“新視野”探測器的熱控系統分析與啟示

余群 （中國運載火箭技術研究院研發中心）

?

“新視野”探測器的熱控系統分析與啟示

余群 （中國運載火箭技術研究院研發中心）

為了滿足探測任務要求，“新視野”（New Horizon）探測器首次采用了雙層“保溫瓶”式熱控設計，改進了防寒能力，以適應冥王星和柯伊伯帶極度寒冷環境。此外，外太陽系的深空環境無法利用太陽電池帆板來提供電能，飛船上安裝了一套由美國能源部提供的放射性同位素熱電發生器（RTG）來提供電能，其余熱可實現設備的加熱控溫。放射性同位素熱源主動熱控為主，多層隔熱組件等被動熱控為輔的熱控設計有效保障了“新視野”探測器各設備溫度水平。

1 “新視野”探測器簡介

“新視野”探測器是美國航空航天局（NASA）“新疆域計劃”的第一次中級別太空探測任務， 2006年1月19日發射升空，飛向冥王星。

“新視野”采用箱式結構，寬度約2.5m，加裝燃料之后總質量達到465kg，安裝了16個小推力肼燃料火箭推進器，加裝了77kg的肼燃料，用于飛行途中的定向、軌道修正和飛越冥王星后改變航向，繼續飛往柯伊伯帶天體。

“新視野”共攜帶了7臺質量為30kg的科學儀器。其中光學設備有3臺，分別是：遠程勘測成像儀（LORRI）、可見-紅外成像光譜儀（Ralph）、紫外成像光譜儀（Alice），分別拍攝可見光、紅外和紫外圖片。另外4臺儀器分別是：太陽風測量儀（SWAP）、無線電科學實驗儀（REX）、能量粒子譜儀（PEPSSI）、學生塵埃計數器（SDC），分別用于測量冥王星附近和表面的太陽風、大氣、能量粒子和塵埃。

2 “新視野”熱控系統分析

“新視野”熱設計

“新視野”探測器的熱設計主要包括放射性同位素熱電發生器、多層隔熱組件及設備/結構采光孔的自然漏熱。該探測器熱控設計采用“保溫瓶”方式來平衡內部耗能和自然產生的漏熱。探測器主體用熱包覆材料包裹，以防止整個系統中的最大熱量損失。另外，此探測器的熱控設計還綜合考慮了火箭發動機組件（REA）及熱包覆層的漏熱損失。

當溫度超過25℃時，該熱設計可回收放射性同位素熱電發生器產生的余熱，且打開熱百葉窗以排散熱耗。未經內部探測器總線耗散的功率將通過兩塊外部并聯板耗散。推進系統元件受探測器總線熱約束，通過與結構之間的熱連接可保持在適宜溫度。

由于“新視野”的設計特點，因此需要開展加熱器控制。這些需求包括擴展的任務周期、漫長的單程光時、有限的可用功率以及不同的任務形態。擴展的任務周期需采取冗余設計，摒棄機械開關的使用。4.5光時飛行里，探測器上的能量管理與地面階段能量管理截然相反，整個任務分成科學數據采集、標稱接地期以及休眠模式。不同的工作模式，功率需求不同。比如：在巡航階段，不需要和地面保持聯系，且此時只有少量元器件耗能。這一階段，關鍵是加熱器控制的簡潔化。在科學采集階段，關鍵是保持加熱系統不自動關閉。超載時，功率分配單元（PDU）將會檢測到一個較低電壓，使飛行器處于低電壓感應（LVS）狀態，該狀態的直接反應即是關閉放射性同位素熱電發生器（RTG）上所有非臨界電力負載。

“保溫瓶”設計允許加熱系統從溫度控制方式變換為電平管理。“新視野”上設計了加熱系統，目的是為了維持內部功率耗散不變。當外部環境一定時，熱包絡內的功率耗散和包絡內的溫度存在直接關系。當接近上載目標時，通過調整開關控制專用的冗余鏈路（2.5W、5W、10W、20W及3個30W加熱器），加熱系統控制軟件可維持總線功耗水平。這些加熱器為低溫工況下的驅動元件，位于構成火箭發動機組件的火箭發動機模塊（REMs）周圍。加熱器回路由串并聯加熱器組合組成，因此，任何一個加熱器（開或關）失效都不會改變回路的耗散。探測器上沒有溫度控制型加熱器。當測量團隊需要且功率和熱量允許的情況下，也可使用凈化加熱器。當兩跟蹤器同時關閉時，需啟動包含其余加熱器的星體跟蹤器組件。

