李德富，劉小旭，朱尚龍，鄧 婉，陳 益

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

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“新視野”探測器熱控設(shè)計特點分析及啟示

李德富，劉小旭，朱尚龍，鄧 婉，陳 益

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

摘要：“新視野”探測器是第一個用于探測冥王星、冥王星衛(wèi)星以及柯伊伯帶其他天體的航天器。其在發(fā)射、在軌飛行和探測過程中經(jīng)歷了復(fù)雜多變的熱環(huán)境，熱控系統(tǒng)須保證探測器及器上儀器設(shè)備在適宜的溫度范圍內(nèi)正常工作。文章介紹了該探測器熱控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，重點分析了熱控設(shè)計的依據(jù)、特點及其帶來的啟示。

關(guān)鍵詞：“新視野”探測器；熱控設(shè)計；設(shè)計啟示

0 引言

“新視野”（New Horizons，也譯為“新地平線”）探測器于2006年1月19日在美國肯尼迪航天中心發(fā)射升空[1]，經(jīng)過9年多的飛行，于2015年7月14日近距離飛掠冥王星及其衛(wèi)星“卡戎”，并將于2016年至2020年對柯伊伯帶其他天體進行探測[2-3]。

探測器從發(fā)射到對柯伊伯帶進行探測的過程中會經(jīng)歷復(fù)雜多變的熱環(huán)境。為實現(xiàn)整個任務(wù)周期內(nèi)探測器和儀器設(shè)備處于合適的溫度范圍內(nèi)，需要根據(jù)探測器熱環(huán)境特點進行熱控設(shè)計。本文介紹“新視野”探測器的熱控設(shè)計方案，分析熱控設(shè)計的依據(jù)、特點及其帶來的啟示。

1 探測器總體方案介紹

“新視野”探測器的結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]，有效載荷如圖2所示[5]。主結(jié)構(gòu)由中心承力筒支撐鋁蜂窩板組成，尺寸約為0.68m×2.11m×2.74m。中心承力筒作為載荷適配器，是支撐放射性同位素電源（RTG）的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝推進劑貯箱。探測器的發(fā)射質(zhì)量為453kg。

該探測器攜帶了7臺總重約30kg的科學(xué)探測儀器[6-7]：遠程勘測成像儀（LORRI）、可見光-紅外成像光譜儀（RALPH）和紫外成像光譜儀（ALICE），分別用于拍攝可見光、紅外線和紫外線照片；太陽風(fēng)測量儀（SWAP）、無線電科學(xué)實驗儀（REX）、能量粒子譜儀（PEPSSI）和學(xué)生塵埃計數(shù)器（SDC）分別用于探測冥王星附近的太陽風(fēng)帶電粒子、冥王星大氣、從冥王星大氣中逃離的中性粒子和塵埃[2]。儀器設(shè)備的質(zhì)量和功耗如表1[6-7]所示。

圖1　“新視野”探測器結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 New Horizons’ structure

圖2　“新視野”探測器的科學(xué)有效載荷Fig. 2 New Horizons’ payloads for sciences

表1　儀器設(shè)備的質(zhì)量和功耗Table 1 Parameters of payload instruments

探測器推進系統(tǒng)由12個0.8N和4個4.4N的推進器組成，其中0.8N推進器主要用于使探測器自旋加速或減速，4.4N推進器主要用于修正飛行軌道[7]。推進劑為單組元肼推進劑，總質(zhì)量為77kg[8]。

探測器采用RTG供電，熱源材料是238PuO2陶瓷片，RTG結(jié)構(gòu)如圖3所示[3, 9-11]。RTG是直接將放射性同位素衰變所釋放的熱能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置[10]?！靶乱曇啊碧綔y器采用的RTG的熱電轉(zhuǎn)換效率約為6.4%[11]，發(fā)射時熱源模塊的發(fā)熱量為3948W，9.75kg的PuO2分布在18個通用熱源（GPHS）模塊中。

圖3　GPHS-RTG示意圖Fig. 3 The configuration of GPHS-RTG

2 探測器熱控設(shè)計依據(jù)

“新視野”探測器熱控系統(tǒng)用于保證探測器整個任務(wù)周期內(nèi)工作正常，維持艙體、儀器設(shè)備、推進劑溫度處于規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。熱控系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)包括：

