月面采樣相機的熱設計與熱分析

陳 陽，薛淑艷，寧獻文，蘇 生，韓 璐，王耀兵

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月面采樣相機的熱設計與熱分析

陳 陽，薛淑艷，寧獻文，蘇 生，韓 璐，王耀兵

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

月面采樣相機安裝于月球無人采樣返回探測器的機械臂上，其質量小，熱耗較大，長期工作在高溫環境中，故溫度水平成為影響相機能否正常工作的重要因素，須予以分析。文章根據相機工作模式和機械臂的姿態運動特性，構建出適應機械臂運動的熱分析模型，提出幾種實現相機高溫散熱的方法，通過對比分析，分別確定了基于OSR涂層和白漆的熱控方案，并推演了散熱窗口的臨界模型，為后續器外設備熱設計提供借鑒思路。

月表采樣；相機；熱設計；熱分析

0 引言

月球無人采樣返回探測器采用機械臂進行月表樣品的采集。為便于路徑規劃和監視，機械臂上安裝了遠攝相機和近攝相機，負責監視月表的地形地貌、表取采樣機械臂[1]的工作狀態、月樣傾瀉過程、初級封裝容器填充等情況，為采樣器向初級封裝容器內準確傾瀉月樣、采樣器準確夾持初級封裝容器、采樣器將初級封裝容器準確放入密封裝置提供參考。

遠攝和近攝相機屬于器外運動機構，受月面環境影響，長期工作在70℃以上的高溫環境中，相機的溫度水平直接影響其成像質量，對月面機械臂執行采樣任務至關重要。

國外航天器器外運動部件，如歐空局遙感衛星ERS-1上的支撐旋轉機構[2]，俄羅斯“流行-3”衛星上應用的微波輻射計MTVZA等，均采用隔熱設計，設置常規二次表面鏡（OSR）或白漆散熱面，并通過噴涂黑漆等方式降低運動部件本體的溫度梯度。

蘇聯的“Lunokhod”月球車上的全景相機[3]采用嵌入車體的固定安裝方式，通過與整車熱耦合解決月晝散熱和月夜保溫問題。美國的“火星漫游者”火星車桅桿上的導航、全景相機在夜晚無保溫措施，在清晨工作前采用電加熱器將電子線路從-95℃加熱到-55℃。

我國的“玉兔號”月球車上的導航相機[4]和全景相機在頂面設計了OSR作為散熱面，并采用避暑姿態，利用桅桿運動至外熱流較小的區域，來降低相機的溫度水平。探月二期著陸器頂面的地形地貌相機[5-6]，在頂部布置OSR作為散熱面，并借助相機轉動裝置在設備開機前先將相機轉動到外熱流最小、散熱條件最好的位置。

本文通過對幾種相機熱控方案的對比分析，提出了適應月面高溫環境的月面采樣相機的熱設計方案，并分析推導了設備散熱面優化選擇的臨界模型，可為其他高溫條件下設備散熱問題提供借鑒。

1 相機熱控設計特點和難點分析

月面采樣相機中的遠攝相機為單目，近攝相機為雙目，如圖1所示。其熱控設計的特點和難點如下：

(a) 遠攝相機

(b) 近攝相機

圖1 遠攝相機和近攝相機構型示意

Fig. 1 Telephoto camera (a) and close-up camera (b)

1）由于相機在月面工作，外熱流環境較為惡劣。在月面采樣階段，遠攝相機與月表距離約為65～89mm，近攝相機與月表距離約為12～40mm。

2）相機單件質量較小，開機時，內部熱耗會驟然加大。近攝相機單側電路板功耗約為2W；遠攝相機單側功耗分別為CMOS端7W、FPGA2.8W。近攝相機開機時的熱耗與質量比約為14.9W/kg；遠攝相機開機時的熱耗與質量比接近5W/kg，單位質量熱耗值均大于探月二期的全景相機和導航相機等。

3）相機隨機械臂運動姿態變化多。月表取樣機械臂在月面工作階段，會經歷壓緊以及在采樣中間點、采樣點、放樣中間點、瀉樣點、密封封裝點等[1]不同位置和各位置之間的運動過程，外熱流變化非常復雜，且需要根據采樣點的不同，滿足不同姿態下采樣的能力。

4）溫度和質量指標要求較高。遠攝相機溫度指標為-20～90℃（工作），-40～100℃（存儲）；質量不超過100g。近攝相機溫度指標為0～110℃（工作），-35～135℃（存儲），且需要在月面110℃的高溫環境下長期工作，其高溫指標較之探月二期的著陸緩沖機構等設備的更為嚴酷。

