張冰強,向艷超,陳建新,宋馨,馬巨印

1.中國空間技術研究院總體部,北京100094 2.空間熱控技術北京重點實驗室,北京100086

“玉兔”巡視器活動式相機熱設計及在軌分析

張冰強1,2,*,向艷超1,2,陳建新1,2,宋馨1,2,馬巨印1,2

1.中國空間技術研究院總體部,北京100094 2.空間熱控技術北京重點實驗室,北京100086

月面虹灣地區(qū)的環(huán)境溫度為-180～+90℃,需同時解決 “玉兔”巡視器活動式相機在桅桿復雜活動下的月晝散熱問題和月夜無電能供給下的保溫問題;另外月塵的不確定性也給相機熱設計帶來了風險。因此,月晝極端高溫下,轉動桅桿為相機尋找最佳避暑姿態(tài),并優(yōu)化相機開關機時長比例,從而解決相機月晝散熱問題。而在月夜極端低溫下,則調整相機與巡視器的熱耦合狀態(tài),將桅桿收攏至圍欄內,借用巡視器月夜保溫系統(tǒng)進行保溫。此外,還對月塵在散熱面上的沉降誘因進行分析,并采用限制工作太陽高度角應對月塵帶來的風險。熱分析和在軌實際數據比對結果表明,采用避暑姿態(tài)和間歇工作模式,月晝高溫下相機工作溫度最高可降低15℃;月夜桅桿收攏,相機溫度不低于-26.1℃,相機安全度過月夜,并可節(jié)約4.5 W同位素功率。文中熱控與姿態(tài)相耦合的熱控方法可解決行星表面巡視探測器活動式相機的高低溫難題,降低了熱設計的同位素資源,可為中國后續(xù)行星表面巡視探測器的熱控設計做參考。

“玉兔”巡視器;導航相機;全景相機;熱設計;在軌熱分析;月塵

“嫦娥三號”探測器包括著陸器和“玉兔”巡視器(以下簡稱巡視器),該巡視器是中國首個月面巡視探測器?！版隙鹑枴痹谠虑蚝鐬持懞?巡視器從著陸器上行至月面,之后利用導航、全景相機開展月面巡視探測活動。

與探月一期繞月任務不同,“玉兔”巡視器需要經歷月面工作段。月晝日下點月面最高溫度約120℃,月夜的月表溫度很快降低至-180℃,且長達340 h[1]。導航、全景相機安裝在三維轉動的桅桿上,月夜期間無電能可以利用。因此,相機的熱設計需要在桅桿復雜活動和月夜無電能供給條件下,解決月晝高溫散熱和月夜保溫問題。

已發(fā)射的巡視器中,蘇聯的“Lunokhod”月球車上的全景相機采用嵌入車體的固定安裝方式,通過與整車熱耦合解決月晝散熱和月夜保溫問題[2]。美國的“火星漫游者”火星車則需面臨13 h最低溫度達-105℃的夜晚低溫,其桅桿上導航、全景相機在夜晚無保溫措施,在清晨工作前采用電加熱器使電子線路從-95℃加熱到-55℃[3-4]?！癓unokhod”月球車采用的嵌入熱耦合安裝方式,限制了全景相機的活動。“火星漫游者”火星車采用的預熱法僅解決了相機工作前啟動問題。已有的巡視器全景相機熱控方法無法兼顧“玉兔”巡視器全景相機的活動特性和面臨的極端溫度環(huán)境。

基于此,利用桅桿的轉動特性采取熱耦合狀態(tài)調整方法,進行了巡視器活動式相機月晝極端高溫散熱和月夜極端低溫保溫研究,希望可以為中國今后行星表面探測器活動式相機的熱控設計提供參考。

1 熱設計簡介

1.1 設備構型及熱耗

“玉兔”巡視器車體為箱式結構,大部分平臺設備安裝在箱體內,車體頂板、圍欄及+Y太陽翼組成一個可展開的封閉夾層結構。在該夾層結構中安裝有桅桿和太陽敏感器等;巡視器安裝有兩塊太陽翼,其中-Y太陽翼為一次性展開太陽翼,+Y太陽翼為可重復展收太陽翼,如圖1所示。