依據探測器總線使用的功率來設定內部熱耗散值。然而，有一些子系統的電功率耗散是在熱包絡外的。這些組件包括推進系統的推力器及催化劑床，行波管放大器（TWTAs）和星體跟蹤器組件。這些元件的一些功率耗散排出艙外，因此總線上的有效功率偏低。

“新視野”探測器熱設計特征

每一個推進系統的推力器都有一個2W的催化劑床層加熱器。使用該加熱器可使催化劑床在推力器使用之間保持在125℃以上。推進系統模擬漏熱情況，發現50%的功率被探測器吸收，另外50%在艙外反射掉。因此，其有效功率為1W。

行波管放大器傳遞時的耗能大約為30W，其中約12W以無線電頻率能量的形式發射出去，其余的18W以熱量的形式耗散到探測器內部。因此，行波管放大器的有效熱耗即為耗散到探測器內的18W熱量。

最后一個電和熱耗散不同的產品就是星體跟蹤器組件。星體跟蹤器運行溫度比探測器總線內溫度低，因此其和探測器隔熱安裝。該組件具有一個外部輻射器來排散跟蹤器的耗能。只有當跟蹤器不運行時才啟動其余的加熱器。因此，星體跟蹤器組件不往總線中注入熱量，所以工況下其熱貢獻為0W。

探測器+Z和-Z方向存在兩個外部分流板，用來耗散放射性同位素熱電發生器產生的不用的電功率。兩分流板一共帶有16路加熱回路，每一回路可耗散18W功率。第一和第二回路分開，在兩分流板上都有加熱元件。當只有少量的功率被分流時，該布置可維持每塊板上都有少量的熱功率。分流板上的加熱器通過分路調節器單元（SRU）自主選擇。

依據這些分流器是否被用作附加熱源，分路調節器單元支持操縱裝置選擇分流器。這些操縱裝置是由地面控制的，僅當任務中有效探測器功率減少且僅使用專用非分流加熱器熱控制軟件無法維持艙內熱環境時使用。

“新視野”熱控方法

使用系統內的功率耗散，“新視野”探測器熱控系統可維持探測器的總體溫度。該設計概念和大多數探測器的設計概念一樣。但“新視野”設計上的不同是放射性同位素熱電發生器產生的有限功率要求加熱器功耗最小化。系統溫度隨著功率增加，且表現出基于功率源位置的局部變化。探測器在進行熱設計時，把較大耗散分配在電子器件周圍，以使功率最終達到平衡。熱設計中的重點關注項目就是推進系統，其限定工作溫度在5～50℃之間。因考慮到推力器閥的溫降，探測器總體溫度的設計下限為20℃。

多層隔熱組件的自然泄漏是該系統的最大漏熱。在設計過程中，該漏熱和系統總功率之間存在一個大的不確定關系。考慮到多層隔熱組件漏熱的不確定性，只有少許額外的漏熱被用來支撐和保持系統溫度仍在要求范圍。由于當溫度較高時，百葉窗動作可提供一個較大的有效散熱面積，熱端溫度較小。放射性同位素熱電發生器整個壽命周期內的預測功率約為191W。考慮包含艙外功率損失和要求的瞬態儲存功率，有用功率約為135W。

“新視野”熱控驗證

通過熱真空平衡試驗可驗證熱控系統的正確操作。試驗驗證了探測器的最小功率需求低于可用值，且熱控軟件通過開關調節負載可維持一個恒定的功率水平。

試驗測試結果表明120W可讓探測器維持在接近室溫，最小功率需求是107W。當催化劑床層加熱器和行波管放大器打開或關閉時，熱控軟件對熱耗散進行控制。12h周期內，耗散目標值保持恒定（120W）。瞬時平均值為探測器的平均內部耗散，由熱控軟件控制，每隔1s計算1次。總載荷為探測器產生的電功率。整個周期內的平均熱耗控制在117.1W。

測試過程中，探測器中的多個組件都按真實飛行過程中的開關模式切換。熱控軟件計算探測器熱耗散，且和預測值相比較。根據比較結果，可通過調節加熱器面板開關，以采用不同的加熱器系統補償。

