繞月與月面探測熱環(huán)境及影響因素研究

陳建新，馬巨印，張冰強(qiáng)，張 熇，宋 馨

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部；2.空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京100094）

0 引言

航天器散熱面的熱設(shè)計(jì)主要依據(jù)其所處熱環(huán)境接收的太陽輻射和紅外熱流密度。月球探測器需經(jīng)歷環(huán)月和月面2種工作熱環(huán)境。地球軌道外熱流的數(shù)據(jù)已非常成熟，而環(huán)月軌道外熱流的研究相對(duì)較少，國內(nèi)僅在幾顆環(huán)月探測器任務(wù)中采集了特定環(huán)月軌道的外熱流數(shù)據(jù)[1]。著陸月球表面探測器的外熱流研究也相對(duì)缺乏。月面紅外熱流值與太陽熱流相當(dāng)，常規(guī)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(qiáng)紅外熱流方向，將導(dǎo)致任務(wù)失敗，印度“月船一號(hào)”探測器的超溫故障即是典型案例。月面地形復(fù)雜，特別是月球背面多山、多口坑，導(dǎo)致月面紅外會(huì)對(duì)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(jì)算研究，但均未考慮復(fù)雜月面地形對(duì)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(dòng)和靜電的作用下會(huì)沾染到熱控涂層上，影響探測器對(duì)熱環(huán)境的適應(yīng)性，這點(diǎn)也需要重點(diǎn)考慮。月球重力場僅為地球的1/6左右，流體類熱控產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)考慮微重力的影響。

為求在月面探測器熱控設(shè)計(jì)中綜合考慮上述影響因素，本文對(duì)環(huán)月軌道、平坦月面和復(fù)雜地形的熱環(huán)境及其影響因素進(jìn)行了定性及定量分析。

1 環(huán)月軌道熱環(huán)境分析

環(huán)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(huán)境。太陽熱流分析已經(jīng)成熟，紅外熱流計(jì)算的難點(diǎn)在于明確月面溫度與月里緯度的關(guān)系，通過研究獲得月面溫度分布特征數(shù)據(jù)，在環(huán)月軌道中針對(duì)月球表面設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，以計(jì)算出太陽和月球紅外到達(dá)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(tài)，假定六面體姿態(tài)為三軸穩(wěn)定，飛行方向定義為+x、+z對(duì)月；取軌道典型狀態(tài)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(dá)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(shí)太陽到達(dá)熱流密度為1414 W/m2，背陽時(shí)為0，波動(dòng)很大；側(cè)向±y面熱流穩(wěn)定；對(duì)月+z面紅外熱流密度波動(dòng)也達(dá)1400 W/m2，背月面無紅外到達(dá)熱流，其他側(cè)y面到達(dá)紅外熱流密度比對(duì)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(shè)計(jì)依據(jù)，與探測器表面狀態(tài)有關(guān)。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(fā)射率為0.79[6]。同樣以六面體航天器為研究對(duì)象。β=0°時(shí)，各表面的軌道周期平均吸收熱流密度中，對(duì)月+z面的最大，達(dá)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?yàn)槠錈o月球紅外熱流。

到達(dá)探測器各表面的紅外熱流與軌道高度密切相關(guān)：隨著軌道高度的增大，月面對(duì)探測器各表面的視角系數(shù)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(cè)面的光照和月面視角，β角增大導(dǎo)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(shí)達(dá)到210 W/m2，增大60 W/m2，β=60°時(shí)達(dá)到240 W/m2；其他面的熱流略微減小。反之，β角減小導(dǎo)致+y面的吸收外熱流增大。

