祝融號火星車納米氣凝膠隔熱裝置設計及應用

薛淑艷，賈陽，張冰強，向艷超，戴承浩，王雪，鄭凱

1.北京空間飛行器總體設計部 空間熱控技術北京市重點實驗室，北京 100094 2.北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094

火星探測是人類對未知太空探索的熱點之一，具有十分重要的意義。2021年5月15日中國首輛火星車——“祝融號”登陸火星表面，并開展了火星表面巡視探測。火星表面惡劣的低溫大氣環境為火星車的熱控設計帶來巨大挑戰。火星表面溫度在極區夜晚低至-128 ℃，在赤道中午回升至28 ℃，平均溫度約為-53 ℃。同時祝融號火星車沒有核源，僅依靠太陽能電池片將太陽能轉化為電能，保證電子設備的正常工作，可用于艙內電子設備低溫補償的電功率非常有限。為保證火星車艙內的電子設備處于容許溫度范圍，迫切需要一種被動、高效的隔熱措施。

火星周圍還存在著稀薄及干冷的大氣，其主要成分為占比95.3vol%的CO，還包括少量的N、Ar、O、CO、HO等。火星表面的平均大氣壓約為700 Pa，且隨海拔高度不同有很大變化，如在最低的盆地處大氣壓力可達900 Pa，而在海拔最高處則僅為100 Pa。由于火星表面存在大氣環境，氣體的導熱和對流換熱方式直接影響著火星車熱控隔熱材料的選擇。基于真空環境的抑制輻射換熱的多層隔熱組件隔熱性能大幅下降。當環境壓力增大到1 000 Pa時，多層隔熱組件的有效熱導率增大到0.047 W/(m·K)。

納米氣凝膠是一種超輕、隔熱性能優異且適應大氣環境的超級隔熱材料。“旅居者”漫游車的電子元件保溫箱(WEB)結構板采用環氧玻璃，內部充滿25～32 mm的20 kg/m的二氧化硅氣凝膠，導熱率在火星大氣環境(1 000 Pa，CO，24 ℃)下約為0.016 3 W/(m·K)。由于氣凝膠是半透明的，因此在氣凝膠中間放置一層5 μm 厚的鍍金聚酰亞胺膜以隔離輻射漏熱。“機遇號”和“勇氣號”采用的是一種性能更優的0～25 mm滲碳氣凝膠，導熱率在火星大氣環境(1 000 Pa，CO，0 ℃)下約為0.012 W/(m·K)。

納米氣凝膠的缺點就是質脆、易碎，容易產生多余物，機械性能差，需要進行封裝以適應主動段及著陸段的力學沖擊。“旅居者”漫游車使用平板-桁架結合的形式進行封裝，封裝結構包括一組E-glass/epoxy結構單元，每個小單元中都填充有低密度固體氣凝膠。“機遇號”和“勇氣號”則采用腔式面板-桁架結構，大幅改善了氣凝膠的機械性能和可操作性。

雖然美國火星車已完成低密度納米氣凝膠工程上的成功應用，但公開文獻報道中只有簡單結構介紹及測試數據，無詳細應用細節。中國鮮見低密度納米氣凝膠材料的工程應用實例報道。艾素芬等和航天特種材料及工藝技術研究所成功制備了密度小于30 kg/m的工程尺度上的低密度納米氣凝膠材料，但要完成低密度納米氣凝膠隔熱材料在祝融號火星車的工程應用，還需結合火星車的任務特點及保溫需求，解決以下難題：① 納米氣凝膠隔熱材料的封裝方式，解決多余物控制、與結構一體化安裝、充排氣控制等難題；② 納米氣凝膠隔熱裝置環境適應性驗證。

本文針對“祝融號”火星車任務特點及保溫需求，提出一種能適應真空和火星大氣環境的新型、高效、輕質納米氣凝膠隔熱裝置設計方法，采用在真空和火星大氣環境中導熱率極低的納米氣凝膠隔熱材料，通過封裝方式設計解決輻射漏熱隔離、力學性能增強、多余物控制、快速泄復壓等工程應用難題，并對平板型試驗件進行熱性能測試及環境適應性試驗驗證。

