馬巨印 張有為 陳建新 宋馨 李慶輝

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

月球著陸器在變軌或動(dòng)力下降過(guò)程中，需要大推力發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作。連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火、大推力長(zhǎng)時(shí)間的真空羽流熱，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)周邊的設(shè)備、機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的羽流熱效應(yīng)。例如，嫦娥四號(hào)著陸器安裝了一臺(tái)7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)，它在近月制動(dòng)及動(dòng)力下降時(shí)點(diǎn)火工作，其工作時(shí)的羽流熱效應(yīng)會(huì)對(duì)周圍艙板及設(shè)備產(chǎn)生較大影響。目前，大推力羽流熱防護(hù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后的羽流值結(jié)果，需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真分析模型、試驗(yàn)驗(yàn)證相互多次迭代完成，由于理論計(jì)算存在較大的不確定性和試驗(yàn)條件難以模擬，結(jié)果偏差過(guò)大[1-8]。為此，本文提出大推力發(fā)動(dòng)機(jī)羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)與反演方法，以嫦娥四號(hào)探測(cè)器在軌羽流監(jiān)測(cè)裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了分析及反演，得到了相對(duì)準(zhǔn)確的在軌羽流熱效應(yīng)值，可為后續(xù)航天器大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱防護(hù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)與反演方法

多數(shù)月球著陸器一般都需要使用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道控制[9]，在大推力發(fā)動(dòng)機(jī)周邊高溫?zé)岱雷o(hù)區(qū)域要選擇適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作時(shí)能獲得一組溫度隨時(shí)間變化的曲線，再利用這組曲線反演得到發(fā)動(dòng)機(jī)羽流值。而監(jiān)測(cè)裝置溫度變化除了受發(fā)動(dòng)機(jī)羽流影響外，還受到外熱流的影響，包括太陽(yáng)輻射、月球紅外輻射、月面反照，反演過(guò)程中都需要考慮。反演過(guò)程中一個(gè)難點(diǎn)是羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置的熱容量很難準(zhǔn)確測(cè)量。要解決這個(gè)問(wèn)題，可以先采用標(biāo)定法得到監(jiān)測(cè)裝置的熱容量，再進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)羽流熱效應(yīng)值反演。標(biāo)定過(guò)程采用環(huán)月軌道上的外熱流進(jìn)行，即認(rèn)為軌道外熱流為已知的標(biāo)準(zhǔn)值(環(huán)月軌道外熱流設(shè)置已經(jīng)過(guò)嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)等多個(gè)探測(cè)器驗(yàn)證，采用該外熱流設(shè)置計(jì)算太陽(yáng)翼溫度，預(yù)示值與在軌遙測(cè)值誤差不大于5 ℃，表明該外熱流設(shè)置準(zhǔn)確度較高)。

監(jiān)測(cè)裝置換熱關(guān)系如圖1所示，監(jiān)測(cè)裝置為多種材料組合，包括敏感面(含溫度傳感器及硅橡膠)、隔熱層、固定結(jié)構(gòu)。根據(jù)敏感面的能量平衡關(guān)系可得到本文方法的基本方程為

(1)

式中：cP，m，T分別為敏感面的等效熱容、質(zhì)量和溫度；t為時(shí)間；Q1為敏感面吸收的空間外熱流；Q2為探測(cè)器發(fā)射的紅外熱流被敏感面吸收部分；Q3為敏感面吸收的發(fā)動(dòng)機(jī)羽流熱流；Q4為敏感面與裝置其他結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱流，由于隔熱層存在，一般可忽略；敏感面向外輻射熱流Q5=εσAT4，其中，ε為敏感片的發(fā)射率，σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量，A為敏感面面積。

由于式(1)中的溫度和部分熱流量為非線性量，為了高效計(jì)算，可以通過(guò)建立著陸器、發(fā)動(dòng)機(jī)和監(jiān)測(cè)裝置的反演熱分析模型(見(jiàn)圖2)，進(jìn)行迭代計(jì)算。對(duì)于一定軌道的反演熱分析模型，Q1和Q2在模型中為已知量。

