，，，，，，

1.中國空間技術(shù)研究院 總體部，北京 100094 2.空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094 3.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機械研究所，西安 710119

月晝期間，月面日下點最高溫度約120℃;而月夜期間，月表溫度很快降低至-180℃左右，且持續(xù)340 h[1]。同時，在嫦娥三號探測器的設(shè)備月夜保溫過程中，無電能可用。設(shè)備的月晝高溫散熱和月夜保溫是月球探測的關(guān)鍵技術(shù)之一?！坝裢谩毖惨暺魃匣顒邮较鄼C利用耦合設(shè)計思路作為解決長月夜保溫和月晝散熱問題的方法[2]，而設(shè)備與散熱面間的變熱導(dǎo)特性也是解決散熱和保溫矛盾的有效途徑之一，即使設(shè)備在高溫時向散熱面?zhèn)鳠?，且在低溫時與散熱面隔熱。對于基于月球表面的光學(xué)設(shè)備，在解決其保溫和散熱問題時還應(yīng)考慮嫦娥三號探測任務(wù)的以下特點：

德國羅森伯格，一家擁有60年歷史的、擁有頂尖技術(shù)優(yōu)勢的無線射頻和光通信技術(shù)制造商，其在移動通信、汽車電子、測試計量以及光傳輸?shù)阮I(lǐng)域以領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢、先進的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)苛的品質(zhì)保證而享譽世界。羅森伯格FAKRA?、HSD?的信號傳輸技術(shù)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被毆美日系全線車型上廣泛采用；在HVR?高電壓和大電流的傳送技術(shù)上具有屏蔽性好、穩(wěn)定性高的技術(shù)優(yōu)勢；全新MTD?技術(shù)，完美詮釋了車載以太網(wǎng)解決方案。

1)月球表面晝夜溫差達300℃，熱量的傳輸、排散和截留控制措施應(yīng)避免使用活動部件，以提高可靠性。

2)在月夜無電能資源的情況下，熱量的傳輸、排散和截留控制措施不應(yīng)消耗電能；

3)熱量的集散應(yīng)適應(yīng)設(shè)備艙內(nèi)安裝要求[3]，即與散熱面間大于400 mm的距離約束。

熱開關(guān)是一種開關(guān)裝置，它通過驅(qū)動力調(diào)節(jié)導(dǎo)熱路徑通斷，從而起到導(dǎo)熱和絕熱的作用[4]。常見的熱開關(guān)(如機械熱開關(guān))是通過溫度改變時引起的材料(金屬、石蠟等)變形、氣體膨脹等產(chǎn)生的驅(qū)動力的作用下促使機械部件的運動，從而實現(xiàn)傳熱路徑的接通或斷開[5]。熱開關(guān)活動面的存在使得開關(guān)可靠性有所降低，如美國“月球勘測者”曾出現(xiàn)熱開關(guān)導(dǎo)熱面接通后粘接而斷不開的現(xiàn)象[6]。另外，熱開關(guān)適用于熱源和散熱面距離相對較近的情況。中國空間技術(shù)研究院開展了石蠟驅(qū)動型相變熱開關(guān)的在軌試驗[7]，在軌實測“開關(guān)比”能夠到達12以上[8]。但國內(nèi)已有的熱開關(guān)技術(shù)難以直接用于解決嫦娥三號著陸器月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡長距離熱量傳輸、熱量高效排散和低溫可靠截留問題。

本文對月面探測光學(xué)設(shè)備的月晝散熱和月夜保溫進行研究，利用熱管工質(zhì)的汽、液、固相變特性，來控制設(shè)備熱量的傳輸、排散，以及存留，并總結(jié)嫦娥三號月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡熱控的研制和飛行經(jīng)驗，以期為中國今后的行星表面探測器熱控設(shè)計提供參考。

