“嫦娥五號”高溫水升華熱排散系統可信構造與確認

寧獻文，曹瑞強，王玉瑩，周曉伶

（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）

0 引言

水升華是一種消耗型散熱技術，即通過使消耗水工質在真空下發生相變進行熱量排散，可作為理想的空間短期熱控措施[1-3]，曾在Apollo 登月艙、航天飛機與美/俄及我國艙外航天服中得到多次成功應用[4]。“嫦娥五號”任務中，為解決月面高溫（可達100 ℃）環境下探測器固定輻射器散熱能力不足的難題，首次在月球無人探測領域構建了高溫水升華熱排散系統，作為輔助熱沉協同解決月面無人自動采樣過程中的短期大熱耗散熱難題[5-9]。

水升華熱排散系統運行過程中涉及多孔介質內氣-液-固多相流、交變相變界面移動以及高真空稀薄氣體流動等流體力學基礎理論問題，是復雜的氣-液-固多相流與傳熱傳質相耦合的流動換熱過程，流動特征與調控機制非常復雜，且工作溫度高于傳統水升華器產品，使得產品研制技術難度極大。

同時，“嫦娥五號”高溫水升華熱排散系統包括7 個種類15 臺部組件單機[10]，是較為復雜的小型集成模塊系統，不僅面臨技術難度大、成熟度低的制約，而且具有單機數目多、配套單位多、研制進度緊等特點，帶來的難題是如何滿足復雜任務過程和系統的高可靠要求，實施全過程的精細化質量控制，確保航天型號研制及飛行任務一次成[11]。

針對上述難題，“嫦娥五號”高溫水升華熱排散系統在研制過程中依據系統級相關要求，結合熱控分系統關鍵項目自身任務特點，開展可信構造與確認工作，本文對相關實踐經驗進行總結。

1 “可信構造與確認”方法

歐洲空間標準化合作組織標準（ECSS-Q-30B[12]）中指出，可信性是可靠性、可用性和維修性的集合性術語，定義為需要時按要求執行的能力。“嫦娥五號”探測器研制團隊借鑒可信性定義并應用于航天器研制過程，即將航天器“可信”概括為系統圓滿實現任務目標的能力，將形成這一能力的方法概括為“可信構造與確認”，在航天器研制過程中以“設計正確、驗證充分、過程受控”為目標，通過一系列理念、方法、工具的創新和應用，在“全系統、全要素、全過程”開展正向的構造和確認，最終實現通過過程正確保證復雜系統結果滿足要求，其中：

1）“全系統”指探測器系統、分系統、單機直至部組件、元器件，覆蓋所有可數單元。

2）“全要素”指全系統各組成部分實現“設計正確、驗證充分、過程受控”所需關注的要素。

3）“全過程”指探測器研制的方案階段、初樣階段、正樣階段以及任務實施階段等全部過程。

4）“構造”指自上而下地明確產品（要素）的作用、實現過程及其各個組成部分在產品（要素）中的安排、組織和相互關系，強調正向地用需求構造方案、用設計構造實現、用原因構造結果，要求產品實現全過程的每個工作項目都是先有想法、設計及過程推演再實施。

5）“確認”指針對產品實現的全過程都對構造情況進行檢查和確認，實時確認當前狀態與構造的一致性，要求對前期的構造工作進行閉環、檢查，強調在過程中實時確認。

在實施層面，運用系統工程的工作方法，采取“系統抓總、分層負責”的組織方式，動員全體設計師、產保質量以及指揮調度人員按照可信構造與確認工作方法結合自身責任界面，開展設計、驗證、過程控制以及實時確認工作，確保自身負責環節沒有疑點和隱患。

“可信構造與確認”作為一種新型產品保證方法，能夠很好地解決“嫦娥五號”這種復雜巨系統航天工程的質量管理難題，實現復雜系統工程一次做對，研制過程無疑點、無隱患，確保任務目標圓滿成功。

