“玉兔”巡视器活动式相机热设计及在轨分析

张冰强,向艳超,陈建新,宋馨,马巨印

1.中国空间技术研究院总体部,北京100094 2.空间热控技术北京重点实验室,北京100086

“玉兔”巡视器活动式相机热设计及在轨分析

张冰强1,2,*,向艳超1,2,陈建新1,2,宋馨1,2,马巨印1,2

1.中国空间技术研究院总体部,北京100094 2.空间热控技术北京重点实验室,北京100086

月面虹湾地区的环境温度为-180～+90℃,需同时解决 “玉兔”巡视器活动式相机在桅杆复杂活动下的月昼散热问题和月夜无电能供给下的保温问题;另外月尘的不确定性也给相机热设计带来了风险。因此,月昼极端高温下,转动桅杆为相机寻找最佳避暑姿态,并优化相机开关机时长比例,从而解决相机月昼散热问题。而在月夜极端低温下,则调整相机与巡视器的热耦合状态,将桅杆收拢至围栏内,借用巡视器月夜保温系统进行保温。此外,还对月尘在散热面上的沉降诱因进行分析,并采用限制工作太阳高度角应对月尘带来的风险。热分析和在轨实际数据比对结果表明,采用避暑姿态和间歇工作模式,月昼高温下相机工作温度最高可降低15℃;月夜桅杆收拢,相机温度不低于-26.1℃,相机安全度过月夜,并可节约4.5 W同位素功率。文中热控与姿态相耦合的热控方法可解决行星表面巡视探测器活动式相机的高低温难题,降低了热设计的同位素资源,可为中国后续行星表面巡视探测器的热控设计做参考。

“玉兔”巡视器;导航相机;全景相机;热设计;在轨热分析;月尘

“嫦娥三号”探测器包括着陆器和“玉兔”巡视器(以下简称巡视器),该巡视器是中国首个月面巡视探测器。“嫦娥三号”在月球虹湾着陆后,巡视器从着陆器上行至月面,之后利用导航、全景相机开展月面巡视探测活动。

与探月一期绕月任务不同,“玉兔”巡视器需要经历月面工作段。月昼日下点月面最高温度约120℃,月夜的月表温度很快降低至-180℃,且长达340 h[1]。导航、全景相机安装在三维转动的桅杆上,月夜期间无电能可以利用。因此,相机的热设计需要在桅杆复杂活动和月夜无电能供给条件下,解决月昼高温散热和月夜保温问题。

已发射的巡视器中,苏联的“Lunokhod”月球车上的全景相机采用嵌入车体的固定安装方式,通过与整车热耦合解决月昼散热和月夜保温问题[2]。美国的“火星漫游者”火星车则需面临13 h最低温度达-105℃的夜晚低温,其桅杆上导航、全景相机在夜晚无保温措施,在清晨工作前采用电加热器使电子线路从-95℃加热到-55℃[3-4]。“Lunokhod”月球车采用的嵌入热耦合安装方式,限制了全景相机的活动。“火星漫游者”火星车采用的预热法仅解决了相机工作前启动问题。已有的巡视器全景相机热控方法无法兼顾“玉兔”巡视器全景相机的活动特性和面临的极端温度环境。

基于此,利用桅杆的转动特性采取热耦合状态调整方法,进行了巡视器活动式相机月昼极端高温散热和月夜极端低温保温研究,希望可以为中国今后行星表面探测器活动式相机的热控设计提供参考。

1 热设计简介

1.1 设备构型及热耗

“玉兔”巡视器车体为箱式结构,大部分平台设备安装在箱体内,车体顶板、围栏及+Y太阳翼组成一个可展开的封闭夹层结构。在该夹层结构中安装有桅杆和太阳敏感器等;巡视器安装有两块太阳翼,其中-Y太阳翼为一次性展开太阳翼,+Y太阳翼为可重复展收太阳翼,如图1所示。

导航相机和全景相机各有两台,4台相机安装在巡视器顶板的桅杆上,如图2所示。桅杆具有展开、偏航和俯仰3个自由度运动。导航相机热耗为1.5 W/台,全景相机为4 W/台,由于相机安装在相对独立的桅杆上,受巡视器系统热耗影响较小。

