嫦娥四號(hào)著陸器月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

宋馨 陳向東 雷英俊 王錄 柏江 李海飛 張麗麗 王珊

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

嫦娥四號(hào)探測(cè)器由著陸器和巡視器組成。2018年12月8日，探測(cè)器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，2019年1月3日成功軟著陸月面，順利實(shí)現(xiàn)巡視器與著陸器分離，開(kāi)展巡視探測(cè)和就位探測(cè)。目前，探測(cè)器已成功度過(guò)多個(gè)月晝?cè)乱梗蔀閲?guó)際首個(gè)成功實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸和月面生存的航天器。

嫦娥四號(hào)著陸器需要在月夜階段完成月球表面溫度采集任務(wù)。月夜為長(zhǎng)期無(wú)太陽(yáng)光照的深低溫環(huán)境，著陸器整器進(jìn)入休眠，因此，為了實(shí)現(xiàn)月夜階段的溫度采集和記錄，需要同位素?zé)嵩刺峁┑臒崃客瑫r(shí)完成艙內(nèi)設(shè)備控溫和為月夜溫度采集器供電的功能。為此，本文設(shè)計(jì)了一套月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)14個(gè)地球日、月表-195 ℃深低溫環(huán)境下的艙內(nèi)設(shè)備控溫和月夜溫度采集器供電，從而保證月夜階段溫度采集任務(wù)的順利完成。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)約束

太陽(yáng)輻射熱流是地月轉(zhuǎn)移段主要的外熱流，在環(huán)月段主要是太陽(yáng)輻射熱流、月面反照熱流和月面紅外輻射熱流。由于地月距離相對(duì)日地距離很小，近似認(rèn)為日地距離和日月距離相同(即1天文單位)，因此嫦娥四號(hào)探測(cè)器各飛行階段的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與地球軌道航天器處理方式相同，即平均日地距離處為1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，不同季節(jié)根據(jù)日地距離的變化進(jìn)行修正。月面紅外輻射熱流大小與探測(cè)器相對(duì)月面日下點(diǎn)的距離、位置有關(guān)，其中日下點(diǎn)月面溫度最高約400 K，月影區(qū)月面溫度最低約80 K，變化劇烈[1-5]。月面溫度相對(duì)日下點(diǎn)的分布如圖1所示。

圖1 月面溫度分布模型

月面階段分為14個(gè)地球日的月晝和14個(gè)地球日的月夜。月晝階段太陽(yáng)“東升西落”，“正午”時(shí)月面溫度達(dá)到最高；月夜階段則完全沒(méi)有外熱流。忽略月球表面差異，假設(shè)月表物質(zhì)具有相同的熱物性，則月面溫度僅取決于月壤的熱慣性(熱慣性是物質(zhì)對(duì)熱量變化引起的溫度反應(yīng)的一種量度，與物質(zhì)的熱導(dǎo)率、密度、比熱容相關(guān))。一個(gè)月球日的赤道表面溫度變化曲線如圖2所示，晝夜溫差最大超過(guò)300 K。因此，嫦娥四號(hào)著陸器不同階段經(jīng)歷的外熱流等環(huán)境條件變化很大，要求設(shè)計(jì)方案具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。