環(huán)月周期性穩(wěn)定階段，遙測(cè)可得到的敏感面溫度T1(t)，發(fā)動(dòng)機(jī)未點(diǎn)火，Q3為0，利用反演熱分析模型可以標(biāo)定監(jiān)測(cè)裝置敏感面的等效熱容；發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階段，熱分析模型中探測(cè)器姿態(tài)按在軌狀態(tài)設(shè)置，遙測(cè)得到敏感面溫度T2(t)，將標(biāo)定的敏感面等效熱容賦予反演熱分析模型，利用反演熱分析模型可以計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)給予敏感面的羽流熱流Q3。

最后得到的羽流熱效應(yīng)值即為反演結(jié)果，可用于月球著陸器大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱防護(hù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

圖1 監(jiān)測(cè)裝置換熱示意

圖2 熱分析模型示意

2 實(shí)例驗(yàn)證

羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)與反演方法在嫦娥四號(hào)探測(cè)器上進(jìn)行了應(yīng)用與驗(yàn)證，在探測(cè)器的著陸腿面向發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)安裝了羽流監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)在軌飛行獲得了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)修正整器熱分析模型并進(jìn)行迭代，最終反演出在軌羽流熱效應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.1 熱分析模型

將本文提出的方法應(yīng)用于嫦娥四號(hào)探測(cè)器，采用Thermal Desktop熱分析軟件，按整器外輪廓建立熱分析模型，模型中包括探測(cè)器構(gòu)型、7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)、著陸緩沖機(jī)構(gòu)、羽流監(jiān)測(cè)裝置等；月表溫度根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)設(shè)置[10]；建立探測(cè)器環(huán)月飛行的軌道、動(dòng)力下降軌道，并根據(jù)嫦娥四號(hào)探測(cè)器在軌遙測(cè)參數(shù)修正熱分析模型，修正結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 用于羽流反演的熱分析示意

2.2 羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置

為監(jiān)測(cè)嫦娥四號(hào)著陸器7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)在軌工作時(shí)的羽流熱效應(yīng)值，為其設(shè)計(jì)了能夠適應(yīng)400 ℃寬溫區(qū)、對(duì)400 kW/m2短時(shí)超高羽流熱效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)裝置(見(jiàn)圖4)，它主要包括以下2個(gè)部分。

(1)敏感面：即羽流接收表面，其作用為吸收大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流后轉(zhuǎn)化為自身溫度的變化。為增加敏感面的靈敏度，敏感面的厚度應(yīng)盡量薄，一般控制在50～100 μm。另外，敏感面需要有一定力學(xué)強(qiáng)度來(lái)對(duì)溫度傳感器起到固定作用，故選擇不銹鋼箔作為敏感面。溫度傳感器緊貼敏感面內(nèi)側(cè)，用硅橡膠輔助固定，采用在敏感面外捆扎的方式壓緊固定，直接感知敏感面溫度的變化。

(2)隔熱層：敏感面溫度升高后即會(huì)向周圍傳熱，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。為準(zhǔn)確測(cè)量羽流值，需要使羽流熱盡可能全部轉(zhuǎn)化為敏感器的溫升，減少敏感面對(duì)周圍的傳熱，因此采用多層隔熱組件進(jìn)行隔熱。

監(jiān)測(cè)裝置安裝在受7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)影響較明顯的著陸緩沖機(jī)構(gòu)上，如圖5所示。敏感面面向7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)的一側(cè)噴涂了耐高溫抗氧化涂層；敏感面覆蓋在溫度傳感器上，采用不銹鋼絲在溫度傳感器兩側(cè)進(jìn)行捆扎；隔熱層采用雙面鍍鋁聚酰亞胺膜疊合而成。

