我國月球探測器熱控技術發展

向艷超 劉自軍 寧獻文 苗建印

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

月球探測是中國深空探測的開端，是飛向更遠距離探測的第一步。從2004年至2020年的16年間，中國成功組織實施了月球探測三步走戰略，發射了7顆探測器，圓滿完成了“繞”、“落”、“回”無人月球探測目標[1]。在此過程中，開發了一批先進技術，取得了一批原創性成果，有力推動了中國航天技術的發展。航天器熱控技術作為服務于航天器熱環境控制的技術，在月球探測中，受需求拉動，先后開發了月球熱模型、重力輔助兩相流體回路技術、水升華器技術、同位素核熱/電源技術等先進熱控技術，不僅保障了月球探測任務順利完成，而且推動了熱控技術的發展[2-4]。

月球探測器熱控技術是基于近地軌道航天器熱控技術、結合月球熱環境特點及探測器特殊使命發展形成的。近地軌道航天器熱控設計中常用的熱控涂層、槽道熱管、多層隔熱組件及電加熱器等在月球探測器熱控中仍然發揮著基礎性重要作用，且在探月工程中其使用條件得到進一步拓展、應用設計原則進一步規范，比如F46鍍銀二次表面鏡熱控涂層使用溫度范圍由-196～+100 ℃擴展到-196～+145 ℃，大面積F46鍍銀二次表面鏡低溫收縮效應控制設計等。探月工程中開發的新熱控技術是對我國航天器熱控技術體系的補充和發展。

本文論述了我國在探月工程中開發的新型熱控技術及其應用情況；結合月球后續探測任務，探討了熱控技術發展的趨勢，展望了后續月球探測任務中熱控技術發展方向。

1 月球探測中的熱控技術發展

1.1 探月一期工程熱控技術發展

嫦娥一號探測器是我國首顆月球探測器，月球熱環境的準確識別與合理應對成為探月一期工程中熱控分系統的工作重點和難點。針對月球強紅外輻照熱環境及探測器極軌軌道的任務特點，熱控分系統在準確識別月球紅外輻射模型的基礎上，采用槽道熱管進行整星等溫化設計，有效解決了外熱流不穩定導致的整星散熱面布局困難及散熱面散熱能力波動大造成的困難等。

1)月球熱模型

月球紅外熱流的分析是進行月球探測器熱設計的基礎。由于月球周圍不存在大氣層，且月壤導熱系數低，導致不同經緯度上的月面溫度分別差異大，故不能像地球那樣簡化為溫度均勻的球體，需要描述不同經緯度點的溫度分布。在嫦娥一號任務研制過程中，通過不斷改進與完善，最終建立了月球表面溫度分布模型，詳見式(1)所示[5]。

(1)

式中:S為太陽常數，單位為W/m2；ρ為月球對太陽的平均反射率；ε為月球紅外發射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數；φ為距離日下點的經度，單位為(°)；φ為距離日下點的緯度，單位為(°)；T為月球表面溫度，單位為K；C為擬合常數。

利用上述溫度表達式，即可獲得月球表面的溫度，進而獲取月球的紅外輻射強度。該模型經過嫦娥一號至嫦娥五號探測器在軌飛行驗證，在軌飛行數據與地面熱分析預示數據一致性良好。月球熱模型為探測器熱控分系統設計奠定了堅實基礎。

2)相變材料復合熱管傳熱蓄熱技術

月球紅外輻射強度高，波動幅度大，對探測器尤其是散熱面的影響大，造成散熱面溫度波動劇烈。這種溫度波動將影響嫦娥一號上關鍵載荷設備CCD相機探測器的探測效果，需要采取措施進行溫度波動的消峰處理。

相變材料作為一種大比熱容材料，通常被作為蓄熱材料使用，但相變材料的熱導率一般都比較小，擴熱速度慢，如何將熱量快速傳遞給相變材料、促使相變材料快速吸收是使用好相變材料的關鍵。

在嫦娥一號任務中，為平抑CCD相機探測器的溫度波動，開發了將相變材料與槽道熱管復合技術，研制了相變材料復合熱管，使其不僅具備熱管的良好導熱性能，而且具備相變材料的蓄熱功能。相變材料復合熱管構形如圖1所示，其中右側圖的中間孔作為熱管使用，充裝氨工質；兩側作為相變材料腔體，充裝正十二烷，整個結構一體化成型，確保相變材料與槽道熱管換熱良好[6]。在軌飛行結果表明該設計是成功的。