1 納米氣凝膠隔熱裝置設計

1.1 任務需求

根據火星表面低溫、低氣壓、弱光照及大風的環境特點及無核熱源的工程約束，火星車的隔熱系統設計時采用納米氣凝膠代替傳統的適用于真空環境的多層隔熱組件，利用納米氣凝膠中的納米級孔隙抑制氣體對流，降低氣體導熱漏熱。納米氣凝膠雖然具有極低的氣態和固態熱傳導率，被認為是目前發現的隔熱性能最好的固體材料，但其質脆、易碎、力學性能相對較差，火星車應用時需要對納米氣凝膠進行封裝，即將其封裝在力學性能滿足要求的封裝結構里面，并且要避免納米氣凝膠產生的多余物擴散泄漏。要實現納米氣凝膠在火星車上的工程應用需滿足以下要求：① 真 空和火星大氣環境下具有良好隔熱性能；② 封 裝結構要適應力學環境要求；③ 多余物控制；④ 具有排氣功能，適應主動段及火星大氣進入段的快速泄復壓環境。

1.2 納米氣凝膠隔熱裝置設計方法

納米氣凝膠隔熱裝置結構形式如圖1所示，由納米氣凝膠隔熱板、層壓玻璃板封裝結構、緩沖材料、反射層及聚酰亞胺螺釘/螺母組成。將納米氣凝膠隔熱板分兩層、分區域放置在結構板、凹形封裝結構、L形封裝結構及T形封裝結構形成的封閉腔體中，實現納米氣凝膠隔熱板的封裝；兩層納米氣凝膠隔熱板之間鋪設反射層，減少紅外輻射漏熱；納米氣凝膠隔熱板與封裝結構之間的間隙填充緩沖材料，阻止納米氣凝膠隔熱板產生的多余物外漏；通過膠粘固定于結構板上的螺釘及螺母實現凹形封裝結構與結構板間的緊固。

圖1 納米氣凝膠隔熱裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of nano-aerogel thermal insulation device

1.2.1 隔熱性能設計

納米氣凝膠隔熱裝置傳熱途徑有4種：

1) 主導熱傳熱途徑：凹形封裝結構→納米氣凝膠隔熱板→結構板。

2) 封裝結構導熱漏熱途徑：凹形封裝結構→L形封裝結構→結構板。

3) 輻射漏熱途徑：凹形封裝結構→紅外透射穿過納米氣凝膠隔熱板→結構板。

4) 緊固螺釘漏熱途徑：凹形封裝結構→螺釘/螺母→結構板。

對于主導熱傳熱途徑，采用艾素芬等制備的超低密度納米氣凝膠隔熱板作為隔熱材料，1 400 Pa、CO氣氛環境、25 ℃時厚度方向的熱導率約為0.006 9 W/(m·K)，厚度14.5 mm，密度為29～30 kg/m，可根據設計需求機械加工成不同形狀。

對于封裝結構導熱漏熱途徑，封裝結構采用低熱導率的層壓玻璃板復合材料，厚度為0.4 mm，并將凹形封裝結構設計為鋸齒狀，如圖2 所示，在滿足力學要求的前提下盡量減小凹形封裝結構與L形封裝結構間的膠結面積。

對于輻射漏熱途徑，納米氣凝膠隔熱板具有紅外透射特性，為隔離紅外輻射漏熱，兩層隔熱板間鋪設一層低發射率的反射層，反射層材料選用25 μm雙面鍍金聚酰亞胺打孔膜，發射率為0.03。

對于緊固螺釘漏熱途徑，采用低熱導率的聚酰亞胺螺釘/螺母。

圖2 凹形封裝結構Fig.2 Concave encapsulation structure

1.2.2 力學性能設計

采用盒蓋式封裝結構增強力學性能，由結構板、L形封裝結構、凹形封裝結構形成盒式封閉空間，T形封裝結構位于盒式封閉空間內部，將封閉空間劃分成適應納米氣凝膠隔熱板尺寸的不同區域，并對納米氣凝膠隔熱板進行左右移動限位。封裝結構與結構板之間、封裝結構之間的連接采用膠結方式。

采用聚酰亞胺螺釘/螺母用于封裝結構的強化緊固。螺釘通過膠粘于結構板上，穿過不同區域納米氣凝膠隔熱板間的空隙及凹形封裝結構，通過擰緊螺母實現凹形封裝結構與結構板間的強化緊固。

1.2.3 多余物控制

采用封裝結構將納米氣凝膠隔熱板封裝在盒式封閉空間內，并在盒式空間內部間隙利用3 mm 厚的聚氨酯泡沫進行多孔迷宮過濾，以阻隔多余物，同時具有緩沖和透氣功能。

1.2.4 排氣設計

納米氣凝膠隔熱裝置需具充排氣功能，避免飛行及試驗過程中由于內外壓差過大造成裝置結構破壞。充排氣設計如下：① 納米氣凝膠隔熱板為多孔材料，具有透氣性；② 反射層采用打孔膜；③ 緩沖材料為泡沫材料，具有透氣性；④ 凹形封裝結構上開設一定量的排氣孔，排氣孔密度為100 mm×100 mm范圍內布置不少于2個排氣孔，孔的直徑為1 mm。

