“羅塞塔”彗星探測器熱控系統分析

呂建偉　劉欣　楊勇（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

“羅塞塔”彗星探測器熱控系統分析

呂建偉劉欣楊勇（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

“羅塞塔”彗星探測計劃開始于1993年，是歐洲航天局（ESA）地平線-2000-奠基石（Horizon 2000 cornerstone）計劃下的探測任務。“羅塞塔”探測器于2004年3月2日由阿里安-5運載火箭從法屬圭亞那庫魯發射場發射升空。在飛行了7.1×109km之后，于2014年進入“楚留莫夫-格拉西門克”(Churyumov- Gerasimenko)彗星軌道。2014年11月13日00︰05，“羅塞塔”探測器釋放的“菲萊”著陸器成功登陸彗星。目前，各項科學探測工作正在開展中。這是人類有航天史以來探測器首次在彗星上軟著陸，對研究彗星的起源、彗星和星際物質的關系及太陽系起源具有重要意義。

“羅塞塔”彗星探測器具有飛行跨度遠、空間飛行時間長、任務形式復雜多樣的特點，通過對“羅塞塔”彗星探測器熱控系統進行分析，可為未來深空探測航天器先進熱控設計的研究提供了一種可供借鑒的技術路線。

整裝待發的“羅塞塔”探測器

1　“羅塞塔”彗星探測器簡介

“羅塞塔”探測器包括軌道器和著陸器兩部分，總質量約3t，其中軌道器總質量2900kg，干質量1230kg；著陸器總質量100kg，干質量27kg。“羅塞塔”探測器將近一半的質量都是攜帶的推進劑，其主體是一個2.8m×2.1m×2.0m的結構體。

探測器兩側裝有一對長14m的太陽電池翼，每個太陽電池翼有32m2的受光面積，可提供850W功率。為了實現高精度的姿態控制，除1臺主發動機之外，“羅塞塔”探測器上還安裝了24臺小型姿控發動機，每臺可以提供約10N的推力。它還安裝有直徑2.2m的X頻段高增益通信天線和S頻段低增益天線。“羅塞塔”探測器上一共搭載了11臺用于各方面科學研究的設備。

在“羅塞塔”探測器飛往彗星的任務軌跡圖中，橫軸代表“羅塞塔”探測器在空間飛行過程中的任務天數，縱軸代表距離，分別以太陽、地球和火星為參照，給出了“羅塞塔”探測器任務天數與參照物的距離關系。圖中的任務軌跡表明，由于目前的火箭運載能力有限，“羅塞塔”探測器需要多次借力，把“羅塞塔”與彗星相會點選在了彗星距離太陽6.72×108km的軌道最遠處，這一相會處距離地球5×108km。之后，“羅塞塔”在這一高度的軌道上圍繞彗星運轉，與彗星共同度過17個月。雙方在此期間不斷向太陽靠近，直至彗星到達距離太陽最近軌道處時，它的探測壽命也隨即終結。

“羅塞塔”探測器飛往彗星的任務軌跡

2　“羅塞塔”探測器熱控系統設計分析

在傳統航天器熱設計的過程中，首先開展了軌道周期的極端高溫工況分析，以確定保持設備在最高限制溫度下輻射器排散的峰值熱量；其次開展了軌道周期的極端低溫工況分析，以確定保持設備最低允許溫度的加熱功率需求。

“羅塞塔”探測器的任務要求與一般的航天器運行不同，它的特點是：執行任務需經歷10年以上長期追趕彗星的飛行，在任務期間，與太陽距離跨度大，從0.9AU～5.25AU，冷熱環境變化很大，任務形式復雜，設備工作模式多樣。該探測器所有設備溫度必須滿足其工作或存儲溫度范圍要求，這給熱控系統設計帶來了巨大的挑戰。

熱控工況分析

為滿足“羅塞塔”探測器較強空間環境適應能力的要求，針對整個任務階段熱包絡內的典型工況開展了熱分析，最后根據熱分析的情況，提出了適合“羅塞塔”探測器任務需求的熱控方案。

（1）近彗星模式（高溫工況）

“羅塞塔”探測器近彗星模式處于整個任務的最后階段。探測器進入繞彗星軌道后在以下3個因素作用下，形成了任務期內極端高溫的工況：①全部有效的科學載荷、平臺的電子設備等啟動運行工作，熱耗增加；②在空間粒子、輻射等環境的作用下，輻射器表面的熱輻射特性發生退化，導致熱排散能力減小；③近彗星模式為“羅塞塔”探測器運行到近日點1.4AU～1.0AU之間，太陽外熱流影響顯著。

