火星表面薄膜型太陽能集熱器設(shè)計及應(yīng)用

收稿日期：2022-01-20

通信作者：張冰強(qiáng)（1985—），男，碩士、高級工程師，主要從事航天器熱控制方面的研究。zhang_bq@sina.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0095 文章編號：0254-0096（2023）06-0315-08

摘 要：為解決火星表面探測器熱能短缺挑戰(zhàn)，克服火星表面太陽能原位熱利用中的性能和環(huán)境適應(yīng)性困難，提出一種基于火面太陽能原位熱利用的薄膜型太陽能集熱器，熱能收集采用高透明聚酰亞胺膜窗和選擇性吸收涂層，儲能采用3D打印高填充率相變儲能裝置，并利用半剛性賦形設(shè)計、熱變形自適應(yīng)、被動式泄壓分別解決火星表面塵積、大溫差熱交變和星際飛行過程中快速泄壓問題。仿真和試驗(yàn)表明，集熱器最大光熱轉(zhuǎn)化效率為74.9%，日平均集熱效率為32.5%～49.8%，單位面積集熱量為1105.7～2381.5 Wh/（m2?sol）（其中sol代表火星日，火星的一個恒星日的平均長度是24小時37分23秒），可適應(yīng)火星嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境。

關(guān)鍵詞：太陽能；太陽能集熱器；火星車；火星；熱控

中圖分類號：V476.4""""""" """"" """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

火星表面（簡稱火面）太陽輻照度不足地球的43%，平均溫度也較地球低77 ℃，火面探測器面臨能源短缺和生存保溫問題。已發(fā)射的火面長期工作探測器主要采取“太陽翼光電轉(zhuǎn)化供電+自帶同位素?zé)嵩垂帷焙汀白詭凰販夭畎l(fā)電+廢熱供熱”兩種方案來解決上述問題［1-2］?；鹈嫣柲茉粺崂檬墙鉀Q火面探測器以及人類火面生存熱源短缺的行之有效的途徑之一，如何高效、安全和經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行火面太陽輻射原位利用是需解決的首要問題。

地球表面（簡稱地面）應(yīng)用的平板式、槽式等多種太陽能集熱器在設(shè)計、性能和影響因素方面有較多研究［3-6］。近年來出現(xiàn)一種充氣薄膜槽式集熱器（HELIOtube）［7］，采用充氣氣壓賦形的基膜、透光膜和鏡面膜實(shí)現(xiàn)太陽能利用?？臻g集熱器方面，出現(xiàn)天基熱水器［8］概念設(shè)計，以及火星太陽能熱機(jī)［9］的設(shè)計與優(yōu)化，但缺乏在火面利用太陽能集熱器的實(shí)踐，更無成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒。因此，迫切需對火星太陽能集熱器應(yīng)用進(jìn)行探索與研究。

本文筆者注意到在火面上進(jìn)行太陽能熱利用與地面上存在諸多差異：1）火星環(huán)境溫度日變化最高達(dá)150 ℃；2）火面低溫、低密度CO2氣氛對流環(huán)境；3）帶電和磁性火星塵的塵積效應(yīng)顯著，但無法降水自清潔和人工清潔；4）運(yùn)載器發(fā)射時嚴(yán)酷的力學(xué)和氣壓變化環(huán)境；5）航天器苛刻的輕量化工程約束等。本文將從火面薄膜型太陽能集熱器的基本原理、設(shè)計、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證幾方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在為火面太陽能原位熱利用設(shè)計及性能評價提供理論基礎(chǔ)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 基本原理與設(shè)計

圖1為火面薄膜型太陽能集熱器原理圖。其主要由光學(xué)窗（包括透明聚酰亞胺膜、膜支撐結(jié)構(gòu)、蓋板）、吸熱板、相變儲能裝置、隔熱層、泄壓裝置等組成。