為了提高監(jiān)測(cè)裝置對(duì)溫度的敏感度，監(jiān)測(cè)裝置的熱容量要盡可能小。在著陸緩沖機(jī)構(gòu)上先包覆隔熱層，測(cè)溫用的溫度傳感器粘貼在隔熱層外表面，如圖6所示；然后測(cè)溫點(diǎn)外面再包覆一層帶有高溫抗氧化涂層的不銹鋼箔，測(cè)溫點(diǎn)兩側(cè)用不銹鋼絲捆扎，確保不銹鋼箔與測(cè)溫點(diǎn)接觸。

圖4 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

圖5 監(jiān)測(cè)裝置安裝位置

圖6 溫度傳感器粘貼狀態(tài)

2.3 在軌監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

嫦娥四號(hào)著陸器環(huán)月過(guò)程及動(dòng)力下降過(guò)程中，羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置溫度變化如圖7(環(huán)月段)和圖8(動(dòng)力下降段)所示。根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)[11]，在環(huán)月段羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置所處位置的外熱流波動(dòng)幅度為(0～1100)W/m2，外熱流變化曲線如圖9所示。從圖7(環(huán)月)可以看出，監(jiān)測(cè)裝置對(duì)外熱流的變化非常敏感，在一個(gè)環(huán)月周期內(nèi)溫度波動(dòng)達(dá)到116 ℃，表明該監(jiān)測(cè)裝置溫度波動(dòng)隨外熱流變化明顯，測(cè)量結(jié)果可用于發(fā)動(dòng)機(jī)羽流熱效應(yīng)的監(jiān)測(cè)和反演。

圖8 在軌動(dòng)力下降段監(jiān)測(cè)裝置處溫度

圖9 監(jiān)測(cè)裝置處外熱流變化

在熱分析模型中，把軌道外熱流代入模型，將監(jiān)測(cè)裝置的熱容量進(jìn)行多次修正并迭代，使熱分析模型計(jì)算得到環(huán)月軌道上監(jiān)測(cè)裝置的溫度與在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)一致，熱分析計(jì)算得到監(jiān)測(cè)裝置環(huán)月段溫度曲線如圖10所示，標(biāo)定得到監(jiān)測(cè)裝置的熱容量為2.52 J/(kg·K)。

在標(biāo)定得到監(jiān)測(cè)裝置的熱容量后，在熱分析模型中多次修正在監(jiān)測(cè)裝置上施加的發(fā)動(dòng)機(jī)羽流值并迭代，使動(dòng)力下降過(guò)程中監(jiān)測(cè)裝置溫度與在軌遙測(cè)一致，反演得到的監(jiān)測(cè)裝置溫度與在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大誤差為5%，如圖11所示，得到監(jiān)測(cè)裝置吸收的發(fā)動(dòng)機(jī)羽流值為905 W/m2，監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)射率為0.83(地面實(shí)測(cè)值)，計(jì)算得出動(dòng)力下降過(guò)程中7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，到達(dá)監(jiān)測(cè)裝置表面的發(fā)動(dòng)機(jī)羽流值為1090 W/m2。后續(xù)月球著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)設(shè)計(jì)可借鑒此值進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

圖10 環(huán)月段監(jiān)測(cè)裝置處溫度(計(jì)算值)

圖11 反演得到的監(jiān)測(cè)裝置處溫度

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種大推力發(fā)動(dòng)機(jī)在軌羽流熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)與反演方法，通過(guò)對(duì)嫦娥四號(hào)著陸器在軌大推力發(fā)動(dòng)機(jī)羽流熱效應(yīng)的監(jiān)測(cè)及溫度數(shù)據(jù)分析，利用環(huán)月段溫度數(shù)據(jù)標(biāo)定得到監(jiān)測(cè)裝置的熱容量，修正整器熱分析模型，得到與在軌遙測(cè)一致的溫度后，經(jīng)過(guò)反演得到相對(duì)準(zhǔn)確的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)在軌真實(shí)羽流熱效應(yīng)數(shù)據(jù)。本文方法可為深空探測(cè)及載人登月等使用的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)羽流防護(hù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供支持，提升大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱防護(hù)設(shè)計(jì)水平。