嫦娥五號輕量化泵驅單相流體回路熱總線設計及實現

寧獻文，徐侃，王玉瑩，蔣凡

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

嫦娥五號任務是中國復雜程度最高、技術跨度最大的航天系統工程，探測器系統設計面臨任務模式復雜、關鍵環節難度大和資源受限3個方面的挑戰[1]，使得熱控系統設計也面臨很大的技術挑戰[2]，尤其是輕量化設計技術方面。

嫦娥五號探測器系統由著陸器、上升器、軌道器和返回器組成，其中著陸器與上升器共同組成著陸上升組合體，主要完成著陸下降、月面無人自動采樣、月面起飛等任務[1]，其熱控設計面臨月面高溫環境(110～140 ℃)下無人自動采樣任務過程中設備的熱收集、熱傳輸與熱排散等挑戰，需要新型輕量化高適應能力主動熱控技術予以解決。

泵驅單相流體回路技術作為一種具有很大潛力的主動熱控技術，具有結構簡單、布置靈活、魯棒性高以及可繼承性好等優點，能夠顯著提升航天器熱控系統的適應能力，已經成功應用在航天飛機、國際空間站以及“神舟”飛船等大型航天器熱控系統中，有效解決了這些航天器的熱控難題[3-12]。此外，美國火星巡視系列探測任務也都利用泵驅單相流體回路作為系統級熱管理的手段，實現了良好的在軌應用效果[13-18]。中國實踐十號返回式衛星[19]、實踐二十號大型通信衛星也針對各自任務需求與特點，采用泵驅單相流體回路技術解決了相應的熱控技術難題。

鑒于此，在借鑒國內外相關領域熱控技術基礎上，針對嫦娥五號著陸上升組合體面臨的熱控技術挑戰及資源受限難題，首次在月球無人探測航天器領域提出一種輕量化泵驅單相流體回路熱總線及設計方法，其將固定輻射散熱面、消耗型散熱裝置水升華器構建為一套組合式熱沉，以實現探測器整體熱量/熱沉的總線收集、跨器調度傳輸及動態重組排散。

1 月面無人自動采樣任務熱控挑戰

著陸上升組合體月面無人自動采樣任務示意見圖1，上升器位于著陸器頂部，鉆取、表取采樣裝置均布置在著陸器上，兩者采集的月壤樣品存放至上升器密封封裝裝置中，而后上升器攜帶樣品從月面起飛，與軌返組合體對接后，將樣品轉移到返回器上，由軌返組合體攜帶月壤樣品返回地球[1]。

圖1 嫦娥五號著陸上升組合體月面工作示意圖

根據嫦娥五號月面無人自動采樣任務剖面和探測器整體構型，著陸器與上升器主要面臨2方面熱管理技術挑戰[2,20]：

1) 根據熱分析預示，月晝正午月面環境溫度將達110～140 ℃，由于上升器對著陸器的遮擋(圖1)，使得著陸器自身缺乏有效散熱通道，導致月面采樣、上升器月面起飛過程中存在短期大熱耗熱排散困難。

2) 探測器全任務周期內，熱環境變化范圍大、工作模式復雜，不同任務階段熱排散負荷變化峰谷比超過7∶1，需協同考慮各任務階段探測器散熱與保溫之間的矛盾。

2 輕量化泵驅單相流體回路方案

2.1 流體回路熱總線方案

針對嫦娥五號月面無人自動采樣任務熱控技術挑戰，提出一種“輕量化泵驅單相流體回路熱總線+消耗型水升華散熱”的熱控系統概念，構建出如圖2所示的輕量化泵驅單相流體回路熱總線，以實現著陸器與上升器系統熱量收集與熱排散的綜合管理。

鑒于深空探測航天器對重量資源限制更加嚴格，對嫦娥五號輕量化泵驅單相流體回路熱總線在結構與功能配置上進行了優化，取消了溫控閥與專用冷板等設備，系統主要由流體回路驅動模塊(包括集成泵閥組件與泵控制器)、流阻調節閥、流體回路分離模塊、工質排放閥及預埋管路輻射器、連接管路等組成，同時耦合了水升華熱沉模塊，系統流程示意見圖2。

不同任務階段，組合體需要排散的電子設備熱量在250～450 W，選取著陸器3處、上升器1處共4個區域布置結構板式固定輻射器(面積合計3.7 m2)作為主熱沉，消耗型熱排散裝置水升華器作為輔助熱沉。設計中將電子設備、輻射器與水升華器均串聯耦合至流體回路熱總線中，構建為一套基于熱總線的熱排散系統，其中固定輻射器與水升華器共同構成一套組合式熱沉。

