大推力發(fā)動機在軌羽流熱效應監(jiān)測與反演方法

馬巨印 張有為 陳建新 宋馨 李慶輝

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

月球著陸器在變軌或動力下降過程中，需要大推力發(fā)動機點火工作。連續(xù)長時間點火、大推力長時間的真空羽流熱，將對發(fā)動機周邊的設備、機構及結構產(chǎn)生較大的羽流熱效應。例如，嫦娥四號著陸器安裝了一臺7500 N發(fā)動機，它在近月制動及動力下降時點火工作，其工作時的羽流熱效應會對周圍艙板及設備產(chǎn)生較大影響。目前，大推力羽流熱防護設計的主要依據(jù)是理論計算與試驗數(shù)據(jù)擬合后的羽流值結果，需要通過經(jīng)驗設計、仿真分析模型、試驗驗證相互多次迭代完成，由于理論計算存在較大的不確定性和試驗條件難以模擬，結果偏差過大[1-8]。為此，本文提出大推力發(fā)動機羽流熱效應監(jiān)測與反演方法，以嫦娥四號探測器在軌羽流監(jiān)測裝置實測數(shù)據(jù)為基礎，進行了分析及反演，得到了相對準確的在軌羽流熱效應值，可為后續(xù)航天器大推力發(fā)動機的熱防護設計及優(yōu)化提供技術支持。

1 羽流熱效應監(jiān)測與反演方法

多數(shù)月球著陸器一般都需要使用大推力發(fā)動機進行軌道控制[9]，在大推力發(fā)動機周邊高溫熱防護區(qū)域要選擇適當?shù)奈恢冒惭b羽流熱效應監(jiān)測裝置，在發(fā)動機點火工作時能獲得一組溫度隨時間變化的曲線，再利用這組曲線反演得到發(fā)動機羽流值。而監(jiān)測裝置溫度變化除了受發(fā)動機羽流影響外，還受到外熱流的影響，包括太陽輻射、月球紅外輻射、月面反照，反演過程中都需要考慮。反演過程中一個難點是羽流熱效應監(jiān)測裝置的熱容量很難準確測量。要解決這個問題，可以先采用標定法得到監(jiān)測裝置的熱容量，再進行發(fā)動機羽流熱效應值反演。標定過程采用環(huán)月軌道上的外熱流進行，即認為軌道外熱流為已知的標準值(環(huán)月軌道外熱流設置已經(jīng)過嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥四號等多個探測器驗證，采用該外熱流設置計算太陽翼溫度，預示值與在軌遙測值誤差不大于5 ℃，表明該外熱流設置準確度較高)。

監(jiān)測裝置換熱關系如圖1所示，監(jiān)測裝置為多種材料組合，包括敏感面(含溫度傳感器及硅橡膠)、隔熱層、固定結構。根據(jù)敏感面的能量平衡關系可得到本文方法的基本方程為

(1)

式中：cP，m，T分別為敏感面的等效熱容、質(zhì)量和溫度；t為時間；Q1為敏感面吸收的空間外熱流；Q2為探測器發(fā)射的紅外熱流被敏感面吸收部分；Q3為敏感面吸收的發(fā)動機羽流熱流；Q4為敏感面與裝置其他結構傳導熱流，由于隔熱層存在，一般可忽略；敏感面向外輻射熱流Q5=εσAT4，其中，ε為敏感片的發(fā)射率，σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量，A為敏感面面積。

由于式(1)中的溫度和部分熱流量為非線性量，為了高效計算，可以通過建立著陸器、發(fā)動機和監(jiān)測裝置的反演熱分析模型(見圖2)，進行迭代計算。對于一定軌道的反演熱分析模型，Q1和Q2在模型中為已知量。

環(huán)月周期性穩(wěn)定階段，遙測可得到的敏感面溫度T1(t)，發(fā)動機未點火，Q3為0，利用反演熱分析模型可以標定監(jiān)測裝置敏感面的等效熱容；發(fā)動機點火階段，熱分析模型中探測器姿態(tài)按在軌狀態(tài)設置，遙測得到敏感面溫度T2(t)，將標定的敏感面等效熱容賦予反演熱分析模型，利用反演熱分析模型可以計算發(fā)動機給予敏感面的羽流熱流Q3。

最后得到的羽流熱效應值即為反演結果，可用于月球著陸器大推力發(fā)動機的熱防護設計及優(yōu)化。

圖1 監(jiān)測裝置換熱示意

圖2 熱分析模型示意

2 實例驗證

羽流熱效應監(jiān)測與反演方法在嫦娥四號探測器上進行了應用與驗證，在探測器的著陸腿面向發(fā)動機側(cè)安裝了羽流監(jiān)測裝置，通過在軌飛行獲得了實測數(shù)據(jù)，通過修正整器熱分析模型并進行迭代，最終反演出在軌羽流熱效應數(shù)據(jù)。

2.1 熱分析模型

將本文提出的方法應用于嫦娥四號探測器，采用Thermal Desktop熱分析軟件，按整器外輪廓建立熱分析模型，模型中包括探測器構型、7500 N發(fā)動機、著陸緩沖機構、羽流監(jiān)測裝置等；月表溫度根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)設置[10]；建立探測器環(huán)月飛行的軌道、動力下降軌道，并根據(jù)嫦娥四號探測器在軌遙測參數(shù)修正熱分析模型，修正結果見圖3。