最后，通過比較加熱器功率面板和加熱器當前讀出，比較了該系統中使用的實際值和熱控軟件要求的加熱器功率。加熱器面板上功率和加熱器當前讀出非常接近。

軟件控制和加熱器工作曲線（豎線表示此處存在數據丟失）

探測器熱真空試驗驗證了該探測器的熱設計、熱控制軟件以及專用加熱器釋放需求功率的能力。

3 “新視野”熱控關鍵技術

“新視野”探測器的熱控系統復雜，由多項主動熱控措施和被動熱控措施相互結合而組成，其中的關鍵熱控措施主要包括：多層隔熱組件、自動化加熱系統、放射性同位素熱電發生器。

多層隔熱組件

為了避免熱量流失，“新視野”采用了類似保溫瓶的熱設計。探測器表面包覆著輕質金色的多層隔熱材料，可用于留住工作中電子設備產生的熱量以保持探測器溫度適宜。電子設備產生的熱量可使整個任務周期內，探測器都在10～30℃之間運行。

探測器外表面包裹著18層多層隔熱材料組成。多層隔熱組件由鍍鋁聚酯薄膜和聚酰亞胺薄膜組成，兩薄膜之間以滌綸網狀布填充，除了溫度控制應用外，還可以保護探測器免受微碎片的撞擊。

自動化加熱系統

“新視野”復雜精密自動化加熱系統可監測探測器內部的功率水平，以保證電子元件有足夠的功率運行以保持安全溫度。當比運行功率（約150W）低時，將觸發探測器周圍的小的加熱器用以補足這些不足。當探測器接近地球和太陽，內部溫度過高時，百葉窗將開啟。

放射性同位素熱電發生器

由于冥王星和柯伊伯帶遠離太陽，太陽輻射強度只是地球上的0.1%，太陽光要經過4個多小時長途跋涉才能來到冥王星。“新視野”所需的電力無法通過太陽能電池發電提供。為此，“新視野”探測器攜帶了一臺放射性同位素溫差發電機。

核能發電機位于“新視野”的尾部，內裝10.9kg二氧化钚，其中的钚-238衰變時會釋放出熱量，通過溫差發電提供穩定的電力。所有的探測設備都將依賴這臺核能發電機供電，其產生的電力相當于一對100W燈泡。

核能發電機所用的燃料被封裝在特制的球形防火陶瓷中，這種陶瓷有抗分解能力，不易與其他物質發生化學反應，而且外面的密封箱完全能經受住墜地撞擊或空中爆炸的沖擊。

放射性同位素熱電發生器剖面示意圖

4 啟示

熱控系統設計，保成功

卓越的熱控系統設計是確保“新視野”探測器歷時9年多的長期飛行后，任務仍然成功的關鍵，我們應該吸取其成功的熱控系統設計經驗。“新視野”探測器成功在距離冥王星1.25×104km的地方飛過，這個距離僅相當于地球與月球之間距離的1/30，這標志著人類初步完成了太陽系范圍的標識工作。在這次任務中熱控系統發揮了重要的保障作用。我們應加強先進熱控設計方法的研究，積極謀劃相關熱控技術研究項目，預先開展關鍵技術攻關，為未來的領域拓展打下堅實基礎。

主被動熱控措施結合，是手段

多層隔熱組件、自動化加熱系統、放射性同位素熱電發生器等先進主被動熱控措施是實現“新視野”探測器長期深空運行的基本熱控手段。“新視野”探測器使用放射性同位素熱電發生器（RTG）產生的余熱來保證艙內溫度，且外部多層隔熱組件具有足夠的熱阻，僅用內部電子元件耗散的熱量就可維持探測器內部溫度在5℃以上。當艙內溫度超過25℃時，熱百葉窗啟動，可抑制在這一時刻（即內部耗散達到其最大設計水平）內部溫度變得太高。我們應該進一步跟蹤這些技術發展和設計思路，盡快開展高性能、高可靠熱控技術研究，為我國航天深空探測領域提供相關技術儲備。

熱試驗把關，提質量

在滿足任務需求的情況下，盡量選用成熟的熱控產品，加上嚴格的熱試驗把關，以保證“新視野”探測器質量、提升任務可靠性。“新視野”探測器熱控系統的長期任務要求其具有極高的可靠性，因此，多層隔熱組件、放射性同位素熱電發生器等關鍵熱控措施遵循首選成熟產品的原則。同時，對于“新視野”這類全新飛行器而言，要嚴格開展真空熱平衡試驗，驗證、考核首發空間飛行器熱設計、熱控制軟件以及專用加熱器釋放需求功率的能力及正確性。上述措施保證了探測器的整體質量，也提升了在任務執行過程中的可靠性。

Analysis and Revelation of Thermal Control System of New Horizons Rover