導航相機和全景相機各有兩臺,4臺相機安裝在巡視器頂板的桅桿上,如圖2所示。桅桿具有展開、偏航和俯仰3個自由度運動。導航相機熱耗為1.5 W/臺,全景相機為4 W/臺,由于相機安裝在相對獨立的桅桿上,受巡視器系統(tǒng)熱耗影響較小。

圖1 巡視器構型布局示意Fig.1 Schematic ofYuTurover

圖2 導航相機、全景相機安裝Fig.2 Schematic navigation and panorama cameras

1.2 溫度指標

根據設備可靠性設計要求,導航相機溫度指標滿足工作溫度范圍-30～55℃,存儲溫度-45～70℃。全景相機溫度指標滿足工作溫度-20～+45℃,存儲溫度-50～+70℃,啟動前溫度-30～45℃。

1.3 任務分析及熱設計

巡視器在月晝工作期間,外部太陽輻照強度變化范圍約0～1 419 W/m2,同時虹灣區(qū)(北緯44.1°,西經19.5°)月面最大紅外輻照強度接近900 W/m2,探測器對月面(半球發(fā)射率為0.79)平均吸收紅外熱流達690.4 W/m2[5]。導航、全景相機工作時的散熱熱流密度分別為428 W/m2和635 W/m2。而進入月夜,巡視器將處在長達14個地球日的-180℃低溫環(huán)境中,太陽輻射降至0 W/m2,月面紅外輻射僅6 W/m2。同時,相機自身沒有專門的月夜生存能源可利用。此外,由于巡視器的運動和自然因素等可能會導致月塵揚起并沉降在相機散熱面上[6],引起散熱面的太陽吸收比和紅外發(fā)射率的增大[7-8]。

針對月面的極端熱環(huán)境特點,采用的熱設計如下:

(1)相機間熱耦合設計

非同種相機相鄰布置,使得兩種相機在間歇工作條件下可間接共用散熱面;所有相機均導熱安裝于相機支架上,使相機間通過安裝于支架進行熱耦合;除散熱面和鏡頭外,4臺相機全包覆于同一個多層隔熱組件內,建立各個相機間熱輻射耦合。通過相機間的熱耦合設計,擴大了某一相機在單獨工作時的實際散熱面大小,降低散熱熱流密度。

(2)相機的熱控與桅桿運動的耦合設計

圖3 太陽高度角33°,相機頂面吸收熱流與俯仰角的關系Fig.3 Absorbed heat flux vs.angle for cameras top surface

月面高溫探測時,桅桿的展開、偏航和俯仰使相機散熱面吸收的外熱流發(fā)生較大變化[10]。以太陽高度角為33°,巡視器朝陽姿態(tài)為例,分析相機頂面吸收熱流與桅桿俯仰角的關系。如圖3所示,相機的散熱面存在對太陽輻射和紅外輻射的總吸收熱流為最小的避暑點。因此,將相機的熱控與桅桿運動相耦合,當相機溫度接近指標上限或結束工作時,調節(jié)桅桿姿態(tài),設置相機趨于避暑點(如背陽或側陽),以降低相機的溫度水平,如圖4所示。另外,對于月表存在的月塵不確定性,除降低最大工作太陽高度外,同樣可通過桅桿姿態(tài)調整的方式來輔助降溫。

長月夜低溫來臨前,桅桿收攏相機至圍欄中,建立相機與巡視器主體的熱耦合,借用巡視器的兩相流體回路與同位素熱源組成的月夜保溫系統(tǒng)[6],進行活動式相機的月夜保溫。

除采用耦合設計之外,連接相機的電纜,整體包覆至相機多層之內,并在引出端再包覆500 mm,以減少相機和月面環(huán)境間的熱交換。

圖4 不同工作模式下桅桿的旋轉情況Fig.4 Rotation of mast in different modes

因此,活動式相機在整個任務中運動策略如下:月面工作前,整個桅桿收攏。著陸至月面,桅桿展開,相機開始工作。當月午來臨,太陽高度角高于33或相機溫度超過55℃最高工作溫度,相機斷電并調整至利于降溫的避暑姿態(tài)。當下午太陽高度角低于33,相機繼續(xù)工作。在進入月夜前,桅桿和太陽翼相繼收攏,經歷月夜。當第二天滿足喚醒條件,巡視器喚醒,桅桿再次展開,相機重新開始工作,相機完成一個月球日的工作循環(huán)。

