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月球探测器月夜生存热控技术及展望

时间:2016年05月06日 信息来源:《中国航天》 点击: 【字体:


一、前言


 2013年12月14日,我国的嫦娥三号月球探测器成功着陆月球虹湾地区,使我国成为继苏联、美国之后第三个实现月表着陆、巡视探测的国家。由于月球表面环境的特殊性,特别是长周期的月夜和深低温环境,将对探测器的生存带来严峻考验。月夜生存的关键是保证探测器内部仪器设备维持在其低温生存温度限以上,热量供给和漏热控制是两个关键环节。同时,月夜生存技术还必须兼顾月昼期间仪器设备散热的需要。

 美国、苏联、中国分别采用了各具特色的探测器月夜生存热控技术,从重量资源代价、探测器渡过月夜次数等方面评价,我国独立提出的以“同位素热源(RHU)+月球重力驱动两相流体回路+可变热导辐射散热器”为核心的技术路线具有明显优势。该方法的突出特点在于采用了具备高效率换热特性的两相流体回路,并以月球重力作为两相流体回路运行的驱动源;突出优势在于月夜不需要电力供应,对重量资源的需求显著下降。


二、月球表面特殊环境及其影响


 目前人类已经掌握或了解的月表环境,主要包括真空环境、月昼高温、月夜低温、重力加速度及月尘等,分述如下:


  1)高真空环境
  月球表面无大气覆盖,随着月表温度环境的变化,月表环境压力在10^(-9)~10^(-13)Pa的范围内变化。因为没有大气的对流,月球探测器的终端散热方式为辐射散热和消耗性相变散热,如蒸发和升华。

 2)月昼红外辐射环境
  一个月昼相当于14个地球日。月球赤道附近着陆点的月昼正午最高温度可达120°C,由此产生的月球红外辐射强度超过1000W/m2。高温环境对月球探测器的热排散影响显著。

 3)月夜深低温环境

 一个月夜相当于14个地球日由于月球没有大气,月壤导热系数小,进入月夜后,月表温度会很快降低至一180℃左右。长时间的深低温环境,对月球探测器的生存技术提出了严峻的挑战。

 4)月表重力加速度环境

 月球表面的重力加速度约为1/6g。依靠毛细力驱动运行的热管类技术应用,需考虑月球表面的重力加速度的影响。

 5)月尘环境

 根据NASA的月球探测数据,月尘的平均粒径为50um,密度为3.01g/cm3,平均相对透过0.45,吸收率0.55,月球反照系数0.073,红外发射率0.92。月尘主要是由于陨石长期撞击形成,厚度从几厘米到几米不等。月尘带有静电。

 月球表面漂浮的月尘主要源于晨昏交接处的磁场效应、陨石及微流星撞击、人类航天器着陆/采样/移动等活动造成。月尘对探测器的影响主要体现在月尘附着于散热面,导致散热能力急剧下降,探测器在月昼工作期间的温度水平升高,而对探测器的月夜生存则基本没有影响。


三、国外月球探测器月夜生存技术


  1959~1976年,美国和苏联展开了以月球探测为中心的空间领域竞争,其间共发射了83个月球探测器,其中成功的有45个。NI]2004年美国宣布重返月球计划,在全球引发了月球探测的第二次热潮,欧空局、俄罗斯、日本、英国、巴西等国家和地区都制定了月球探测计划,并处于积极的实施过程中。由于月球表面的特殊环境,如月昼高温、月夜低温、月尘污染等,用于月球探测器的热控技术都具有较强的调节能力和环境适应能力。下文将着重介绍美国、苏联月球探测器月夜生存技术。

 美国的月球勘测者号、苏联的“月球车”(Lunokhod)等是实践月夜生存的典型案例,而美国和苏联采用的技术路线各异。在保温隔热方面,都采用了成熟的多层隔热技术。此外,美国还使用了双金属片热开关、可变热导热管以适应于月昼散热和月夜隔热的需求。热量供给方面,美国的月球勘测者号采用了银锌蓄电池供电加热,阿波罗12至阿波罗17N采用了同位素热源进行热量补偿;苏联则采用了“密封舱+对流通风+同位素电源”的月夜热量供给方法。具体如下:


 1)美国月球勘测者号
  美国在1 966~1 96 8年间,连续发射7个月球勘测者号探测器,目标是1个月昼和部分月夜的科学探测,为载人着陆做准备。其中第1、5、7次获得成功。月球勘测者号探测器首次采用“开放系统” (Open System)的设计思想,即将设备按工作模式、温度要求等分组,设备组之间、设备组与航天器主结构之间进行了热隔离。热控分系统针对分组设备进行独立热设计,而不是对整个航天器进行热控设计。



 月夜热量供给技术:月夜期间通过银锌蓄电池组供电,通过加热器加热保温,维持设备的生存温度,由于蓄电池性能的衰退,仅度过了1个月夜。
  月夜漏热控制技术:保温隔热采用了成熟的多层隔热技术,使用双金属片热开关实现设备与辐射散热器之间的耦合,月夜期间,热开关自动断开传热通路,实现隔热。
  对月昼的适应性:月昼期间蓄电池停止供电加热,利于月昼散热;月昼期间热开关闭合接通,实现传热功能,将热量传递给辐射散热器。
 美国月球勘测者号探测器的方案,基本可以兼顾月夜和月昼的热控需求,但蓄电池的供电量不能太大,否则对重量资源需求大,对运载的能力要求高,供电量小又会导致月夜温度偏低,对仪器设备的生存不利。


 2)苏联月球车
 苏联在1 970年11月1 0日发射的“月球”(Luna)17探测器携带了历史上第一辆月面巡视探测器“月球车”1,在月面上度过了10个月夜,后来的“月球车”2于1973年1月14日在月面着陆,在月面度过了5个月夜。苏联采用了以密封舱、对流通风、同位素电源为主的热控技术体系,服务设备和有效载荷设备放置在密封舱内,利用对流通风换热技术,使气体工质(氮气)在密封舱内进行循环。热控系统在同位素核能源(RTG)的支持下成功地保障了设备的正常运转。“月球车”重量为750kg,其中密封结构和供热系统约150kg。截至2013年底, “月球车”1、2是人类在月球探测活动中唯一度过多个月夜、利用合理的能源管理成功地保障了设备的正常运转的实例,体现了苏联深空探测器独特的设计思路。



 月夜热量供给技术:月夜期间,采用同位素电源的余热供热;利用同位素电源提供少量电功率驱动风机运转,实现密封舱内的气体循环流动;调节换向阀门,使舱内循环流动的气体流经同位素电源,实现气体与同位素电源之间的热交换,被加热的气体进入舱内,完成与设备的热交换,实现月夜期间的热量供给。
  
月夜漏热控制技术:除采用多层隔热技术外,月夜期间将太阳翼收拢闭合,阻断辐射散热器向外界的散热。
  对月昼的适应性:月昼期间,将太阳翼打开,恢复辐射散热器的散热功能;调节换向阀门,使舱内循环流动的气体不再流经同位素电源,阻断循环气体与同位素电源之间的热交换;通过安装于风道中的混合器活门打开通风换热系统与辐射散热器之间的换热风道。通过以上措施,实现了舱内设备散热。此外,通过混合器活门和换向阀门的调节,还可以将两股通风按照一定比例混合,适应月球早、晚温度较低时热控的需求。


  苏联月面巡视探测器“月球车”的方案,可以很好地兼顾月夜和月昼的热控需求,是一个非常成功的案例。在“月球车”设计中,采用了太阳翼收拢封闭的方式保护散热面免受月尘影响,但事实上“月球车”2任务的提前结束,正是缘于散热面受到了月尘的意外污染所致。


四、我国嫦娥三号月夜生存技术


 2014年1月11日5时9分,嫦娥三号巡视器实现自主唤醒,次日8时21分,着陆器(图5)自主唤醒,表明两器在月球上安全度过首个月夜,经受了长达14个地球日的极低温环境考验,标志着我国成功突破探测器月夜生存技术。



 2014年12月2日16时49分,着陆器正常自主唤醒,至此完成了1 2次月夜休眠和月昼自主唤醒,并在2014年4月、10月顺利经历了2次月全食的考验,获得了大量科学数据和月面环境数据。至2015年8A,着陆器顺利度过21个昼夜循环,为探测器拓展任务的持续开展提供了保障。



