火星探測器熱環(huán)境模擬與試驗技術(shù)探討

張 磊，劉波濤，許 杰

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

火星探測是深空探測的熱點，自1996年以來，在每2年1次的發(fā)射窗口期間，都進行了火星探測器發(fā)射任務(wù)[1]。在飛往火星過程中，探測器將經(jīng)歷行星際空間環(huán)境和火星空間環(huán)境，火星表面巡視器還要經(jīng)歷火星表面環(huán)境。根據(jù)航天器的研制要求，航天器在發(fā)射之前都必須在地面完成各種試驗。與地球軌道航天器的熱試驗相比，火星探測器除真空熱環(huán)境試驗外還要進行火星表面熱環(huán)境試驗。

本文對國外火星探測器熱試驗情況進行了調(diào)研，并對國外火星探測器所用試驗設(shè)備進行了重點分析，結(jié)合行星際熱環(huán)境和火星表面熱環(huán)境的特點，探討了它們的模擬試驗方法，為我國火星探測器熱環(huán)境試驗設(shè)備的研制提供技術(shù)參考。

1 空間熱環(huán)境特點

1.1 行星際空間熱環(huán)境

在行星際空間環(huán)境中，熱環(huán)境的因素主要包括真空、太陽輻照和冷黑背景。行星際空間的真空度為10-13～10-18Pa。地球空間的平均太陽輻照度約為1367 W/m2，最大值為1419 W/m2，最小值為1317 W/m2；火星空間的平均太陽輻照度約為589 W/m2，最大值為717 W/m2，最小值為493 W/m2；行星際空間看作溫度約3 K的冷黑背景[2]。圖1給出了太陽輻照度隨著與太陽間距離的變化曲線。

圖1 太陽輻照度變化曲線Fig. 1 The irradiance curve

1.2 火星表面熱環(huán)境

在火星表面環(huán)境中，影響熱環(huán)境的因素主要包括火星表面大氣、溫度和太陽輻照。火星表面全球年平均氣壓為700 Pa，夜間風(fēng)速2 m/s，白天6～8 m/s，但受地形的影響，斜坡區(qū)域風(fēng)速可高達(dá)20～30 m/s。沒有塵暴時，火星大氣對于可見光的光學(xué)深度一般為 0.5，可見光透過火星大氣后光強衰減約40%。火星表面的溫度范圍為140～300 K，平均約為 210 K，另外南北半球的熱狀況很不對稱，有更大的季節(jié)變化和明顯的緯度變化[3-5]。火星附近的太陽輻照度在1個火星年中的變化約為±19%，遠(yuǎn)日點的太陽輻照度為493 W/m2，近日點為717 W/m2，平均值為 589 W/m2。火星赤道上的最大太陽高度角在1個火星年內(nèi)的變化區(qū)間為65°～90°。

2 火星探測器熱試驗分析

根據(jù)以上不同的空間熱環(huán)境特點，火星探測器需要進行3種類型的熱試驗，即行星際巡航階段熱試驗、環(huán)繞火星飛行探測階段熱試驗和火星表面巡視探測階段熱試驗。

2.1 行星際巡航階段熱試驗

行星際巡航階段熱試驗主要為常規(guī)的真空熱試驗，用于驗證探測器在行星際間飛行時的工作狀態(tài)。真空熱試驗的真空度為 10-3Pa，熱沉溫度為100 K、發(fā)射率≥0.9。外熱流環(huán)境根據(jù)不同的要求，選用紅外加熱或太陽模擬器的方式進行模擬。

2.2 環(huán)繞火星飛行探測階段熱試驗

環(huán)繞火星飛行探測階段熱試驗的要求與行星際巡航階段基本相同，區(qū)別僅在于外熱流環(huán)境的差別，因為火星表面的熱環(huán)境是變化的，需要通過紅外加熱功率或太陽模擬器功率的調(diào)整來模擬這種變化，用于驗證探測器在環(huán)繞火星飛行時的工作狀態(tài)。

2.3 火星表面巡視探測階段熱試驗

火星表面巡視探測階段熱試驗主要為低氣壓條件下的熱平衡試驗，用于驗證著陸器/火星車熱控系統(tǒng)及其有效載荷的熱設(shè)計和工作狀態(tài)。在火星表面巡視探測階段，由于著陸器/火星車的熱控主要依靠其在火星上吸收和存儲的熱量，因而這取決于火星表面熱環(huán)境。因此，火星表面巡視探測階段熱試驗主要模擬火星表面溫度環(huán)境、大氣環(huán)境（氣壓、氣流和氣體成分）和太陽輻照環(huán)境。

2.4 熱試驗特點分析

由于火星探測器在行星際巡航階段和環(huán)繞探測階段所經(jīng)歷的空間熱環(huán)境與地球航天器所經(jīng)歷的空間熱環(huán)境類似，所以這兩個階段熱試驗所采用的方法基本與地球航天器熱試驗相同。

對于火星表面巡視探測階段熱試驗，由于火星表面環(huán)境復(fù)雜多樣，對熱試驗會產(chǎn)生較大的影響：

1）與太陽輻照相比，紅外加熱裝置不具有準(zhǔn)直性。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的火星車而言，用紅外加熱裝置進行外熱流模擬誤差較大，因此必須使用太陽模擬器來完成熱試驗。

2）火星表面大氣的流動會產(chǎn)生對流換熱，在熱平衡試驗中需要考慮火星大氣的影響。

3）火星表面溫度變化區(qū)間較寬，因此需要考核火星車在不同星表溫度下的熱控性能。

3 國外火星探測器熱試驗設(shè)備

3.1 巡航/環(huán)繞探測階段熱試驗設(shè)備

用于火星探測器巡航和環(huán)繞探測階段熱試驗的設(shè)備主要有美國噴氣推進實驗室（JPL）的25-foot空間環(huán)境模擬器和歐洲航天局的 LSS空間環(huán)境模擬器。

1）25-foot空間環(huán)境模擬器[6-8]

25-foot空間環(huán)境模擬器為直徑7.7 m、高25.7 m的立式容器，如圖2所示。模擬器配置有真空系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、熱沉系統(tǒng)、太陽模擬器和紅外加熱裝置。在進行真空熱試驗時，真空度在10-6Pa量級，熱沉溫度范圍為 88～398 K。在進行太陽模擬器輻照試驗時，其輻照度為600～1300 W/m2；最大輻照面積為φ6100 mm，當(dāng)有效輻照面積為φ3400 mm時輻照度達(dá)到10 400 W/m2，有效輻照面積為φ2700 mm時輻照度達(dá)到15 600 W/m2；準(zhǔn)直角為5.3°；面輻照不均勻度為±4%，體輻照不均勻度為±5%。

2）LSS空間環(huán)境模擬器[9-10]

LSS空間環(huán)境模擬器為直徑10 m、高15 m的立式容器，如圖3所示。模擬器配置有真空系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、熱沉系統(tǒng)、太陽模擬器和紅外加熱裝置。在進行真空熱試驗時，真空度在10-6Pa量級；溫度范圍 100～350 K；太陽模擬器的最大輻照面積為φ6000 mm，輻照度500～1760 W/m2，準(zhǔn)直角為±1.9°，面輻照不均勻度為±4%、體輻照不均勻度為±6%。

圖3 LSS空間環(huán)境模擬器示意圖Fig. 3 Schematic diagram of LSS space environment simulator

3.2 火星表面巡視探測階段熱試驗設(shè)備

用于火星表面巡視探測階段熱試驗的設(shè)備主要有英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室的STC空間環(huán)境模擬器和美國JPL的10-foot空間環(huán)境模擬器。

1）STC空間環(huán)境模擬器[11]

STC空間環(huán)境模擬器為直徑3 m、長5.5 m的臥式容器，如圖4所示，曾用于“獵犬2號”火星著陸器的熱平衡試驗。模擬器配置有太陽模擬器、熱沉、氣氮調(diào)溫系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)。太陽模擬器可提供 A類光譜的模擬，其有效輻照面積為φ800 mm，輻照度為0～600 W/m2，輻照不均勻度為±5%；熱沉溫度范圍：-110～+150 ℃；壓力控制系統(tǒng)可將STC容器內(nèi)的壓力維持在700 Pa，控制精度為±50 Pa；鼓風(fēng)系統(tǒng)可以制造出流速為0～10 m/s的CO2氣流來模擬火星風(fēng)。

圖4 STC空間環(huán)境模擬器示意圖Fig. 4 Schematic diagram of STC space environment testfacility

2）10-foot空間環(huán)境模擬器[12-13]

JPL的10-foot空間環(huán)境模擬器用于“漫步者號”、“勇氣號”和“機遇號”火星探測器的著陸巡視階段熱試驗，如圖5所示。模擬器的組成主要包括：溫度可控的銅基板；用于模擬空間溫度環(huán)境的溫度可控平板；風(fēng)力產(chǎn)生器以及用于控制風(fēng)溫的溫度補償板。火星表面環(huán)境的模擬指標(biāo)為：大氣溫度-130～20 ℃；N2氣體壓力 100～1300 Pa；風(fēng)速 6 m/s和12 m/s。

圖5 10-foot空間環(huán)境模擬器示意圖Fig. 5 Schematic diagram of 10-foot space environmentsimulator

3.3 試驗設(shè)備特點分析

國外巡航/環(huán)繞探測階段熱試驗設(shè)備與我國目前航天器所使用的熱真空試驗設(shè)備的功能基本相同，只是國外的設(shè)備使用了太陽模擬器，能夠更加準(zhǔn)確地模擬空間外熱流環(huán)境。

國外火星表面巡視探測階段熱試驗設(shè)備具備以下特點：

1）采用單一成分氣體（N2或CO2）來模擬火星表面大氣；

2）模擬火星表面溫度范圍為-130～20 ℃，涵蓋火星表面不同時間和季節(jié)的溫度；

3）能夠模擬火星表面的低氣壓和氣流環(huán)境，壓力范圍100～1500 Pa，氣流速度最大12 m/s。

4 熱環(huán)境模擬的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)途徑

通過對國外相關(guān)熱試驗設(shè)備調(diào)研分析可以看出，對于巡航階段的熱環(huán)境，我國的 KM6、KM7等空間環(huán)境模擬器已完全具備相應(yīng)的模擬能力[14]；而對于火星表面巡視探測階段的熱環(huán)境，目前我國還沒有相關(guān)的空間環(huán)境模擬器，尤其在火星表面特殊環(huán)境方面的模擬能力，主要包括稀薄氣體流動模擬技術(shù)、火星表面溫度環(huán)境模擬技術(shù)和太陽輻照環(huán)境模擬技術(shù)。

1）稀薄氣體流動模擬

與傳統(tǒng)流體流動不同，稀薄氣體流動涉及尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)和梯度參數(shù)效應(yīng)等。由于特征尺寸微小，稀薄氣體的流動規(guī)律還不十分清楚，特別是當(dāng)尺度為多大時連續(xù)性假設(shè)將不成立，N-S方程的適應(yīng)性以及影響微流動的主要因素等是研究稀薄氣體流動的主要問題。在地面對稀薄氣體流動進行模擬的難點在于高效風(fēng)扇的設(shè)計。一般先根據(jù)努森數(shù)（Kn）的大小來判斷氣體的稀薄程度，再選取合適的計算模型進行仿真計算，最終得到最優(yōu)化的風(fēng)扇參數(shù)。

在工程實際中，需要將風(fēng)扇葉片內(nèi)置于低氣壓模擬容器中，而風(fēng)扇的驅(qū)動電機則置于模擬容器外，電機與葉片通過密封在法蘭上的轉(zhuǎn)動軸連接。離心風(fēng)機生成的氣流經(jīng)過安裝有流動積分調(diào)節(jié)器的輸送管道送入模擬器中，形成氣流。

2）火星表面溫度環(huán)境模擬

火星表面溫度環(huán)境模擬的難點在于-130～20 ℃的溫度變化。目前，可采用氣氮調(diào)溫系統(tǒng)[15]實現(xiàn)火星表面溫度環(huán)境模擬，即通過向熱沉中通入溫度可調(diào)的氮氣。氣氮調(diào)溫系統(tǒng)主要由風(fēng)機、調(diào)溫器、電加熱器、管閥和測控系統(tǒng)等組成，如圖6所示。

圖6 氣氮調(diào)溫系統(tǒng)原理圖Fig. 6 GN2 temperature adjusting system

氣氮調(diào)溫系統(tǒng)采用氮氣作為調(diào)溫工質(zhì)。低溫工況的實現(xiàn)是：從風(fēng)機出來的氮氣經(jīng)調(diào)溫器與液氮進行換熱，得到低溫氮氣送入熱沉，再由風(fēng)機將熱沉中的氮氣抽走，形成密閉循環(huán)。高溫工況的實現(xiàn)：使用在調(diào)溫器與熱沉之間的電加熱器對氮氣進行加熱，得到高溫氮氣送入熱沉。啟動時，由液氮儲存氣化系統(tǒng)為調(diào)溫系統(tǒng)提供氣源，氣氮調(diào)溫器所需的液氮由液氮系統(tǒng)提供。

調(diào)溫系統(tǒng)的測控系統(tǒng)可以采用以西門子公司的 S7-300系列 PLC為核心的兩級集散式控制架構(gòu)。低溫控制以熱沉入口溫度為主控制參數(shù)，調(diào)溫器出口溫度為輔助控制參數(shù)，液氮流量及電加熱器功率均為操作變量，先通過調(diào)節(jié)液氮流量控制氣氮調(diào)溫器出口溫度為一定值，再通過調(diào)節(jié)電加熱器功率進行微調(diào)。高溫控制以熱沉入口溫度為控制參數(shù)，電加熱器的功率為操作變量。

3）火星太陽輻照環(huán)境模擬

模擬太陽輻照環(huán)境的主要手段是太陽模擬器。目前，我國已成功研制了多臺太陽模擬器，如KM4太陽模擬器、KFTA太陽模擬器以及正在研制的KM6太陽模擬器[2,16]，具備了一定的研究和應(yīng)用經(jīng)驗。火星表面太陽輻照度比地球略低，并且對光線有更高的準(zhǔn)直性要求。因此，太陽模擬器采用準(zhǔn)直型光學(xué)系統(tǒng)，由光源、聚光鏡、積分器、光學(xué)窗口和準(zhǔn)直鏡組成。光源光線經(jīng)聚光鏡反射到積分器后入射準(zhǔn)直鏡，經(jīng)準(zhǔn)直鏡平行出射，在參考輻照面位置形成均勻輻照。太陽模擬器的準(zhǔn)直角調(diào)節(jié)采用積分器孔徑的調(diào)節(jié)方法，而其輻照度的調(diào)節(jié)采用光源功率的控制方法。

5 結(jié)束語

本文對火星探測器熱試驗特點進行了分析，重點介紹了國外典型的火星探測器熱試驗設(shè)備。對照國外的調(diào)研成果，指出了我國目前在火星大氣、火星溫度、火星太陽輻照等方面的模擬能力仍存在不足，同時提出了這些能力的發(fā)展技術(shù)對策。

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