太陽軌道器非同尋常的“護身符”

文/ 錢衛

▲ 太陽軌道器要飛到距離太陽4000多萬公里的地方

太陽軌道器運行的位置，是整個太陽系里環境最惡劣的地方之一。雖然最后確定的軌道比最初設計要離太陽遠一點，但在最近的地方，太陽軌道器距離太陽也只有4200萬公里。這個數字看上去挺大的，但只有地球到太陽距離的1/4。想想夏日正午的陽光是什么樣的？而且地球外面還有厚厚的大氣層。實際上，這個距離比金星到太陽還近。這顆太陽系最內側的行星，最接近太陽的位置也只有4600萬公里。這個距離意味著，太陽軌道器表面的溫度可能達到430℃，如果在地球上，金屬鉛都能融化了。為了保護探測器，歐空局和空客航天防務公司牽頭研制了獨具匠心的熱防護罩。

平板遮陽傘最好

按照初期設計，進入科學軌道之后，太陽軌道器有3種軌道可以選擇，近日點高度都是0.228個天文單位。和貝皮·科倫布探測器相比，太陽軌道器所承受的太陽輻射通量幾乎是兩倍，達到了20個太陽常數，也就是每平方米28千瓦。

然而在空間飛行期間，太陽軌道器距離太陽都相當遠，環境溫度是很低的。這就給熱設計帶來了更大挑戰，也就是說，在飛往太陽的途中，需要給軌道器加熱來保持正常工作溫度，進入科學軌道之后又要防熱。這也對推進系統方案選擇造成了影響。如果采用太陽能電推進系統，航行期間，可以用它發出的電力來給探測器本身加熱。如果采用化學推進方案，就要從大約1.5個天文單位的距離上開始加熱。加熱功率大概需要達到300瓦，這也決定了太陽電池的尺寸。當然，也可以采用百葉窗的方式來控制探測器內部的溫度，不過這需要增加一個新的部件和相應機械開合機構，增加了設計上的復雜性。因此最后沒有采用這種設計。

隔熱防護罩的設計目標，是為探測器提供一個比較和緩的溫度環境，確保重要的儀器設備能正常工作。這是可行性評估工作當中的很大一部分工作，要對熱防護罩的形狀、尺寸、正面材料等要素做全面的權衡。而火箭發射能力本身對上述問題的方案選擇形成了嚴苛的限制。尤其是最初打算考慮太陽能電推進方案的時候，設計師們要充分測算探測器的質量、復雜性、有效載荷的接口。

當太陽軌道器接近太陽的時候，就需要考慮遮擋陽光的問題了。這時，采用太陽能電推進和化學推進在熱設計上沒有什么區別，因為電推進方案要在這個階段把推進模塊丟掉。唯一的區別就是，丟掉了電推進模塊的探測器重量、大小、太陽帆板尺寸都有很大差異。

防護罩的尺寸取決于探測器本身的尺寸。在正常的對日定向模式下，它至少要能遮擋住探測器和外置器件。在最接近太陽的位置上，太陽在太陽軌道器的視場中大約占據了2.4度，因此防護罩所占的視場角應該略寬一些，要比最外側的外置器件寬出1.2度。此外，探測器還有可能遇到一些異常情況，失去正確的對日定向。綜合這些因素，防護罩應該比最外側的外置器件寬出2.5度。

▲ 測試中的太陽軌道器

▲ 大量科學儀器都部署在防熱保護罩后面

▲ 防熱保護罩單獨進行真空試驗，注意上面的科學儀器觀察窗口

防護罩形狀的設計原則是盡量少吸收太陽光。例如，可以把防護罩設計成圓錐形或者V型，就可以顯著降低最外層的溫度，讓整個防護罩的工作效率更高。但是這樣的設計也有缺點，它帶來了機械上的復雜性。部分有效載荷的設計也會因此而更加復雜，它們需要透過防護罩上的窗口觀察太陽。所以，如果把防護罩設計成平面的會有效簡化設計，這也是最終的防護罩設計方案。

為了能讓整個探測器在防熱保護罩的保護之下正常工作，必須隨時保持對日定向，也就是把保護罩對準太陽，本體藏在罩子后面。因此，必須為太陽軌道器設計強健的姿態控制系統。一般來說，如果探測器上的執行機構——比如動量輪、推力器發生異常，探測器可能會短暫地出現定向錯誤。這對于地球軌道上的衛星來說不算大問題，只要在電池耗盡之前把姿態調整回來就行。但太陽軌道器必須能在短時間內恢復正確的對日定向姿態，否則就要被太陽曬壞了。那么，在這短時間內，太陽軌道器就只能硬抗陽光嗎？設計師們不打算這么做。太陽軌道器側面是散熱器，散熱器外側設置了光學太陽反射器，可以短暫抵擋一下日光。