 嫦娥三号月球探测器月夜生存采用了我国首创的“同位素热源+月球重力驱动两相流体回路+可变热导辐射散热器”的技术路线。
  月夜热量供给技术:采用同位素热源提供热量,并安装在探测器外部,两相流体回路一端(蒸发器)与同位素热源耦合,吸收同位素热源热量,另一端(冷凝器)与探测器内部耦合,将热量释放到探测器内部,从而实现热量的供给。其中,两相流体回路依靠月球重力场提供驱动力,是集热收集、热传输与热排散功能于一体的装置。月昼期间,两相流体回路控制阀关闭,回路不运行,实现同位素热源与探测器内部的热隔离;昼/夜转换时(此时仍有电力供应),接通两相流体回路控制阀,回路依靠月球重力驱动启动运行(月夜不需要供电),将同位素热源的热量传递到探测器(巡视器、着陆器)内部,保证整个月夜期间的热量补充;夜昼转换时(唤醒),通过控制阀关闭回路(此时已有电力供应),保证月昼期间切断同位素热源与探测器内部的热连接。

 月夜漏热控制技术:探测器非散热面采用多层隔热。散热面则采用大范围可调节散热技术,即可变热导辐射散热器技术。着陆器设备与散热面之间采用可变热导热管连接,月夜期间随温度降低自动减小散热量,直至完全断开通过热管的两相传热,实现月夜深低温环境下散热的阻断。该过程的特点是随温度的降低,可变热导辐射散热器连续自适应调节散热量,散热能力从月午的最大值逐渐降低为月夜的最小值。巡视器在进入月夜前收拢太阳电池板,使用太阳电池板背面的多层隔热组件遮挡散热面,减少月夜期间的漏热,同样可实现辐射散热面传热热导的可调节性,其特点是散热能力从最大值直接转换为最小值。

 对月昼的适应性:从月夜到月昼的转换过程中,探测器温度逐渐升高,着陆器可变热导热管随温度的上升逐渐恢复传热功能,与之耦合的辐射散热器散热能力从月夜期间的最小值逐渐增大,至月午的最大值,实现着陆器仪器设备的散热和温度控制。巡视器太阳电池板打开,露出散热面,恢复散热功能;夜/昼转换时(此时电力恢复),关闭两相流体回路阀门,两相流体回路停止运行,切断同位素热源向探测器内部的传热,不增加月昼期间探测器内部的散热负担。由于控制阀可在系统断电前或电力恢复后进行通断切换,因此,可兼顾月球探测器在月昼、月夜两个极端环境条件下的工作和生存模式。


五、月夜生存技术评价


  美国、苏联、中国分别采用了不同的技术路线实现了探测器的月夜生存。总体而言,苏联“月球车”的月夜生存技术是较为经典的成功案例。我国嫦娥三号采用的技术路线相对优化,主要体现在3个方面:


  1)重量资源需求少:嫦娥三号供热系统(含同位素热源和两相流体回路)仅15kg(着陆器10kg,巡视器5kg);若采用蓄电池方案(美国技术路线)则需870kg;而苏联“月球车”的密封舱对流通风方案,其对流通风系统和密封结构的重量则达150kg。
  2)月夜不需电力供应:嫦娥三号供热系统的运行依靠月球重力驱动,不需要电源;美国的蓄电池方案需要很高的重量资源代价;苏联方案需要发电效率很低的同位素核能源(一般在5%左右),因此需要消耗更多的同位素,经济代价高昂。
  3)可靠性高:嫦娥三号供热系统采用的月球重力驱动两相流体回路与苏联的对流通风系统相比,没有长期运行部件,固有可靠性高。


六、月夜生存技术展望


  随着我国嫦娥四号、月球科研站等后续深空探测任务的逐步推进,除了对同位素热源/电源、两相流体回路等方面的需求外,未来月表大型科研站,将涉及核动力发电及能源综合利用管理、月表资源及能源原位利用等方面的新技术。这些新技术将支持人类实现在月表的长期驻留和科研活动。

 

 

 上文选自《中国航天》,如有需要请查阅该期刊。

 

(作者:苗建印 何江 张红星)
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