5）控溫加熱回路數量受限。為避免電纜對運動的影響，近攝相機的功率、信號電纜只能通過其他機械臂產品內部穿出，而1個控溫回路至少需要測溫加熱4個通道，因此受安裝空間的限制，控溫加熱回路數量有限。

2 熱控設計方案

相機熱控設計需要采取光、機、電、熱一體化設計，充分合理地利用熱控資源，且需采取主動和被動熱控措施相結合的方式。

2.1 外熱流分析

在航天器的熱設計中，外熱流分析既是熱分析的重要工作，也是溫度場計算的基礎，為航天器高低溫工況熱控設計提供依據[7]。月面采樣相機在飛行過程中主要經歷奔月、環月和月面工作階段。其中，奔月、環月段相機不開機，外熱流較??；月面工作階段紅外熱流較大。

由文獻[8-9]可知，月晝時間月球表面溫度較高，最高溫度發生在正午，夜晚溫度緩慢下降，至黎明達到最低。相機工作期間屬于月晝溫度較高的時間段，紅外熱流極大。在機械臂采樣和放樣姿態下，近攝和遠攝相機各個面的到達外熱流密度統計如表1所示。

表1 相機到達外熱流密度

2.2 熱控設計方案

2.2.1 散熱窗口方案選擇

在采樣和放樣姿態下，遠攝相機-面的外熱流均較小。鏡頭朝向月面，-面受月面紅外輻射最小，因此選取-面為散熱面。經計算，-面面積占整個相機焦面箱表面積不到21%，本文針對不同散熱面大小和散熱面涂層選擇，對比分析了遠攝相機的6種熱控設計方案，如表2所示。

采樣時，近攝相機距月面更近，為便于辨識相機內部散熱通道和隔絕月面紅外輻射兩者之間的關系，設置6種熱控設計方案（如表3所示）。

遠攝和近攝相機的熱控方案示意可參見圖2。

表2 遠攝相機6種熱控方案匯總

表3 近攝相機6種熱控方案匯總

(a) 遠攝相機

(b) 近攝相機

圖2 相機不同熱控方案示意

Fig. 2 Different thermal control designs for the cameras

2.2.2 隔熱設計

由于光學設計的原因，相機遮光罩表面為黑色陽極化處理。遠攝相機鏡頭與焦面箱之間設置隔熱墊。近攝相機本體與鏡頭部分采用一體化設計，相機內部是真空非封閉腔體，利用多層材料良好的隔熱性能防止鏡頭與本體之間的輻射傳熱。

除散熱面外，2臺相機殼體表面均包覆多層隔熱組件，多層面膜為高透明導電鍍鋁二次表面鏡。2臺相機與機械臂本體采用聚酰亞胺隔熱墊隔熱。

2.2.3 導熱設計

為加強內部發熱電路板與散熱面的熱耦合關系，在近攝相機的電路板與L型安裝支架間設置導熱條，L型安裝支架與殼體散熱面之間填充導熱填料，形成電路板→L型安裝支架→相機殼體散熱面的散熱途徑。這類似于國內激光通信器[10-11]等大功率密度光學器件的散熱設計方案。

2.2.4 低溫補償設計

環月陰影段飛行時，為保證相機溫度始終高于存儲溫度的下限，在遠攝相機焦面箱側面和近攝相機±側面粘貼加熱器及熱敏電阻，2臺相機共用1個主動加熱控制回路，根據熱敏電阻溫度信號進行閉環控制。

2.3 適應機械臂運動模式的熱仿真

針對相機的光學、機械和電子設備結構，根據幾何等效和熱等效的原則進行一定的簡化和假設，采用Thermal Desktop軟件建立了遠攝和近攝相機的熱模型，如圖3所示。

圖3 相機熱分析模型

機械臂在月面工作階段，外熱流變化復雜，熱分析計算中，單個工況采用瞬態工況進行計算，根據機械臂運動模式和相機開機模式，選取機械臂典型位置，設置單次采樣周期的路徑，如圖4所示。瞬態外熱流隨時間的變化采用位置1→位置4的外熱流周期循環的過程，兩個位置之間的運動過程采用前一個位置來近似實現。多次循環后，溫度會達到周期平衡。