集熱器安裝在火星車頂板上（圖2），晝間太陽光直接通過光學(xué)窗照射至吸熱板。吸熱板吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)換為熱能，熱能通過熱傳導(dǎo)方式傳遞給預(yù)埋在設(shè)備安裝板中的相變儲能裝置并以內(nèi)能的形式存儲。當(dāng)火星夜間外界氣溫降低時，相變儲能裝置逐漸釋放所儲存的能量，供給艙內(nèi)設(shè)備保溫。

collector on surface of Mars

1.1 光學(xué)窗

光學(xué)窗的作用是讓陽光透過并減少吸熱面的對流和輻射損失。光學(xué)窗窗口選材時，從太陽光譜透過率、質(zhì)量、空間力熱環(huán)境適應(yīng)性等方面對石英玻璃、有機(jī)玻璃及透明聚酰亞胺膜材料進(jìn)行綜合評估（見表1）。光學(xué)性能方面，44 μm透明聚酰亞胺膜太陽光全光譜透過率為0.814，相當(dāng)于石英玻璃和有機(jī)玻璃的88.6%；質(zhì)量方面，44 μm透明聚酰亞胺膜面密度為0.066 kg/m2，僅為6 mm石英玻璃和4 mm有機(jī)玻璃的0.5%和1.40%；相同等效透過輻射下，透明聚酰亞胺膜質(zhì)量僅為石英玻璃和有機(jī)玻璃的0.56%和1.54%。環(huán)境適應(yīng)性方面，透明聚酰亞胺膜可適應(yīng)-145～85 ℃的溫度范圍；綜合光學(xué)性能和質(zhì)量，窗口材料采用外表面鍍有防靜電涂層的44 μm透明聚酰亞胺膜。

圖3為光學(xué)窗組成示意圖。光學(xué)窗由蓋板、透明聚酰亞胺膜和安裝框體組成。單個光學(xué)窗大小為500 mm×550 mm的橢圓形，進(jìn)光面積為0.221 m2，兩個集熱窗總面積為0.442 m2。

1.2 吸熱板

吸熱板具有晝間高吸收太陽輻射，火星夜晚低紅外輻射的特點(diǎn)。航天器應(yīng)用時，需特別考慮2個方面：一是適應(yīng)輕量化要求，吸熱板與設(shè)備安裝板共用面板；二是吸熱涂層制備需適應(yīng)設(shè)備板內(nèi)低溫相變儲能裝置的小于90 ℃許用溫度的要求。圖4為吸熱涂層實(shí)物圖。選擇性吸熱涂層采用低溫制備Al-AlN金屬陶瓷復(fù)合膜系，其太陽吸收率為0.92，紅外半球發(fā)射率為0.075，吸收發(fā)射比為12.3。綜合透過率和吸收率，陽光直射時最大理論光熱轉(zhuǎn)化率為74.9%。

1.3 能量存儲和隔熱

集熱器收集的熱量部分以相變儲熱方式存儲。相變儲熱裝置預(yù)埋在設(shè)備安裝板內(nèi)。相變材料選擇相變點(diǎn)為248.2 K，相變潛熱為141 kJ/kg的正十一烷。如圖5所示，相變材料采用具有內(nèi)部導(dǎo)熱增強(qiáng)點(diǎn)陣的薄殼3D打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，其厚度方向等效導(dǎo)熱系數(shù)大于100 W/（m2?K），質(zhì)量充裝率大于60%。隔熱層采用低密度納米氣凝膠隔熱材料［10］，其火星大氣室溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.0066 W/（m?K）。隔熱層厚度為32 mm，平均熱損失系數(shù)為0.21 W/（m2?K）。

3D-printed internal grid structure

1.4 空間環(huán)境適應(yīng)性

1.4.1 主動段排氣設(shè)計

運(yùn)載器發(fā)射時，整流罩內(nèi)因壓力急劇變化導(dǎo)致光學(xué)窗薄膜內(nèi)外壓差變化率高達(dá)6.9 kPa/s，超過透明聚酰亞胺膜500 Pa的耐受壓力極限。如圖6所示，集熱器設(shè)計具有發(fā)射段泄壓、火面段密封和防漏熱功能的泄壓裝置。泄壓裝置利用火星車壓緊和解鎖釋放的位移和自驅(qū)彈力來實(shí)現(xiàn)泄壓通道的打開和閉合。發(fā)射時，車體壓緊通過頂桿打開排氣閥排氣以減小火星車艙內(nèi)與外部的壓差；著陸火星后，火星車車體抬升，排氣閥關(guān)閉以避免艙內(nèi)氣體與外部環(huán)境大氣對流換熱而損失熱量。

排氣性能設(shè)計的關(guān)鍵在于設(shè)計排氣通道大小，使排氣過程中集熱器薄膜內(nèi)外壓差小于聚酰亞胺的500 Pa許用壓差。根據(jù)非定常抽氣方程進(jìn)行數(shù)值求解得泄壓裝置等效開口口徑為[Φ80]mm時可滿足要求。