1 熱開關(guān)熱管應(yīng)用概述

1.1 設(shè)計思路

圖1給出了嫦娥三號著陸器月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡熱控方案的示意。月晝工作時，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測所產(chǎn)生的7 W熱耗通過1根熱開關(guān)熱管收集，并傳遞至散熱面排散。月夜來臨時，隨著溫度逐漸降低至熱開關(guān)熱管的凝固點以下，熱管中的工質(zhì)開始凝固。熱管中的工質(zhì)凝固時，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡與散熱面間的漏熱僅為500 mm長鋁管和凝固后的工質(zhì)產(chǎn)生的漏熱。月夜期間，通過著陸器系統(tǒng)的同位素?zé)嵩春蛢上嗔黧w回路系統(tǒng)構(gòu)成的月夜保溫系統(tǒng)[9]，以輻射熱傳遞方式給予設(shè)備熱量，熱開關(guān)熱管斷開后該熱量得以存留，從而實現(xiàn)了設(shè)備的月夜保溫。

為滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多節(jié)點、傳輸速率高、組網(wǎng)范圍大等需求[6],采用RS-485總線進行數(shù)據(jù)傳輸,其邏輯電平的高低通過差分線之間的壓差表示,總線接口由平衡驅(qū)動器和差分接收器兩部分組成,提高總線驅(qū)動能力的同時提高了總線抗共模干擾的能力,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.2 熱開關(guān)熱管

為了能夠控制熱管，必須修正熱管蒸發(fā)過程、蒸氣流向冷凝段過程、冷凝過程和冷凝液回流過程中的一個或多個。綜合考慮熱管可靠性、傳熱能力和重力環(huán)境，本文所述熱管的運行驅(qū)動力主要利用月面重力，采用凍結(jié)工質(zhì)的方式來完全切斷熱管的運行。熱管設(shè)計中，根據(jù)凝固點(工質(zhì)選擇主要因素之一)選擇工質(zhì)，確定熱開關(guān)熱管具備運行條件，并檢驗工質(zhì)的傳熱極限檢驗。

熱管運行須令最大毛細(xì)壓差大于液體回流所需壓降、蒸氣流向冷凝段所需壓降，以及重力壓差，而最大傳熱量根據(jù)最大質(zhì)量流量求得。最大壓差和最大傳熱量可表示為：

如圖6所示，夜晝轉(zhuǎn)換過程中，輻射板受到的太陽輻射能量逐漸增加，熱開關(guān)熱管在高于凝固點時，熱開關(guān)熱管解凍。在太陽高度角達到20°時，熱管蒸發(fā)段溫度為-8℃，此時著陸器喚醒，熱管順利打開。熱管熱開關(guān)熱管解凍后，其蒸發(fā)段與冷凝段溫差小于10℃。解凍后，隨著環(huán)境溫度的逐漸上升，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡開始工作。在設(shè)計的高溫工況下工作時，熱管工作正常，蒸發(fā)段最高溫度為23.5℃，滿足設(shè)備的溫度要求。

相對于在軌航天器使用較多的凝固點為-77.7℃的氨工質(zhì)熱管，熱開關(guān)熱管采用的工質(zhì)為八氟環(huán)丁烷(C4F8)，其凝固點為-40.1℃，略高于月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡-50℃的最低存儲溫度指標(biāo)。熱開關(guān)熱管工作過程中，在凝固點附近熱管內(nèi)工質(zhì)凍結(jié)，從而減少熱管傳熱量來維持月夜時艙內(nèi)設(shè)備的存儲溫度。

利用月面重力作為熱管驅(qū)動力則需要考慮探測器傾斜的影響。如圖2所示，為了克服探測器月面可能存在的±15°傾斜帶來的逆重力影響，熱開關(guān)熱管蒸發(fā)段具有15°傾角，當(dāng)設(shè)備傾斜15°以內(nèi)，月面重力輔助回流角不小于0°，使熱管可適應(yīng)微重力、月球重力及設(shè)備的傾斜。

由圖5可知，晝夜轉(zhuǎn)換過程中，熱開關(guān)熱管在低于凝固點時凍結(jié)，熱開關(guān)熱管凍結(jié)后，熱管漏熱大幅減小。在熱管凝結(jié)過程中，熱管過渡段、冷凝段下部和冷凝段中部均出現(xiàn)等溫平臺，可見工質(zhì)在上述部位均有凝結(jié)。隨著熱管的逐步凍結(jié)，設(shè)備向艙外的漏熱量逐漸減少，蒸發(fā)段溫度迅速升高，而冷凝段溫度迅速下降。在長達5個地球日的模擬月夜試驗中，熱管安裝面溫度最終平衡為-42.1℃，整個熱管完全凝固狀態(tài)，從而保證了月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡月夜-60℃的存儲溫度指標(biāo)。