2 納米氣凝膠隔熱裝置性能驗證

2.1 熱性能驗證

2.1.1 試驗方法

納米氣凝膠隔熱裝置熱性能試驗參考全包覆型平板試件的熱性能測試方法，采用在加熱板及試件邊緣增加防護板的方式減少邊緣熱損失。該方法獲得的總導熱系數為

(1)

式中：為平板試件的厚度；為熱邊界溫度；為冷邊界溫度；為施加到納米氣凝膠隔熱裝置的熱流，為加熱板施加電功率減去護板、電纜等漏熱功率；為平板試件的面積。

2.1.2 試驗測試系統

熱性能試驗測試系統由真空容器、密封罐、抽真空系統、氣體壓力控制系統、溫度測量系統、試驗件控溫系統、密封罐控溫系統組成。試驗件通過Kevlar纖維吊掛在密封罐的端蓋上，見圖3。

模擬真空環境時，氣體壓力控制系統的閥門關閉，通過抽真空系統將真空容器及密封罐內的壓力控制在10Pa以下。模擬氣氛環境時，關閉密封罐與抽真空系統連通的閥門，氣體壓力控制系統的閥門打開，將密封罐內穩定維持在設定的壓力。模擬二氧化碳氣氛時，通過密封罐控溫系統將密封罐控制在-120 ℃以上，防止二氧化碳氣體出現凝結。

圖3 熱性能試驗測試系統Fig.3 Thermal performance test system

熱性能測試過程如下：待密封罐內氣體壓力控制在工況設定壓力后，試驗件控溫系統將試驗件控溫參考點溫度控制在工況設定的溫度，并達到穩定狀態，記錄穩態時試驗件控溫系統施加的電流，根據焦耳定律計算得到施加到試驗件的電功率。溫度測量系統記錄穩態時試驗件溫度測量點的溫度數據。根據護板及電纜的溫度數據計算評估護板及電纜漏熱功率，進而得出施加到納米氣凝膠隔熱裝置的熱流，根據式(1)計算得到納米氣凝膠隔熱裝置的總導熱系數。

2.1.3 試驗件

試驗件設計狀態如圖4所示，實物狀態如圖5 所示。2塊納米氣凝膠隔熱裝置位于兩側，中間為加熱板，加熱板與待測納米氣凝膠隔熱裝置之間進行等間距控制，采用非接觸輻射加熱方式，避免直接接觸加熱時因材料低導熱特性導致的溫度不均勻問題。四周使用4塊高強度低熱導率納米氣凝膠護板控制邊緣漏熱，護板與納米氣凝膠隔熱裝置間使用低熱導率的聚酰亞胺螺釘進行裝配，并墊2 mm聚酰亞胺隔熱墊。試驗件通過低熱導率的Kevlar纖維吊掛在空間模擬器內，加熱板與護板之間在吊點處各墊一個4 mm厚的聚酰亞胺墊片，以減少吊掛裝置引入的漏熱影響。加熱板、納米氣凝膠隔熱裝置封裝結構側(熱邊界)和結構半側(冷邊界)以及護板兩側均布置溫度測點。為減小及評估電纜的漏熱損失，電纜包覆多層隔熱組件，并布置溫度檢測點。

圖4 熱性能試驗試驗件示意圖Fig.4 Schematic illustration of thermal performance test module

圖5 熱性能試驗試驗件Fig.5 Thermal performance test module

2.1.4 試驗結果及分析

分別測試了試驗件在真空環境、(1 400±50) Pa 二氧化碳氣氛環境、(1 400±50) Pa 氮氣氣氛環境下-80 ℃、-40 ℃及25 ℃的熱性能參數，試驗測試結果如圖6所示。隨測試溫度升高，納米氣凝膠隔熱裝置熱導率增大。相同溫度條件下，真空環境熱導率最小，氮氣環境熱導率最大。納米氣凝膠隔熱裝置在1 400 Pa、二氧化碳氣氛環境下，25 ℃時的熱導率約為0.008 0 W/(m·K)。在相同條件下，納米氣凝膠隔熱板的熱導率約為0.006 9 W/(m·K)，封裝結構的漏熱導致納米氣凝膠隔熱裝置的熱導率增大了約16%。

圖6 熱性能試驗結果Fig.6 Results of thermal performance test

2.2 環境適應性驗證

2.2.1 力學環境適應性驗證

力學性能是納米氣凝膠隔熱裝置完成火星車工程應用的重要因素。按探測器經歷的力學環境特點及量級，對納米氣凝膠隔熱裝置開展了沖擊試驗、隨機與正弦振動試驗，試驗狀態如圖7所示。力學試驗完成后對納米氣凝膠隔熱裝置封裝結構外觀進行了檢查，發現封裝結構完好，未發現異常。