1.4.2 熱變形匹配性設(shè)計

光學(xué)窗安裝在鋁蜂窩頂板的碳纖維蒙皮上。透明聚酰亞胺膜[-100～25 ℃]間的平均線膨脹系數(shù)為55.2×10-6～58.5×[10-6 ℃-1，]而M55J碳纖維的平均線膨脹系數(shù)為[-1.10×][10-6 ℃-1，]二者熱變形不匹配，易導(dǎo)致透明聚酰亞胺膜在100 ℃溫差下收縮破裂。鑒于此，對膜安裝結(jié)構(gòu)的連接耳片進(jìn)行兩個方面的設(shè)計：一是安裝孔沿徑向設(shè)計成腰孔，適應(yīng)整個膜安裝結(jié)構(gòu)沿徑向的伸縮，同時8個安裝孔又能限制結(jié)構(gòu)的橫向運(yùn)動；二是安裝孔設(shè)計彈性限位套，通過尺寸的控制保證膜安裝結(jié)構(gòu)既能被有效壓緊，又能沿徑向伸縮運(yùn)動，如圖7所示。

1.4.3 賦形設(shè)計

透明聚酰亞胺膜光學(xué)窗采用膜支撐結(jié)構(gòu)支撐，將光學(xué)窗最高處撐至距安裝面20 mm處，確保透明聚酰亞胺膜維持凸形形狀，易于火面風(fēng)的自清潔作用去除膜表面沉積的火星塵。如圖8，膜支撐結(jié)構(gòu)主要由支撐鋼絲和限位板組成。支撐鋼絲采用冷壓成型和回火處理，其表面化學(xué)鍍鎳，減小對光學(xué)薄膜的力學(xué)影響。

2 火面太陽能集熱器光熱模型

火面薄膜型太陽能集熱器的性能與多種因素有關(guān)，如著陸點(diǎn)位置、太陽赤經(jīng)、火面天氣條件、積塵、陽光入射角和運(yùn)行溫度等，為此建立其光熱模型進(jìn)行仿真分析。

2.1 火面太陽輻射

太陽輻射經(jīng)火星大氣時，大氣對輻射的吸收和散射使太陽輻射發(fā)生較大變化。火面上任意水平面接收到的太陽輻射均包括太陽直接輻射、太陽散射輻射和反照輻射這3個部分，大氣不同透明程度影響三者比例，常用光學(xué)厚度描述光線以一定入射角穿過大氣層（含塵埃）的衰減程度?；鹈嫣栞椛洳捎媒?jīng)驗(yàn)公式計算［11-12］，如式（1）～式（3）所示。

[Gh=Gbh+Gdh+Gal]""" （1）

[Gh=Gbh+Gdh=Gobcoszf（z，τ，a）1-a]，[Gal=0]"" （2）

[Gbh=Gobcosze-τcosz]"" （3）

式中：[Gh]——火表水平面接收到的總太陽輻照度；[Gbh]——水平面接收到的太陽直接輻照度；[Gdh]——水平面接收到的太陽散射輻照度；[Gal]——表面接收到的反照輻照度；[Gob]——大氣頂面的太陽輻照度；[z]——天頂角；[f（z，τ，a）]——重整化凈熱流函數(shù)；[τ]——垂直入射時光學(xué)厚度；[a]——火面反照率。

2.2 集熱器性能

圖9為太陽能集熱器熱網(wǎng)絡(luò)模型。穿過光學(xué)窗的太陽能一部分被吸熱板吸收以顯熱和相變儲能裝置潛熱形式存儲；一部分變成光學(xué)損失和熱損失。對航天器而言，集熱器內(nèi)還受到系統(tǒng)內(nèi)其他非太陽熱源[Qd]（如設(shè)備熱耗等）的影響。

吸熱板的熱損失主要通過輻射和對流兩種途徑流向光學(xué)窗和隔熱層，最終由光學(xué)窗和隔熱層以對流和紅外輻射兩種形式向環(huán)境耗散；另一小部分熱損失直接以吸熱板紅外輻射形式透過光學(xué)窗耗散至環(huán)境。為簡化問題，地面集熱器系統(tǒng)的熱損失常簡化為光學(xué)窗的熱損失，且主要考慮對流損失效應(yīng)?；鹦谴髿庀”　α鲹Q熱較弱，處理熱損失時不可忽略系統(tǒng)外邊界與太陽、火面、火星天空間的輻射換熱的影響，特別是需考慮系統(tǒng)外邊界獲得的太陽輻射[Sb]和光學(xué)窗自身獲得的太陽輻射[Sc]的影響。

