我國(guó)月球探測(cè)器熱控技術(shù)發(fā)展

向艷超 劉自軍 寧獻(xiàn)文 苗建印

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

月球探測(cè)是中國(guó)深空探測(cè)的開端，是飛向更遠(yuǎn)距離探測(cè)的第一步。從2004年至2020年的16年間，中國(guó)成功組織實(shí)施了月球探測(cè)三步走戰(zhàn)略，發(fā)射了7顆探測(cè)器，圓滿完成了“繞”、“落”、“回”無人月球探測(cè)目標(biāo)[1]。在此過程中，開發(fā)了一批先進(jìn)技術(shù)，取得了一批原創(chuàng)性成果，有力推動(dòng)了中國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展。航天器熱控技術(shù)作為服務(wù)于航天器熱環(huán)境控制的技術(shù)，在月球探測(cè)中，受需求拉動(dòng)，先后開發(fā)了月球熱模型、重力輔助兩相流體回路技術(shù)、水升華器技術(shù)、同位素核熱/電源技術(shù)等先進(jìn)熱控技術(shù)，不僅保障了月球探測(cè)任務(wù)順利完成，而且推動(dòng)了熱控技術(shù)的發(fā)展[2-4]。

月球探測(cè)器熱控技術(shù)是基于近地軌道航天器熱控技術(shù)、結(jié)合月球熱環(huán)境特點(diǎn)及探測(cè)器特殊使命發(fā)展形成的。近地軌道航天器熱控設(shè)計(jì)中常用的熱控涂層、槽道熱管、多層隔熱組件及電加熱器等在月球探測(cè)器熱控中仍然發(fā)揮著基礎(chǔ)性重要作用，且在探月工程中其使用條件得到進(jìn)一步拓展、應(yīng)用設(shè)計(jì)原則進(jìn)一步規(guī)范，比如F46鍍銀二次表面鏡熱控涂層使用溫度范圍由-196～+100 ℃擴(kuò)展到-196～+145 ℃，大面積F46鍍銀二次表面鏡低溫收縮效應(yīng)控制設(shè)計(jì)等。探月工程中開發(fā)的新熱控技術(shù)是對(duì)我國(guó)航天器熱控技術(shù)體系的補(bǔ)充和發(fā)展。

本文論述了我國(guó)在探月工程中開發(fā)的新型熱控技術(shù)及其應(yīng)用情況；結(jié)合月球后續(xù)探測(cè)任務(wù)，探討了熱控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，展望了后續(xù)月球探測(cè)任務(wù)中熱控技術(shù)發(fā)展方向。

1 月球探測(cè)中的熱控技術(shù)發(fā)展

1.1 探月一期工程熱控技術(shù)發(fā)展

嫦娥一號(hào)探測(cè)器是我國(guó)首顆月球探測(cè)器，月球熱環(huán)境的準(zhǔn)確識(shí)別與合理應(yīng)對(duì)成為探月一期工程中熱控分系統(tǒng)的工作重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)月球強(qiáng)紅外輻照熱環(huán)境及探測(cè)器極軌軌道的任務(wù)特點(diǎn)，熱控分系統(tǒng)在準(zhǔn)確識(shí)別月球紅外輻射模型的基礎(chǔ)上，采用槽道熱管進(jìn)行整星等溫化設(shè)計(jì)，有效解決了外熱流不穩(wěn)定導(dǎo)致的整星散熱面布局困難及散熱面散熱能力波動(dòng)大造成的困難等。

1)月球熱模型

月球紅外熱流的分析是進(jìn)行月球探測(cè)器熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于月球周圍不存在大氣層，且月壤導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)致不同經(jīng)緯度上的月面溫度分別差異大，故不能像地球那樣簡(jiǎn)化為溫度均勻的球體，需要描述不同經(jīng)緯度點(diǎn)的溫度分布。在嫦娥一號(hào)任務(wù)研制過程中，通過不斷改進(jìn)與完善，最終建立了月球表面溫度分布模型，詳見式(1)所示[5]。

(1)

式中:S為太陽(yáng)常數(shù)，單位為W/m2；ρ為月球?qū)μ?yáng)的平均反射率；ε為月球紅外發(fā)射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；φ為距離日下點(diǎn)的經(jīng)度，單位為(°)；φ為距離日下點(diǎn)的緯度，單位為(°)；T為月球表面溫度，單位為K；C為擬合常數(shù)。

利用上述溫度表達(dá)式，即可獲得月球表面的溫度，進(jìn)而獲取月球的紅外輻射強(qiáng)度。該模型經(jīng)過嫦娥一號(hào)至嫦娥五號(hào)探測(cè)器在軌飛行驗(yàn)證，在軌飛行數(shù)據(jù)與地面熱分析預(yù)示數(shù)據(jù)一致性良好。月球熱模型為探測(cè)器熱控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2)相變材料復(fù)合熱管傳熱蓄熱技術(shù)

