王海亮，張萬(wàn)欣，李 猛，尚 坤，楊洪瑞

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

1 引言

登月服是航天員實(shí)施月面出艙活動(dòng)必不可少的個(gè)體防護(hù)與作業(yè)保障的核心裝備，相比于近地軌道出艙活動(dòng)，月球探測(cè)中的熱環(huán)境條件更為苛刻，對(duì)登月服的防護(hù)要求更高。

月面為高真空環(huán)境(大氣壓力為10-12～10-11Pa)[1]，可忽略對(duì)流換熱及月球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射能的衰減作用，而且不存在大氣層溫室效應(yīng)，太陽(yáng)無(wú)法照射到的陰影區(qū)和夜間的月面紅外輻射熱量直接流向太空，導(dǎo)致月球表面晝夜溫差極大，赤道地區(qū)月晝溫度約為400 K，太陽(yáng)無(wú)法照射到的陰影區(qū)和月夜的月面溫度為90 K[2]。

此外，月面熱環(huán)境受月球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)影響，月球自轉(zhuǎn)1周的時(shí)間恰好等于公轉(zhuǎn)1周的時(shí)間，自轉(zhuǎn)周期為29.53個(gè)地球日[3]，晝夜時(shí)長(zhǎng)約各15個(gè)地球日，月面處于連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的高溫月晝或低溫月夜。

對(duì)于登月服在月面的熱分析，吳清才[4]建立了航天員與月面環(huán)境之間的熱交換數(shù)學(xué)模型，將登月服簡(jiǎn)化為垂直于月球表面的圓柱體，通過(guò)理論計(jì)算分析了登月服在月球表面的熱平衡；寇翠翠等[5]將人體劃分為15個(gè)節(jié)段，將登月服簡(jiǎn)化為包裹在人體外的同心圓環(huán)，編程計(jì)算了月面溫度為90 K和400 K，人體代謝產(chǎn)熱率為300 W和600 W情況下登月服的熱調(diào)節(jié)性能；Martin[6]研究了航天服使用鍍鋁表面和特殊表面處理2種不同工藝時(shí)，在無(wú)冷源、中等代謝產(chǎn)熱條件下不發(fā)生人體過(guò)熱的月面活動(dòng)允許暴露時(shí)長(zhǎng)；Jones[7]通過(guò)航天服的熱平衡方程，計(jì)算了在行星表面有太陽(yáng)照射和無(wú)太陽(yáng)照射條件下的航天服外熱流及外表溫度；Ochoa等[8]調(diào)研分析了月面環(huán)境熱特性、人體代謝數(shù)據(jù)和航天服外熱流情況，建立了隨緯度和時(shí)間變化的月面溫度計(jì)算模型，使用熱綜合分析系統(tǒng)(Thermal Synthesizer System，TSS)和熱仿真軟件(Systems Improved Numerical Data Analyzer，SINDA)分析了不同形式登月服輻射器在高溫月面的散熱能力；Hager等[9-10]基于MATLAB建立了月面熱仿真模型TherMoS，包含隕石坑、巨石和斜坡等月面熱環(huán)境，并以等外表面積的立方體模擬航天服，以一個(gè)熱節(jié)點(diǎn)模擬人體，計(jì)算著服航天員在月球和火星上的不同負(fù)荷水平和緯度下的靜態(tài)最小和最大熱負(fù)荷，進(jìn)一步建立了登月服模型V-Suit，分析了不同太陽(yáng)高度下沿不同路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)登月服表面的瞬態(tài)熱流。

上述文獻(xiàn)中[4,6-7]為理論分析計(jì)算，給定月面溫度，將登月服簡(jiǎn)化為立柱，缺點(diǎn)是使用簡(jiǎn)化的登月服模型無(wú)法分析各個(gè)部位之間的溫度差異，且未考慮靴子與月面之間的熱傳導(dǎo)；文獻(xiàn)[5,8-10]分別采用數(shù)值計(jì)算、集總參數(shù)法、MATLAB開(kāi)發(fā)程序?qū)Φ窃路牟煌瑹嵝阅苓M(jìn)行了分析，但缺乏全緯度、晝夜全周期整服熱交換的系統(tǒng)分析及不同部位溫度的差異分析。