太陽能集熱器系統(tǒng)瞬態(tài)能量平衡方程［13］為：

[S+Qd=AcULTP-Ta+mcdTdtTlt;T*，c=cs;T=T*，c=λ; Tgt;T*， c=cl]" （4）

式中：[Ac]——集熱器面積；[UL]——總傳熱系數(shù)；[TP]——吸熱板溫度；[Ta]——火星環(huán)境溫度；[m]——質(zhì)量；[c]——集熱器系統(tǒng)比熱容；[T]——集熱系統(tǒng)溫度；[t]——時間；[cs]和[cl]——固態(tài)和液態(tài)比熱容；[λ]——潛熱；[T*]——相變溫度。

吸熱板吸收熱量[S]為：

[S=AcδGhτdτaαs] （5）

式中：[δ]——光學(xué)窗受遮擋系數(shù)；[τd]——積塵透過率；[τa]——光學(xué)窗透過率；[αs]——吸熱涂層太陽吸收率。

集熱器系統(tǒng)外邊界與環(huán)境的凈換熱量[Qnet]包括對流和輻射2個方面。

[Qnet=（Sc+Sb）-（hr，b-a+hb-a）（Tb-Ta）-"""""" （hr，w-a+hw-a）（Tw-Ta）-hr，p-a（Tp-Ta）]"" （6）

式中：[Sb]和[Sc]——集熱器外邊界和光學(xué)窗自身獲得的太陽輻射；[hr，b-a]和[hb-a]——集熱器外邊界與環(huán)境的輻射換熱和對流換熱熱阻；[hr，w-a]和[hw-a]——光學(xué)窗與環(huán)境的輻射換熱和對流換熱熱阻；[Tw]——光學(xué)窗溫度；[hr，p-a]——吸熱板與環(huán)境輻射換熱熱阻。

集熱器收集熱量除外邊界耗散外，其余均可視為系統(tǒng)的有用能，故有效利用能[Qu]定義為吸熱板吸熱量與吸熱量通過集熱器系統(tǒng)外邊界耗散量之差；集熱器效率[η]為有效利用能與入射在集熱器表面上的太陽輻射能之比。[Qnet]由[S]和[Qd]共同產(chǎn)生，假設(shè)兩者產(chǎn)生耗散效果相同，則瞬時集熱效率可簡化為：

[η=QuGh=S-QnetS/（S+Qd）Gh]" （7）

3 仿真分析和環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

基于集熱器光熱模型，利用Thermal Desktop熱仿真軟件建立熱分析模型進(jìn)行仿真分析。

3.1 火面太陽輻射

圖10為計算祝融號火星車任務(wù)范圍內(nèi)（緯度4°N～30°N、光學(xué)厚度0.15～0.50、太陽黃經(jīng)[Ls]為16°～91°）火面平面每日積分太陽輻照能量曲線。平面每日積分太陽輻照能量隨太陽黃經(jīng)和著陸點(diǎn)的變化呈非單調(diào)性變化。表2為根據(jù)曲線族獲得的任務(wù)期間極限總太陽輻射條件。最小為[Ls=77°]，著陸點(diǎn)緯度4°N，[τ=0.5]，對應(yīng)最小總太陽輻射量為3088 Wh/（m2?sol）（本文中sol表示火星恒星日，其平均長度為24小時37分23秒，后文不再累述）；最大為[Ls=91°]，著陸點(diǎn)30°N，[τ=0.15]，對應(yīng)最大日總太陽輻射量為4287 Wh/（m2?sol）。

plane on surface of Mars

3.2 集熱器性能

3.2.1 集熱能力

圖11分別為最小和最大輻射條件下太陽能集熱器在一個火星日的能量變化和系統(tǒng)外邊界換熱量變化曲線。吸

熱板吸收能量與入射太陽能呈正比關(guān)系，兩者均在正午時達(dá)到峰值。0.442 m2集熱器一個火星日積分能量為488.7～1052.6 Wh/sol，供熱能力等效于19.8～42.6 W的同位素?zé)嵩?，對?yīng)單位面積集熱能力為1105.7～2381.5 Wh/（m2?sol）。