圖2 月球赤道表面在一個(gè)月球日的溫度變化

著陸月面時(shí)，嫦娥四號(hào)探測(cè)器4套著陸緩沖裝置觸月，由于著陸點(diǎn)可能存在石塊、坑洼等地形，著陸后探測(cè)器可能出現(xiàn)傾斜，并且這種傾斜在實(shí)際著陸前無(wú)法預(yù)計(jì)。另外，由于著陸控制系統(tǒng)存在控制誤差，探測(cè)器還可能出現(xiàn)繞其對(duì)天軸旋轉(zhuǎn)的情況。著陸后探測(cè)器可能的傾斜、旋轉(zhuǎn)情況為：①相對(duì)于當(dāng)?shù)厮矫娴淖畲髢A斜偏差為15°；②繞著陸器對(duì)天軸的最大旋轉(zhuǎn)偏差為15°。著陸器姿態(tài)對(duì)方案設(shè)計(jì)的影響反映在重力條件上，不同的著陸姿態(tài)下，會(huì)對(duì)兩相流體回路內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)的工作情況造成影響。在地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段為微重力條件，著陸后為月面重力條件，平均重力加速度為1.62 m/s2(約1/6gn)。發(fā)射前地面試驗(yàn)、測(cè)試階段，兩相流體回路經(jīng)歷地面重力條件，平均重力加速度為1gn。發(fā)射段、變軌段、動(dòng)力下降段由于探測(cè)器速度變化引起的加速度，持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)兩相流體回路工作性能影響較小，但兩相流體回路經(jīng)歷上述階段后要能恢復(fù)正常狀態(tài)。因此，兩相流體回路布局等方面需要考慮適應(yīng)各個(gè)階段的重力條件差別。

此外，月球表面月塵沉降在熱控涂層上，會(huì)導(dǎo)致熱控散熱面性能下降甚至失效，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及熱控散熱面設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮月塵的影響[6-7]。

1.2 設(shè)計(jì)方案

嫦娥四號(hào)探測(cè)器月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)研制的首個(gè)能夠長(zhǎng)期在80 K深低溫環(huán)境下同時(shí)具備供熱供電能力的系統(tǒng)，國(guó)外類似系統(tǒng)有蘇聯(lián)研制的月球車1號(hào)和月球車2號(hào)。它們的月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)由同位素溫差電池、風(fēng)扇組成；系統(tǒng)工作時(shí)，同位素溫差電池產(chǎn)生電能，電能驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)氣體流動(dòng)，把同位素溫差電池的廢熱傳輸?shù)脚搩?nèi)。其主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)工作時(shí)需要運(yùn)動(dòng)部件，使用壽命不長(zhǎng)，因此月球車1號(hào)和月球車2號(hào)分別度過(guò)了10.5個(gè)和5.0個(gè)月球日。

嫦娥四號(hào)探測(cè)器月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，由同位素溫差電池(RTG)和兩相流體回路組成。在月夜階段,RTG利用核熱源的熱量產(chǎn)生電能,輸出到月夜溫度采集器；兩相流體回路把RTG發(fā)電廢熱收集并傳輸?shù)脚搩?nèi)，用于月夜低溫階段艙內(nèi)設(shè)備控溫。因此，艙內(nèi)設(shè)備為月夜階段被控溫的對(duì)象,RTG和兩相流體回路組成的系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)了月夜階段的熱電聯(lián)供。系統(tǒng)原理及三維模型見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理

圖4 熱電聯(lián)供系統(tǒng)三維模型

1.2.1 RTG

RTG包括核熱源、溫差電換能器和外殼3個(gè)部件。核熱源包括放射性物質(zhì)和包殼等，用于產(chǎn)生熱能。其中，放射性物質(zhì)產(chǎn)生熱能，包殼提供核熱源的機(jī)械接口和熱接口并防止放射性物質(zhì)泄漏。放射性物質(zhì)采用Pu-238，熱功率為120～130 W，由于RTG輸出電功率最小值為2.5 W、最大值為5 W，因此RTG的輸出熱功率為115～127.5 W。溫差電換能器包括溫差電部件、導(dǎo)熱部件、電連接件和隔熱部件等，用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能。其中，溫差電部件進(jìn)行熱電能量轉(zhuǎn)換，采用PbTe基材料的分立的溫差電單體，以電串聯(lián)的方式連接；導(dǎo)熱部件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱、支撐和定位，電連接件連接溫差電部件和電輸出端子，隔熱部件減少漏熱損失。外殼包括電池殼體、電輸出端子和熱控部件等，用于封裝并提供電池的機(jī)械接口、電接口和熱接口。其中，電池殼體實(shí)現(xiàn)封裝并提供電池的機(jī)械接口和熱接口，電輸出端子提供電池的電接口，熱控部件實(shí)現(xiàn)電池殼體的控溫和熱能輸出[8-9]。