本文為研究月面出艙活動(dòng)過(guò)程中月面熱環(huán)境對(duì)登月服的影響，對(duì)月面環(huán)境下登月服進(jìn)行熱分析，使用TMG熱分析軟件，建立了月面-登月服熱仿真模型，月面模型可根據(jù)不同緯度、不同時(shí)刻太陽(yáng)輻照差異自動(dòng)計(jì)算月面溫度，采用蒙特卡羅法計(jì)算登月服與月面的輻射換熱。針對(duì)不同緯度與不同時(shí)刻，開(kāi)展了登月服漏熱量和不同部位溫度分布的熱仿真計(jì)算與分析，為登月服的熱設(shè)計(jì)提供參考。

2 月面環(huán)境下登月服傳熱分析

通常情況下，月面出艙活動(dòng)選擇在月晝進(jìn)行，此時(shí)月球表面的主要熱源有太陽(yáng)輻照、月面紅外輻射、月面反照、地球紅外輻射、地球反照[11]，同時(shí)還需考慮月表與登月服靴底之間的熱傳導(dǎo)，由此得到登月服與月面環(huán)境之間的傳熱關(guān)系，如圖1所示。

圖1 登月服與環(huán)境熱交換Fig.1 Heat exchange between lunar EVA suit and environment

登月服外表面熱平衡方程，如式(1)所示：

QS+QIR,E+Qalbedo,E+Qalbedo,M+QIR,M+QC-QIR

=λA1(To-Ti)/δ

(1)

式中，QS為登月服吸收的太陽(yáng)直接輻照熱量；QIR,E為登月服吸收的地球紅外輻射熱量；Qalbedo,E為登月服吸收的地球反照熱量；Qalbedo,M為登月服吸收的月面反照熱量；QIR,M為登月服吸收的月面紅外輻射熱量；QC為登月服與月球接觸部位的傳導(dǎo)熱量；QIR為登月服外表面輻射熱量；λ為登月服殼體的導(dǎo)熱系數(shù)，A1為登月服的外表面積，Ti、To分別為殼體的內(nèi)外表面溫度，δ為殼體厚度。

各部分熱量分析如下：

1) 太陽(yáng)輻照。登月服吸收的太陽(yáng)輻照熱量為式(2)：

QS=α1×AS×S

(2)

式中，α1為登月服表面太陽(yáng)吸收比，AS為登月服在太陽(yáng)入射方向的投影面積，S為月面太陽(yáng)常數(shù)。由于地月距離相對(duì)日地距離很小，近似認(rèn)為日月距離等于日地距離，太陽(yáng)常數(shù)[12]選取平均日地距離 (S=1367 W/m2)。

2) 地球紅外輻射。月球表面離地球最近點(diǎn)吸收的地球熱輻射最強(qiáng)，此處地球輻射熱流密度如式(3)所示：

(3)

式中，qE是地球表面的平均輻射熱流密度，RE是地球平均半徑，L是地月距離。月球表面的地球輻射熱流密度小于0.6 W/m2，可以忽略登月服吸收的地球紅外輻射熱量QIR,E[3]。

3) 地球反照。登月服吸收的地球反照熱量Qalbedo,E比地球紅外輻射更少[3]，地月平均距離約為384 400 km，地球反照對(duì)登月服的影響可以忽略不計(jì)[2]。

4) 月面反照。月球表面太陽(yáng)吸收比為0.93，反射率為0.07[13]，具有高吸收低反射的特點(diǎn)，表面月塵發(fā)生漫反射，可忽略Qalbedo,M對(duì)登月服的影響。

5) 月面輻射。登月服吸收的月面輻射熱量如式(4)所示：

(4)

式中，X1,2為登月服對(duì)月面的輻射角系數(shù)，ε1為登月服的表面發(fā)射率，ε2為月球的表面發(fā)射率，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，TM為月面溫度。

6) 月面熱傳導(dǎo)。登月服靴底與月面接觸部位發(fā)生熱傳導(dǎo)，如圖2所示。

圖2 登月服與月面的熱傳導(dǎo)Fig.2 Thermal conduction between lunar EVA suit and lunar surface

由于月面細(xì)小的月塵與靴底充分接觸，忽略接觸熱阻，靴底與月面之間的傳導(dǎo)熱量如式(5)所示：

(5)

式中，TM、Ti分別為月表面、靴底內(nèi)側(cè)溫度，δ1為靴底厚度，λ1為靴底導(dǎo)熱系數(shù)，Acontact為靴底與月面接觸面積。

7) 登月服表面輻射熱量。登月服表面輻射熱量如式(6)所示：

(6)

式中，ε1為登月服的表面發(fā)射率。

通過(guò)上述分析，地球輻射、地球反照和月面反照對(duì)登月服的影響可以忽略，登月服外表面的熱平衡方程可簡(jiǎn)化為式(7)：

QS+QIR,M+QC-QIR=λA1(To-Ti)/δ

(7)

在登月服內(nèi)部還有人體代謝產(chǎn)熱和設(shè)備產(chǎn)熱，這些熱量通過(guò)熱控系統(tǒng)散熱和漏熱的方式排出。為研究月面熱環(huán)境對(duì)登月服的影響，假設(shè)熱控系統(tǒng)可以維持服內(nèi)表面溫度恒定，計(jì)算中以此為邊界條件，不再對(duì)產(chǎn)熱量和散熱量進(jìn)行詳細(xì)分析。根據(jù)登月服外表面熱平衡方程，建立登月服-月面的仿真分析模型，進(jìn)而分析月面熱環(huán)境對(duì)登月服的影響。

3 仿真模型建立

3.1 月面熱模型

由于月壤的熱擴(kuò)散率很小，月壤一定深度下存在恒溫層。徐向華等[3]通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出1 m深處的溫度波動(dòng)不超過(guò)0.01 K，1.3 m深處溫度波動(dòng)幅度近似為0，可認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到恒溫層；Apollo-15任務(wù)報(bào)告[14]中記錄，月球表面以下1 m深處溫度恒定為250 K；Vasavada等[15]根據(jù)月球探測(cè)器LRO搭載的Diviner月球輻射計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析得出赤道地區(qū)0.4 m深處恒溫為240 K；羅祖分等[16]計(jì)算出深度0.32 m處月壤溫度為242.5 K，波動(dòng)小于1 K。由于不同維度地區(qū)的太陽(yáng)輻照不同，恒溫層溫度存在差異，徐向華等[3]、Butt等[17]、任德鵬等[18]對(duì)不同緯度的恒溫層溫度進(jìn)行了計(jì)算，從緯度0°到90°，恒溫層溫度從230 K降到100 K。

根據(jù)上述分析，取月面恒溫層深度為1 m，使用TMG軟件建立厚度為1 m、尺寸為50 m×50 m的平板模擬平坦月面，平板頂部代表月球表面，平板底部代表月壤恒溫層。表面劃分三角形網(wǎng)格，沿厚度方向3D掃掠形成體網(wǎng)格，中心5 m×5 m區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖3所示。

圖3 月面熱仿真模型Fig.3 Thermal model of lunar surface

月壤恒溫層的溫度按徐向華等[3]的結(jié)果計(jì)算，模型四周為絕熱邊界條件，太空環(huán)境溫度取為4 K[19]，月面熱物性參數(shù)選取如表1所示，由月面模型可計(jì)算出月表面溫度。

表1 月壤熱物性參數(shù)[15,20-22]

3.2 月面-登月服熱模型

登月服結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)仿真模擬，對(duì)登月服進(jìn)行如下簡(jiǎn)化假設(shè)：

1) 登月服表面各部位吸收比和發(fā)射率相同，參考典型航天服表面材料特性，發(fā)射率取ε1=0.75，吸收比取α1=0.4[22]；

2) 登月服結(jié)構(gòu)各部位導(dǎo)熱系數(shù)相同，參照文獻(xiàn)[23]中試驗(yàn)結(jié)果，取為λ/δ=0.25 W/(m2·K)；

3) 服內(nèi)表面溫度均勻且恒溫在299 K，不考慮其他服內(nèi)產(chǎn)熱。

登月服熱模型包括頭盔、軀干、生保背包、上肢、下肢、手套、靴子等，登月服站立于月面熱模型中央，面向正北，如圖4所示，模型使用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖4 月面-登月服熱模型Fig.4 Thermal model of lunar surface-lunar EVA suit

3.3 計(jì)算工況

按前述分析選取的月面和登月服熱物性參數(shù)、邊界條件，計(jì)算在月面不同緯度、不同時(shí)間登月服受熱情況，緯度和計(jì)算時(shí)間選擇如下：

1) 緯度。為了分析登月服位于月面不同位置的受熱差異，選擇月球表面不同緯度地點(diǎn)，緯度分別為0°、20°、40°、60°、80°。

2) 計(jì)算時(shí)間。計(jì)算周期為一個(gè)月球日，即29.53個(gè)地球日。計(jì)算起始點(diǎn)為月面正午，計(jì)算終止點(diǎn)為次日月面正午。

4 熱仿真計(jì)算

首先利用月面熱模型，按計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證月面熱模型的準(zhǔn)確性，并分析月面溫度分布特點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上，利用月面-登月服熱模型計(jì)算登月服的溫度分布與漏熱量。

4.1 月面熱仿真

文獻(xiàn)[3]對(duì)月球表面熱環(huán)境數(shù)值分析的結(jié)果在國(guó)內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，文獻(xiàn)[15]根據(jù)高分辨率月球探測(cè)器Diviner的測(cè)量數(shù)據(jù)修正了月面溫度模型。本文使用月面熱模型計(jì)算得到赤道地區(qū)的月面溫度，月面最低溫度為101 K，最高溫度為394 K。將計(jì)算結(jié)果與上述2份文獻(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，見(jiàn)圖5和表2。其中，本文計(jì)算的月面最高溫最高，比文獻(xiàn)[15]計(jì)算結(jié)果高11 K，月面最低溫在二者之間，比文獻(xiàn)[3]計(jì)算結(jié)果低11 K，比文獻(xiàn)[15]結(jié)果高4 K。三者計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致，說(shuō)明月面熱仿真模型準(zhǔn)確有效。

圖5 赤道月面溫度計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculated lunar equatorial surface temperatures

表2 赤道月面溫度對(duì)比

按計(jì)算工況設(shè)定的緯度計(jì)算月面溫度，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 月面溫度仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of lunar surface temperature

圖6可以看出月面溫度分布特點(diǎn)如下：

1) 月球表面最高溫度為394 K，位于赤道(緯度α=0°)正午，與航天器所處的月晝?cè)旅鏈囟?00 K接近[2]，誤差為6 K；

2) 月球表面最低溫度為100 K，處于月夜或陰影區(qū)，無(wú)太陽(yáng)輻照。月夜航天器所處的月面溫度為90 K[2]，誤差為10 K；

3) 對(duì)比不同緯度地區(qū)，月午月面溫度從緯度0°到緯度80°逐漸降低，且高緯度地區(qū)的溫度梯度更大，月夜溫差不明顯，且波動(dòng)較?。?/p>

4) 同一緯度，日落、日出過(guò)程溫度變化率較大，且日落過(guò)程溫度變化率小于日出過(guò)程溫度變化率。

4.2 登月服溫度分布

完成月面熱模型驗(yàn)證后，利用月面-登月服熱模型，計(jì)算登月服外表面的溫度分布。不同緯度地區(qū)登月服外表面溫度計(jì)算結(jié)果如圖7所示，月午溫度在270～327 K，月夜溫度在170 K左右。

圖7 登月服外表面溫度Fig.7 External surface temperature of lunar EVA suit

選取緯度20°、太陽(yáng)角度150°工況進(jìn)行分析，此工況下太陽(yáng)位于登月服右后側(cè)，如圖8所示，由于登月服遮擋太陽(yáng)輻照，在月面形成陰影區(qū)，陰影區(qū)比周邊月面溫度低約200 K。

圖8 登月服在月面的陰影 Fig.8 Shadow of lunar EVA suit on lunar surface

圖9給出了上述工況下登月服前側(cè)、后側(cè)、左側(cè)、右側(cè)及背包頂部和底部的溫度分布，可以看出：后側(cè)溫度高于前側(cè)，右側(cè)高于左側(cè)，這與太陽(yáng)位于登月服右后側(cè)的實(shí)際情況相符；由于月面紅外輻射的影響，背包底部溫度明顯高于背包頂部溫度，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[25]一致，朝向月面一側(cè)吸收外熱流最大；棱邊、棱角容易出現(xiàn)溫度極值點(diǎn)。

圖9 各部位溫度分布(緯度20°，太陽(yáng)角度150°)Fig.9 Temperature distribution(latitude20°, solar angle150°)

進(jìn)一步對(duì)登月服不同部位溫度進(jìn)行計(jì)算，包括腳部(feetl、feetr)、下肢(legl，legr)、上肢(arml，armr)、手部(hdl，hdr)、前側(cè)(front)、后側(cè)(back)、頂部(top)、底部(bottom)。極熱工況(α=0°，noon)和極冷工況(α=0°，night)下，登月服各個(gè)部位的平均溫度如圖10所示。

圖10 登月服不同部位溫度對(duì)比Fig.10 Comparison of temperature on different parts of lunar EVA suit

不同部位溫度對(duì)比分析如下：

1) 極熱工況下(α=0°，noon)，各部位溫差較大，溫度范圍為275～375 K；背包底部溫度最高，由斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知，該現(xiàn)象的原因是隨著月面溫度的上升，月面半球向總輻射力急劇增加，對(duì)背包底部有強(qiáng)烈的加熱作用；背包頂部雖然受到太陽(yáng)直射，但溫度仍低于背包底部，表明月面高溫輻射影響大于太陽(yáng)輻照；包括靴子四周立面和頂部腳面的腳部溫度最低，原因是腳面背對(duì)月面，且被登月服遮擋太陽(yáng)輻照。

