繞月與月面探測熱環境及影響因素研究

陳建新，馬巨印，張冰強，張 熇，宋 馨

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

0 引言

航天器散熱面的熱設計主要依據其所處熱環境接收的太陽輻射和紅外熱流密度。月球探測器需經歷環月和月面2種工作熱環境。地球軌道外熱流的數據已非常成熟，而環月軌道外熱流的研究相對較少，國內僅在幾顆環月探測器任務中采集了特定環月軌道的外熱流數據[1]。著陸月球表面探測器的外熱流研究也相對缺乏。月面紅外熱流值與太陽熱流相當，常規散熱用選擇性涂層無法抵御紅外熱流，若探測器散熱面朝向強紅外熱流方向，將導致任務失敗，印度“月船一號”探測器的超溫故障即是典型案例。月面地形復雜，特別是月球背面多山、多口坑，導致月面紅外會對探測器形成不同視角的外熱流，因此月面紅外熱流探測需要考慮地形因素。Racca[2]、徐向華等[3]、任德鵬等[4]、陳建新等[5]開展了月表溫度模擬計算研究，但均未考慮復雜月面地形對探測器的影響，特殊場合可能存在較大誤差。

此外，月塵在月面活動和靜電的作用下會沾染到熱控涂層上，影響探測器對熱環境的適應性，這點也需要重點考慮。月球重力場僅為地球的1/6左右，流體類熱控產品設計應考慮微重力的影響。

為求在月面探測器熱控設計中綜合考慮上述影響因素，本文對環月軌道、平坦月面和復雜地形的熱環境及其影響因素進行了定性及定量分析。

1 環月軌道熱環境分析

環月軌道主要面臨太陽照射，月球紅外和反照，以及空間冷背景環境。太陽熱流分析已經成熟，紅外熱流計算的難點在于明確月面溫度與月里緯度的關系，通過研究獲得月面溫度分布特征數據，在環月軌道中針對月球表面設置相應參數，以計算出太陽和月球紅外到達航天器各表面的熱流。

一般以六面體[5]作為航天器典型狀態，假定六面體姿態為三軸穩定，飛行方向定義為+x、+z對月；取軌道典型狀態為圓軌道，高度15 km、傾角為90°；β角（太陽矢量方向與航天器軌道面的夾角）選取0°和30°。六面體航天器各表面的到達熱流密度詳見圖1，太陽熱流包括太陽直射熱流和月面反射太陽熱流，紅外熱流主要為月球紅外熱流?？梢钥闯觯教炱黠w行方向上的±x面和背月-z面，向陽時太陽到達熱流密度為1414 W/m2，背陽時為0，波動很大；側向±y面熱流穩定；對月+z面紅外熱流密度波動也達1400 W/m2，背月面無紅外到達熱流，其他側y面到達紅外熱流密度比對月面的小。

軌道周期平均吸收外熱流是月球探測器輻射散熱面的重要設計依據，與探測器表面狀態有關。以典型表面——玻璃二次表面鏡（OSR）為例，一般取其太陽吸收比為0.19、紅外發射率為0.79[6]。同樣以六面體航天器為研究對象。β=0°時，各表面的軌道周期平均吸收熱流密度中，對月+z面的最大，達到351W/m2，其中紅外熱流占97%；±x面為200 W/m2左右，±y面為150 W/m2左右；背月-z面最小，僅83 W/m2，主要是因為其無月球紅外熱流。

到達探測器各表面的紅外熱流與軌道高度密切相關：隨著軌道高度的增大，月面對探測器各表面的視角系數變小，則使各表面接收到的月球紅外熱流減小。

β角的變化影響了±y側面的光照和月面視角，β角增大導致-y面受照太陽熱流迅速增大，其周期平均吸收外熱流密度逐漸增大，β=30°時達到210 W/m2，增大60 W/m2，β=60°時達到240 W/m2；其他面的熱流略微減小。反之，β角減小導致+y面的吸收外熱流增大。

2 月面探測器熱環境常規分析

2.1 月面溫度環境基本規律

月球表面為高真空狀態，無大氣遮擋，太陽直照月面，月面溫度與當地太陽高度角和表面狀態密切相關。從宏觀來看，月面溫度與經度近似成余弦關系。根據國外觀測結果，月球赤道的表面溫度分布與到日下點角度的關系如圖2[7]所示，月面晝夜溫度在-180～120℃之間劇烈變化。而且不僅僅赤道平面內，在到日下點的各個方向上，都認為有類似的溫度分布。因此月面溫度與經度、緯度都相關，紅外輻射熱流也隨不同經度與緯度而變。另外，1 個月球日為29.53 個地球日[8]，月晝和月夜分別約為14.8個地球日，因此月面溫度變化緩慢。