图1 巡视器构型布局示意Fig.1 Schematic ofYuTurover

图2 导航相机、全景相机安装Fig.2 Schematic navigation and panorama cameras

1.2 温度指标

根据设备可靠性设计要求,导航相机温度指标满足工作温度范围-30～55℃,存储温度-45～70℃。全景相机温度指标满足工作温度-20～+45℃,存储温度-50～+70℃,启动前温度-30～45℃。

1.3 任务分析及热设计

巡视器在月昼工作期间,外部太阳辐照强度变化范围约0～1 419 W/m2,同时虹湾区(北纬44.1°,西经19.5°)月面最大红外辐照强度接近900 W/m2,探测器对月面(半球发射率为0.79)平均吸收红外热流达690.4 W/m2[5]。导航、全景相机工作时的散热热流密度分别为428 W/m2和635 W/m2。而进入月夜,巡视器将处在长达14个地球日的-180℃低温环境中,太阳辐射降至0 W/m2,月面红外辐射仅6 W/m2。同时,相机自身没有专门的月夜生存能源可利用。此外,由于巡视器的运动和自然因素等可能会导致月尘扬起并沉降在相机散热面上[6],引起散热面的太阳吸收比和红外发射率的增大[7-8]。

针对月面的极端热环境特点,采用的热设计如下:

(1)相机间热耦合设计

非同种相机相邻布置,使得两种相机在间歇工作条件下可间接共用散热面;所有相机均导热安装于相机支架上,使相机间通过安装于支架进行热耦合;除散热面和镜头外,4台相机全包覆于同一个多层隔热组件内,建立各个相机间热辐射耦合。通过相机间的热耦合设计,扩大了某一相机在单独工作时的实际散热面大小,降低散热热流密度。

(2)相机的热控与桅杆运动的耦合设计

图3 太阳高度角33°,相机顶面吸收热流与俯仰角的关系Fig.3 Absorbed heat flux vs.angle for cameras top surface

月面高温探测时,桅杆的展开、偏航和俯仰使相机散热面吸收的外热流发生较大变化[10]。以太阳高度角为33°,巡视器朝阳姿态为例,分析相机顶面吸收热流与桅杆俯仰角的关系。如图3所示,相机的散热面存在对太阳辐射和红外辐射的总吸收热流为最小的避暑点。因此,将相机的热控与桅杆运动相耦合,当相机温度接近指标上限或结束工作时,调节桅杆姿态,设置相机趋于避暑点(如背阳或侧阳),以降低相机的温度水平,如图4所示。另外,对于月表存在的月尘不确定性,除降低最大工作太阳高度外,同样可通过桅杆姿态调整的方式来辅助降温。

长月夜低温来临前,桅杆收拢相机至围栏中,建立相机与巡视器主体的热耦合,借用巡视器的两相流体回路与同位素热源组成的月夜保温系统[6],进行活动式相机的月夜保温。

除采用耦合设计之外,连接相机的电缆,整体包覆至相机多层之内,并在引出端再包覆500 mm,以减少相机和月面环境间的热交换。

图4 不同工作模式下桅杆的旋转情况Fig.4 Rotation of mast in different modes

因此,活动式相机在整个任务中运动策略如下:月面工作前,整个桅杆收拢。着陆至月面,桅杆展开,相机开始工作。当月午来临,太阳高度角高于33或相机温度超过55℃最高工作温度,相机断电并调整至利于降温的避暑姿态。当下午太阳高度角低于33,相机继续工作。在进入月夜前,桅杆和太阳翼相继收拢,经历月夜。当第二天满足唤醒条件,巡视器唤醒,桅杆再次展开,相机重新开始工作,相机完成一个月球日的工作循环。

2 热分析

2.1 热分析建模

根据热网络模型,采用Thermal Desktop软件建立了导航相机和全景相机的热模型。如图5所示,模型中除包含相机外,还包含巡视器其他主体结构和月壤。

图5导航相机、全景相机热分析仿真模型Fig.5Thermal model of navigation and panorama cameras

根据外热流、设备工作模式和涂层参数等高低温工况确定原则[11],以巡视器的飞行过程和相机的工作模式为基础,确定了3类典型工况(如表1所示):

