利用載人航天器進行熱控涂層艙外搭載試驗研究

霍佳婧，白明生，魏傳鋒，韓海鷹，滿廣龍

（1.中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

從20世紀80年代開始，以美國為代表的國外航天發達國家利用其空間專項試驗平臺和航天飛機進行了大量的空間環境效應飛行試驗，用以積累環境效應數據并驗證地面模擬試驗的結果。其中最具代表性的試驗項目為 NASA的長期暴露實驗裝置（LDEF）及其試驗工作。LDEF在軌停留了5.7年（約69個月），經歷了半個太陽活動周期，這次飛行試驗獲得的成果直到現在依然是航天器設計的重要參考資料[2]。

在試驗艙上建立具有一定規模的長期暴露平臺，并通過多次的出艙太空行走來進行操作，以完成相關試驗。由于我國目前技術條件的限制，建立長期暴露平臺的條件尚不成熟。本文提出了一種在不影響正常任務、不需要改變飛行器設計的條件下，在前艙門外側布置搭載試驗裝置，開展熱控涂層暴露試驗的方案。

執行交會對接任務的載人航天器在對接前自主飛行，前艙門外表面暴露在空間環境中；對接成功建立組合體后，此時艙門外表面在組合體密封空間內，航天員可實現對搭載試驗件的安裝、回收等操作。

1 艙外暴露搭載試驗

利用航天器（衛星、飛船或航天飛機、空間站）進行的空間科學實驗，基本上可分屬3大類，即加（充）壓（密封）艙內試驗、非密封艙內試驗、暴露（艙外）試驗。隨著空間科學研究的深入和載人航天空間探測的發展，暴露試驗引起了人們更多的關注和重視。

暴露試驗是指把試驗裝置或試驗樣品（材料、元器件或設備）放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空間環境之中所進行的各種試驗。與密封或非密封艙內試驗相比，暴露試驗的空間環境既不同于非密封艙內環境（屏蔽），也有別于航天器加壓艙的環境（非真空和屏蔽），它包括微重力、高真空、來自太陽及外太空的各種輻射、劇烈的溫度變化、等離子體、原子氧、微流星體/空間碎片等等[1]。

可開展的艙外暴露搭載試驗主要有：1）空間環境下功能材料性能變化研究；2）空間環境下的航天醫學、生物實驗和制藥研究；3）空間天體物理學研究；4）天文觀測；5）空間環境下其他基礎研究。下面將重點介紹利用載人航天器開展熱控涂層材料的艙外搭載試驗。

2 熱控涂層直接暴露試驗需求分析

運行于低地球軌道的航天器，其表面所使用的熱控涂層直接暴露在空間環境下，要經受帶電粒子、紫外輻照、原子氧、高真空以及航天器表面釋放出的污染物的影響，使太陽吸收比αs增大（紅外發射率變化很小或不受影響），從而會影響熱控系統的性能。為了保證儀器設備在整個壽命周期中正常工作的溫度環境，準確掌握熱控涂層在軌性能數據的變化情況對熱控設計和熱分析至關重要。

目前關于近地軌道衛星熱控涂層的性能退化尚沒有準確的數據，熱設計中通常參考地球同步軌道飛行數據、地面退化試驗數據或國外相近涂層的飛行數據。由于空間和地面兩種環境的差異、地面模擬試驗的誤差以及國產涂層與國外涂層之間性能不一致，設計計算選用的有些參數不能準確體現實際在軌的情況，驗證在軌環境對熱控涂層的影響有著顯著的工程意義。

3 熱控涂層艙外搭載試驗方案

3.1 約束條件

對于執行交會對接任務載人航天器前艙門的搭載試驗，有以下幾個約束條件。

1）系統約束

① 滿足布局設計條件與機械接口條件；

② 對航天器系統無電能供應、測控指令需求；

③ 不需要采取專門的溫濕度控制措施，不影響航天器的系統熱控方案。

2）交會對接任務約束

① 不影響對接機構動作；

② 不影響敏感器視場，不增加光干擾源；

③ 試驗不產生多余物，不得對其他產品造成污染。

3）航天員操作約束

① 不影響艙門的開啟和關閉；

② 不需要航天員照料，但航天員可操作。

3.2 總體試驗方案

熱控涂層搭載試驗件共配置2套。A套試驗件安裝在載人航天器前艙門舷窗外側，完全暴露在外部空間，該套試驗件的平面法線方向與飛行方向一致。試驗件隨目標飛行器發射和整流罩拋射后，暴露在外部空間；載人飛船與目標飛行器對接后，前艙門外在“神舟”飛船艙內，航天員不需進艙活動即可將該套試驗件取下帶回密封艙，封裝在軟包內，并于任務結束后帶回地面；在地面進行測試和分析，獲取涂層在軌退化等數據。B套試驗件用大密封袋封裝后裝于帶有明顯標識的試驗件軟包中，固定在載人航天器密封艙內，以供第二次暴露試驗之用。