2 “可信構造與確認”設計

2.1 設計正確

針對“嫦娥五號”高溫水升華熱排散系統自身任務特點，正向構建出一套實現“設計正確”的可信構造與確認工作項目及實施流程（如圖1 所示）。

主要包括以下3 個層面內容：

1）從設計輸入層面，針對工作任務、工作環境、技術指標、六性要求與地面條件等，開展可信要素構造與確認，確保設計輸入完整、適宜、可行。對于高溫水升華熱排散系統，要重點分析工作環境與地面條件的不同，尤其是月面(1/6)g與地面1g重力環境對高溫熱排散系統的不同影響。

2）在具體設計層面，結合高溫水升華熱排散系統工作機制及工作模式，開展水升華換熱器重力無關設計、擊穿抑制方法設計、產品六性設計以及驗證方案設計等，提出一套高溫水升華熱排散系統設計理論與方法，建立水升華換熱器參數的重力無關設計準則[1]，從而實現設計上的可信構造與確認。

3）在實現途徑上，創新性地在型號研制中運用雙“V”字形設計流程，分解研制過程中的活動工作內容，制定活動實施程序，加強設計把關，設計完成后開展協同策略再確認、接口設計再確認與驗證環境再確認等回頭看工作。

2.2 驗證充分

面向高溫水升華熱排散系統工作過程中復雜流動特征與控制機制的驗證和保障，基于全任務剖面比對分析結果，充分考慮不同重力場對水升華熱排散系統性能的影響，構建出2 套專用測試系統進行水升華換熱器性能驗證，以覆蓋全壽命周期貯存與工作條件，從而形成一套實現“驗證充分”的可信構造與確認工作項目及流程（如圖2 所示）。升華換熱過程中的相變狀態及其演變關系，提出一種水升華器啟動過程瞬態工作參數預測方法，從而建立起水升華熱排散系統的正常與失效工作機制。產品交付探測器總體后，通過整器級綜合測試、力學試驗、熱平衡試驗以及系統接口驗證等，進一步證明產品功能、性能滿足任務需求。

圖2 “驗證充分”可信要素構造與確認流程Fig.2 Dependability element construction and confirmation process on sufficient validation

2）在單機驗證層面，水升華熱排散系統各部組件交付前完成單機驗收試驗，對于水升華換熱器開展重力因素專項驗證、擊穿抑制方法驗證與換熱器研制試驗，任務推遲期間還利用鑒定件、陪存件開展了專項貯存試驗。

3）在具體實現方式上，通過全任務剖面分析、試驗工況設計并與總體強化溝通協調，最終形成一套覆蓋全壽命周期貯存與工作條件的高溫水升華熱排散系統試驗驗證方案，試驗方案設計完成后還開展了啟動條件再確認、重力要素再確認與使用環境再確認等回頭看工作。

2.3 過程受控

針對高溫水升華熱排散系統部組件多、配套單位多與試驗驗證環節多等特點，以“流程驅動、數據全面、責任壓實”為原則，提出一套實現“過程受控”的可信構造與確認工作項目與實施流程（如圖3所示）。

圖3 “過程受控”可信要素構造與確認流程Fig.3 Dependability element construction and confirmation process on process controlled

具體包括以下3 個層面內容：

1）在系統驗證層面，加強理論分析驗證，在揭示多孔介質內真空水升華行為中液-固-氣交變相變界面的移動規律及傳熱傳質特性基礎上，得出水

具體包括以下3 個層面內容：

1）結合研制技術流程，高溫水升華熱排散系統部組件交付后，針對部裝過程、總裝過程、綜合測試過程、力/熱系統級試驗與包裝貯存運輸等過程，開展可信要素構造與確認，確保研制過程相關數據記錄完整、受控。

2）在單機研制層面，針對部分技術特點突出但宇航經驗不豐富的承制單位，開展專項二方審核，提高其宇航產品管控質量。此外，還對關鍵過程（如多孔板制造、換熱器裝配）強化控制、全程跟產，強化產品驗收控制，對重點工藝參數、生產過程要素與貯存情況進行專項復查，確保產品研制過程各項工作一次做對、檢查到位、過程受控。

3）在實現方法上，開展單機產品生產基線控制、物資統一管理和工藝參數精準控制，確保產品技術狀態和生產基線控制到位，實現質量控制重心前移。產品交付后通過關鍵項目、強制檢驗點與貯存環境再確認工作，確認產品關鍵特性和指標驗證到位，產品關鍵工序和環節操作到位。

3 應用實例

“嫦娥五號”高溫水升華熱排散系統組成如圖4 所示[10]，主要包括水貯箱、控制閥（2 組）、減壓閥、水升華換熱器、壓力傳感器及溫度傳感器。

圖4 “嫦娥五號”的高溫水升華熱排散系統Fig.4 High temperature water sublimation heat dissipation system for Chang’E 5

針對“設計正確”，主要開展如下工作：

1）型號研制時輸入文件6 份，經復查確認設計輸入完整、適宜、可行；設計輸出文件12 份，設計狀態正確、滿足技術指標要求。

2）對于水升華換熱器，建立了重力無關設計準則，進而提出一種水升華換熱器設計與驗證方法，從理論上揭示了其運行過程中的傳熱傳質特性，解決了高溫啟動中的“擊穿”抑制、系統穩定運行以及不同重力場下驗證等難題[1]。

3）方案階段迭代過程中，首先由分系統根據任務分析給出高溫水升華熱排散系統初步需求，并基于該需求完成初步設計正向反饋分系統，分系統再根據設計結果給出單機正式需求，單機據此開展底層技術攻關，根據攻關結果再向上對分系統需求給出滿足情況與相關限制條件，從而形成雙“V”字形研制流程。

針對“驗證充分”，主要開展如下工作：

1）從頂層策劃，按照單機驗收試驗、整器力學熱試驗、研制試驗以及鑒定件陪存試驗4 個維度進行驗證項目完整性可信構造與確認。

2）在驗證水升華換熱器重力無關設計準則的正確性前提下，以“系統輸出壓力=減壓閥固有壓力+管路高度引起的驅動壓力”作為設計要素，構建出2 套專用地面性能測試系統（見圖5）來驗證水升華換熱器的各項技術指標性能。其中，1 套系統測試壓力大于月面與地面熱平衡試驗工作環境，使得啟動條件驗證能夠包絡在軌及地面熱平衡試驗狀態；另外1 套系統測試壓力小于月面與地面熱平衡試驗工作環境，使地面測試得到的散熱量指標相對在軌使用更加保守、可靠。兩相結合可以確保地面測試條件整體包絡在軌使用條件，做到驗證充分。

圖5 高溫水升華熱排散系統地面性能測試方法示意Fig.5 Schematic diagram of ground performance testing method for high temperature water sublimation heat dissipation system

3）針對水升華換熱器開展了各種研制試驗，任務推遲期間利用鑒定件開展陪存試驗，發射前確保能夠覆蓋正樣產品全壽命周期。

針對“過程控制”，主要開展如下工作：

1）依據產品特性分析結果，將整個高溫水升華熱排散系統確定為探測器關鍵項目，水升華換熱器作為重要件，設置了2 個強制檢驗點用于控制單機性能。

2）使用正向FMEA、技術風險識別等方法構造出水升華換熱器專項過程控制對象及控制措施，很好地解決了水升華換熱器研制過程中的過程控制難題。

4 結束語

本文基于“嫦娥五號”高溫水升華熱排散系統研制可信情況，結合“一次做對”可信質量理念，從“設計正確”“驗證充分”“過程受控”3 個方面開展了全系統、全要素和全過程的正向構造和確認，取得了良好的應用效果。其中針對高溫水升華熱排散系統提出的具體可信要素實現途徑、方式與方法等措施，尤其是方案階段的雙“V”字形設計流程，有效保障了型號研制工作的順利開展。

可信構造與確認工作為我國自主研制的高溫水升華熱排散系統在軌首次成功應用提供了有力支撐。在軌飛行表明，高溫水升華熱排散系統的性能與地面實驗結果一致，實現了高溫水升華熱控技術的首次正式工程應用。

“可信構造與確認”方法可以很好地實現復雜單機研制過程中“全系統、全要素、全過程”正向的構造和確認，確保復雜單機研制結果滿足在軌使用要求；可以增強復雜集成單機系統正向設計、驗證與過程控制能力，對熱控其他類型單機以及熱控系統設計也具有一定的借鑒作用。