1）探測器設(shè)計壽命為15.25年，要求熱控系統(tǒng)具有高可靠性[4]。

2）發(fā)射初期，探測器離太陽距離相對較近，需要考慮太陽輻射對探測器熱控的影響；到達柯伊伯帶附近時，探測器離太陽的距離約為30～50AU[12]，太陽輻射熱流密度低于地球表面的千分之一，探測器處于極低溫環(huán)境之中。冥王星的熱環(huán)境特點如表2所示[13-14]。

3）由于“新視野”探測器需要飛往遙遠的冥王星以及柯伊伯帶進行探測，故儀器設(shè)備的工作模式為長期休眠，每隔一段時間通過地面指令喚醒儀器設(shè)備。

4）單組元肼推進劑的冰點為1.4℃，沸點為113.5℃，溫度控制要求為5～50℃[15]。

5）RTG在任務(wù)早期提供約226W電功率，任務(wù)末期提供約200W電功率[16]。

表2　冥王星熱環(huán)境特點Table 2 Thermal environment of the Pluto

3 探測器熱控設(shè)計方案

3.1整體熱控方案

“新視野”探測器熱控設(shè)計概貌如圖4[15]所示，發(fā)射前的熱控狀態(tài)如圖5[17]所示。探測器熱控設(shè)計采用“熱水瓶”式的整體熱控方案來平衡艙體內(nèi)部發(fā)熱和艙體漏熱。整個探測器艙體外部包覆多層隔熱材料，通過內(nèi)部儀器設(shè)備的發(fā)熱、RTG廢熱和電加熱器保持探測器溫度[16]。

圖4　“新視野”探測器熱控設(shè)計概貌Fig. 4 Thermal design features of New Horizons

圖5　“新視野”探測器發(fā)射前熱控實施狀態(tài)Fig. 5 Thermal design states of New Horizons, a few weeks before launch

在任務(wù)早期，下艙板面向太陽，且RTG產(chǎn)生的廢熱較大，探測器艙體溫度較高，當溫度超過25℃時開啟熱控百葉窗散熱，使艙體內(nèi)部維持在適宜的溫度范圍[5]。當RTG電功率超過儀器設(shè)備供電和維持內(nèi)部溫度所需加熱器電功率時，通過布置在-z軸和+z軸的2塊外部分流板排散多余的能量；這2塊分流板共有16個加熱器回路，每塊分流板能排散18W能量[4,16]。

加熱器軟件控制系統(tǒng)通過冗余的2.5、5、10、20W加熱器和3個30W加熱器的開關(guān)控制保持艙體功耗在預(yù)定的水平，且加熱器通過并聯(lián)保證高可靠性[15]。由于探測器的熱慣性較大，局部溫度變化受儀器設(shè)備開/關(guān)的影響，熱控系統(tǒng)不將溫度作為熱控控制變量，而是通過控制加熱電功率值高于某一特定值來保持探測器溫度[16]。當電功率與輻射散熱的差值低于特定值時，加熱器工作彌補這一差值。為了防止探測器局部溫度過低，設(shè)置了一系列臨界溫度監(jiān)控點監(jiān)測重要部位溫度。

推進系統(tǒng)溫度要求較高，貯箱和發(fā)動機組件直接安裝在探測器艙體上以增強其與探測器的熱耦合，從而有助于保持適宜的溫度。

3.2局部熱控方案

對于部分暴露在多層隔熱材料外部的部件和儀器設(shè)備，須進行單獨的熱控設(shè)計。每個推力器上有1個2W功率的加熱器，用于在啟動前將推力器加熱到125℃以上。加熱器只有約一半的加熱功率被探測器吸收，其他擴散到艙外，故有效功率只有約1W[15]。

由于星敏感器的工作溫度較低，需要與艙體隔熱。將2個星敏感器安裝在同一個支架上，1個星敏感器加熱器工作時可同時加熱2個星敏感器，需要散熱時則通過熱輻射器散熱[16]。

為了減少RTG對艙體的熱影響，將RTG通過低熱導(dǎo)率的鈦合金支撐結(jié)構(gòu)安裝在艙體上，并采用隔熱屏減少其對艙體的熱輻射影響。為防止RTG過熱，在其外部增加肋片進行散熱[5]。

