鄒天琦，陳江平2,趙 亮2,王 帥,謝 鳴

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

月面著陸器是月球探測任務(wù)中的重要組成部分，在月表的復(fù)雜熱環(huán)境下執(zhí)行探測任務(wù)，要求內(nèi)部電子設(shè)備的工作溫度不超過某特定溫度，以確保設(shè)備的正常工作[1]，要求載人月球車必須具有自適應(yīng)能力強(qiáng)的散熱系統(tǒng)[2-3]，它是影響月球車整體性能、安全可靠的關(guān)鍵因素，對我國實(shí)現(xiàn)月球探測具有深遠(yuǎn)的意義[4-5]。自上世紀(jì)末，美國NASA在詹姆斯·韋伯太空紅外觀測望遠(yuǎn)鏡中采用遮陽板作為輔助溫控系統(tǒng)以來，美、俄等國家在空間飛行器上多次采用遮陽傘作為輔助熱控裝置抑制太陽對局部設(shè)備的輻照加熱，但對于設(shè)備整體以及同時(shí)考慮太陽輻照加熱抑制與空間輻射散熱功能的遮陽傘溫控裝置缺乏研究。熱控系統(tǒng)是月面著陸器的主要系統(tǒng)[6]，由于月面熱環(huán)境溫度變化明顯，表面極限溫度可達(dá)到400 K以上，此時(shí)月面著陸器散熱面只能位于其頂面，但受太陽照射影響，散熱能力受限，嚴(yán)重抑制了著陸器的整體性能。本文結(jié)合月面著陸器熱環(huán)境以及太陽光輻照加熱的特點(diǎn)，以提高月面著陸器散熱能力為目標(biāo)，提出一種用于月面著陸器遮陽傘輔助熱控的方法，通過遮陽傘抑制太陽直射輻照加熱的同時(shí)，著陸器上部散熱面仍具備向空間散熱的能力，保證元器件正常工作和宇航員的正常生活環(huán)境，從而增強(qiáng)航天器月面探測能力和駐留能力，增加月面著陸器的可靠性和安全性。采用該方法并與月面著陸器熱控分析模型相結(jié)合，以阿波羅登月著陸器為對象，分析了無遮陽傘、固定型遮陽傘以及調(diào)節(jié)型遮陽傘這三類應(yīng)用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能，獲得了不同情況下月面著陸器散熱能力隨太陽高度角的變化關(guān)系。

1 數(shù)理模型及計(jì)算方法

月面著陸器遮陽傘輔助熱控原理如圖1所示。采用遮陽傘可以遮擋直射的太陽光，同時(shí)增大傘離開散熱面距離，降低傘對散熱面的立體角，從而減弱散熱面朝向深冷空間排散熱量的影響，在抑制太陽直射輻照加熱的同時(shí)保障了月面著陸器的散熱能力。其中月球表面吸收的熱量主要為來自太陽的輻射，來自其它天體和天空的背景輻射可忽略，因此其接收到的熱流密度為[7-8]

qma=am1Csinθ

(1)

式中qma——月球表面吸收到的熱輻射熱流；

am1——月球表面對太陽輻射的吸收率；

C——太陽常數(shù)；

θ——太陽高度角。

與月球表面接收到的太陽輻射熱流密度相比，月球表面接受到的地球輻射熱流密度和月壤導(dǎo)熱熱流密度可以忽略，則月球表面的輻射平衡溫度Tm為[9-10]

(2)

式中εm——月球表面的發(fā)射率；

σ——黑體輻射常數(shù)。

當(dāng)月面著陸器上部無遮陽傘時(shí)，著陸器表面熱流密度為[11]

岸上的男子跳上船，船猛地向下一沉，擺渡人晃了晃，扶著船沿才沒有摔倒。男子笑呵呵地問：“你叫什么名字？”他搖著槳，沉吟道：“誰謂河廣？一葦杭之?！蹦凶影讯錅愡^來，疑惑地問：“你說什么？”他淡淡一笑，重復(fù)道：“誰謂河廣？一葦杭之?！蹦凶诱f：“我問你叫什么名字。”他還是道：“誰謂河廣，一葦杭之?！蹦凶訐u搖頭，低聲自言自語：“是裝傻還是真瘋？”男子又問：“你從哪里來？”他說：“遠(yuǎn)方?！蹦凶硬唤?，“遠(yuǎn)方是哪里？”他說：“遠(yuǎn)方就是遠(yuǎn)方。”

(3)

式中α2——著陸器表面涂層的吸收率；

ε2——著陸器表面涂層的發(fā)射率；

T2——著陸器表面的溫度；

Ttk——太空當(dāng)量輻照溫度；

Q——著陸器需排散的熱量。

當(dāng)月面著陸器上部有遮陽傘時(shí)，其散熱能力依據(jù)遮陽傘是否依據(jù)太陽高度角變化而不同，將太陽輻射熱流視為均勻熱流，遮陽傘表面視為均勻壁溫[12]，當(dāng)遮陽傘不可調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽傘表面熱流密度可表示為