2 月面探測器熱環(huán)境常規(guī)分析

2.1 月面溫度環(huán)境基本規(guī)律

月球表面為高真空狀態(tài)，無大氣遮擋，太陽直照月面，月面溫度與當(dāng)?shù)靥柛叨冉呛捅砻鏍顟B(tài)密切相關(guān)。從宏觀來看，月面溫度與經(jīng)度近似成余弦關(guān)系。根據(jù)國外觀測結(jié)果，月球赤道的表面溫度分布與到日下點(diǎn)角度的關(guān)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(nèi)，在到日下點(diǎn)的各個(gè)方向上，都認(rèn)為有類似的溫度分布。因此月面溫度與經(jīng)度、緯度都相關(guān)，紅外輻射熱流也隨不同經(jīng)度與緯度而變。另外，1 個(gè)月球日為29.53 個(gè)地球日[8]，月晝和月夜分別約為14.8個(gè)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(qiáng)的紅外輻射，月面探測器對(duì)附近月面環(huán)境的真實(shí)狀態(tài)非常敏感；同時(shí)探測器著陸或者在月面移動(dòng)時(shí)，探測器本身的存在也會(huì)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(jié)構(gòu)的熱仿真分析模型[5]，并已應(yīng)用于“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”月面巡視器的熱控設(shè)計(jì)仿真。圖3為月晝太陽照射“嫦娥四號(hào)”巡視器車體右側(cè)時(shí)巡視器及月面溫度場仿真分析云圖。經(jīng)月球正面和背面在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，由該模型得到的巡視器溫度預(yù)示值與在軌遙測值偏差小于±5℃，與常規(guī)環(huán)境衛(wèi)星的預(yù)示精度相當(dāng)。

圖3 月面熱數(shù)學(xué)模型在“嫦娥四號(hào)”巡視器熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用結(jié)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(huán)境分析

以六面體作為航天器典型狀態(tài)，分析月面探測器在月面各個(gè)方向的吸收外熱流。假定六面體著陸于月球北半球，著陸區(qū)為平整月面，定義姿態(tài)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(shè)為OSR，考慮月面污染后取其太陽吸收比為0.25、紅外發(fā)射率為0.79。

當(dāng)六面體探測器處于日下點(diǎn)即當(dāng)?shù)靥柛叨冉菫?0°時(shí)，背月-z面的吸收太陽熱流為350 W/m2，無紅外熱流；±x、±y側(cè)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(duì)月+z面的吸收外熱流最大，達(dá)到844 W/m2，其中紅外熱流占98%。

我們分析了月球正午時(shí)，當(dāng)探測器著陸區(qū)向北移動(dòng)時(shí)，其各表面吸收熱流密度與緯度的關(guān)系，詳見圖4。隨著緯度增大，著陸區(qū)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(shí)六面體吸收熱流密度與著陸區(qū)緯度的關(guān)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(duì)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。可見，在相同的散熱溫度下，朝北+x面和朝東、西的±y面具有較強(qiáng)排散內(nèi)熱耗的能力。

3 月面探測器熱環(huán)境復(fù)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(diǎn)，為山脈所包圍；高地一般高出月球水準(zhǔn)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(huán)形山、輻射紋以及與撞擊坑有關(guān)的隆起構(gòu)造。月海區(qū)域相對(duì)平坦，最大坡度約為17°，撞擊坑內(nèi)側(cè)坡度很陡，外側(cè)坡度則較緩，平均為5°左右。對(duì)于著陸和月面移動(dòng)的探測器，需要考慮地形熱效應(yīng)對(duì)探測器的影響。

探測器一般選擇對(duì)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(duì)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(huán)境分析中予以考慮；同時(shí)對(duì)天面與太陽的夾角也發(fā)生了相應(yīng)變化，向陽傾斜則熱流增大，背陽傾斜則熱流減小。以當(dāng)?shù)靥柛叨冉?5°、向陽傾斜20°的坡面為例，基于前述的六面體模型，相對(duì)水平狀態(tài)，傾斜后對(duì)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(diǎn)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(huán)境。如果山丘處于探測器和太陽入射方向之間，會(huì)遮擋光照，使探測器處于陰影區(qū)：遮擋時(shí)間較短時(shí)，與月食類似；遮擋時(shí)間為長期時(shí)，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(chǎn)生的紅外熱流將進(jìn)入到探測器對(duì)天散熱面和朝山丘的側(cè)表面，山丘對(duì)探測器的紅外影響與兩者間距離相關(guān)，基于前述的六面體模型，以當(dāng)?shù)靥柛叨冉?5°、太陽與山丘分別位于探測器正對(duì)兩側(cè)為例，分析山丘引起的探測器對(duì)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(guān)系（如圖5所示），結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于高度一定的山丘，隨著其與探測器間距離的增大，其對(duì)探測器表面的紅外熱流影響減?。寒?dāng)L/H＞5時(shí)，山丘對(duì)探測器對(duì)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(dāng)L/H＞20時(shí)，山丘對(duì)探測器所有面的紅外熱流影響均可忽略。