表1 热分析工况定义Table 1 Definition of thermal analysis case

1)巡视器至月面后,导航相机、全景相机相继开始工作。相机月面工作时考虑不同太阳高度角、姿态、工作模式等因素的影响。

2)月夜期间,导航相机、全景相机不工作,为长时间低温稳态过程工况。

3)月尘对相机的散热面有明显影响。月面工作时,月尘对相机散热面的影响仍具有不确定性。因此,专门分析高温工作下月尘影响后光学太阳反射镜(Optical Solar Reflect,OSR)吸收率退化后的影响。

2.2 热分析结果

(1)月昼高温

月昼工作时,随着月面当地太阳高度角不断增加,巡视器温度也不断升高。以下均以当地太阳高度角为33°、巡视器车头朝阳、桅杆俯仰角为0°作为基准,分析不同因素对相机温度的影响。

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1)相机间热耦设计下的间歇工作分析。

当地太阳高度角33°时,月面温度高达69℃。桅杆水平姿态下,若相机各自独立长期工作,导航相机和全景相机的工作温度将分别趋近65.7℃和71.3℃,远超过工作温度上限。因此,在导航相机和全景相机耦合热设计下,必须采取间歇工作模式。如相机采用周期性间歇工作,在一个300 min的周期内,导航相机工作45 min,全景相机工作30 min,其余时间相机均关机,这样可保证导航相机和全景相机的最高工作温度分别为43.95℃和42.60℃,其温度不超过其工作温度上限,如图6所示。

2)桅杆俯仰耦合影响分析。

在当地太阳高度角为33°时,考虑桅杆在向阳俯仰36°、水平0°和背阳俯仰36°三种俯仰姿态下,相机工作的温度情况。三种姿态下,导航相机工作前的起始温度分别为39.8℃、37.3℃和25.3℃,全景相机分别为37.8℃、33.2℃和21.4℃。由此可见,当相机由向阳倾斜姿态转为避暑姿态时,导航相机和全景相机的工作起始温度可以降低14～16℃,相机工作的极限温度也随之降低14～16℃,如图7所示。

3)桅杆偏航耦合影响分析。

在当地太阳高度角为33°时,分析桅杆处于偏航0°、偏航45°和偏航90°姿态下,相机工作的温度情况。

图6 相机长期工作与间歇耦合工作的温度对比Fig.6 Comparison of cameras temperature at longtime-working and intermittent-working state

图7 月昼不同俯仰姿态下相机工作温度曲线Fig.7 Curve of cameras work temperature for different pitch angle

导航相机在三种俯仰姿态下,工作前的存储温度分别为37.3℃、30.4℃和10.9℃,全景相机分别为33.2℃、27.9℃和8.7℃。相对于向阳偏航,当相机转为偏航90°时,导航相机和全景相机的最高温度可以降低26℃和24℃,如图8所示。

图8 月昼不同偏航姿态下相机工作温度曲线Fig.8 Curve of cameras work temperature for different crab angle

(2)月夜低温

进入月夜后,若相机裸露在舱外且无加热措施,活动式相机在30 h后,将从-10℃迅速降低至-130℃。至月夜第150 h,温度逐渐趋近于-153℃。在之后的180 h内,相机将长期处于-150℃的恶劣低温环境下,如图9所示。由此可见,相机若采用像“火星漫游者”方式,裸露相机在外,不采用保温措施。在月夜极端温度经历14天,其存储温度较“火星漫游者”-95℃的夜晚低温低约55℃,由此给相机的安全过夜带来极大的风险。

根据前文所述的借用巡视器本体月夜保温系统的方法,桅杆收拢后,围栏内的相机最低温度分析结果为-26.1℃,满足-50～70℃的储存温度指标要求,如图10所示。若不通过桅杆的运动耦合,而利用单独的同位素热源维持相机在相同温度,其热功率需求为4.5 W,资源消耗较大。

图9 月夜中相机降温曲线(桅杆不收拢)Fig.9 Curve of cameras temperature during moon night without mast folded