圖4 熱分析路徑規劃

根據外熱流、設備工作模式和涂層參數等高低溫工況確定原則，以飛行過程和相機的工作模式為基礎，計算了月面高溫工作典型工況下的遠攝和近攝相機溫度水平，如表4所示。

表4 相機溫度水平

從表4中可以看出：

1）方案2（+面噴漆，±、-面多層）中近攝相機殼體溫度最低，月面采樣平衡后，殼體最高溫度為105.8℃。

2）對比發現，近攝相機側面（+面）選擇多層（方案2）比噴漆（方案3）的溫度要低。

3）遠攝相機-面面積相同的情況下，散熱面粘貼OSR比噴涂白漆SR107-ZK的溫度要低。

4）遠攝相機-面面積由65mm×65mm擴大到80mm×90mm時，殼體最高溫由95℃降低至81.5℃；由80mm×90mm擴大到90mm×120mm時，殼體最高溫由81.5℃降低至78℃。

3 設備散熱面設計優選評估

OSR二次表面鏡等選擇性涂層無法像反射太陽熱流那樣克服紅外熱流進行高效散熱。以相機散熱面為研究對象，其傳熱方程為

， (2)

式中：為太陽吸收率；為紅外發射率；s為到達太陽熱流；r為到達紅外熱流；i為內熱耗；為斯忒藩-玻耳茲曼常量5.67×10-8；為散熱面表面溫度；為散熱面面積。

在不考慮涂層退化情況下，OSR二次表面鏡的吸收/發射比為0.17，SR107-ZK白漆為0.193。從式(2)中可以看出，相機散熱面溫度取決于太陽熱源項、紅外熱流項以及內熱源項的共同影響。而對于一定位置到達的太陽熱流s和紅外熱流r是一定的，故相機溫度主要取決于、和i的大小，吸收/發射比（/）越小越有利，越大越有利，但這兩點有時不能兼顧，因此需要結合涂層的具體性質進行具體分析。

為推導出設備散熱面窗口設計選用OSR或SR107-ZK涂層的臨界模型，假設某設備到達的太陽熱流s和紅外熱流r可通過外熱流計算得到，以下標1、2分別代表OSR和SR107-ZK涂層，可得到它們的傳熱方程：

。 (4)

設內熱耗的臨界值為，則必然存在i=，使得1=2，即

繼而可以得出

。 (6)

同理，可以求得2≥1的i范圍為

。 (8)

式(6)推導出，也就是說，當i=時，2種涂層的散熱效果相同。式(8)推導出散熱面選擇白漆SR107-ZK更有利于散熱的i范圍，對于各種熱耗大小不同的設備，可通過判斷i的范圍來選擇涂層。與設備本體到達的太陽熱流有關，與紅外熱流無關。由式(8)可計算出本文中遠攝和近攝相機的分別為4.5和7.9W，而它們的熱耗值i分別為2和11.8W，因此，2臺相機的散熱面應采用不同的涂層。

4 結束語

結合月面高溫環境的特點，比較了適合月面采樣相機的幾種熱控設計方案，綜合考慮了相機隨機械臂運動、相機結構材料等諸多因素。熱分析仿真結果表明，遠攝采用-面白漆SR107-ZK涂層散熱面（80mm×90mm）和近攝采用+面OSR涂層散熱的方案可行，滿足設計指標要求。

文中推演的散熱窗口臨界模型可為星外設備散熱面的選擇提供設計依據。該熱控設計也可為其他月面工作的器外設備的熱設計提供借鑒。

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（編輯：張艷艷）

Thermal design and thermal analysis for lunar surface sampling cameras

CHEN Yang, XUE Shuyan, NING Xianwen, SU Sheng, HAN Lu, WANG Yaobing

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

The lunar sampling cameras are installed on the robot arm of the lunar robotic sampling and return mission explorer. The cameras have a very small quality, but a very large heat rate. Both of the cameras required long-term work in high-temperature environment, thus the temperature level becomes an important factor to ensure normal work of the cameras. According to the working mode of the camera and the motion attitude of the manipulator, a thermal analysis model for adaptive motion is constructed, and several schemes to realize the high-temperature heat dissipation of the camera are presented. Through the comparative analysis, based on the OSR coating and white paint, the thermal control design of the cameras is determined, and the critical heat dissipation model of the cooling coating is selected. The research could provide reference for the thermal design of above deck equipment.

lunar surface sampling; camera; thermal design; thermal analysis

V476.4

A

1673-1379(2017)04-0364-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.004

陳陽（1986—），男，碩士學位，主要從事深空探測器熱控設計及新系統研究工作。E-mail: y_chenfdl1006@163.com。

2017-01-03；

2017-07-14

國家重大科技專項工程