集熱器系統(tǒng)外邊界與環(huán)境的凈換熱量受太陽輻照和天氣環(huán)境等多種因素影響?？傮w而言，凈換熱量在07：00—15：00為凈獲得能量，其余時間為凈損失熱量。凌晨至正午，系統(tǒng)凈換熱逐漸減小，正午至日落凈換熱逐漸增大，日落至凌晨受火星夜晚靜風(fēng)效應(yīng)影響凈換熱有所減弱。熱損失中，最小和最大輻射條件下的日積分輻射熱損失分別為對流換熱的4.73倍和2.85倍。

3.2.2 運(yùn)行溫度

3.2.3 集熱效率

圖13為最小和最大輻射條件下太陽能集熱器在一個火星日的瞬時集熱效率變化曲線。日出后，集熱效率隨日照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在約13：50時刻，2種輻射條件的最大瞬時集熱效率分別達(dá)到38.0%和64.3%；午后隨日照減弱和環(huán)境溫度逐漸降低，集熱器的效率迅速下降。對于整個光照期間而言，2種輻射條件的平均集熱效率分別為32.5%和49.8%。

3.2.4 討 論

火星低輻射和低溫對流環(huán)境，及空間應(yīng)用條件使火面集熱器具有新的特征。光學(xué)窗材料和擇性吸熱涂層方面，空間應(yīng)用兼顧材料的透過性、質(zhì)量、溫度適應(yīng)性和紅外發(fā)射等多

種因素。地面平板型集熱器常用透過率大于92%的3～5 mm玻璃作為透明蓋板，而火星集熱器采用更為輕薄的44 μm薄膜材料作為窗口材料。火星集熱器擇性吸熱涂層在提高吸收率的同時兼顧降低紅外發(fā)射率，其發(fā)射率降至0.08。

低吸收太陽輻射和大溫差環(huán)境對集熱器系統(tǒng)隔熱性提出更高的要求。GB/T 6424—2007［14］要求地面集熱器平均熱損失系數(shù)低于6.0 W/（m2?K），中國實(shí)際應(yīng)用中平均熱損系數(shù)低于3.3 W/（m2?K）?；鹈嫣栞椛洳蛔愕厍虻?3%，加之其氣溫低至-105 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地面室溫環(huán)境，導(dǎo)致火面集熱器與火星環(huán)境溫度平均溫差達(dá)73.7 ℃，為此火面集熱器采用平均熱損系數(shù)低至0.21 W/（m2?K）的隔熱材料。

火面集熱器表面的紅外輻射熱損失成為熱損失的主要因素之一。集熱器性能與集熱器材料特性、天氣情況和運(yùn)行條件等多種因素有關(guān)。文獻(xiàn)［15］評估了影響地面平板集熱器效率和有用能的5個主要因素，其中風(fēng)造成的對流損失占15.6%，輻射熱損失僅占1.3%。從3.2節(jié)結(jié)果看，火星集熱器外邊界輻射熱耗散為對流耗散的2.85～4.73倍，成為熱損失的主要因素之一，火星集熱器外邊界低紅外發(fā)射率控制有助于抑制紅外輻射漏熱。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

3.3.1 充排氣性

充排氣試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證太陽能集熱器適應(yīng)主動段和火星進(jìn)入段外部壓力變化環(huán)境的能力。試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖14所示，主要由壓力控制系統(tǒng)、壓力測量設(shè)備和照明攝像等組成。試驗(yàn)時試驗(yàn)件處于常壓和常溫環(huán)境，通過試驗(yàn)常壓排氣艙向真空艙快速排氣模擬發(fā)射時整流罩內(nèi)的壓力變化曲線。通過壓差計測量外部壓力變化過程中火星車艙內(nèi)外的壓差，為集熱器泄壓孔設(shè)計提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖15為不同泄壓口徑下集熱器內(nèi)外壓差曲線。隨泄壓口徑由30 mm逐漸增至60 mm，集熱器內(nèi)外實(shí)測壓差由180 Pa逐漸降至20 Pa。口徑由60 mm進(jìn)一步增至70 mm，內(nèi)外壓差基本不再降低?？梢?，所設(shè)計的80 mm泄壓口徑可使集熱

器在出大氣層過程中內(nèi)外壓小于20 Pa，遠(yuǎn)小于500 Pa的許用壓力，且安全系數(shù)較高。

3.3.2 火星環(huán)境熱變形適應(yīng)性

太陽能集熱器放置在溫度交變范圍為[-145～85 ℃]、平均變溫速率≥1 ℃/min的火星模擬溫度環(huán)境內(nèi)。試驗(yàn)后集熱器表面完整，具有抗熱變形適應(yīng)性能力。