月地、環月與落月階段僅使用輻射器主熱沉排散組合體廢熱。月面工作段，使用組合式熱沉協同解決月面高溫環境下短期大熱耗散熱難題。為盡量減少攜水量，結合設備工作溫度55 ℃需求，嫦娥五號首次使用一種高溫水升華器，其工作模式為：當水升華換熱器a入口處流體回路溫度T1高于設定閾值上限時，啟動水升華熱沉進行輔助散熱；月面起飛任務準備開始時，強制聯合開啟水升華換熱器a、b輔助熱沉，盡量降低組合體溫度水平，提供最優的起飛溫度保障條件。

此外，在輕量化技術方面，除優化流體回路熱總線結構功能配置、主要功能部件輕小型化高集成以及選用高性能輕質材料等手段外，還在系統上采用著陸器、上升器兩器間熱控功能復用來進一步優化熱控系統重量和功耗，即采用如下2個特殊設計：

1) 為最大程度優化探測器質量分布其組合體噴流的減阻防熱機，除部分管路外，將流體回路熱總線設備中泵、閥、控制單元等都布置在著陸器上，著陸器與上升器之間配置2個回路分離模塊，用于上升器月面起飛時熱總線的分離重構。

2) 采用火工驅動的電爆閥增加流體回路工質排放功能，月面起飛前利用其排空上升器流體回路管路內工質，以盡量減輕上升器月面起飛時刻質量。

圖2 著陸上升組合體流體回路熱總線示意圖

2.2 流體回路熱總線關鍵性能技術指標

根據嫦娥五號月面無人自動采樣任務需求，流體回路熱總線系統重量、功率、流量、壓頭、分離力等關鍵性能技術指標見表1。

2.3 主要功能部件輕量化設計

嫦娥五號流體回路熱總線主要功能部件在設計中采用了單機輕小型化高集成和結構熱控一體化等輕量化手段，使流體回路熱總線在熱控系統重量占比降至20%以下。本文重點介紹流體回路驅動模塊、分離模塊與結構熱控一體化預埋管路輻射器。對于比較成熟的流阻調節閥、工質排放閥不再論述。

表1 嫦娥五號流體回路關鍵性能技術指標

2.3.1 流體回路驅動模塊

流體回路驅動模塊包括集成泵閥組件和泵控制器。集成泵閥組件(圖3)的功能通過泵及各種閥門對流體工質在熱總線內的循環流動進行調控，是流體回路熱總線最核心的功能部件，其包括2臺機械泵(主備份各1臺)、1個自控閥(實現機械泵自主切換)、1個補償器(對流體回路高低溫變化時工質容積的變化以及自然泄漏損失的工質進行補償)、1個過濾器、2個壓力傳感器及相關管路(配置見圖2)。

圖4為嫦娥五號研發的離心式機械泵，能在(100±20) L/h流量下產生不小于75 kPa的驅動能力，采用工質自潤滑的陶瓷球軸承。為提高可靠性，每臺離心泵單獨配置控制器實現供電及控制。

圖3 嫦娥五號集成泵閥組件

圖4 嫦娥五號機械泵

2.3.2 流體回路分離模塊

流體回路分離模塊用于著陸器、上升器兩器之間熱總線的分離重構，上升器月面起飛前維持密封功能，確?；芈氛＿\行，月面起飛時能夠斷開，保證著陸器、上升器順利分離重構。

嫦娥五號流體回路分離模塊在設計上選擇機械自適應式分離形式，與兩器之間的連接解鎖裝置采用一體化復用設計，即利用其壓緊狀態實現密封功能，起飛時隨連接解鎖裝置解鎖釋放預緊力，實現有效分離。

圖5給出了流體回路分離模塊組成示意，主要由密封端、分離端、密封圈等組成，在密封設計上采用特殊的“側面+端面”形式，既可以在斷開前有效保證密封功能，又能在斷開時盡量減小分離過程中的阻力。

圖5 嫦娥五號流體回路分離機構組成

2.3.3 結構熱控一體化輻射器

為實現輕質化設計，嫦娥五號設計使用一種結構熱控一體化輻射器，即利用蜂窩板內預埋流體回路管路實現結構熱控一體化設計，圖6給出了上升器輻射器設計結果，其采用流體回路預埋管路與熱管耦合式結構，且流體回路管路還需要穿越上升器傾斜頂面，在著陸上升組合體熱控系統4個一體化輻射器中，工藝實現最困難、技術狀態最復雜。