為實(shí)現(xiàn)RTG廢熱的高效收集利用，RTG采用端面熱量收集模式，即把RTG的廢熱盡可能傳輸?shù)絉TG圓柱體結(jié)構(gòu)的一個(gè)端面上，而另一個(gè)端面和圓柱體側(cè)面均采用隔熱設(shè)計(jì)。這樣既提高了RTG自身的發(fā)電效率，又實(shí)現(xiàn)了廢熱的高效收集。

為滿足RTG和月夜溫度采集器溫度指標(biāo)要求，對(duì)RTG和月夜溫度采集器進(jìn)行了熱控設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：①同時(shí)考慮月晝高溫情況下的散熱和月夜階段RTG溫度過(guò)低，RTG局部噴熱控白漆、局部包覆多層隔熱組件，如圖5所示。②月夜溫度采集器與兩相流體回路冷凝器導(dǎo)熱安裝連接，月夜階段兩相流體回路冷凝器溫度較高，可保證月夜溫度采集器滿足工作溫度指標(biāo)。月晝階段兩相流體回路為關(guān)閉狀態(tài)，月夜溫度采集器與艙內(nèi)設(shè)備溫度接近，能夠滿足高溫情況下的溫度指標(biāo)。

圖5 RTG噴涂熱控涂層

1.2.2 兩相流體回路

兩相流體回路用于實(shí)現(xiàn)月夜期間艙內(nèi)設(shè)備的溫度控制，包括平板式蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液器、控制閥、管路以及工質(zhì)，組成如圖6所示[10]。

圖6 兩相流體回路組成

兩相流體回路運(yùn)行時(shí)，控制閥處于打開(kāi)狀態(tài)，由于儲(chǔ)液器和蒸發(fā)器存在一定的高度差，在月表重力的驅(qū)動(dòng)下，液體工質(zhì)氨流經(jīng)平板式蒸發(fā)器從RTG吸收熱量，相變后變?yōu)闅鈶B(tài)或氣液兩相流到蒸汽匯流器中，然后沿蒸汽管路流到冷凝器管路中冷凝并釋放熱量，冷卻后的液態(tài)氨流入儲(chǔ)液器中，工質(zhì)氨流出儲(chǔ)液器后經(jīng)過(guò)控制閥、液體管路、液體分流器，最終回流到平板式蒸發(fā)器中，形成循環(huán)回路，完成熱量傳遞的功能。兩相流體回路停止運(yùn)行時(shí)，控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，兩相流體回路內(nèi)的工質(zhì)不會(huì)把RTG的熱量傳遞到艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)熱量隔離的功能。

在運(yùn)載火箭發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月及動(dòng)力下降段、兩器分離段和月晝工作段，控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，兩相流體回路不運(yùn)行。在月夜、晝夜轉(zhuǎn)換、兩器分離(部分時(shí)段)及月晝(早晚時(shí)段)，制閥處于打開(kāi)狀態(tài)，兩相流體回路運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)熱量的高效收集，兩相流體回路采用平板式蒸發(fā)器，它與RTG的接口為RTG端面，該端面為RTG溫差發(fā)電器所在位置。平板式蒸發(fā)器與RTG端面之間導(dǎo)熱安裝,并通過(guò)螺釘緊固,這樣同位素核熱源的熱量經(jīng)過(guò)溫差發(fā)電器后，幾乎全部都被平板式蒸發(fā)器收集。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)的驗(yàn)證包括地面驗(yàn)證和在軌驗(yàn)證兩個(gè)方面。