月球紅外輻射強(qiáng)度高，波動(dòng)幅度大，對(duì)探測(cè)器尤其是散熱面的影響大，造成散熱面溫度波動(dòng)劇烈。這種溫度波動(dòng)將影響嫦娥一號(hào)上關(guān)鍵載荷設(shè)備CCD相機(jī)探測(cè)器的探測(cè)效果，需要采取措施進(jìn)行溫度波動(dòng)的消峰處理。

相變材料作為一種大比熱容材料，通常被作為蓄熱材料使用，但相變材料的熱導(dǎo)率一般都比較小，擴(kuò)熱速度慢，如何將熱量快速傳遞給相變材料、促使相變材料快速吸收是使用好相變材料的關(guān)鍵。

在嫦娥一號(hào)任務(wù)中，為平抑CCD相機(jī)探測(cè)器的溫度波動(dòng)，開發(fā)了將相變材料與槽道熱管復(fù)合技術(shù)，研制了相變材料復(fù)合熱管，使其不僅具備熱管的良好導(dǎo)熱性能，而且具備相變材料的蓄熱功能。相變材料復(fù)合熱管構(gòu)形如圖1所示，其中右側(cè)圖的中間孔作為熱管使用，充裝氨工質(zhì)；兩側(cè)作為相變材料腔體，充裝正十二烷，整個(gè)結(jié)構(gòu)一體化成型，確保相變材料與槽道熱管換熱良好[6]。在軌飛行結(jié)果表明該設(shè)計(jì)是成功的。

圖1 相變材料復(fù)合熱管

1.2 探月二期工程熱控技術(shù)發(fā)展

在探月二期工程中，熱控分系統(tǒng)的工作重點(diǎn)和難點(diǎn)是解決月夜保溫，同時(shí)兼顧月晝散熱需求。美國(guó)月球勘測(cè)者(Surveyor)探測(cè)器利用蓄電池組供電加熱，成功度過了1個(gè)月夜；蘇聯(lián)月行器(Lunokhod)探測(cè)器利用同位素核源供熱和密封艙內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱技術(shù)，成功度過了10.5個(gè)月夜。在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，熱控分系統(tǒng)提出并研制了基于同位素?zé)嵩垂?重力輔助兩相流體回路無源可控傳熱的月夜保溫系統(tǒng)，及基于可變熱導(dǎo)熱管的月晝可控?zé)崤派⑾到y(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了嫦娥三號(hào)探測(cè)器月面生存。截至2021年底，嫦娥探測(cè)器已成功度過96個(gè)月夜，且運(yùn)行狀態(tài)正常，成為國(guó)際上月面生存最長(zhǎng)的探測(cè)器。在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，熱控分系統(tǒng)開發(fā)了重力輔助兩相流體回路技術(shù)、可變熱導(dǎo)熱管技術(shù)及同位素?zé)嵩?電源技術(shù)等熱控新技術(shù)。

1)重力輔助兩相流體回路技術(shù)

重力輔助兩相流體回路的技術(shù)特點(diǎn)是在有重力場(chǎng)環(huán)境中，流體回路依靠熱源的熱驅(qū)動(dòng)自主運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離熱量的傳輸，運(yùn)行期間無需消耗電源。流體回路在結(jié)構(gòu)上包括蒸發(fā)器組件、冷凝器、儲(chǔ)液器、控制閥、管路等。冷凝器布置在需要熱量的位置；蒸發(fā)器與同位素?zé)嵩磳?dǎo)熱安裝，以獲取熱量。月夜期間，控制閥接通，兩相流體回路啟動(dòng)，將同位素?zé)嵩吹臒崮軅鬟f到需要熱量的地方，為設(shè)備保溫提供能量；月晝期間，控制閥斷開，兩相流體回路停止工作，同位素?zé)嵩吹臒崮芤暂椛渖岬姆绞脚派⒌酵饨缈臻g，不增加探測(cè)器在月晝期間的散熱負(fù)擔(dān)。重力輔助兩相流體回路原理見圖2[7]。該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用到嫦娥三號(hào)著陸器、玉兔一號(hào)巡視器、嫦娥四號(hào)著陸器、玉兔二號(hào)巡視等4顆探測(cè)器上，單套流體回路可實(shí)現(xiàn)百瓦量級(jí)的熱量傳輸，為探測(cè)器成功度過月夜奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，嫦娥三號(hào)探測(cè)器也是國(guó)際上首次在航天器上應(yīng)用重力輔助熱驅(qū)動(dòng)兩相流體回路技術(shù)的航天器。

圖2 兩相流體回路原理圖

2)可變熱導(dǎo)熱管技術(shù)