一層又一層的防熱材料

在探測器接近太陽的過程中，等離子體環境也越來越嚴峻。這主要是因為太陽風的密度越來越大。太陽風中帶電粒子的高度密集，會帶來很高的紫外線通量，導致材料加速退化，從而改變材料的熱光特性，降低防熱性能。為了降低環境因素對航天器材料的影響，歐空局專家對太陽軌道器的熱設計投入了巨大力量。不過他們所遵從的設計原則相對還是比較容易理解的，那就是考察材料對熱輻射的吸收率和發射率，用這二者的比值來衡量它的防熱能力。

防護罩最外層材料的熱光特性決定了防護罩的工作溫度和實際吸收的太陽光。如果能有效降低最外層材料的溫度，就可以簡化整個熱設計，控制傳導進入探測器本體的熱量。設計師們討論了多種材料，包括涂料、陶瓷、金屬、光學太陽反射器等等。

只有無機物材料涂層才有可能耐受如此強烈的紫外線輻射，即使在壽命末期，這類材料也要具有很低的吸收率。典型的白色物質涂料在壽命末期吸收率為0.6左右，需要在實驗室中模擬太陽軌道器的典型工作環境，來確保壽命末期吸收率不超過這個數值。把涂料噴在金屬材料上可能也存在一定的問題，如果遭到太陽直射，會有小部分金屬發生爆炸，導致涂料脫落，把金屬材料暴露出來，被暴露的部分會急劇升溫，整個防熱保護罩就失效了。

▲ 防熱保護罩熱試驗效果

▲ 日冕的噴發劇烈影響太陽系天氣

▲ 總體防熱方案

金屬材料的吸收率是非常高的，如果把它直接放在正面，就會導致高溫。即使金屬本身不熔化，支撐結構也耐受不住，因此不能把金屬放在最外層。

也有人提出，可以把陶瓷材料用于最外層。金屬陶瓷的性能衰退要比涂料更緩慢，鋁硼硅就是一個很好的方案。然而在太陽軌道器所處的環境中，陶瓷材料中的白色成分會如何衰退，依然是不確定的。所以必須對它們進行典型環境下的衰退試驗。

▲ 太陽軌道器的光照模擬試驗

如果一種材料的吸收率達到100%，是不是也能用在太陽軌道器上呢？典型的100%吸收率材料就是碳-碳復合材料，可以考慮用它來制造防熱保護罩的本體。在美國宇航局的太陽探測器上也大量采用了碳-碳復合材料。事實證明，與白色材料相比，它可以耐受更高的表面溫度。而且碳-碳復合材料的選用可以有效簡化總裝測試的過程，因為它所需要的降級試驗更少一些，只要用紅外燈照射就可以了，無需用到太陽模擬器。

解決了最外層材料之后，防護盾內側的防熱任務還是很重，需要用某種材料把紅外線盡可能多地反射回去。在衛星上，人們一般采用多層聚酰亞胺材料來實現這個功能，在貝皮·科倫布計劃中也是如此，只要填充足夠多層數的聚酰亞胺，就可以有效控制傳導到航天器本體上的熱量。

對幾個選項進行了熱學分析之后，就可以對防熱保護罩提出幾個可行性方案了。但需要注意的是，不同的材料帶來的防護罩質量大為不同，例如最外層如果采用黑色材料，就會帶來更高的表面溫度，所以必須加厚涂層，總體質量是直接把其他各層凌空隔開，可以進一步降低傳導給航天器本體的熱功率。然而防熱保護罩不可能憑空懸浮在探測器本體外面，還是需要用支桿把它們連在一起，因此支桿本身需要能夠耐受高溫。而且隔空層要比聚酰亞胺層更厚，才能起到作用。所以這樣的方案選擇會導致防熱保護罩更厚，會不會難以裝進火箭整流罩里，是個必須考慮的問題。

經過反復研究和驗證，空客公司確定了最終方案。在防護罩最外層，是愛爾蘭恩比奧公司研制的“日黑”涂層。這是一種有趣的磷酸鹽物質，它的吸熱能力極其出色，無論多少紅外線還是紫比白色或者灰色材料大得多。

▲ 太陽軌道器通體涂成黑色來加強熱輻射

如果選用白色材料制成做外層，那么內側就必須使用高溫聚酰亞胺材料，與貝皮·科倫布有一定的相似性。聚酰亞胺材料與鈦合金之類的高溫合金薄膜相結合，可以實現0.45的吸收率。聚酰亞胺材料可以用蜂窩鋁合金結構支撐，然后再鋪設一道或多道聚酰亞胺。這樣的多層防熱保護罩設計，可以把傳導進入探測器本體的加熱功率限制在30瓦以內，而最外層溫度不會超過420度。

當然，如果不采用聚酰亞胺，而外線轟擊其上也不怕，長期使用也不會脫落、不會氣化。在“日黑”層后面，是用20層鈦合金薄片支撐的熱防護罩主體，可以耐受500攝氏度的高溫。本體后面是一段什么也沒有的間隔層，熱量會從這里導向側面，流散到宇宙空間里去，不再向探測器的本體傳導。再向后是一層5厘米厚的蜂窩鋁結構，之間用10根星型的螺栓來支撐。蜂窩鋁結構外面還覆蓋著30層低溫隔熱層，可以耐受300攝氏度的溫度。再向內就是探測器的本體了。