2 地面試驗結(jié)果

2.1 熱開關(guān)熱管開關(guān)性能

熱開關(guān)熱管的工作狀態(tài)受月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡周圍輻射板、艙蓋機構(gòu)、-Y太陽翼和-Y兩相流體回路等因素影響較大。因此在嫦娥三號著陸器整器初樣熱平衡試驗中進行了熱開關(guān)熱管月夜斷開、月晝解凍和月晝工作試驗。試驗中，除熱開關(guān)熱管重力輔助為地球重力外，其余熱控狀態(tài)與在軌狀態(tài)一致。

有研究者認(rèn)為《蘇北女人》中的女主角令人想起女媧補天的神話故事，我非常贊同。女媧的兩個偉大創(chuàng)舉是造人和補天。柳采蓮一生養(yǎng)育了四個孩子，兩次到石宕里采石、筑屋補屋，恰與之形成對應(yīng)關(guān)系。養(yǎng)育孩子就是“造人”的隱喻，采石、筑屋可以視作“補天”的隱喻。在遠(yuǎn)古神話中，“四極廢，九州裂，天不兼覆，地不周載，火爁焱而不滅，水浩洋而不息，于是女媧煉無色石以補蒼天”[3]284。柳采蓮們的行為是否可看作對現(xiàn)代性的“爁焱”大火造成的“天”之“裂隙”的象征性補救呢？

（1）大數(shù)據(jù)的特點。信息爆炸是當(dāng)下大數(shù)據(jù)時代感受最為直接，也是最為突出的時代特點，具體來說可以概括為數(shù)據(jù)量大、類型繁多、價值密度低、速度快和時效高。

表1 熱開關(guān)熱管打開和斷開性能測試結(jié)果Table 1 Results of HPTS on-off performance test

2.2 熱開關(guān)熱管工作性能

地面試驗測試了熱開關(guān)熱管在不同溫度、傾角下的工作性能，其中蒸發(fā)段與地面夾角分別設(shè)置為1°和5°，用于模擬探測器在月面的不同傾斜。不同溫度和傾角下，熱開關(guān)熱管傳熱量均設(shè)置為(14.5±0.5) W。如圖4所示，隨著溫度的升高，熱管蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱溫差逐漸減小，在7℃時，熱管傳熱溫差最大，最大為3.9℃。另外，蒸發(fā)段與地面夾角從1°升高到5°，傳熱溫差有所降低。這是由于重力輔助的增大，熱管的傳熱能力有所增強。

2018年8月3日，遼寧省沈陽市沈北新區(qū)發(fā)生一例非洲豬瘟疫情，經(jīng)過中國衛(wèi)生與流行病學(xué)中心確認(rèn)，該疫情為我國首次發(fā)生的非洲豬瘟疫情。疫情發(fā)生后，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部根據(jù)《非洲豬瘟疫情應(yīng)急預(yù)案》啟動了二級應(yīng)急響應(yīng)，采取了封鎖、撲殺、無害化處理以及消毒等措施，禁止所有生豬、易感動物和產(chǎn)品運入或流出封鎖區(qū)，同時沈陽市全面禁止生豬向外調(diào)運。在各部門配合下，此次疫情得到很好的控制，沒有發(fā)生大面積的傳播感染。但是因為非洲豬瘟一直以來都被我國列為一類動物疫病，是重點防控的外來病，近年一直在俄羅斯和東歐國家傳播，我國有必要對該動物疫病進行研究。