圖6 嫦娥五號上升器結構熱控一體化輻射器

3 輕量化泵驅單相流體回路系統設計

根據流體回路結構功能配置和關鍵性能技術指標，需進一步開展流體回路系統詳細設計。圖7為設計流程，設計過程中用到的基礎知識可參閱文獻[4]。

圖7 泵驅單相流體回路設計過程

3.1 系統設計

考慮到繼承性，工質選擇全氟三乙胺，管路材料選擇鋁合金，在此基礎上開展系統參數迭代設計。系統參數主要包括流量、管路規格、系統阻力等。

在考慮熱收集、熱傳輸、熱排散三方面約束條件下，流體回路系統體積流量應滿足

qV≥Q/(ρcpΔTf)

(1)

式中：qV為系統體積流量，m3/s；Q為系統熱排散量，W；ρ為工質密度，kg/m3；cp為工質比熱容，J/(kg·K)；ΔTf為工質允許溫升，K。

根據設備工作溫度安全裕度，流體回路溫升取8～12 ℃，根據式(1)可得系統流量應滿足(100±20) L/h。綜合考慮重量、經濟性、工藝性、繼承性等因素，管路規格選擇內徑為8 mm的鋁合金管材，與全氟三乙胺工質完全相容。

基于流體回路系統流量、管路規格設計結果，進行流體力學分析[4]，得出流體回路流阻，其包括管路流阻(含沿程阻力和局部阻力)與設備流阻，經分析得回路系統流阻約75 kPa。

在上述系統參數設計結果基礎上，開展流體回路熱總線的熱收集、熱傳輸與熱排散布局設計，從而得出系統能量流的傳輸過程(見圖2)。然后建立流體回路流動與傳熱綜合評價模型[21]，即

(2)

Nu=0.16(Re2/3-125)Pr1/3·

(3)

(4)

式中:Re為雷諾數；ρ為工質密度，kg/m3；u為管內平均流速,m/s；D為流動特征長度(取圓管直徑)，m；μ為工質動力黏度，N·s/m2；Nu為努塞爾數；Pr為普朗特數；L為換熱管道長度；μf、μw分別取流體平均溫度時的工質黏性和管壁面溫度時的工質黏性，兩者可取一致；λ為導熱系數，W/(m·K)。

根據式(2)～式(4)，計算得出管內流動的對流換熱系數不小于1 200 W/(m2·K)，經整器仿真分析，能夠滿足傳熱性能要求。

3.2 工質排放設計

為提高起飛安全性與可靠性，同時減輕月面起飛時刻上升器質量，起飛前需將流體回路系統內工質排放至外部空間，并針對排放方式與時間開展設計。

流體回路工質排放采用電爆閥開啟流體回路密封，將工質排放至月面高真空環境。排放過程是一個月面1/6g(g為重力加速度)、高真空條件下復雜管路內全氟三乙胺工質受控排放問題，涉及液體閃蒸與氣液兩相臨界流動過程，流動特征分析與控制機制設計是其研究難點。

研究中構建了液體壓力遽降時閃蒸波簡化模型和氣核高速氣流剪切驅動氣液兩相環狀流模型，用于流動特征分析和評估工質排放時間等特征參數[22-24]。然后基于邦德數(Bond Number)相似準則，提出一種地面等效工質排放驗證方法，并據此研制出一套流體回路工質排放的1∶1地面等效驗證裝置(見圖8)。通過以上理論分析結合地面實驗，獲取了工質排放時間、殘余量數據，再結合任務飛行程序約束，最終確定工質排放時間為15 min。

圖8 流體回路工質排放的1∶1地面等效驗證裝置

4 在軌工作性能結果及分析

嫦娥五號探測器于2020年11月24日4∶30發射，12月1日23∶10成功落月，12月3日23∶10月面起飛，圓滿完成中國首次地外天體無人自動采樣及月面起飛任務。全任務周期中，流體回路熱總線工作正常，實際在軌性能與預期一致，確保了著陸上升組合體各個階段溫度水平均優于指標要求。

流體回路熱總線關鍵性能實現結果見表2，其中熱總線干重15 kg，集成泵閥組件重5.5 kg。在月面110～140 ℃高溫環境下，實現了設備工作過程中不超過40 ℃的溫度水平，流體回路管路沿程溫差最大不超過7 ℃。

表2 流體回路熱總線關鍵性能實現結果

4.1 流體回路熱總線工作特性

流體回路熱總線工作特性主要包括系統工作壓力、發射入軌段啟動、與高溫水升華器耦合和工質排放4方面，下面分別予以分析。

4.1.1 系統工作壓力性能

全周期任務中流體回路熱總線一直使用主份泵，轉速7 020～7 080 r/min，全程未啟動備份泵。流體回路壓力、泵控制器電壓等遙測參數均處于正常范圍內。

圖9為集成泵閥組件進、出口壓力，以及壓差變化曲線，結果表明：工作狀態下泵壓頭77.0～89.6 kPa，滿足不小于75.0 kPa的要求；落月過程中機械泵關閉，落月成功后泵重新啟動，泵轉速、壓力與壓頭等遙測參數重新恢復正常。由于流體回路為閉式系統，系統工作壓力會隨工質平均溫度的升高而升高，因此著陸上升組合體落月后流體回路工作壓力出現了相應升高。