圖3 用于羽流反演的熱分析示意

2.2 羽流熱效應監(jiān)測裝置

為監(jiān)測嫦娥四號著陸器7500 N發(fā)動機在軌工作時的羽流熱效應值，為其設計了能夠適應400 ℃寬溫區(qū)、對400 kW/m2短時超高羽流熱效應進行監(jiān)測的監(jiān)測裝置(見圖4)，它主要包括以下2個部分。

(1)敏感面：即羽流接收表面，其作用為吸收大推力發(fā)動機的羽流后轉(zhuǎn)化為自身溫度的變化。為增加敏感面的靈敏度，敏感面的厚度應盡量薄，一般控制在50～100 μm。另外，敏感面需要有一定力學強度來對溫度傳感器起到固定作用，故選擇不銹鋼箔作為敏感面。溫度傳感器緊貼敏感面內(nèi)側(cè)，用硅橡膠輔助固定，采用在敏感面外捆扎的方式壓緊固定，直接感知敏感面溫度的變化。

(2)隔熱層：敏感面溫度升高后即會向周圍傳熱，會對測量結果產(chǎn)生影響。為準確測量羽流值，需要使羽流熱盡可能全部轉(zhuǎn)化為敏感器的溫升，減少敏感面對周圍的傳熱，因此采用多層隔熱組件進行隔熱。

監(jiān)測裝置安裝在受7500 N發(fā)動機影響較明顯的著陸緩沖機構上，如圖5所示。敏感面面向7500 N發(fā)動機的一側(cè)噴涂了耐高溫抗氧化涂層；敏感面覆蓋在溫度傳感器上，采用不銹鋼絲在溫度傳感器兩側(cè)進行捆扎；隔熱層采用雙面鍍鋁聚酰亞胺膜疊合而成。

為了提高監(jiān)測裝置對溫度的敏感度，監(jiān)測裝置的熱容量要盡可能小。在著陸緩沖機構上先包覆隔熱層，測溫用的溫度傳感器粘貼在隔熱層外表面，如圖6所示；然后測溫點外面再包覆一層帶有高溫抗氧化涂層的不銹鋼箔，測溫點兩側(cè)用不銹鋼絲捆扎，確保不銹鋼箔與測溫點接觸。

圖4 監(jiān)測裝置結構

圖5 監(jiān)測裝置安裝位置

圖6 溫度傳感器粘貼狀態(tài)

2.3 在軌監(jiān)測結果及分析

嫦娥四號著陸器環(huán)月過程及動力下降過程中，羽流熱效應監(jiān)測裝置溫度變化如圖7(環(huán)月段)和圖8(動力下降段)所示。根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)[11]，在環(huán)月段羽流熱效應監(jiān)測裝置所處位置的外熱流波動幅度為(0～1100)W/m2，外熱流變化曲線如圖9所示。從圖7(環(huán)月)可以看出，監(jiān)測裝置對外熱流的變化非常敏感，在一個環(huán)月周期內(nèi)溫度波動達到116 ℃，表明該監(jiān)測裝置溫度波動隨外熱流變化明顯，測量結果可用于發(fā)動機羽流熱效應的監(jiān)測和反演。

圖8 在軌動力下降段監(jiān)測裝置處溫度

圖9 監(jiān)測裝置處外熱流變化

在熱分析模型中，把軌道外熱流代入模型，將監(jiān)測裝置的熱容量進行多次修正并迭代，使熱分析模型計算得到環(huán)月軌道上監(jiān)測裝置的溫度與在軌遙測數(shù)據(jù)一致，熱分析計算得到監(jiān)測裝置環(huán)月段溫度曲線如圖10所示，標定得到監(jiān)測裝置的熱容量為2.52 J/(kg·K)。

在標定得到監(jiān)測裝置的熱容量后，在熱分析模型中多次修正在監(jiān)測裝置上施加的發(fā)動機羽流值并迭代，使動力下降過程中監(jiān)測裝置溫度與在軌遙測一致，反演得到的監(jiān)測裝置溫度與在軌實測數(shù)據(jù)最大誤差為5%，如圖11所示，得到監(jiān)測裝置吸收的發(fā)動機羽流值為905 W/m2，監(jiān)測裝置的發(fā)射率為0.83(地面實測值)，計算得出動力下降過程中7500 N發(fā)動機工作時，到達監(jiān)測裝置表面的發(fā)動機羽流值為1090 W/m2。后續(xù)月球著陸器發(fā)動機熱防護設計可借鑒此值進行詳細設計及優(yōu)化。

圖10 環(huán)月段監(jiān)測裝置處溫度(計算值)

圖11 反演得到的監(jiān)測裝置處溫度

3 結束語

本文提出了一種大推力發(fā)動機在軌羽流熱效應監(jiān)測與反演方法，通過對嫦娥四號著陸器在軌大推力發(fā)動機羽流熱效應的監(jiān)測及溫度數(shù)據(jù)分析，利用環(huán)月段溫度數(shù)據(jù)標定得到監(jiān)測裝置的熱容量，修正整器熱分析模型，得到與在軌遙測一致的溫度后，經(jīng)過反演得到相對準確的大推力發(fā)動機在軌真實羽流熱效應數(shù)據(jù)。本文方法可為深空探測及載人登月等使用的大推力發(fā)動機羽流防護設計及優(yōu)化提供支持，提升大推力發(fā)動機的熱防護設計水平。