2 熱分析

2.1 熱分析建模

根據熱網絡模型,采用Thermal Desktop軟件建立了導航相機和全景相機的熱模型。如圖5所示,模型中除包含相機外,還包含巡視器其他主體結構和月壤。

圖5導航相機、全景相機熱分析仿真模型Fig.5Thermal model of navigation and panorama cameras

根據外熱流、設備工作模式和涂層參數等高低溫工況確定原則[11],以巡視器的飛行過程和相機的工作模式為基礎,確定了3類典型工況(如表1所示):

表1 熱分析工況定義Table 1 Definition of thermal analysis case

1)巡視器至月面后,導航相機、全景相機相繼開始工作。相機月面工作時考慮不同太陽高度角、姿態(tài)、工作模式等因素的影響。

2)月夜期間,導航相機、全景相機不工作,為長時間低溫穩(wěn)態(tài)過程工況。

3)月塵對相機的散熱面有明顯影響。月面工作時,月塵對相機散熱面的影響仍具有不確定性。因此,專門分析高溫工作下月塵影響后光學太陽反射鏡(Optical Solar Reflect,OSR)吸收率退化后的影響。

2.2 熱分析結果

(1)月晝高溫

月晝工作時,隨著月面當地太陽高度角不斷增加,巡視器溫度也不斷升高。以下均以當地太陽高度角為33°、巡視器車頭朝陽、桅桿俯仰角為0°作為基準,分析不同因素對相機溫度的影響。

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1)相機間熱耦設計下的間歇工作分析。

當地太陽高度角33°時,月面溫度高達69℃。桅桿水平姿態(tài)下,若相機各自獨立長期工作,導航相機和全景相機的工作溫度將分別趨近65.7℃和71.3℃,遠超過工作溫度上限。因此,在導航相機和全景相機耦合熱設計下,必須采取間歇工作模式。如相機采用周期性間歇工作,在一個300 min的周期內,導航相機工作45 min,全景相機工作30 min,其余時間相機均關機,這樣可保證導航相機和全景相機的最高工作溫度分別為43.95℃和42.60℃,其溫度不超過其工作溫度上限,如圖6所示。

2)桅桿俯仰耦合影響分析。

在當地太陽高度角為33°時,考慮桅桿在向陽俯仰36°、水平0°和背陽俯仰36°三種俯仰姿態(tài)下,相機工作的溫度情況。三種姿態(tài)下,導航相機工作前的起始溫度分別為39.8℃、37.3℃和25.3℃,全景相機分別為37.8℃、33.2℃和21.4℃。由此可見,當相機由向陽傾斜姿態(tài)轉為避暑姿態(tài)時,導航相機和全景相機的工作起始溫度可以降低14～16℃,相機工作的極限溫度也隨之降低14～16℃,如圖7所示。

3)桅桿偏航耦合影響分析。

在當地太陽高度角為33°時,分析桅桿處于偏航0°、偏航45°和偏航90°姿態(tài)下,相機工作的溫度情況。

圖6 相機長期工作與間歇耦合工作的溫度對比Fig.6 Comparison of cameras temperature at longtime-working and intermittent-working state

圖7 月晝不同俯仰姿態(tài)下相機工作溫度曲線Fig.7 Curve of cameras work temperature for different pitch angle

導航相機在三種俯仰姿態(tài)下,工作前的存儲溫度分別為37.3℃、30.4℃和10.9℃,全景相機分別為33.2℃、27.9℃和8.7℃。相對于向陽偏航,當相機轉為偏航90°時,導航相機和全景相機的最高溫度可以降低26℃和24℃,如圖8所示。

圖8 月晝不同偏航姿態(tài)下相機工作溫度曲線Fig.8 Curve of cameras work temperature for different crab angle

(2)月夜低溫

進入月夜后,若相機裸露在艙外且無加熱措施,活動式相機在30 h后,將從-10℃迅速降低至-130℃。至月夜第150 h,溫度逐漸趨近于-153℃。在之后的180 h內,相機將長期處于-150℃的惡劣低溫環(huán)境下,如圖9所示。由此可見,相機若采用像“火星漫游者”方式,裸露相機在外,不采用保溫措施。在月夜極端溫度經歷14天,其存儲溫度較“火星漫游者”-95℃的夜晚低溫低約55℃,由此給相機的安全過夜帶來極大的風險。