（2）遠日點休眠模式（低溫工況）

當“羅塞塔”探測器遠離太陽4.5AU時，太陽電池無法獲得足夠的能量，從而進入深空休眠模式。在該模式下，除了運行必要的設備外，其他全部關閉，以減小自身能量消耗。在彗星繞日軌道的遠日點，“羅塞塔”探測器與太陽的距離為5.25AU，此時到達探測器的太陽熱流僅為距離1AU時的3.7%。“羅塞塔”探測器在遠日點休眠工況下，為了確保儀器設備的最低溫度要求，熱控系統的主動加熱所占功耗達到整個任務周期內最大值。

（3）飛行器喚醒模式（低溫工況）

當“羅塞塔”探測器距離太陽4.6AU時，為了確保探測器上的設備從休眠狀態到全部運行，需經歷一段飛行器喚醒階段的過渡期，即退出休眠模式。該階段在準備退出休眠模式之前，部分加熱器開始啟動，使得探測器上的設備達到運行的最低溫度要求。

（4）有效載荷初始運行模式（載荷低溫運行工況）

當“羅塞塔”探測器距離太陽3.25AU時，達到彗星探測的目標區域，全部科學設備、平臺的電子設備等開始運行。該階段是有效載荷運行的低溫工況，有效載荷處于最低允許工作的溫度水平運行。

熱控方案設計

根據上述熱控工況分析情況，“羅塞塔”探測器的熱控方案采用了主動熱控措施和被動熱控措施相結合的方案。由于探測器采用太陽電池為其提供電能，在低溫工況下，受電能的限制，探測器進入休眠模式，降低消耗，同時采取多層隔熱等措施盡量減少探測器系統的漏熱，確保熱控系統在遠日點與供電能系統協調一致；在低溫工況啟動階段，采用主動電加熱的方式，確保設備達到最低允許溫度；在高溫工況下，采用可調節的百葉窗改變發射率，將艙內熱量進行排散。此外，還采用熱控涂層、高導熱率擴熱板、自動調溫器、界面填充導熱材料、熱控膠帶、粘合劑、低熱導捆扎帶等熱控措施。

3　“羅塞塔”探測器熱控關鍵技術分析

“羅塞塔”探測器的熱控系統復雜，由多項主動熱控措施和被動熱控措施相互結合而組成。其中，對我們具有較大啟發且關鍵的熱控技術包括高性能多層隔熱技術、可調百葉窗散熱技術、主動電熱調溫技術。

“羅塞塔”探測器的熱控方案

“羅塞塔”探測器多層隔熱技術

高性能多層隔熱技術

為了確保“羅塞塔”探測器在休眠階段的最小漏熱，基于傳統的多層隔熱技術，進行了創新改進，設計出高性能的多層隔熱組件。在該探測器的外部，由分開的兩組10層多層隔熱材料包覆。

（1）外10層隔熱材料

最外部的多層隔熱材料是厚度33μm的鍍碳聚酰亞胺膜；中間靠上的5層核心層是10μm的雙面鍍鋁（VDA）聚酰亞胺薄膜，中間由2層滌綸編織網進行間隔，由芳綸線縫合；中間靠下的5層核心層是8μm聚脂薄膜，中間由單層滌綸編織網進行間隔，由芳綸線縫合；最底的核心層是33μm的雙面鍍鋁（VDA）聚酰亞胺薄膜。

（2）內10層隔熱材料

最上面的核心層是33μm的雙面鍍鋁（VDA）聚酰亞胺薄膜；中間的9層核心層是8μm聚脂薄膜，中間由單層滌綸編織網進行間隔，由芳綸線縫合；最底的核心層是33μm的雙面鍍鋁（VDA）聚酰亞胺薄膜。

通過以上多層隔熱設計，可以滿足“羅塞塔”探測器在深空休眠期間漏熱最小化的需求。

可調百葉窗散熱技術

可調百葉窗能為不同工況條件下的“羅塞塔”探測器提供散熱。它通過調節覆蓋在散熱基面的可轉葉片的角度來控制基面對外輻射的強度，達到控制航天器表面對外散熱的效果。通過檢測散熱基板的溫度對低發射率的葉片進行相應調整來控制基面對外散熱量從而控制溫度。隨著散熱基面的溫度上升，驅動器收到信號感應并發生收縮，向均勻覆蓋在散熱基面上的低發射率葉片加載一個轉矩，以增大可轉葉片的旋轉角度。當葉片向開啟方向轉動，輻射系統的當量發射率增大，從而使更多熱量能夠向外輻射；當溫度降低時，將葉片轉向閉合方向減小當量發射率，從而減少熱量的向外輻射。因此，通過控制百葉窗的開度，可以達到控制內部設備溫度的效果。