圖10 發射后7 h流體回路溫度變化曲線

4.1.2 發射入軌段啟動性能

圖10為從發射后至在軌運行約7 h水升華換熱器a入口處流體回路溫度的瞬態變化曲線。發射過程中流體回路熱總線不工作，機械泵處于關閉狀態。太陽翼展開后，主份泵啟動，熱總線進入正常工作模式，即除泵轉速、壓力與壓頭等遙測參數正常外，熱總線溫度也快速達到預期穩定范圍。

4.1.3 與高溫水升華器耦合工作性能

圖11為月面工作段水升華換熱器a、b進出口處3個流體回路溫度測點(ZTMR119、ZTMR120、ZTMR121)的變化曲線，水升華換熱器a、b輔助熱沉啟動前，3個測點幾乎沒有溫差，輔助熱沉啟動后，水升華換熱器進出口溫度測點之間及時出現溫差，表明高溫水升華器輔助熱沉工作正常。

圖11 月面工作段流體回路溫度水平

根據在軌數據，水升華換熱器a高于開啟閾值27 ℃時啟動，工作后一直未達到關閉閾值下限25 ℃，直至a、b開環聯合工作。水升華換熱器a、b散熱量分別為200 W@27.7 ℃與216 W@21.2 ℃，聯合工作期間散熱量最大398 W@25.1 ℃，平均散熱功率330 W，對應水工質消耗速率約為1.24×10-4kg/s。高溫水升華器輔助熱沉使探測器在月面110～140 ℃環境下系統溫度降低了5～10 ℃，實現了預期散熱目的，文獻[25]對其月面工作特性進行了詳細分析。

4.1.4 工質排放性能

圖12給出了上升器月面起飛前流體回路工質排放過程中的壓力變化曲線，從圖中可以看出：在軌壓力實測數據與地面1∶1等效驗證結果趨勢一致，工質排放8 min后，兩者之間的誤差小于5%，兩者排放時間均設定為15 min(在軌13 min后無下傳數據，12 min后壓力值已不再變化)，從而可以判斷流體回路月面工質排放達到預期，同時也驗證了工質排放理論分析模型與地面等效驗證方法的正確性、可信性。

圖12 工質排放過程中壓力變化曲線

4.2 流體回路熱總線輕量化技術指標對比

嫦娥五號輕量化泵驅單相流體回路熱總線技術為其在世界月球無人探測領域的首次應用，與之類似且參數相近是美國火星探路者號泵驅單相流體回路[4]，二者主要性能參數對比情況見表3。從對比結果可以看出：嫦娥五號泵驅單相流體回路熱總線技術在輕量化指標方面優于美國火星探路者任務。

表3 流體回路主要性能對比

5 結 論

在借鑒國內外相關航天器熱控設計技術基礎上，結合月面無人自動采樣任務需求，在月球無人探測航天器上首次提出一種輕量化泵驅單相流體回路熱總線及設計方法，通過“結構板式固定輻射器+高溫水升華器”構建的組合式熱沉，實現了著陸器、上升器兩器整體熱量、熱沉的綜合管理以及在軌分離重構，使得嫦娥五號探測器在月面110～140 ℃環境下，設備工作過程中最高溫度低于40 ℃，有力支撐了月面無人自動采樣與上升起飛任務。地面結合在軌實現結果還可得到以下結論：

1) 輕量化泵驅單相流體回路熱總線干重15 kg，占熱控系統重量比例在20%以下，熱排散能力達到30 W/kg，輕量化指標方面優于美國火星探路者。

2) 輕量化泵驅單相流體回路熱總線在軌各項性能符合設計預期，流體回路管路沿程溫差小于7 ℃，在軌工作特性均在地面熱平衡試驗包絡之內。

3) 在軌分離重構過程中工質排放壓力變化曲線與地面實驗結果一致，排放后半程誤差小于5%，表明理論分析模型與地面實驗方法正確、可信。

嫦娥五號是中國第一個使用泵驅單相流體回路技術的深空探測任務，它的成功飛行表明：輕量化泵驅單相流體回路技術能夠可靠地用于深空探測任務，可使航天器設計、總裝、地面試驗以及在軌飛行任務具有更好的靈活性與更強的健壯性，對其他類型航天器熱控設計具有一定的指導與借鑒作用。