根據前文所述的借用巡視器本體月夜保溫系統(tǒng)的方法,桅桿收攏后,圍欄內的相機最低溫度分析結果為-26.1℃,滿足-50～70℃的儲存溫度指標要求,如圖10所示。若不通過桅桿的運動耦合,而利用單獨的同位素熱源維持相機在相同溫度,其熱功率需求為4.5 W,資源消耗較大。

圖9 月夜中相機降溫曲線(桅桿不收攏)Fig.9 Curve of cameras temperature during moon night without mast folded

圖10 桅桿收攏,月夜相機存儲溫度云圖Fig.10 Temperature nephogram of cameras during moon night

(3)月塵影響

月塵擁有較高的紅外輻射率(0.93)和相對較高的太陽吸收率(0.76)。巡視器在月球表面展開探測活動,月塵對散熱面影響具有不確定性。若月塵覆蓋相機散熱面表面,將使得散熱面的太陽吸收率αs增大,從而導致相機的溫度水平有所上升。月塵沉降情況分析如下:

1)探測器軟著陸沖擊引起月塵激揚,揚起最大高度為0.3～0.4 m。

2)巡視器車輪行走造成的黏附起塵,由于行進速度僅為200 m/h,輪行走黏附起塵的高度和輪子直徑是一致的,即起塵高度約為0.2 m。

3)動力下降過程中,當著陸器距月面高度小于12 m時,發(fā)動機羽流激起月塵。當著陸器距月面高度4 m發(fā)動機關機時會產生負氣壓,羽流可能引起的月塵會影響到兩器表面。

4)相對人為因素而言,自然因素造成的揚塵對探測器的影響程度是個小量,所以,關于自然因素導致月塵的激揚對探測器的影響基本可以忽略。

針對人為因素,活動式相機散熱面高度大于1.5 m,可以忽略沖擊月塵和車輪的黏附月塵的影響。在動力下降過程中,桅桿收攏在圍欄內,其封閉的腔體可以阻擋動力下降羽流引起的月塵。因此,可忽略月塵對活動式相機的影響,但出于故障預案考慮,分析了月塵影響太陽吸收率為0.25的故障情況。

當太陽吸收率αs從末期值的0.19增大到月塵輕微污染的0.25,導航相機工作溫度從43.95℃升高到48.3℃,全景相機工作溫度從42.6℃升高到47.35℃。兩種相機溫度均升高了4℃以上,超過工作指標上限。通過將最大工作太陽高度角從33°降低至25°,或通過尋找避暑姿態(tài)的方式,可將溫度降低至最高溫度以內。

3 在軌情況

2013年12月15日至2014年1月13日為巡視器在月面經歷的第1個完整月球日,分別經歷了月午高溫、月夜低溫休眠和月晝喚醒。

(1)月晝高溫

2013年12月23日,月球下午太陽高度為29.43°時,巡視器進行成像。成像過程采取的策略為:

1)成像前,由背陽避暑姿態(tài)調整為拍照姿態(tài)(偏航角由-29.4°調整至-129.1°);

2)成像后,由拍照姿態(tài)調整回側向陽的避暑姿態(tài)(偏航角從-129.1°調整至+101.2°)。

如圖11所示,巡視器調整至拍照姿態(tài),全景相機和導航相機溫度分別從14.5℃和12.6℃升高到20.4℃和18.2℃。相機工作期間,全景相機和導航相機平均溫度從20.4℃和18.2℃升高到29.4℃和29.9℃。成像完成后進入避暑姿態(tài),10 h后再次進入測控弧段,此時全景相機和導航相機溫度下降了15.3℃和18.5℃。由此可見,非工作段通過桅桿轉動調節(jié)相機至避暑姿態(tài),降低了相機工作的起始溫度達15℃以上,降溫效果顯著。