圖7 力學環境試驗狀態Fig.7 Mechanical environment test status

2.2.2 泄壓環境適應性驗證

為適應主動段外部壓力驟降環境，對納米氣凝膠隔熱裝置進行了排氣設計，為驗證排氣性能是否滿足設計要求開展了泄壓試驗驗證。納米氣凝膠隔熱裝置水平放置在空間環境模擬器內，空間環境模擬器內壓力按長征五號運載火箭整流罩內壓設計帶的內壓下限進行模擬，最大壓降速率約為6.9 kPa/s，通過攝像設備觀察納米氣凝膠隔熱裝置在泄壓過程中外觀變化情況。試驗件狀態見圖8。

泄壓試驗中最大壓降速率約為7.7 kPa/s。試驗過程中，納米氣凝膠隔熱裝置的凹形封裝結構出現明顯鼓脹現象，壓降速率越大，鼓脹現象越明顯，待壓力泄至10 Pa時恢復原狀。試驗完成后封裝結構完好，未發現異常。

圖8 泄壓試驗狀態Fig.8 Pressure relief test status

2.3 環境適應性試驗后熱性能復測

在納米氣凝膠隔熱裝置經歷力學環境試驗及泄壓試驗后，開展了真空環境及二氧化碳氣氛環境的熱性能測試。環境試驗前后熱性能測試結果如表1所示，可見環境試驗前后熱導率沒有明顯變化，表明納米氣凝膠隔熱裝置的力學性能和排氣性能均滿足設計和任務需求。

表1 環境試驗前后熱性能測試結果

3 應用及在軌性能

3.1 納米氣凝膠隔熱裝置在火星車應用

火星車納米氣凝膠隔熱裝置由7塊組成，分別位于火星車頂板、側板、底板和鞍形件朝向艙內一側，通過膠結的方式安裝在火星車結構板和鞍形件上，如圖9所示，每一塊納米氣凝膠隔熱裝置根據結構板構型設計相應的形狀及尺寸。在納米氣凝膠隔熱裝置表面粘貼一層低發射率單面鍍金聚酰亞胺膜，減小火星車內高溫設備與納米氣凝膠隔熱裝置的輻射換熱。祝融號火星車整套納米氣凝膠隔熱裝置質量為5.95 kg，僅占火星車總質量的2.5%。

圖9 火星車納米氣凝膠隔熱裝置布局Fig.9 Layout of nano-aerogel thermal insulation device on Mars rover

3.2 在軌性能

“祝融號”火星車自2021年5月15日實現火星表面軟著陸后，已在火星表面成功完成90個火星日的科學探測任務，成功實現火星表面生存，正在進行拓展任務。在火星表面科學探測期間，火星車處于火星大氣環境，安裝有納米氣凝膠隔熱裝置的艙板內外側溫度變化曲線如圖10所示，在火星表夜間無太陽外熱流加熱時，艙板內外兩側溫差最大達53.8 ℃，艙內側溫度在-28 ℃以上，保證了艙內設備在零加熱功率補償下，溫度仍處于允許的溫度范圍內。

圖10 艙板內外兩側溫度變化曲線Fig.10 Temperature variation curves of deck inside and outside with time

4 結 論

提出了一種新型、高效、輕質納米氣凝膠隔熱裝置設計方法。

1) 將在真空和火星大氣環境中熱導率極低的超低密度納米氣凝膠隔熱材料采用基于低熱導率復合材料的盒蓋式局部支撐封裝、多孔迷宮過濾、反射屏輻射隔離、開設排氣孔的組合設計，解決了力學性能增強、多余物控制、輻射漏熱隔離、快速泄復壓等工程應用難題。

2) 測試了納米氣凝膠隔熱裝置的隔熱性能，1 400 Pa、CO氣氛、25 ℃時納米氣凝膠隔熱裝置總導熱系數低至0.008 0 W/(m·K)。

3) 力學環境及快速泄壓環境適應性試驗驗證了納米氣凝膠隔熱裝置力學性能、排氣性能滿足祝融號火星車環境使用要求。

4) 火星車納米氣凝膠隔熱裝置質量為5.95 kg，僅占火星車總質量的2.5%。

在軌數據表明，納米氣凝膠隔熱裝置有力保障了火星車艙內設備的正常工作和有效探測，所得結論可為后續有大氣環境航天器的隔熱設計提供參考。