測試結(jié)果如表1和圖3所示，熱開關(guān)熱管在工質(zhì)凝固點附近的熱導(dǎo)比為33，斷開后蒸發(fā)段與冷凝段的熱阻大于33℃/W。

2.3 設(shè)備的地面熱平衡驗證

地面測試時，通過測試熱導(dǎo)比判斷熱管打開和斷開性能，熱導(dǎo)比定義為打開狀態(tài)下的熱導(dǎo)與閉合狀態(tài)下的熱導(dǎo)之比。試驗方案如下：蒸發(fā)段和過渡段均做絕熱處理，僅冷凝段散熱。在相同的蒸發(fā)段溫度條件下，測試熱管打開和斷開狀態(tài)下的漏熱量和溫差，從而獲得熱阻和熱導(dǎo)比。其中，蒸發(fā)段控溫為Tv，熱管打開時冷凝段溫度為Tc-on，熱管斷開時冷凝段溫度為Tc-off。兩種狀態(tài)下蒸發(fā)段的控溫功率分別為Qon和Qoff，由此可得熱開關(guān)熱管斷開和低溫工作時的熱導(dǎo)比：

熱開關(guān)熱管開關(guān)設(shè)計性能為：在月球表面1/6g狀態(tài)下，冷凝段安裝面與水平面夾角為5°、35°時，熱管在[ 8℃，23℃]下傳熱能力大于10 W，在[23℃，45℃]下傳熱能力大于15 W。而熱管斷開后，蒸發(fā)段溫度在高于凝固點時，蒸發(fā)段末端到冷凝段起始端間的熱阻大于33 ℃/W。

式中：ΔPcmax為最大毛細(xì)壓差；ΔPl為液態(tài)工質(zhì)回流所需壓降；ΔPv為氣態(tài)工質(zhì)流向冷凝段所需壓降；ΔPg為重力壓差；mmax為最大質(zhì)量流量；L為氣化潛熱；l為熱管長度；ρl為工質(zhì)的液相密度；σl表面張力；μl工質(zhì)的液相動力粘度；K為管芯滲透率；A管芯橫截面積；re為管芯毛細(xì)孔有效半徑；φ為熱管與水平面的夾角。

3 在軌情況

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在落月后開始工作。在落月后第一個完整月球日的白晝工作期間，熱開關(guān)熱管正常工作，保證了設(shè)備溫度不超過25℃。在經(jīng)歷月夜的嚴(yán)酷低溫考驗后，設(shè)備和熱管均正常工作。圖7給出了熱開關(guān)熱管在軌第1個月晝期間所有測控弧段內(nèi)的溫度曲線，月晝期間月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡根據(jù)任務(wù)情況進行加斷電。

2.3 處女蠅的收集時間探討 無論是哪種方法收集處女蠅，時間的控制對處女蠅的收集都很重要。果蠅在接種以后，前期羽化的果蠅中雌果蠅數(shù)量較多，而羽化2～3批次后雄果蠅數(shù)量偏多。原因是當(dāng)培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分減少，雌蠅的發(fā)育受到限制，雄蠅卻發(fā)育正常。但是在雜交實驗親本選擇時，一定要優(yōu)先保證處女蠅(即雌蠅)的數(shù)量。因此，在果蠅接種后每隔1周要在培養(yǎng)基表面加入2～3滴營養(yǎng)液，以保證整個培養(yǎng)過程中雌蠅發(fā)育所需的營養(yǎng)，平衡雌雄蠅羽化的比例[4]。同時，也盡量根據(jù)果蠅的培養(yǎng)時間來收集處女蠅，確保雜交實驗的成功。

2015年8月25日(第22個月球日)，著陸器在相對較低太陽高度角(12.1°)喚醒，喚醒后月基在蒸發(fā)段為-36.7℃時開始工作，加電后熱管蒸發(fā)段溫度逐漸上升至31.7℃，此時月基出現(xiàn)高溫，熱管處于過熱狀態(tài)且尚未打開。在重新進入測控弧段，太陽高度角為22°，月基蒸發(fā)段溫度為-23.4℃時加電工作，加電后月基溫度逐漸上升至-14.3℃，熱管正常工作，如圖8所示。

MWJ-2418智能門窗保溫性能試驗機的基本原理為標(biāo)定熱箱法測定傳熱系數(shù)，熱箱內(nèi)的電加熱器散熱量為總熱量，將總熱量減去熱箱向環(huán)境空間的散熱量和試件框的熱損失，即為熱箱熱量通過試件向冷箱傳遞的熱量.根據(jù)兩側(cè)傳熱量、兩側(cè)空氣溫度以及試件面積，便可求得傳熱系數(shù)K值.

