月面著陸器遮陽傘輔助熱控方法散熱性能分析

鄒天琦，陳江平2,趙 亮2,王 帥,謝 鳴

(1.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

月面著陸器是月球探測任務中的重要組成部分，在月表的復雜熱環境下執行探測任務，要求內部電子設備的工作溫度不超過某特定溫度，以確保設備的正常工作[1]，要求載人月球車必須具有自適應能力強的散熱系統[2-3]，它是影響月球車整體性能、安全可靠的關鍵因素，對我國實現月球探測具有深遠的意義[4-5]。自上世紀末，美國NASA在詹姆斯·韋伯太空紅外觀測望遠鏡中采用遮陽板作為輔助溫控系統以來，美、俄等國家在空間飛行器上多次采用遮陽傘作為輔助熱控裝置抑制太陽對局部設備的輻照加熱，但對于設備整體以及同時考慮太陽輻照加熱抑制與空間輻射散熱功能的遮陽傘溫控裝置缺乏研究。熱控系統是月面著陸器的主要系統[6]，由于月面熱環境溫度變化明顯，表面極限溫度可達到400 K以上，此時月面著陸器散熱面只能位于其頂面，但受太陽照射影響，散熱能力受限，嚴重抑制了著陸器的整體性能。本文結合月面著陸器熱環境以及太陽光輻照加熱的特點，以提高月面著陸器散熱能力為目標，提出一種用于月面著陸器遮陽傘輔助熱控的方法，通過遮陽傘抑制太陽直射輻照加熱的同時，著陸器上部散熱面仍具備向空間散熱的能力，保證元器件正常工作和宇航員的正常生活環境，從而增強航天器月面探測能力和駐留能力，增加月面著陸器的可靠性和安全性。采用該方法并與月面著陸器熱控分析模型相結合，以阿波羅登月著陸器為對象，分析了無遮陽傘、固定型遮陽傘以及調節型遮陽傘這三類應用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能，獲得了不同情況下月面著陸器散熱能力隨太陽高度角的變化關系。

1 數理模型及計算方法

月面著陸器遮陽傘輔助熱控原理如圖1所示。采用遮陽傘可以遮擋直射的太陽光，同時增大傘離開散熱面距離，降低傘對散熱面的立體角，從而減弱散熱面朝向深冷空間排散熱量的影響，在抑制太陽直射輻照加熱的同時保障了月面著陸器的散熱能力。其中月球表面吸收的熱量主要為來自太陽的輻射，來自其它天體和天空的背景輻射可忽略，因此其接收到的熱流密度為[7-8]

qma=am1Csinθ

(1)

式中qma——月球表面吸收到的熱輻射熱流；

am1——月球表面對太陽輻射的吸收率；

C——太陽常數；

θ——太陽高度角。

與月球表面接收到的太陽輻射熱流密度相比，月球表面接受到的地球輻射熱流密度和月壤導熱熱流密度可以忽略，則月球表面的輻射平衡溫度Tm為[9-10]

(2)

式中εm——月球表面的發射率；

σ——黑體輻射常數。

當月面著陸器上部無遮陽傘時，著陸器表面熱流密度為[11]

岸上的男子跳上船，船猛地向下一沉，擺渡人晃了晃，扶著船沿才沒有摔倒。男子笑呵呵地問：“你叫什么名字？”他搖著槳，沉吟道：“誰謂河廣？一葦杭之。”男子把耳朵湊過來，疑惑地問：“你說什么？”他淡淡一笑，重復道：“誰謂河廣？一葦杭之。”男子說：“我問你叫什么名字。”他還是道：“誰謂河廣，一葦杭之。”男子搖搖頭，低聲自言自語：“是裝傻還是真瘋？”男子又問：“你從哪里來？”他說：“遠方。”男子不解，“遠方是哪里？”他說：“遠方就是遠方。”

(3)

式中α2——著陸器表面涂層的吸收率；

ε2——著陸器表面涂層的發射率；

T2——著陸器表面的溫度；

Ttk——太空當量輻照溫度；

Q——著陸器需排散的熱量。

當月面著陸器上部有遮陽傘時，其散熱能力依據遮陽傘是否依據太陽高度角變化而不同，將太陽輻射熱流視為均勻熱流，遮陽傘表面視為均勻壁溫[12]，當遮陽傘不可調節時，遮陽傘表面熱流密度可表示為