圖11 相機在軌第一個月晝溫度遙測曲線Fig.11 In-orbit temperature of cameras in first two weeks

(2)月夜保溫

2013年12月26日,在月夜保溫系統(tǒng)工作后,收攏桅桿至圍欄內,建立相機與系統(tǒng)月夜保溫系統(tǒng)間的熱耦合,巡視器進入首個月夜休眠。由于月夜探測器無溫度遙測數據,因此僅能通過喚醒后相機的性能間接判斷是否安全度過月夜。2014年1月11日巡視器喚醒,導航相機和全景相機的起始遙測溫度分別為20.19℃和20.27℃。隨著太陽高度角的增加,相機開機工作,其功能和性能正常,由此間接判斷相機安全度過月夜。另外,月夜期間相機保溫效果得到了巡視器熱平衡試驗后修正的熱分析模型的驗證,修正后相機的最低分析溫度為-31.1～-21.9℃。因此,通過在軌實際效果和熱試驗修正模型的綜合驗證,可以看出針對活動式相機的活動特性,而采取的建立相機與巡視器的熱耦合方法,解決了相機夜晚的保溫問題。

(3)月塵影響

根據實際在軌數據,通過熱模型修正獲取OSR在軌退化情況。經修正可知,第一個月晝期間,活動式相機的OSR光學性質基本未發(fā)生退化,其太陽吸收比處于0.135～0.145之間。即圍欄與太陽翼隔離了動力下降過程中和著陸沖擊中可能誘發(fā)的月塵影響,且巡視器月面移動激起的月塵對相機OSR也基本無影響。

4 結束語

本文針對月面環(huán)境特點,提出了月面活動式相機的熱控設計方法,通過分析計算及在軌數據驗證,得出以下幾點結論:

1)月晝極端高溫環(huán)境下,相機采用間歇性工作模式及尋求最佳散熱姿態(tài),有效地降低相機起始溫度,在軌避暑時降溫達15℃以上。

2)月夜長期無電能的極端低溫環(huán)境,利用相機活動特性建立起的相機與系統(tǒng)熱耦合,解決了相機長月夜的保溫問題,節(jié)省了單獨使用同位素熱源所帶來的高額成本。

3)由于著陸前圍欄對活動式相機起保護作用,相機在第一個月晝內,OSR光學屬性基本未發(fā)生退化。

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(編輯:車曉玲)

Thermal design and on-orbit thermal analysis onYuTurover movable cameras

ZHANG Bingqiang1,2,*,XIANG Yanchao1,2,CHEN Jianxin1,2,SONG xin1,2,MA Juyin1,2
1.BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094,China 2.BeijingKeyLaboratoryofSpaceThermalControlTechnology,Beijing100094,China

In the brutal temperature environment in Sinus Iridium with the range between-180℃to+90℃,it needs to solve camera heat dissipation during lunar daytime and heat preservation in moonlit night without electric energy supply under the complex rotation ofYuTuRover mast.Besides,the uncertainty of lunar dust still results in risks to thermal design.In order to solve the extreme high temperature problem in daytime,the mast rotates to an optimal position for heat dissipation and avoids the camera being too hot,and the proportion of power on and off is optimized.In extremely low temperature at night,the thermal coupling state of the camera and the rover has been changed;the mast is folded into the fence to keep warm by means of heat preservation systems.Based on the analysis of the cause of dust subsidence,the max sun elevation angle for working is restricted to avoid risks by dust.According to the thermal analysis results and in-orbit results,it can be confirmed that the highest temperature decreased 15 degrees by methods of finding optimal position and optimizing the proportion of power on and off.By folding the mast in moon night,cameras have safely undergone the cold night,therefore 4.5 W power generated by RHU has been saved.It indicates that the coupling method between thermal control and posture adjustment can be used to solve the high-low temperature problem of movable cameras on the planet'surface rover,and reduce the rover power demand for RHU.It could provide thermal design reference for the follow-on celestial body surface explorations.

YuTuRover;navigation cameras;panorama cameras;thermal design;on-orbit thermal analysis;lunar dust

V476.4

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0001

2015-04-09;

:2015-09-01;錄用日期:2015-09-28;< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2016-04-19 14:15:17

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1415.001.html

*

:張冰強(1985-),男,碩士,工程師,zbq07@mails.tsinghua.edu.cn,主要研究方向為航天器熱控制

張冰強,向艷超,陳建新,等.“玉兔”巡視器活動式相機熱設計及在軌分析[J].中國空間科學技術,2016,36(2): 58-65.ZHANGBQ,XIANGYC,CHENJX,etal.Thermaldesignandon-orbitthermalanalysisonYuTurover movablecameras[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):58-65(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn