huán)境的顯著特征[4]。 同時(shí)由于月球表面沒有大氣層對(duì)太陽光進(jìn)行衰減，載人月面著陸器會(huì)受到太陽光直接照射，受曬側(cè)和陰影側(cè)熱環(huán)境區(qū)別很大，這些都是熱控方案設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。

載人月面著陸器貯箱熱控設(shè)計(jì)環(huán)境分為低溫環(huán)境和高溫環(huán)境兩部分:低溫環(huán)境主要為空間深冷環(huán)境與太陽高度角較低時(shí)陰影側(cè)貯箱所處的熱環(huán)境；高溫環(huán)境則為太陽高度角較高的熱環(huán)境以及受曬側(cè)貯箱所處的熱環(huán)境。

航天器貯箱的熱控設(shè)計(jì)方案分為主動(dòng)熱控與被動(dòng)熱控方案。 主動(dòng)熱控通過在貯箱內(nèi)部布置加熱電阻絲滿足貯箱的加熱需求，通過在貯箱外部包覆流體回路收集廢熱，最終通過輻射器將廢熱散出，滿足貯箱的散熱需求。 但主動(dòng)熱控方案需要航天器提供加熱設(shè)備工作和驅(qū)動(dòng)流體回路所需的能源與設(shè)備，不可避免地增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度與資源代價(jià)。 被動(dòng)熱控通過在貯箱外部及整個(gè)航天器外表面包覆多層隔熱材料，減少多層隔熱材料內(nèi)外的熱量交換。 在航天器設(shè)計(jì)上，為節(jié)約資源與避免增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，一般優(yōu)先使用被動(dòng)熱控方案。 因此，載人月面著陸器貯箱的熱控方案設(shè)計(jì)需要對(duì)月球表面熱環(huán)境進(jìn)行分析，明確不同時(shí)刻月球表面溫度、太陽高度角等熱控方案設(shè)計(jì)輸入，并對(duì)載人月面著陸器質(zhì)量與體積包絡(luò)約束進(jìn)行分析。 本文以在月球赤道區(qū)域著陸執(zhí)行探測(cè)任務(wù)為例，對(duì)太陽高度角δ＝1°、15°、45°、90°四種工況對(duì)應(yīng)的月球表面熱環(huán)境下不同熱控方案進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比分析，并對(duì)載人月面著陸器地月轉(zhuǎn)移階段對(duì)日飛行姿態(tài)下貯箱的熱環(huán)境進(jìn)行分析，得出相對(duì)最優(yōu)方案。 計(jì)算中使用西門子公司的NX 軟件進(jìn)行建模與仿真計(jì)算。

2.1 月球表面熱環(huán)境分析

月球表面沒有大氣，無法對(duì)太陽光起到衰減作用，太陽光強(qiáng)度取近日點(diǎn)q＝1414 W/m2。 月球表面的太陽反照比很低[5]，太陽吸收率ρ＝0.93。月球表面輻射為灰體輻射，紅外輻射率ε＝0.9。月球熱慣性很低[6]，月表溫度隨太陽高度角實(shí)時(shí)變化，則有式(1):

式中，δ為太陽高度角，任務(wù)開始時(shí)刻太陽高度角δ＝15°，則有式(2):

計(jì)算可得太陽高度角δ＝1°時(shí)，月面溫度為－127.5 ℃左右；太陽高度角δ＝15°時(shí)，月面溫度為12.6 ℃左右；太陽高度角δ＝30°時(shí)，月面溫度為63.8 ℃左右；太陽高度角δ＝45°時(shí)，月面溫度為94.3 ℃左右；太陽高度角δ＝90°時(shí)，月面溫度為127.1 ℃左右。 整個(gè)月球白晝階段，月表溫度如圖1 所示。

圖1 月球白晝?cè)卤頊囟茸兓疐ig.1 Temperature variation in the lunar daytime

2.2 載人月面著陸器初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載人月面著陸器在整個(gè)任務(wù)周期中，要求貯箱內(nèi)推進(jìn)劑溫度保持在0～35 ℃，綜合考慮任務(wù)期間熱環(huán)境與載人月面著陸器質(zhì)量與體積外包絡(luò)約束，初步建立載人月面著陸器模型如圖2 所示。

圖2 載人月面著陸器模型Fig.2 Manned Lunar lander module

計(jì)算中，對(duì)接機(jī)構(gòu)、輻射器與貯箱之間不設(shè)置熱交換，設(shè)備板設(shè)置為恒溫20 ℃，密封艙壁設(shè)置為恒溫25 ℃，隔熱多層1、2 和推進(jìn)劑貯箱之間有一定距離。 由于月球表面沒有大氣，支撐結(jié)構(gòu)1、設(shè)備板、隔熱多層1、密封艙側(cè)壁、支撐結(jié)構(gòu)2、隔熱多層2 和推進(jìn)劑貯箱均通過輻射進(jìn)行熱交換。建模中將月球表面近似為平面，載人月面著陸器隔熱多層底面與月球表面距離為1.1 m，為減少計(jì)算量，著陸腿省略未建模，x軸正方向?yàn)槿粘龇较颉?/p>