可變熱導(dǎo)熱管是一種隨熱負(fù)荷變化而自主調(diào)節(jié)冷凝面積的大小，使熱管蒸發(fā)段的溫度保持基本恒定的熱管，具有熱開關(guān)的屬性。在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，可變熱導(dǎo)熱管用來解決著陸器月晝散熱與月夜保溫兩種傳熱需求之間矛盾。月晝時(shí)，可變熱導(dǎo)熱管冷凝段打開，熱量由熱管蒸發(fā)段傳遞到冷凝段進(jìn)行熱量排散；月夜時(shí)，冷凝段被控制氣體工質(zhì)堵塞，熱量無法傳遞到冷凝段，因此可減少設(shè)備艙的熱量散失。嫦娥三號(hào)著陸器上使用的可變熱導(dǎo)熱管的主要性能指標(biāo)見表1所示，產(chǎn)品實(shí)物照片見圖3所示。

表1 可變熱導(dǎo)熱管主要性能指標(biāo)

圖3 可變熱導(dǎo)熱管實(shí)物照片

3)同位素核源熱利用技術(shù)

根據(jù)同位素核源在航天器上的應(yīng)用目的分為同位素核熱源(RHU)和同位素核電源(RTG)。同位素核熱源僅提供熱量；同位素核電源既發(fā)電，又提供熱量，兩者兼顧。在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，熱控分系統(tǒng)成功組織研制并在軌驗(yàn)證了RHU技術(shù)，針對(duì)同位素核熱源在月晝及月夜溫度差別大導(dǎo)致的熱膨脹匹配性等難題，研制了同位素核源隨溫度變化自適應(yīng)封裝結(jié)構(gòu)，解決了月晝與月夜期間同位素?zé)嵩唇Y(jié)構(gòu)熱脹冷縮匹配性與核源快速換裝難題，以及同位素?zé)嵩礋崃抗芾砼c利用難題。圖4為同位素?zé)嵩唇Y(jié)構(gòu)示意圖。在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，同位素核熱源的綜合熱利用率約78%[2]。

圖4 同位素?zé)嵩?RHU)結(jié)構(gòu)

在嫦娥四號(hào)中，熱控分系統(tǒng)成功組織研制并在軌驗(yàn)證了RTG技術(shù)，針對(duì)RTG熱電聯(lián)產(chǎn)過程中熱量管理問題及RTG帶核快速換裝難題，成功研制了重力輔助兩相流體回路平板蒸發(fā)器代替嫦娥四號(hào)中的籠式蒸發(fā)器，不僅改善了流體回路蒸發(fā)器與RTG之間界面換熱質(zhì)量，強(qiáng)化了兩者之間的換熱過程，而且簡(jiǎn)化了流體回路與RTG之間的機(jī)械接口，為RTG快速換裝提供了便利。圖5為RTG實(shí)物照片。在嫦娥四號(hào)任務(wù)中，受RTG溫差發(fā)電器件工作溫度限制，降低了RTG月夜期間的供熱能力，RTG發(fā)電后的廢熱利用率為67%[8]。

圖5 同位素溫差電池(RTG)實(shí)物照片

1.3 探月三期工程熱控設(shè)計(jì)發(fā)展

在探月三期工程中，熱控分系統(tǒng)的工作重點(diǎn)和難點(diǎn)是解決月晝采樣期間短期大功率熱排散難題。為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，熱控分系統(tǒng)使用了基于泵驅(qū)單相流體回路熱總線的熱控方案，同時(shí)開發(fā)了水升華消耗性散熱技術(shù)，研制了水升華器產(chǎn)品，解決了短期大功率廢熱排散的難題[9]。

水的三相點(diǎn)壓力約為610 Pa，在空間高真空環(huán)境下，固態(tài)的冰吸收熱量后將不經(jīng)過融化直接升華為氣體，并在升華過程中吸收熱量。水升華器根據(jù)這一特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)多孔板和給水腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)使工質(zhì)水按照水→冰→氣態(tài)水的過程發(fā)生相變，在此過程中帶走熱量。水升華器是具有短時(shí)大功耗設(shè)備理想的散熱裝置。圖6給出了嫦娥五號(hào)探測(cè)器上使用的水升華器布局示意圖，表2給出了水升華器的主要性能指標(biāo)。

圖6 水升華器應(yīng)用布局示意圖

表2 水升華器主要性能指標(biāo)

1.4 熱控技術(shù)發(fā)展小結(jié)

回顧探月工程中熱控技術(shù)的發(fā)展歷程，為了適應(yīng)月球新的熱環(huán)境條件，滿足探測(cè)任務(wù)需求，熱控分系統(tǒng)發(fā)展了熱環(huán)境模型、無源可控?zé)醾鬏敿夹g(shù)、熱排散技術(shù)及熱源技術(shù)等4類熱控新技術(shù)，重點(diǎn)面向解決月面探測(cè)器的月晝散熱與月夜保溫問題，建立了月面探測(cè)器熱控設(shè)計(jì)體系及其支撐熱控產(chǎn)品，為月球探測(cè)器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期月面生存奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。表3匯總了月球探測(cè)中發(fā)展的新熱控技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)合。