3.3 搭載試驗材料

本次搭載試驗中選取的均為載人航天器和衛星常用的熱控涂層材料，如表1所示。

表1 熱控涂層材料Table 1 Thermal control coating materials for flight experiment

3.4 搭載試驗裝置

試驗件樣品有熱控多層、涂層試驗片和熱敏電阻3種，將這3種試驗樣品布置在舷窗玻璃外沿的艙門多層上，試驗裝置如圖1所示。

熱控多層為環狀，用尼龍搭扣固定于熱控多層上，再用繩索系住，這種方式方便航天員解開；涂層試驗片也用尼龍搭扣均勻排布于艙門多層上，并用繩索系住；熱敏電阻用黑色硅橡膠粘于熱控多層上。

回收后，可分別研究空間環境對熱控多層、熱控涂層、熱敏電阻的影響。涂層試驗片材料及其編號見表2，編號也標識在圖1中。

圖1 搭載試驗件構型圖Fig.1 The layout of the exposed testing components

表2 涂層試驗片及其編號對應表Table 2 The coating material samples and their corresponding serial numbers

3.5 在軌回收操作

以執行至少 2次搭載試驗任務為例說明試驗件的在軌回收及操作步驟。

1）第一次搭載試驗

① A套搭載試驗件安裝在艙門外側隨載人航天器入軌后，開始艙外暴露搭載試驗；

② 待第一次有人交會對接后，組合體飛行期間，航天員進入密封艙，在配合地面完成組合體狀態設置后，開始進行A套試驗件的回收操作；

③ 航天員解開繩索取下試驗件，裝入密封袋中，將回收后的試驗件固定在飛船返回艙內，并返回至地面。

2）第二次艙外暴露試驗

① 第一次有人交會對接期間，完成A套搭載試件的回收后，航天員再將 B套試驗件固定于該密封艙艙門外側，進行拍照，完成第二次艙外暴露試驗的準備工作；

② 飛船與目標飛行器分離后，試驗件再次暴露在空間環境中；

③ 待第二次有人交會對接時，航天員再次回收B套試驗件；

④ 航天員將回收后的試驗件固定在飛船返回艙內并返回至地面；

3）對帶回地面后的試驗件進行外觀檢查與性能復測，分析三種熱控材料的性能受空間環境的影響。

4 搭載試驗可行性驗證

為驗證搭載試驗件滿足約束條件（3.1節）的情況，安排了以下專項試驗。

1）光學特性驗證試驗

由于交會對接任務的需要，載人航天器表面的各種設備和材料均須進行反射光試驗。對搭載試驗材料也須安排光學特性驗證試驗以摸清不同距離、不同光入射角情況下的反射特性，以保證搭載試驗件的安裝不影響交會對接敏感器的正常工作。

2）工效學驗證試驗

因搭載試驗件需要航天員實施安裝、回收操作，在地面安排了搭載試驗件操作的工效學驗證試驗，對航天員操作的可行性進行充分的地面驗證。

5 結論

本文提出的利用我國目前載人航天器實現熱控涂層的艙外搭載試驗方案，其主要特點和應用目標有：

1）搭載試驗件的回收可實施性強。常規的艙外搭載試驗回收均需要航天員出艙，而本方案是在帶對接結構的艙門外側進行搭載試驗，不需要航天員出艙行走即可完成回收、再次安裝等操作，不影響交會對接主任務，為開展空間環境效應的研究提供了便利；

2）可實現資源的最大利用。搭載試驗充分利用了對接艙門于交會對接前后分別經歷空間環境和密閉載人環境這個獨特資源優勢；

3）搭載試驗件一旦成功回收，可在地面對熱控涂層、熱控多層、熱敏電阻進行性能復測與外觀檢查，從而獲得在軌環境對熱控涂層影響的第一手數據。

4）本方案可對航天員在軌試驗、樣品回收操作等技術進行先行驗證，為后續空間站的建立開展空間應用積累經驗。

（References）

[1]吳漢基, 蔣遠大.空間暴露實驗： 重要的空間科學實驗方法[J].載人航天, 2008(4)： 39-44

Wu Hanji, JiangYuanda.Exposed experiment in space environment： a significant method of space research[J].Manned Space Technology, 2008(4)： 39-44

[2]Robinson J A, Thumm T L.NASA utilization of the International Space Station and the vision for space exploration[J].Acta Astronautica, 2007, 61： 176-184

[3]Dettmann J, Reitz G.MATROSHKA-the first ESA external payload on the International Space Station[J].Acta Astronautica, 2007, 60： 17-23