2.1 地面驗(yàn)證

地面驗(yàn)證主要包括系統(tǒng)電性能驗(yàn)證和熱設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證。電性能驗(yàn)證在整器電測(cè)過(guò)程中進(jìn)行，同位素溫差電池在室溫下發(fā)電量大于2.5 W，滿足要求。熱設(shè)計(jì)方案通過(guò)月夜熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。著陸器月夜階段熱平衡試驗(yàn)在空間環(huán)境模擬器內(nèi)進(jìn)行，著陸器放置在試驗(yàn)支架上。參試的熱控部件主要包括兩相流體回路、多層隔熱組件和熱管。試驗(yàn)中，分別在兩相流體回路平板式蒸發(fā)器、RTG殼體白漆散熱面區(qū)域和RTG殼體多層隔熱組件包覆區(qū)域布設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，如圖7所示。RTG殼體溫度見(jiàn)表1，可以看到，各工況中RTG各處測(cè)溫點(diǎn)均滿足不低于0 ℃的溫度指標(biāo)要求。RTG殼體上溫度分布規(guī)律為多層包覆區(qū)域最高，平板式蒸發(fā)器安裝面次之，白漆散熱面區(qū)域最低，溫度分布符合預(yù)期。

圖7 RTG測(cè)溫點(diǎn)位置示意

表1 RTG殼體溫度數(shù)據(jù)

在月夜工況穩(wěn)定后，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)RTG蒸發(fā)器安裝面換熱量進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為75.4 W，RTG自身散熱量為43.7 W，熱量分配比例正常，符合預(yù)期。根據(jù)RTG端面測(cè)溫點(diǎn)可計(jì)算得到同位素?zé)嵩串a(chǎn)生的120 W熱量中有114.8 W通過(guò)了溫差發(fā)電器，實(shí)現(xiàn)了95%以上同位素核熱源熱量用于溫差發(fā)電器產(chǎn)生電能；并且收集了114.8 W中的75.4 W(占比為65%)的發(fā)電廢熱，用于艙內(nèi)平臺(tái)設(shè)備控溫。試驗(yàn)過(guò)程中，兩相流體回路在月夜工況打開(kāi)，兩相流體回路啟動(dòng)、斷開(kāi)工作正常，溫度分布正確，運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 在軌驗(yàn)證

2018年12月8日嫦娥四號(hào)探測(cè)器從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段后于2019年1月3日成功實(shí)現(xiàn)月面軟著陸；1月12月整器進(jìn)行休眠狀態(tài)；1月30日著陸器自主喚醒，并開(kāi)始下傳月夜階段采集的溫度數(shù)據(jù)。這是國(guó)際首次完成月球背面月夜階段月球表面溫度的測(cè)量。根據(jù)在軌兩相流體回路平板式蒸發(fā)器的測(cè)溫點(diǎn)，可推算得到同位素?zé)嵩串a(chǎn)生的121 W熱量中有112.7 W通過(guò)了溫差發(fā)電器，實(shí)現(xiàn)了93%以上同位素核熱源的熱量用于溫差發(fā)電器產(chǎn)生電能；并且收集了112.7 W中的75.8 W(占比為67%)的發(fā)電廢熱用于艙內(nèi)平臺(tái)設(shè)備控溫，實(shí)現(xiàn)了月夜階段熱電聯(lián)供的功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了嫦娥四號(hào)著陸器月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束、設(shè)計(jì)方案、工作原理、系統(tǒng)組成，以及地面試驗(yàn)試驗(yàn)和在軌驗(yàn)證情況。該月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)由兩相流體回路和同位素溫差電池組成，并通過(guò)同位素溫差電池在端面集中熱量排散，以及采用平板式蒸發(fā)器收集同位素溫差電池廢熱的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同位素溫差電池廢熱的高效收集和利用。在軌驗(yàn)證情況表明，在長(zhǎng)達(dá)14個(gè)地球日、月表80 K深低溫環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了93%以上同位素核熱源的熱量用于溫差發(fā)電器產(chǎn)生電能，并且收集了67%的發(fā)電廢熱用于艙內(nèi)平臺(tái)設(shè)備控溫。在月夜熱電聯(lián)供系統(tǒng)的支持下，嫦娥四號(hào)著陸器已完成國(guó)際首次月球背面月夜階段月球表面溫度采集任務(wù)，可為后續(xù)深空探測(cè)熱、電方案設(shè)計(jì)提供參考。