(4)

(5)

當(dāng)月面著陸器上部遮陽傘可調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽傘表面熱流密度可表示為

(6)

著陸器表面熱流密度可表示為

(7)

式中ε11——遮陽傘上表面的發(fā)射率；

T1——遮陽傘上表面的溫度；

ε12——遮陽傘下表面的發(fā)射率；

α12——遮陽傘下表面的吸收率；

x21——遮陽傘角系數(shù)；

εm——月球表面發(fā)射率；

ρm——月球表面反射率；

α11——遮陽傘上表面的吸收率；

β——遮陽因子。

為了比較散熱能力變化，定義散熱能力提高比為[13-14]

(8)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

考慮到阿波羅登月著陸點(diǎn)選擇在赤道附近緯度不大于30°的范圍內(nèi)，我國開展載人登月也會將登月著陸點(diǎn)首選在此區(qū)域，因此以阿波羅登月著陸器為例對無遮陽傘、固定型遮陽傘以及調(diào)節(jié)型遮陽傘這三類應(yīng)用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能進(jìn)行分析。

由于月球的自轉(zhuǎn)，表面輻射平衡溫度隨時(shí)間周期性變化，周期為一個(gè)月球日。月球表面不同緯度地區(qū)的輻射平衡溫度在一個(gè)月球日中的變化如圖2所示[8]，可見在緯度不大于30°的范圍內(nèi)輻射平衡溫度差別較小。以月球赤道處載人月面著陸器需排散1 500 W的熱量(阿波羅著陸器的散熱能力水平)為例進(jìn)行分析。

圖3顯示出了遮陽傘表面溫度隨太陽高度角的變化，可看出可調(diào)節(jié)式遮陽傘的表面溫度略微高于傘柄不可調(diào)節(jié)式遮陽傘的表面溫度；圖4顯示出了散熱能力隨太陽高度角的變化關(guān)系，遮陽傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)，隨太陽高度角增大，散熱能力逐漸升高，最終和遮陽傘傘柄可調(diào)節(jié)時(shí)的散熱能力相當(dāng),攜帶有可調(diào)節(jié)式遮陽傘的輻射器的散熱能力明顯優(yōu)于攜帶有傘柄不可調(diào)節(jié)式遮陽傘的輻射器及無遮陽傘的輻射器的散熱能力；圖5顯示出了散熱能力提高比隨太陽高度角的變化關(guān)系，當(dāng)遮陽傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)，散熱能力在太陽高度角較大時(shí)才逐漸提高，當(dāng)遮陽傘傘柄可調(diào)節(jié)時(shí)，散熱能力提高比隨太陽高度角的增加而增大，并且散熱能力提高比明顯大于遮陽傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)的散熱能力提高比。

無遮陽的散熱量小于所需排散的熱量；有遮陽傘時(shí)，當(dāng)遮陽傘傘柄不可調(diào)節(jié)時(shí)，散熱量隨太陽高度角變化較大，當(dāng)太陽高度角較大時(shí)，散熱功率高于額定功率，滿足要求，當(dāng)太陽高度角較小時(shí)，散熱功率低于額定功率，無法滿足要求；當(dāng)遮陽傘傘柄可調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽傘散熱功率大于所需額定功率，且散熱功率隨太陽高度角的變化而基本不變，為了使散熱量與需排散的熱量相等，可在設(shè)計(jì)的過程中減少輻射散熱器的面積，輻射器的散熱量與載人月面著陸器需排散的熱量近似相等，不需要增加水升華器或可展開式輻射器。

3 結(jié) 論

結(jié)合月面著陸器熱環(huán)境以及太陽光輻照加熱的特點(diǎn)，以提高月面著陸器散熱能力為目標(biāo)，提出一種用于月面著陸器遮陽傘輔助熱控的方法，通過遮陽傘抑制太陽直射輻照加熱的同時(shí)，著陸器上部散熱面仍具備向空間散熱的能力，保證元器件正常工作和宇航員的正常生活環(huán)境，從而增強(qiáng)航天器月面探測能力和駐留能力，增加月面著陸器的可靠性和安全性。采用該方法并與月面著陸器熱控分析模型相結(jié)合，以阿波羅登月著陸器為對象，分析了無遮陽傘、固定型遮陽傘以及調(diào)節(jié)型遮陽傘這三類應(yīng)用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能，研究結(jié)果顯示有、無遮陽傘輔助熱控裝置，散熱性能相差300%，并且可調(diào)節(jié)型遮陽傘輔助熱控裝置可滿足月面著陸器整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)的散熱性能要求。