針對熱開關(guān)熱管過熱問題分析如下：根據(jù)熱開關(guān)熱管地面熱平衡試驗，熱管在凍結(jié)過程中，工質(zhì)大部分凍結(jié)在熱管的過渡段和冷凝段。在月面工作中，熱管若需正常工作，需建立從蒸發(fā)段到冷凝段的工質(zhì)循環(huán)。在軌出現(xiàn)的熱管過熱問題，主要是由于著陸器在低太陽高度角(12°)開始喚醒，熱管冷凝段受到的太陽輻射較小且輻射板溫度也較低，月基工作時冷凝段的工質(zhì)尚未解凍，無法建立工質(zhì)循環(huán)，熱管出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。地面試驗過程中，著陸器在設(shè)計的標(biāo)稱太陽高度角(20°)喚醒工作并展開覆蓋在熱開關(guān)熱管冷凝段的太陽翼，此時冷凝段的工質(zhì)已經(jīng)完全解凍，所以月基在工作時，熱管順利啟動。另外，比對在軌月食前后(如圖9所示)熱開關(guān)熱管的啟動過程數(shù)據(jù)可以看出，大太陽高度角下(40°)，熱管均能順利啟動。由此可見，利用工質(zhì)凍結(jié)性能進行熱導(dǎo)控制的熱開關(guān)熱管，在凍結(jié)過程中，大部分工質(zhì)將凝固于冷凝段。熱管在啟動過程中，當(dāng)冷凝段低于凝固點，熱管將出現(xiàn)啟動過熱問題。若需要在冷凝段低于凝固點下工作的設(shè)備，使用熱開關(guān)熱管時，可考慮設(shè)計短期預(yù)熱加熱器或降低工質(zhì)凝固點。

另外，在軌第22個月球日熱開關(guān)熱管的打開過程數(shù)據(jù)表明，熱開關(guān)熱管打開前后溫差達53.8℃，熱開關(guān)熱管的開關(guān)效果明顯。截至2017年4月16日，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡已在月面高效、可靠地工作了3年零4個月。

綜上所述，熱開關(guān)熱管隨著溫度的變化自動實現(xiàn)開斷，凝固點附近的熱導(dǎo)比大于33。熱開關(guān)熱管打開時，7℃時的傳熱能力大于15 W，傳熱溫差小于4℃，且能夠適應(yīng)月面重力和探測器傾斜的影響。熱管斷開時，蒸發(fā)段和冷凝段的熱阻大于33℃/W。熱管低溫啟動時，需關(guān)注熱開關(guān)熱管的低溫啟動問題。

2018年5月8日，美國總統(tǒng)特朗普單方面宣布退出《伊朗核協(xié)議》，并設(shè)置過渡期，分階段、分批次啟動對伊朗的制裁政策。雖然美國于2018年11月5日宣布給予中國180天臨時豁免，但這種豁免具有局限性和不確定性。因此，了解和研究美國對伊朗能源制裁政策具有重要現(xiàn)實意義。

4 結(jié)束語

本文針對月面環(huán)境特點，提出了熱開關(guān)熱管解決月面工作光學(xué)設(shè)備高低溫問題的熱控設(shè)計方法，通過分析計算及在軌數(shù)據(jù)驗證，得出以下幾點結(jié)論：

1)針對月面環(huán)境特點，采用一種無源熱開關(guān)熱管，解決了月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡月晝熱量的收集、傳輸和月夜熱量存留的矛盾，同時滿足了熱耦合開關(guān)的無源化和高可靠。

2)地面試驗和在軌飛行數(shù)據(jù)表明：熱開關(guān)熱管很好地實現(xiàn)了開關(guān)功能，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡溫度水平均優(yōu)于指標(biāo)要求。熱開關(guān)熱管具有良好的高溫導(dǎo)熱和低溫阻斷傳熱的特點，將會使其在未來的空間飛行器熱控中廣泛應(yīng)用。

3)利用工質(zhì)凍結(jié)性能進行熱導(dǎo)控制的熱開關(guān)熱管，設(shè)計時關(guān)注低溫啟動時冷凝板的溫度，避免低溫啟動出現(xiàn)設(shè)備過熱超溫現(xiàn)象。

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