2.3 熱控方案設(shè)計(jì)

載人月面著陸器整器采用主動(dòng)熱控與被動(dòng)熱控相結(jié)合的方式，主動(dòng)熱控方案為通過加熱電阻絲在低溫環(huán)境下對(duì)設(shè)備進(jìn)行加熱，通過流體回路平衡各部位設(shè)備的溫度并帶走廢熱；被動(dòng)熱控方案通過在載人月面著陸器側(cè)壁外表面包覆隔熱多層，維持整個(gè)載人月面著陸器溫度穩(wěn)定，減少內(nèi)部設(shè)備與外部環(huán)境之間的熱量交換。

針對(duì)載人月面著陸器的推進(jìn)劑貯箱，低溫環(huán)境采用在貯箱內(nèi)部預(yù)埋加熱電阻絲的方式補(bǔ)充推進(jìn)劑貯箱的漏熱。 由于載人月面著陸器的熱負(fù)荷位于密封艙內(nèi)與設(shè)備板上，通過在密封艙與設(shè)備板預(yù)埋流體回路，可以搜集廢熱并通過輻射器排散。 設(shè)計(jì)中，密封艙設(shè)置為恒溫25 ℃，設(shè)備板設(shè)置為恒溫20 ℃，設(shè)備板、密封艙和貯箱盡可能緊湊布局，通過熱輻射間接控制貯箱的溫度水平，并在此基礎(chǔ)上分析密封艙與貯箱表面使用不同熱控涂層和隔熱材料的效果。 圖3 為貯箱與密封艙結(jié)構(gòu)示意圖，計(jì)算中密封艙壁面設(shè)置為25 ℃恒溫。

圖3 貯箱與密封艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the tank and airtight cabin

對(duì)密封艙和貯箱設(shè)置了以下3 種熱控方案，如表1 所示。 計(jì)算中使用的各種材料物性參數(shù)如表2 所示。

表1 三種熱控方案Table 1 Description of thermal control scheme

表2 各項(xiàng)材料物性參數(shù)Table 2 Physical property parameters of various materials

3 結(jié)果

3.1 月表熱環(huán)境下仿真計(jì)算結(jié)果

對(duì)4 種太陽高度角下設(shè)置的3 種方案進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)不同工況下貯箱的熱平衡結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 圖4 為太陽高度角為90 ℃下，貯箱熱控方案三的溫度云圖。

圖4 δ ＝90 ℃下，方案三溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of scheme 3 with δ ＝90 ℃

由圖4 可以看出，月表溫度約為130 ℃，與圖1 理論計(jì)算結(jié)果相符。 由于載人月面著陸器遮擋了太陽光，下方溫度較低，最低處只有20 ℃左右；載人月面著陸器側(cè)壁面溫度在55 ℃左右；接近底部位置溫度較高，達(dá)到80 ℃左右，均滿足隔熱多層的溫度要求范圍。

對(duì)不同工況不同熱控方案下載人月面著陸器側(cè)壁內(nèi)外表面的平均溫度情況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表3、表4 所示。 表中可以看出，同種工況同種熱控方案下，溫度較高時(shí)，外表面溫度明顯高于內(nèi)表面；溫度較低時(shí)，外表面溫度明顯低于內(nèi)表面，這說明隔熱多層效果明顯。 同時(shí)由于密封艙和設(shè)備板為25 ℃與20 ℃恒溫源，側(cè)壁整體溫度越接近20～25 ℃，則內(nèi)外表面溫差越小。

表3 載人月面著陸器側(cè)壁外表面平均溫度Table 3 Average temperature of outer surface of side wall /℃

表4 載人月面著陸器側(cè)壁內(nèi)表面平均溫度Table 4 Average temperature of inner surface of side wall /℃

太陽高度角δ＝90°的熱環(huán)境為月午，是月球表面極端高溫環(huán)境，載人月面著陸器側(cè)壁內(nèi)外表面溫度差在15～22 ℃。 從方案一到方案三，側(cè)壁內(nèi)外表面平均溫度差逐漸降低，這是由于方案一密封艙與貯箱均不包裹隔熱多層，方案二貯箱包覆隔熱多層，方案三密封艙與貯箱均包覆隔熱多層，使得方案一中設(shè)備板、密封艙、貯箱和側(cè)壁內(nèi)表面之間的熱量交換最充分，方案二次之，方案三最差。