2) 極冷工況下(α=0°，night)，各部位溫差較小，溫度范圍為155～176 K；頂部溫度最低，底部溫度最高，主要由于頂部面向太空熱沉，底部面對(duì)月面，月面溫度高于太空熱沉。極冷工況下各部位溫差明顯小于極熱工況，主要是由于月夜月面溫度為100 K、太空熱沉為4 K，由斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知，兩者的半球向總輻射力相對(duì)登月服都很小，登月服與月面和太空環(huán)境面的熱勢(shì)差差異小，因此登月服各部位溫度差異小。

4.3 登月服漏熱量

登月服在不同緯度、不同時(shí)刻的漏熱量計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 登月服漏熱Fig.11 Heat leakage of lunar EVA suit

從圖11中可以看出：

1) 赤道正午，對(duì)應(yīng)月面最高溫度工況，漏入登月服熱流量最大，漏入熱量為39 W。

2) 月夜或陰影區(qū)，對(duì)應(yīng)月面最低溫度工況，漏出登月服熱流最大，漏出熱量為-105 W。

3) 出艙活動(dòng)中，航天員處于走動(dòng)狀態(tài)，靴底月面的溫度可假設(shè)為恒溫，溫度按圖6 計(jì)算，由靴內(nèi)側(cè)溫度和月表面溫度根據(jù)式(5)計(jì)算靴底導(dǎo)熱量。典型航天服靴底由2層4 mm厚的皮革夾襯真空絕熱隔熱層組成[22]，皮革導(dǎo)熱系數(shù)取0.03 W/(m·K)[26]，真空屏蔽隔熱層厚度和導(dǎo)熱系數(shù)分別取為3 mm、0.005 W/(m·K)[24]，則靴底的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.012 W/(m·K)，圖12給出了赤道和緯度80°不同地點(diǎn)不同時(shí)刻的靴底導(dǎo)熱量。赤道月午漏入熱量最大為7 W，月夜漏出熱量最大為-15.5 W?？紤]靴底導(dǎo)熱后，登月服最大漏入熱量為46 W，最大漏出熱量約為-121 W。

圖12 靴底導(dǎo)熱量Fig.12 Heat conduction through boot soles

4.4 登月服熱設(shè)計(jì)建議

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果與分析，為登月服熱設(shè)計(jì)提出以下建議：

1) 為降低月晝的熱控系統(tǒng)負(fù)荷，可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的隔熱性能、降低外表面的吸收發(fā)射比，以減少熱量漏入；

2) 由于月晝?cè)旅鏈囟容^高，月面紅外輻射對(duì)背包底部等對(duì)月面有強(qiáng)烈的加熱作用，應(yīng)提高這些部位的熱防護(hù)；

3) 登月服在月面形成的陰影區(qū)，溫度比周邊低約200 K，在登月服熱防護(hù)設(shè)計(jì)中可以考慮利用該陰影效應(yīng)為登月服遮陽(yáng)；

4) 登月服靴子與極高低溫的月面接觸，需要加強(qiáng)靴底部位的隔熱性能；

5) 由于結(jié)構(gòu)的棱邊、棱角處熱容較小，會(huì)出現(xiàn)溫度的極值點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免棱邊、棱角等。手部與手指處厚度較薄，也會(huì)出現(xiàn)溫度極值點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)熱防護(hù)。

5 結(jié)論

1) 月晝時(shí)，登月服對(duì)月面受到強(qiáng)烈的月面紅外輻射加熱，各部位溫差較大，且靴底會(huì)與394 K的高溫月面接觸；

2) 相比月晝，月夜登月服表面各部位溫度差異較小，但登月服靴底會(huì)與100 K的低溫月面接觸；

3) 登月服漏熱量和外表面溫度隨緯度和時(shí)間變化，漏熱量變化范圍為-121～46 W，月午外表面溫度范圍為270～327 K，月夜外表面溫度在170 K左右。

如上所述，月面出艙活動(dòng)中登月服將處于極高低溫的月面環(huán)境，受到強(qiáng)烈的月面紅外輻射，并與極高、低溫的月面接觸。登月服熱設(shè)計(jì)中需要針對(duì)這些問(wèn)題，提高被動(dòng)熱防護(hù)能力，減少漏熱量，并加強(qiáng)靴底、對(duì)月面等部位的局部熱防護(hù)。