圖5 山丘對(duì)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?。ㄖ睆叫∮? mm）、較為松散、在一定的外力作用條件下會(huì)產(chǎn)生激揚(yáng)的顆粒。著陸沖擊、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流、月面活動(dòng)人為因素、自然因素（靜電效應(yīng)）等均會(huì)導(dǎo)致月塵揚(yáng)起并沉降在探測器表面。

月塵具有高太陽吸收比、低導(dǎo)熱以及強(qiáng)吸附性等特性，對(duì)熱控分系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)為月塵在散熱面等熱控涂層表面附著會(huì)引起散熱表面太陽吸收比和紅外發(fā)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(fā)射率的熱控涂層，因此月塵沉降對(duì)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(yáng)高度很小，由“嫦娥三號(hào)”軟著陸實(shí)測數(shù)據(jù)可知，月塵揚(yáng)起量對(duì)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(dòng)范圍及速度有關(guān)，一般車輪行走造成的黏附起塵，行進(jìn)速度較慢時(shí)揚(yáng)塵高度和輪子直徑基本一致，行進(jìn)速度較快時(shí)月塵揚(yáng)起很遠(yuǎn)；采樣及轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的月塵與采樣方式、月塵容器密封性等相關(guān)，但總體相較而言，人的活動(dòng)揚(yáng)起的月塵更加劇烈—航天員走路以45°踢起的月塵可以飛達(dá)4 m 高、8 m 遠(yuǎn)[9]。

自然因素造成的揚(yáng)塵是個(gè)小量，其對(duì)探測器的影響基本可以忽略。發(fā)動(dòng)機(jī)羽流引起的月塵激揚(yáng)主要發(fā)生在探測器的動(dòng)力下降段，會(huì)影響到探測器表面。根據(jù)“嫦娥三號(hào)”著陸以后的溫度實(shí)測數(shù)據(jù)分析，著陸過程中激起的月塵對(duì)探測器散熱面造成的影響基本可以忽略，但是對(duì)艙外設(shè)備和著陸點(diǎn)其他探測器的影響不可忽略，特別是對(duì)具有低太陽吸收比涂層的設(shè)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(shí)，著陸區(qū)域月表地貌可能高低不平，月面極大概率傾斜角度在20°內(nèi)，因此會(huì)對(duì)熱管、流體回路等熱控產(chǎn)品的正常工作、再啟動(dòng)產(chǎn)生影響。

對(duì)于普通槽道熱管，由于逆重力工作能力較差，在重力環(huán)境中只能采用水平工作或蒸發(fā)端在下的重力輔助工作模式。月面低重力條件下運(yùn)行時(shí)，同樣需保證重力輔助驅(qū)動(dòng)力和流動(dòng)阻力滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求，還要考慮到月面著陸探測區(qū)可能出現(xiàn)的傾斜坡面的影響。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)三軸穩(wěn)定姿態(tài)航天器在典型高度和β角的環(huán)月圓軌道的外熱流數(shù)值變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)月軌道的紅外熱流遠(yuǎn)大于地球軌道的，總吸收熱流中，對(duì)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(qiáng)的散熱能力。

提出并采用復(fù)雜月面月壤三維熱數(shù)學(xué)模型，成功應(yīng)用在“嫦娥四號(hào)”探測器熱控設(shè)計(jì)中，對(duì)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(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，分析了月面崎嶇地形對(duì)探測器表面吸收熱流的影響：對(duì)高度一定的山丘，隨著其與探測器間距離的增大，其對(duì)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(duì)熱控設(shè)計(jì)的影響。

本文對(duì)月球環(huán)繞軌道、平坦月面和復(fù)雜地形的熱環(huán)境及其影響的分析，可為國內(nèi)外的月球及深空探測航天器的熱控設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和有益指導(dǎo)。