3.3.3 沙塵適應(yīng)性

太陽能集熱器在蘭州大學(xué)多功能風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行沙塵適應(yīng)性驗(yàn)證。試驗(yàn)?zāi)M中心粒徑為10～300 μm沙塵和20 m/s風(fēng)速，進(jìn)行等效火星塵暴100次（4200 s）吹沙驗(yàn)證。對水平放置樣品試驗(yàn)前后光學(xué)組件的太陽全光譜能量透光率、表面電阻率及力學(xué)性能測試表明，試驗(yàn)前后光學(xué)組件性能無明顯變化。

除上述試驗(yàn)之外，還進(jìn)行力學(xué)振動、噪聲、空間紫外輻照、地面野外暴露等大量環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了太陽能集熱器空間應(yīng)用力、熱等環(huán)境適應(yīng)性，為實(shí)際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

4 在軌應(yīng)用情況

2021年5月15日，天問一號著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部，8月15日祝融號火星車圓滿完成90個火星日的既定巡視探測任務(wù)。截至2022年4月6日，祝融號火星車已順利在火面運(yùn)行327個火星日，[Ls]范圍為45.1°～203.4°，經(jīng)歷了火星的春季至秋季。

祝融號火星車定期對集熱器成像，進(jìn)行積塵情況定性評估。圖16為集熱器第4、85、170和256個火星日的成像圖。從落火后第4日的圖像可看出，經(jīng)歷星際飛行和火面的復(fù)雜環(huán)境后，集熱器表面完整，賦形結(jié)構(gòu)支撐光學(xué)窗薄膜成凸型結(jié)構(gòu)，光學(xué)窗經(jīng)受住了行星飛行過程中氣壓變化和火星溫度交變的考驗(yàn)。受火面降塵影響，第85、170和256個火星日，光學(xué)窗塵積現(xiàn)象逐漸增加。

圖17為根據(jù)火面第85個火星日在軌溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行的集熱器集熱能力仿真曲線。車體不同姿態(tài)下集熱器日集熱量為955.2～1033.9 Wh/sol，相對于未污染狀態(tài)下的仿真值，集熱能力衰減約6%。在無同位素供熱和電功率消耗情況下，火星車艙內(nèi)設(shè)備溫度全天維持在[-6.5～52.4 ℃]，火星夜晚期間艙內(nèi)設(shè)備溫度高于外部環(huán)境溫度75 ℃。通過火星表面薄

Zhurong rover solar collector

膜型太陽能集熱器，解決了祝融號火星車保溫?zé)崮軄碓磫栴}。

經(jīng)過仿真、驗(yàn)證和在軌應(yīng)用表明，火面太陽能原位熱利用的薄膜型太陽能集熱器得到成功應(yīng)用，但仍需進(jìn)一步研究：

1）設(shè)計中從防靜電吸附和有助自然除塵的賦形結(jié)構(gòu)兩方面考慮削弱火星塵的影響，但火星塵自然清除機(jī)理及定量影響評估仍需進(jìn)一步研究。

2）火星太陽能集熱器性能受太陽輻射、低氣壓對流、天空溫度和塵埃等多種火星天氣因素影響，地面驗(yàn)證存在困難。近年王敏等［16］通過模擬“人造冷空”改進(jìn)了太陽集熱器地面室內(nèi)試驗(yàn)測試準(zhǔn)確性，但對于火星表面集熱器性能試驗(yàn)?zāi)壳爸饕ㄟ^數(shù)值仿真方法驗(yàn)證，如何在地面試驗(yàn)驗(yàn)證需進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

本文提出一種基于火面太陽能原位熱利用的薄膜型太陽能集熱器。所提出的薄膜型集熱器可高效利用火面太陽能，質(zhì)量輕、成本低，且具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，已成功應(yīng)用于祝融號火星車，解決了火面熱能短缺的問題，可為其他火面太陽能利用提供參考。

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DESIGN AND APPLICATION OF THIN FILM SOLAR COLLECTORS ON MARS SURFACE

Zhang Bingqiang1，2，Jia Yang2，Yang Miao3，Zhang Wangjun1

（1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China；

2. Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology， Beijing 100094， China；

3. Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory， Lanzhou 730000， China）

Keywords：solar energy； solar collector； rover； Mars； thermal control