表3 月球探測(cè)中發(fā)展的熱控技術(shù)

2 后續(xù)月球探測(cè)對(duì)熱控技術(shù)發(fā)展的需求與展望

我國(guó)在完成月球探測(cè)三步走后，將開展月球極區(qū)探測(cè)，構(gòu)建月球科研開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，形成長(zhǎng)周期無人月球探測(cè)能力；在不遠(yuǎn)的將來，還將開展載人月球探測(cè)，進(jìn)行長(zhǎng)期有人駐留月球探測(cè)。

無論對(duì)于月球極區(qū)長(zhǎng)期無人探測(cè)，還是有人長(zhǎng)期駐留探測(cè)，熱控分系統(tǒng)要解決的基本熱控問題仍是月晝散熱與月夜保溫問題。對(duì)于月晝熱排散需求，根據(jù)著陸位置緯度不同，受月面紅外輻射影響導(dǎo)致月晝散熱需求差別較大。對(duì)于著陸于低緯度地區(qū)的探測(cè)器，由于月面溫度高(月球赤道附近月面溫度>120 ℃)，月面紅外輻射強(qiáng)度大，導(dǎo)致輻射器散熱面只能朝天指向，且月晝期間輻射器的熱排散效率低。如要提高輻射器熱排散效率，可使用熱泵等措施提高散熱面的熱排散溫度。對(duì)于著陸于高緯度地區(qū)的探測(cè)器，月面溫度低，月面紅外輻射強(qiáng)度小，對(duì)輻射器的朝向及熱排散能力影響小。對(duì)于月夜保溫，無論著陸點(diǎn)在什么緯度，其熱控需求基本一致，主要涉及保溫用能源供給方式及熱量可控傳輸方式。月夜保溫用能源供給方式可選擇核源(同位素?zé)嵩?電源、核反應(yīng)堆)或蓄電池組；熱傳輸方式可選擇重力輔助兩相流體回路或泵驅(qū)流體回路，具體選擇取決于月夜有無電功率提供。

展望未來月球探測(cè)，瞄準(zhǔn)探測(cè)器全月面可達(dá)的目標(biāo)，熱控分系統(tǒng)應(yīng)朝著構(gòu)建一個(gè)資源消耗少、控溫能力調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的熱控系統(tǒng)方向發(fā)展。圍繞月面長(zhǎng)期探測(cè)中月晝散熱與月夜保溫兩個(gè)基本熱控制問題，在已有技術(shù)(表3所示)的基礎(chǔ)上，從月夜供熱方式、熱傳輸方式、月晝熱排散方式三個(gè)方面分析熱控技術(shù)發(fā)展新需求。在熱量供給方面，建議進(jìn)一步發(fā)展以溫差發(fā)電、熱光伏發(fā)電為代表的核熱源熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，提高發(fā)電效率和熱利用效率，使發(fā)電功率達(dá)到百瓦量級(jí)，實(shí)現(xiàn)小規(guī)模探測(cè)器月夜期間熱控系統(tǒng)保溫用熱、電自足；發(fā)展小型核反應(yīng)堆技術(shù)及以斯特林、布雷頓為代表的更高效的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，為大型月面基地做準(zhǔn)備；未來開發(fā)月面核聚變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)月面資源原位利用。在熱傳輸方面，在泵驅(qū)單相流體回路技術(shù)相對(duì)成熟的基礎(chǔ)上，建議發(fā)展泵驅(qū)兩相流體回路技術(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)熱量可控傳輸。在熱排散方面，在進(jìn)一步提升水升華器等消耗性散熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，建議發(fā)展熱泵技術(shù)及耐高溫低吸收、高發(fā)射涂層技術(shù)，提高系統(tǒng)熱排散的能力和效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

探月工程的成功實(shí)施，推動(dòng)了我國(guó)航天器熱控技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，基本形成了針對(duì)月面探測(cè)器月晝散熱、月夜保溫相融合的熱控技術(shù)體系。展望后續(xù)長(zhǎng)期無人及有人駐留月球探測(cè)任務(wù)，建議進(jìn)一步提升月夜期間的熱-電聯(lián)供能力和效率，發(fā)展大功率溫差電池和小型核反應(yīng)堆技術(shù)；提升月晝與月夜期間可控?zé)醾鬏斈芰?，發(fā)展泵驅(qū)兩相流體回路技術(shù)；提升月晝期間的輻射器熱排散效率，發(fā)展熱泵技術(shù)及低吸收、高發(fā)射涂層熱控涂層技術(shù)。