在“羅塞塔”探測器的±Y面上，設置了14塊百葉窗，總散熱面積為2.38m2。每塊百葉窗設計有8對尺寸為5cm寬，18cm長的拋光鋁葉柵。

根據熱控系統的優化設計結果，“羅塞塔”探測器的百葉窗分為三類，每一類百葉窗具有各自的設置溫度，分別為-9℃+5℃，-6℃+8℃，+1℃+15℃。在機構作用下，每一類百葉窗可實現14℃溫度范圍的葉片開度調節，可提供0.14～0.74的有效發射率范圍，滿足“羅塞塔”探測器的熱控需求。

主動電熱調溫技術

為了保持“羅塞塔”在休眠期的設備最低溫度，采用了主動電熱調溫技術，在休眠和喚醒等階段，監控探測器內全部設備的溫度狀態，通過自動調溫器驅動加熱設備，使探測器的有效載荷、電子設備保持溫度在允許的范圍內。該系統主要由電加熱器、自動調溫器、溫度敏感元件等組件組成。

“羅塞塔”在空間模擬器中的布置示意圖

“羅塞塔”熱平衡熱控星吊裝現場

熱平衡試驗狀態中的熱控星

4　“羅塞塔”探測器熱控系統試驗分析

“羅塞塔”探測器發射進入太空后，長期處于高真空、超低溫背景和太陽外熱流輻照等復雜空間環境下。為了驗證熱設計的正確性，保證探測器的長期可靠工作，在研制過程中先后開展了充分的熱控星熱平衡試驗以及飛行星熱平衡試驗。

“羅塞塔”熱控星熱平衡試驗

“羅塞塔”探測器的熱平衡試驗于2000年3月在荷蘭的歐洲航天技術中心（ESTEC）空間模擬器中實施。“羅塞塔”熱控星熱平衡試驗是驗證系統熱設計正確性、考核熱控分系統能力的重要手段，試驗中部分設備采用模擬設備代替。在14個百葉窗中，1個采用鑒定件，其余13個采用模擬件，多層隔熱材料完全采用真實產品。模擬設備具體包括太陽電池、天線、著陸器。開展熱試驗的真空罐直徑10m、高15m，可為全尺寸空間飛行器模擬空間環境。在整個試驗中，包括了兩個高溫工況和兩個低溫工況。

“羅塞塔”飛行星熱平衡試驗

“羅塞塔”飛行星熱平衡試驗條件要求針對真實狀態下的探測器及任務進行設計，目的是進一步驗證“羅塞塔”整器的熱設計以及熱控傳感器系統、主動熱控組件單元等。與“羅塞塔”熱控星不同，飛行星不再采用設備的模擬件代替真實件。

熱平衡試驗狀態中的飛行星

5　結論

未來，我國在深空探測方面也會結合自身國情制定規劃和需求。“羅塞塔”探測器作為人類首個到達彗星并釋放著陸器的航天器，其熱控設計具有一定的代表性，因此，對我國深空探測領域的預研和在研工作具有一定的啟示作用。

1）對于執行深空探測的航天器而言，其熱控系統設計是否合理、工作是否有效至關重要。

“羅塞塔”探測器到達彗星標志人類深空探測領域進入到一個新的階段，而這次任務的成功也充分體現了熱控系統的重要保障作用。結合我國自身深空探測的需求，從項目論證與預研階段起，就應高度重視深空探測任務中航天器的熱控設計工作。

2）基于傳統的熱控手段并結合深空探測航天器的熱控應用，對多層隔熱技術進行了創新改進，既減小了研制的風險，又提高了可靠性。

“羅塞塔”探測器依靠太陽電池提供能源，在遠日點面臨的主要問題是能源不足，無法為熱控系統提供維持探測器設備最低溫度要求的加熱功耗。通過設計改進的高性能多層隔熱組件，實現了“羅塞塔”探測器在長期深空休眠中最大程度的減小漏熱，保障了探測器最后成功地喚醒。

3）在深空探測器的研制過程中，應該高度重視充分的試驗驗證對確保項目成功的重要性。

對于“羅塞塔”這類首次追蹤、登陸彗星探測的全新飛行器而言，超長期任務要求其熱控系統具有極高的可靠性。“羅塞塔”探測器進行了充分的熱控星、飛行星兩個階段熱試驗，驗證、考核了首發空間飛行器熱設計的合理性，為其10年的正常運行提供了有力的保障。

Analysis of Rosetta Thermal Control System