太陽高度角δ＝45°的月表環(huán)境也為高溫環(huán)境，月表溫度為94.3 ℃左右，比太陽高度角δ＝90°的環(huán)境下低30 ℃，相差不大，同時(shí)受曬側(cè)側(cè)壁外表面受到太陽光45°照射，太陽光照射和月表紅外輻射的同時(shí)作用使受曬側(cè)側(cè)壁溫度高于太陽高度角δ＝90°的環(huán)境下同側(cè)側(cè)壁溫度。 3 種方案下，受曬側(cè)載人月面著陸器外表面溫度差的變化規(guī)律與太陽高度角δ＝90°的環(huán)境下一致，由于陰影側(cè)側(cè)壁溫度在20～25 ℃之間，內(nèi)外表面溫度差幾乎可以忽略。

太陽高度角δ＝15°的月表環(huán)境下，月表溫度僅為12.6 ℃左右，載人月面著陸器側(cè)壁受曬側(cè)與陰影側(cè)溫度差別很大。 受曬側(cè)外表面受到太陽光15°照射，溫度在32.8 ℃左右，3 種方案下內(nèi)表面溫度變化較小，但內(nèi)外表面溫度差變化規(guī)律仍與太陽高度角δ＝90°和太陽高度角δ＝45°下受曬側(cè)一致。 陰影側(cè)溫度較低，3 種方案下載人月面著陸器側(cè)壁外表面溫度為－23.5 ℃、－30.3 ℃和－31.0 ℃，內(nèi)表面溫度則分別為11.3 ℃、－1.1 ℃和－4.5 ℃，設(shè)備板、密封艙、貯箱與側(cè)壁內(nèi)表面之間熱交換越充分，內(nèi)表面溫度越高，外表面溫度也隨之提高。

太陽高度角δ＝1°的月表環(huán)境為相對(duì)典型的特殊熱環(huán)境，月面溫度為－127.5 ℃左右，可以認(rèn)為是月球的日出時(shí)刻，月表溫度為月夜最低溫，太陽光平行于月表照射載人月面著陸器。 在這種環(huán)境下，太陽光幾乎直射受曬側(cè)，但由于月表溫度過低，載人月面著陸器漏熱較大，3 種熱控方案下，均只有受曬側(cè)外表面平均溫度在0 ℃以上，陰影側(cè)和底面外表面平均溫度均較低，同時(shí)仍能看出3 種方案設(shè)備板、密封艙、貯箱和側(cè)壁內(nèi)表面之間的熱量交換充分性逐漸下降。

同一熱控方案下，隨太陽高度角升高，側(cè)壁內(nèi)外表面溫度也隨之升高，這是由于太陽高度角升高直接導(dǎo)致載人月面著陸器所處月表熱環(huán)境溫度升高。 太陽高度角δ＝45°的月表環(huán)境下，側(cè)壁受曬側(cè)溫度高于太陽高度角δ＝90°的熱環(huán)境下同側(cè)側(cè)壁溫度，說明太陽光45°照射和月球表面紅外輻射的同時(shí)作用下，外熱流高于太陽高度角δ＝90°的熱環(huán)境下同側(cè)側(cè)壁受到的月表紅外輻射。

3.2 月表環(huán)境計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

表5 和圖5 為不同熱控方案下，載人月面著陸器兩側(cè)貯箱平均溫度及其變化趨勢(shì)。

圖5 載人著陸器貯箱平均溫度變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of average tank temperature in manned lunar lander

表5 載人月面著陸器貯箱平均溫度Table 5 Average temperature of both side tanks of manned lunar lander /℃

可以看出，不同太陽高度角下，不同方案貯箱溫度的變化趨勢(shì)與側(cè)壁內(nèi)外表面溫度變化趨勢(shì)一致。 以密封艙與設(shè)備板為恒溫冷源/熱源，從方案一到方案三，設(shè)備板、密封艙、貯箱和側(cè)壁內(nèi)表面之間的熱量交換充分性逐漸下降，所以方案一中貯箱溫度最接近密封艙與設(shè)備板的恒定溫度，并且不同太陽高度角下貯箱溫度變化相對(duì)最平緩，更能維持相對(duì)恒定的溫度。

同一貯箱熱控方案下，受曬側(cè)貯箱溫度高于陰影側(cè)貯箱溫度，貯箱溫度隨太陽高度角升高而升高，最高溫度超過40 ℃。 太陽高度角δ＝45°的環(huán)境下，受曬側(cè)受到的月表紅外輻射與太陽光照射強(qiáng)度均較高，所以貯箱溫度高于太陽高度角δ＝90°的環(huán)境下同側(cè)貯箱溫度。