(4)

(5)

當月面著陸器上部遮陽傘可調節時，遮陽傘表面熱流密度可表示為

(6)

著陸器表面熱流密度可表示為

(7)

式中ε11——遮陽傘上表面的發射率；

T1——遮陽傘上表面的溫度；

ε12——遮陽傘下表面的發射率；

α12——遮陽傘下表面的吸收率；

x21——遮陽傘角系數；

εm——月球表面發射率；

ρm——月球表面反射率；

α11——遮陽傘上表面的吸收率；

β——遮陽因子。

為了比較散熱能力變化，定義散熱能力提高比為[13-14]

(8)

2 計算結果及分析

考慮到阿波羅登月著陸點選擇在赤道附近緯度不大于30°的范圍內，我國開展載人登月也會將登月著陸點首選在此區域，因此以阿波羅登月著陸器為例對無遮陽傘、固定型遮陽傘以及調節型遮陽傘這三類應用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能進行分析。

由于月球的自轉，表面輻射平衡溫度隨時間周期性變化，周期為一個月球日。月球表面不同緯度地區的輻射平衡溫度在一個月球日中的變化如圖2所示[8]，可見在緯度不大于30°的范圍內輻射平衡溫度差別較小。以月球赤道處載人月面著陸器需排散1 500 W的熱量(阿波羅著陸器的散熱能力水平)為例進行分析。

圖3顯示出了遮陽傘表面溫度隨太陽高度角的變化，可看出可調節式遮陽傘的表面溫度略微高于傘柄不可調節式遮陽傘的表面溫度；圖4顯示出了散熱能力隨太陽高度角的變化關系，遮陽傘傘柄不可調節時，隨太陽高度角增大，散熱能力逐漸升高，最終和遮陽傘傘柄可調節時的散熱能力相當,攜帶有可調節式遮陽傘的輻射器的散熱能力明顯優于攜帶有傘柄不可調節式遮陽傘的輻射器及無遮陽傘的輻射器的散熱能力；圖5顯示出了散熱能力提高比隨太陽高度角的變化關系，當遮陽傘傘柄不可調節時，散熱能力在太陽高度角較大時才逐漸提高，當遮陽傘傘柄可調節時，散熱能力提高比隨太陽高度角的增加而增大，并且散熱能力提高比明顯大于遮陽傘傘柄不可調節時的散熱能力提高比。

無遮陽的散熱量小于所需排散的熱量；有遮陽傘時，當遮陽傘傘柄不可調節時，散熱量隨太陽高度角變化較大，當太陽高度角較大時，散熱功率高于額定功率，滿足要求，當太陽高度角較小時，散熱功率低于額定功率，無法滿足要求；當遮陽傘傘柄可調節時，遮陽傘散熱功率大于所需額定功率，且散熱功率隨太陽高度角的變化而基本不變，為了使散熱量與需排散的熱量相等，可在設計的過程中減少輻射散熱器的面積，輻射器的散熱量與載人月面著陸器需排散的熱量近似相等，不需要增加水升華器或可展開式輻射器。

3 結 論

結合月面著陸器熱環境以及太陽光輻照加熱的特點，以提高月面著陸器散熱能力為目標，提出一種用于月面著陸器遮陽傘輔助熱控的方法，通過遮陽傘抑制太陽直射輻照加熱的同時，著陸器上部散熱面仍具備向空間散熱的能力，保證元器件正常工作和宇航員的正常生活環境，從而增強航天器月面探測能力和駐留能力，增加月面著陸器的可靠性和安全性。采用該方法并與月面著陸器熱控分析模型相結合，以阿波羅登月著陸器為對象，分析了無遮陽傘、固定型遮陽傘以及調節型遮陽傘這三類應用于月面著陸器的輔助熱控裝置的散熱性能，研究結果顯示有、無遮陽傘輔助熱控裝置，散熱性能相差300%，并且可調節型遮陽傘輔助熱控裝置可滿足月面著陸器整個任務周期內的散熱性能要求。