3.3熱平衡試驗驗證

通過熱平衡試驗驗證了熱控系統(tǒng)設(shè)計的有效性，試驗表明：探測器能提供的電功率高于探測器所需的最低能量，負載開/關(guān)時熱控軟件能維持艙體的功耗水平不變[15]，加熱器可將艙體溫度維持在適宜的溫度范圍。

4 探測器熱控設(shè)計特點及啟示

“新視野”探測器任務(wù)周期長，其熱環(huán)境在整個任務(wù)周期內(nèi)復(fù)雜多變——飛行早期太陽輻射熱流較大，而主要的探測任務(wù)階段探測器又處于低溫環(huán)境中。針對這種熱環(huán)境，探測器熱控設(shè)計特點及啟示如下：

1）熱控設(shè)計主要考慮探測器的保溫，兼顧探測器局部和空間外熱流較大時的散熱。采用整體包覆多層隔熱材料加熱控百葉窗的熱控方案，而探測器的漏熱則通過電加熱器補償。這一熱控設(shè)計方案滿足了發(fā)射、休眠和科學(xué)數(shù)據(jù)收集等不同階段的熱控需求。

2）熱控方案與結(jié)構(gòu)方案、供電方案等探測器總體方案進行了充分融合。對于溫度要求較高的推進系統(tǒng)，直接將其安裝在探測器艙體上以增強其與探測器的熱耦合；采用低熱導(dǎo)率鈦合金支撐結(jié)構(gòu)和隔熱屏降低RTG對艙體的熱影響；通過內(nèi)回路給補償加熱器供電保持艙體溫度，而多余的RTG電功率通過外回路導(dǎo)向外部分流板排散。

3）采用多層隔熱材料、熱控百葉窗和主動電加熱等成熟的熱控制技術(shù)，且電加熱器具有備份設(shè)計，使熱控系統(tǒng)具有較高的可靠性，從而保證了探測器飛行超過9年后仍能正常工作。

4）對熱控設(shè)計方案進行充分的熱試驗驗證是飛行任務(wù)成功的保證?！靶乱曇啊碧綔y器進行了充分的熱平衡試驗，通過測試不同飛行任務(wù)下的加熱功率需求和溫度，驗證了熱設(shè)計、熱控軟件的正確、有效，確保熱控系統(tǒng)控制探測器溫度的能力，保證了儀器設(shè)備工作正常。

5 結(jié)束語

“新視野”探測器是第一個對冥王星、冥衛(wèi)和柯伊伯帶其他天體進行探測的航天器，在發(fā)射、在軌飛行和探測過程中經(jīng)歷了復(fù)雜多變的熱環(huán)境，其熱控系統(tǒng)能保證探測器在適宜的溫度范圍內(nèi)正常工作。探測器所用的“熱水瓶”式熱控方案，通過采用多層隔熱材料、熱控百葉窗和主動電加熱等熱控制技術(shù)確保探測器溫度水平?？臻g飛行器和其他深空探測器熱控系統(tǒng)可借鑒“新視野”探測器熱控系統(tǒng)的研制經(jīng)驗，根據(jù)任務(wù)特點和能源需求進行熱控系統(tǒng)設(shè)計。

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（編輯：張艷艷）

Thermal control design characteristics of the spacecraft New Horizons

Li Defu, Liu Xiaoxu, Zhu Shanglong, Deng Wan, Chen Yi
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

Abstract:The spacecraft New Horizons is the first spacecraft for the reconnaissance of Pluto and its satellites as well as other celestial bodies in the Kuiper Belt. The spacecraft faces with a complex and varied thermal environment in the launch, the on-orbit flight and the detection process, and its thermal control system is designed to ensure the instrument and the equipment in the appropriate temperature range of normal work. The overall design of the New Horizons is discussed, especially the thermal control design with its engineering basis, characteristics and some enlightenment.

Key words:New Horizons spacecraft; thermal control design; design enlightenment

作者簡介：李德富(1981—)，男，博士學(xué)位，高級工程師，主要從事航天器熱設(shè)計工作。E-mail: hitlidefu@163.com。

收稿日期：2015-09-05；修回日期：2016-01-17

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.019

中圖分類號：TK124

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0105-04