圖1 相變材料復合熱管

1.2 探月二期工程熱控技術發展

在探月二期工程中，熱控分系統的工作重點和難點是解決月夜保溫，同時兼顧月晝散熱需求。美國月球勘測者(Surveyor)探測器利用蓄電池組供電加熱，成功度過了1個月夜；蘇聯月行器(Lunokhod)探測器利用同位素核源供熱和密封艙內強迫對流傳熱技術，成功度過了10.5個月夜。在嫦娥三號任務中，熱控分系統提出并研制了基于同位素熱源供熱+重力輔助兩相流體回路無源可控傳熱的月夜保溫系統，及基于可變熱導熱管的月晝可控熱排散系統，成功實現了嫦娥三號探測器月面生存。截至2021年底，嫦娥探測器已成功度過96個月夜，且運行狀態正常，成為國際上月面生存最長的探測器。在嫦娥三號任務中，熱控分系統開發了重力輔助兩相流體回路技術、可變熱導熱管技術及同位素熱源/電源技術等熱控新技術。

1)重力輔助兩相流體回路技術

重力輔助兩相流體回路的技術特點是在有重力場環境中，流體回路依靠熱源的熱驅動自主運行，實現遠距離熱量的傳輸，運行期間無需消耗電源。流體回路在結構上包括蒸發器組件、冷凝器、儲液器、控制閥、管路等。冷凝器布置在需要熱量的位置；蒸發器與同位素熱源導熱安裝，以獲取熱量。月夜期間，控制閥接通，兩相流體回路啟動，將同位素熱源的熱能傳遞到需要熱量的地方，為設備保溫提供能量；月晝期間，控制閥斷開，兩相流體回路停止工作，同位素熱源的熱能以輻射散熱的方式排散到外界空間，不增加探測器在月晝期間的散熱負擔。重力輔助兩相流體回路原理見圖2[7]。該項技術已成功應用到嫦娥三號著陸器、玉兔一號巡視器、嫦娥四號著陸器、玉兔二號巡視等4顆探測器上，單套流體回路可實現百瓦量級的熱量傳輸，為探測器成功度過月夜奠定堅實基礎，嫦娥三號探測器也是國際上首次在航天器上應用重力輔助熱驅動兩相流體回路技術的航天器。

圖2 兩相流體回路原理圖

2)可變熱導熱管技術

可變熱導熱管是一種隨熱負荷變化而自主調節冷凝面積的大小，使熱管蒸發段的溫度保持基本恒定的熱管，具有熱開關的屬性。在嫦娥三號任務中，可變熱導熱管用來解決著陸器月晝散熱與月夜保溫兩種傳熱需求之間矛盾。月晝時，可變熱導熱管冷凝段打開，熱量由熱管蒸發段傳遞到冷凝段進行熱量排散；月夜時，冷凝段被控制氣體工質堵塞，熱量無法傳遞到冷凝段，因此可減少設備艙的熱量散失。嫦娥三號著陸器上使用的可變熱導熱管的主要性能指標見表1所示，產品實物照片見圖3所示。

表1 可變熱導熱管主要性能指標

圖3 可變熱導熱管實物照片

3)同位素核源熱利用技術

根據同位素核源在航天器上的應用目的分為同位素核熱源(RHU)和同位素核電源(RTG)。同位素核熱源僅提供熱量；同位素核電源既發電，又提供熱量，兩者兼顧。在嫦娥三號任務中，熱控分系統成功組織研制并在軌驗證了RHU技術，針對同位素核熱源在月晝及月夜溫度差別大導致的熱膨脹匹配性等難題，研制了同位素核源隨溫度變化自適應封裝結構，解決了月晝與月夜期間同位素熱源結構熱脹冷縮匹配性與核源快速換裝難題，以及同位素熱源熱量管理與利用難題。圖4為同位素熱源結構示意圖。在嫦娥三號任務中，同位素核熱源的綜合熱利用率約78%[2]。

圖4 同位素熱源(RHU)結構

在嫦娥四號中，熱控分系統成功組織研制并在軌驗證了RTG技術，針對RTG熱電聯產過程中熱量管理問題及RTG帶核快速換裝難題，成功研制了重力輔助兩相流體回路平板蒸發器代替嫦娥四號中的籠式蒸發器，不僅改善了流體回路蒸發器與RTG之間界面換熱質量，強化了兩者之間的換熱過程，而且簡化了流體回路與RTG之間的機械接口，為RTG快速換裝提供了便利。圖5為RTG實物照片。在嫦娥四號任務中，受RTG溫差發電器件工作溫度限制，降低了RTG月夜期間的供熱能力，RTG發電后的廢熱利用率為67%[8]。