2.2 月面熱仿真模型

月面有極強的紅外輻射，月面探測器對附近月面環境的真實狀態非常敏感；同時探測器著陸或者在月面移動時，探測器本身的存在也會改變附近月面溫度及其紅外輻射。

我們建立了包含月面月壤三維結構的熱仿真分析模型[5]，并已應用于“嫦娥三號”和“嫦娥四號”月面巡視器的熱控設計仿真。圖3為月晝太陽照射“嫦娥四號”巡視器車體右側時巡視器及月面溫度場仿真分析云圖。經月球正面和背面在軌運行數據驗證，由該模型得到的巡視器溫度預示值與在軌遙測值偏差小于±5℃，與常規環境衛星的預示精度相當。

圖3 月面熱數學模型在“嫦娥四號”巡視器熱設計中的應用結果Fig.3 An application result of lunar thermal model in the thermal design of Chang’e-4

2.3 月面熱流環境分析

以六面體作為航天器典型狀態，分析月面探測器在月面各個方向的吸收外熱流。假定六面體著陸于月球北半球，著陸區為平整月面，定義姿態為+x面朝月球北極、+z垂直指向月面，六面體底面距離月面約0.5 m。六面體表面假設為OSR，考慮月面污染后取其太陽吸收比為0.25、紅外發射率為0.79。

當六面體探測器處于日下點即當地太陽高度角為90°時，背月-z面的吸收太陽熱流為350 W/m2，無紅外熱流；±x、±y側面僅有月面反射的微弱太陽熱流，但是來自月面的紅外熱流很大，平均約520 W/m2；對月+z面的吸收外熱流最大，達到844 W/m2，其中紅外熱流占98%。

我們分析了月球正午時，當探測器著陸區向北移動時，其各表面吸收熱流密度與緯度的關系，詳見圖4。隨著緯度增大，著陸區太陽高度角減小，月面溫度及紅外熱流降低。由圖4可以看到：探測器朝月球北的+x面和朝東、西的±y面主要受月球紅外熱流影響，其吸收外熱流自然隨之減??；朝南的向陽-x面的吸收外熱流由于太陽直射而略有增大，后由于月球紅外熱流的減小得更多而減小。

圖4 月球正午時六面體吸收熱流密度與著陸區緯度的關系Fig.4 The relationship between the absorbed heat flux andthe latitudeof the landing region at moon noon

以探測器在北緯60°為例，朝北+x面吸收外熱流為204 W/m2，朝東、西的±y面吸收外熱流為270 W/m2，背月-z面吸收外熱流為177 W/m2，對月+z面吸收外熱流為604 W/m2，朝南-x面吸收外熱流為585 W/m2?？梢姡谙嗤纳釡囟认拢?x面和朝東、西的±y面具有較強排散內熱耗的能力。

3 月面探測器熱環境復雜影響因素分析

3.1 月面地形的影響分析

月表不是完全平整的，有月海和高地2種典型地形，月海一般具有圓形封閉的特點，為山脈所包圍；高地一般高出月球水準面約2～3 km。月海和高地均覆蓋有大大小小的石塊和撞擊坑，包括環形山、輻射紋以及與撞擊坑有關的隆起構造。月海區域相對平坦，最大坡度約為17°，撞擊坑內側坡度很陡，外側坡度則較緩，平均為5°左右。對于著陸和月面移動的探測器，需要考慮地形熱效應對探測器的影響。

探測器一般選擇對天面做散熱面，并涂敷太陽吸收比較低的選擇性涂層，因此，如果探測器位于傾斜坡面上，對天面與周圍月面存在可見視角，月面紅外將極大影響散熱面的散熱效率，必須在熱模型的熱流環境分析中予以考慮；同時對天面與太陽的夾角也發生了相應變化，向陽傾斜則熱流增大，背陽傾斜則熱流減小。以當地太陽高度角45°、向陽傾斜20°的坡面為例，基于前述的六面體模型，相對水平狀態，傾斜后對天面吸收紅外熱流增加17 W/m2，吸收太陽熱流增加71 W/m2。