3.3 深冷環(huán)境計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

地月轉(zhuǎn)移階段熱環(huán)境為整個(gè)任務(wù)周期中的最低溫環(huán)境，這個(gè)階段載人月面著陸器的飛行姿態(tài)為輻射器對(duì)日定向，使陽光垂直照射載人月面著陸器頂部輻射器。 在這種環(huán)境下，3 種方案貯箱平均溫度如表6 所示。

表6 宇宙深冷環(huán)境同熱控方案兩側(cè)貯箱平均溫度Table 6 Average temperature of both side tanks in space cryogenic environment /℃

可以看出，方案一兩側(cè)貯箱溫度均滿足0 ℃以上的要求，正常情況下不需要額外進(jìn)行主動(dòng)加熱。 由于載人月面著陸器正面有艙門結(jié)構(gòu)，背面則為壁體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致兩側(cè)貯箱溫度也有一些差距。

4 討論

綜合對(duì)比不同太陽高度角下不同的貯箱熱控方案，可以發(fā)現(xiàn)采用方案一時(shí)，從月球日出時(shí)刻到月午熱環(huán)境最惡劣的高溫環(huán)境，兩側(cè)貯箱溫度均保持在0～35 ℃之間，通過被動(dòng)熱控方案可以使貯箱溫度滿足要求，認(rèn)為是相對(duì)最優(yōu)熱控方案。

整體來看，隨太陽高度角的升高，月球表面溫度迅速升高，載人月面著陸器側(cè)壁與貯箱溫度也隨之升高。 這是由于載人月面著陸器在月球環(huán)境下主要外熱流為來自月球表面的紅外輻射與太陽光的照射，其中來自月球表面的紅外輻射作用更為明顯。

相同太陽高度角下，載人月面著陸器受曬側(cè)側(cè)壁和貯箱溫度明顯高于陰影側(cè)，這是由于載人月面著陸器受曬側(cè)與陰影側(cè)一起受到月球表面紅外輻射之外，還受到太陽光不同角度的照射。 載人月面著陸器內(nèi)部以密封艙壁和設(shè)備板為25 ℃與20 ℃的恒溫?zé)嵩?冷源，從計(jì)算結(jié)果對(duì)比中可知，方案一貯箱與密封艙外表面均采用紅外發(fā)射率較大的熱控黑漆，沒有包覆隔熱多層，使載人月面著陸器內(nèi)部各部分之間可以進(jìn)行充分的熱交換，溫度均勻性最好，所以貯箱與內(nèi)壁面溫度最接近20～25 ℃。

當(dāng)太陽高度角δ＝45°時(shí)，月表溫度為94.3 ℃左右，相對(duì)較高。 同時(shí)載人月面著陸器一側(cè)受到太陽光45°照射，在月表熱輻射和太陽光照射的同時(shí)作用下，載人月面著陸器受曬側(cè)外熱流超過月午熱環(huán)境下同側(cè)外熱流，側(cè)壁和貯箱溫度超過月午熱環(huán)境同側(cè)側(cè)壁與貯箱溫度。 地月轉(zhuǎn)移階段是整個(gè)月球探測(cè)任務(wù)中的最低溫環(huán)境，在這種環(huán)境下，方案一中貯箱溫度仍能保持在0 ℃以上。

在整個(gè)月球探測(cè)任務(wù)周期中，最高溫環(huán)境為月午時(shí)刻熱環(huán)境，最低溫環(huán)境為地月轉(zhuǎn)移階段深冷環(huán)境。 在密封艙艙壁保持25 ℃，設(shè)備板保持20 ℃恒溫的情況下，采用方案一可以在整個(gè)任務(wù)周期中，使貯箱溫度維持0～35 ℃之間，只通過被動(dòng)熱控方案滿足任務(wù)中對(duì)貯箱的溫度需求，而不需使用加熱電阻和在貯箱側(cè)壁布置熱控回路等主動(dòng)熱控方案，減少對(duì)能源與重量的需求。

5 結(jié)論

本文對(duì)載人月面著陸器貯箱熱控方案進(jìn)行了初步研究，并得到如下結(jié)論:

1)方案一，載人月面著陸器貯箱在地月轉(zhuǎn)移階段和月面工作階段多個(gè)熱環(huán)境下，均滿足0～35 ℃溫度要求，且隔熱材料需求最少，可減少質(zhì)量，是相對(duì)最優(yōu)方案。

2)通過使貯箱與載人月面著陸器其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分換熱的設(shè)計(jì)，可以不對(duì)貯箱進(jìn)行主動(dòng)熱控，滿足溫度要求，減少能源與質(zhì)量代價(jià)。

3)工程應(yīng)用中，為保證密封艙與設(shè)備板保持溫度恒定、均勻，高換熱效率的熱控流體回路、高散熱能力的輻射器和輕量化高強(qiáng)度的新型復(fù)合材料等技術(shù)尤為關(guān)鍵，有待突破。