圖5 同位素溫差電池(RTG)實物照片

1.3 探月三期工程熱控設計發展

在探月三期工程中，熱控分系統的工作重點和難點是解決月晝采樣期間短期大功率熱排散難題。為了實現任務目標，熱控分系統使用了基于泵驅單相流體回路熱總線的熱控方案，同時開發了水升華消耗性散熱技術，研制了水升華器產品，解決了短期大功率廢熱排散的難題[9]。

水的三相點壓力約為610 Pa，在空間高真空環境下，固態的冰吸收熱量后將不經過融化直接升華為氣體，并在升華過程中吸收熱量。水升華器根據這一特點，通過設計多孔板和給水腔的結構參數使工質水按照水→冰→氣態水的過程發生相變，在此過程中帶走熱量。水升華器是具有短時大功耗設備理想的散熱裝置。圖6給出了嫦娥五號探測器上使用的水升華器布局示意圖，表2給出了水升華器的主要性能指標。

圖6 水升華器應用布局示意圖

表2 水升華器主要性能指標

1.4 熱控技術發展小結

回顧探月工程中熱控技術的發展歷程，為了適應月球新的熱環境條件，滿足探測任務需求，熱控分系統發展了熱環境模型、無源可控熱傳輸技術、熱排散技術及熱源技術等4類熱控新技術，重點面向解決月面探測器的月晝散熱與月夜保溫問題，建立了月面探測器熱控設計體系及其支撐熱控產品，為月球探測器實現長期月面生存奠定了技術基礎。表3匯總了月球探測中發展的新熱控技術及其應用場合。

表3 月球探測中發展的熱控技術

2 后續月球探測對熱控技術發展的需求與展望

我國在完成月球探測三步走后，將開展月球極區探測，構建月球科研開發基礎設施，形成長周期無人月球探測能力；在不遠的將來，還將開展載人月球探測，進行長期有人駐留月球探測。

無論對于月球極區長期無人探測，還是有人長期駐留探測，熱控分系統要解決的基本熱控問題仍是月晝散熱與月夜保溫問題。對于月晝熱排散需求，根據著陸位置緯度不同，受月面紅外輻射影響導致月晝散熱需求差別較大。對于著陸于低緯度地區的探測器，由于月面溫度高(月球赤道附近月面溫度>120 ℃)，月面紅外輻射強度大，導致輻射器散熱面只能朝天指向，且月晝期間輻射器的熱排散效率低。如要提高輻射器熱排散效率，可使用熱泵等措施提高散熱面的熱排散溫度。對于著陸于高緯度地區的探測器，月面溫度低，月面紅外輻射強度小，對輻射器的朝向及熱排散能力影響小。對于月夜保溫，無論著陸點在什么緯度，其熱控需求基本一致，主要涉及保溫用能源供給方式及熱量可控傳輸方式。月夜保溫用能源供給方式可選擇核源(同位素熱源/電源、核反應堆)或蓄電池組；熱傳輸方式可選擇重力輔助兩相流體回路或泵驅流體回路，具體選擇取決于月夜有無電功率提供。

展望未來月球探測，瞄準探測器全月面可達的目標，熱控分系統應朝著構建一個資源消耗少、控溫能力調節能力強的熱控系統方向發展。圍繞月面長期探測中月晝散熱與月夜保溫兩個基本熱控制問題，在已有技術(表3所示)的基礎上，從月夜供熱方式、熱傳輸方式、月晝熱排散方式三個方面分析熱控技術發展新需求。在熱量供給方面，建議進一步發展以溫差發電、熱光伏發電為代表的核熱源熱電轉換技術，提高發電效率和熱利用效率，使發電功率達到百瓦量級，實現小規模探測器月夜期間熱控系統保溫用熱、電自足；發展小型核反應堆技術及以斯特林、布雷頓為代表的更高效的熱電轉換技術，為大型月面基地做準備；未來開發月面核聚變技術，實現月面資源原位利用。在熱傳輸方面，在泵驅單相流體回路技術相對成熟的基礎上，建議發展泵驅兩相流體回路技術，提高系統運行穩定性和可靠性，實現熱量可控傳輸。在熱排散方面，在進一步提升水升華器等消耗性散熱技術的基礎上，建議發展熱泵技術及耐高溫低吸收、高發射涂層技術，提高系統熱排散的能力和效率。

3 結束語

探月工程的成功實施，推動了我國航天器熱控技術的長足發展，基本形成了針對月面探測器月晝散熱、月夜保溫相融合的熱控技術體系。展望后續長期無人及有人駐留月球探測任務，建議進一步提升月夜期間的熱-電聯供能力和效率，發展大功率溫差電池和小型核反應堆技術；提升月晝與月夜期間可控熱傳輸能力，發展泵驅兩相流體回路技術；提升月晝期間的輻射器熱排散效率，發展熱泵技術及低吸收、高發射涂層熱控涂層技術。