如果月面探測器著陸點周圍有高度超過探測器散熱面的山丘，也將影響探測器的熱環境。如果山丘處于探測器和太陽入射方向之間，會遮擋光照，使探測器處于陰影區：遮擋時間較短時，與月食類似；遮擋時間為長期時，與月夜類似。如果探測器位于山丘的陽面，山丘受太陽照射后產生的紅外熱流將進入到探測器對天散熱面和朝山丘的側表面，山丘對探測器的紅外影響與兩者間距離相關，基于前述的六面體模型，以當地太陽高度角45°、太陽與山丘分別位于探測器正對兩側為例，分析山丘引起的探測器對天面和背陽面OSR 吸收紅外熱流增加量與探測器及山丘間的距離（L）和山丘高度（H）之比的關系（如圖5所示），結果發現：對于高度一定的山丘，隨著其與探測器間距離的增大，其對探測器表面的紅外熱流影響減小：當L/H＞5時，山丘對探測器對天面的紅外熱流影響可忽略，但使背陽面的紅外熱流增加約100 W/m2；當L/H＞20時，山丘對探測器所有面的紅外熱流影響均可忽略。

圖5 山丘對探測器表面紅外熱流的影響Fig.5 The effect of the massif on the infrared heating on the spacecraft

3.2 月塵的影響分析

月塵是指覆蓋在月球表面的月壤中粒徑較小（直徑小于1 mm）、較為松散、在一定的外力作用條件下會產生激揚的顆粒。著陸沖擊、發動機羽流、月面活動人為因素、自然因素（靜電效應）等均會導致月塵揚起并沉降在探測器表面。

月塵具有高太陽吸收比、低導熱以及強吸附性等特性，對熱控分系統的影響主要體現為月塵在散熱面等熱控涂層表面附著會引起散熱表面太陽吸收比和紅外發射率的增大。而探測器散熱面和多層隔熱組件外表面選用的都是低太陽吸收比、高紅外發射率的熱控涂層，因此月塵沉降對熱控材料的影響主要是增大了其太陽輻射/吸收比。

軟著陸沖擊過程中引起的月塵激揚高度很小，由“嫦娥三號”軟著陸實測數據可知，月塵揚起量對探測器溫度的影響可忽略。月面巡視與采樣激起的月塵與活動范圍及速度有關，一般車輪行走造成的黏附起塵，行進速度較慢時揚塵高度和輪子直徑基本一致，行進速度較快時月塵揚起很遠；采樣及轉移過程中產生的月塵與采樣方式、月塵容器密封性等相關，但總體相較而言，人的活動揚起的月塵更加劇烈—航天員走路以45°踢起的月塵可以飛達4 m 高、8 m 遠[9]。

自然因素造成的揚塵是個小量，其對探測器的影響基本可以忽略。發動機羽流引起的月塵激揚主要發生在探測器的動力下降段，會影響到探測器表面。根據“嫦娥三號”著陸以后的溫度實測數據分析，著陸過程中激起的月塵對探測器散熱面造成的影響基本可以忽略，但是對艙外設備和著陸點其他探測器的影響不可忽略，特別是對具有低太陽吸收比涂層的設備，如艙外多層表面、測控天線表面等。

3.3 月表重力的影響分析

月球表面的重力加速度為1.62 m/s2，約為地球表面的1/6。同時，著陸區域月表地貌可能高低不平，月面極大概率傾斜角度在20°內，因此會對熱管、流體回路等熱控產品的正常工作、再啟動產生影響。

對于普通槽道熱管，由于逆重力工作能力較差，在重力環境中只能采用水平工作或蒸發端在下的重力輔助工作模式。月面低重力條件下運行時，同樣需保證重力輔助驅動力和流動阻力滿足穩定運行要求，還要考慮到月面著陸探測區可能出現的傾斜坡面的影響。

4 結束語

本文通過對三軸穩定姿態航天器在典型高度和β角的環月圓軌道的外熱流數值變化規律進行研究，發現環月軌道的紅外熱流遠大于地球軌道的，總吸收熱流中，對月+z面的最大，其中的紅外熱流占比非常大；±x面、±y面依次減小，背月-z面的最小，約為83 W/m2，背月-z面具有較強的散熱能力。

提出并采用復雜月面月壤三維熱數學模型，成功應用在“嫦娥四號”探測器熱控設計中，對六面體航天器在典型太陽方位和高度角下各表面的吸收熱流進行計算。在此基礎上，分析了月面崎嶇地形對探測器表面吸收熱流的影響：對高度一定的山丘，隨著其與探測器間距離的增大，其對探測器表面的紅外熱流影響減小。最后定性分析了月塵和月表重力對熱控設計的影響。

本文對月球環繞軌道、平坦月面和復雜地形的熱環境及其影響的分析，可為國內外的月球及深空探測航天器的熱控設計提供基礎數據和有益指導。