图10 桅杆收拢,月夜相机存储温度云图Fig.10 Temperature nephogram of cameras during moon night

(3)月尘影响

月尘拥有较高的红外辐射率(0.93)和相对较高的太阳吸收率(0.76)。巡视器在月球表面展开探测活动,月尘对散热面影响具有不确定性。若月尘覆盖相机散热面表面,将使得散热面的太阳吸收率αs增大,从而导致相机的温度水平有所上升。月尘沉降情况分析如下:

1)探测器软着陆冲击引起月尘激扬,扬起最大高度为0.3～0.4 m。

2)巡视器车轮行走造成的黏附起尘,由于行进速度仅为200 m/h,轮行走黏附起尘的高度和轮子直径是一致的,即起尘高度约为0.2 m。

3)动力下降过程中,当着陆器距月面高度小于12 m时,发动机羽流激起月尘。当着陆器距月面高度4 m发动机关机时会产生负气压,羽流可能引起的月尘会影响到两器表面。

4)相对人为因素而言,自然因素造成的扬尘对探测器的影响程度是个小量,所以,关于自然因素导致月尘的激扬对探测器的影响基本可以忽略。

针对人为因素,活动式相机散热面高度大于1.5 m,可以忽略冲击月尘和车轮的黏附月尘的影响。在动力下降过程中,桅杆收拢在围栏内,其封闭的腔体可以阻挡动力下降羽流引起的月尘。因此,可忽略月尘对活动式相机的影响,但出于故障预案考虑,分析了月尘影响太阳吸收率为0.25的故障情况。

当太阳吸收率αs从末期值的0.19增大到月尘轻微污染的0.25,导航相机工作温度从43.95℃升高到48.3℃,全景相机工作温度从42.6℃升高到47.35℃。两种相机温度均升高了4℃以上,超过工作指标上限。通过将最大工作太阳高度角从33°降低至25°,或通过寻找避暑姿态的方式,可将温度降低至最高温度以内。

3 在轨情况

2013年12月15日至2014年1月13日为巡视器在月面经历的第1个完整月球日,分别经历了月午高温、月夜低温休眠和月昼唤醒。

(1)月昼高温

2013年12月23日,月球下午太阳高度为29.43°时,巡视器进行成像。成像过程采取的策略为:

1)成像前,由背阳避暑姿态调整为拍照姿态(偏航角由-29.4°调整至-129.1°);

2)成像后,由拍照姿态调整回侧向阳的避暑姿态(偏航角从-129.1°调整至+101.2°)。

如图11所示,巡视器调整至拍照姿态,全景相机和导航相机温度分别从14.5℃和12.6℃升高到20.4℃和18.2℃。相机工作期间,全景相机和导航相机平均温度从20.4℃和18.2℃升高到29.4℃和29.9℃。成像完成后进入避暑姿态,10 h后再次进入测控弧段,此时全景相机和导航相机温度下降了15.3℃和18.5℃。由此可见,非工作段通过桅杆转动调节相机至避暑姿态,降低了相机工作的起始温度达15℃以上,降温效果显著。

图11 相机在轨第一个月昼温度遥测曲线Fig.11 In-orbit temperature of cameras in first two weeks

(2)月夜保温

2013年12月26日,在月夜保温系统工作后,收拢桅杆至围栏内,建立相机与系统月夜保温系统间的热耦合,巡视器进入首个月夜休眠。由于月夜探测器无温度遥测数据,因此仅能通过唤醒后相机的性能间接判断是否安全度过月夜。2014年1月11日巡视器唤醒,导航相机和全景相机的起始遥测温度分别为20.19℃和20.27℃。随着太阳高度角的增加,相机开机工作,其功能和性能正常,由此间接判断相机安全度过月夜。另外,月夜期间相机保温效果得到了巡视器热平衡试验后修正的热分析模型的验证,修正后相机的最低分析温度为-31.1～-21.9℃。因此,通过在轨实际效果和热试验修正模型的综合验证,可以看出针对活动式相机的活动特性,而采取的建立相机与巡视器的热耦合方法,解决了相机夜晚的保温问题。

(3)月尘影响

根据实际在轨数据,通过热模型修正获取OSR在轨退化情况。经修正可知,第一个月昼期间,活动式相机的OSR光学性质基本未发生退化,其太阳吸收比处于0.135～0.145之间。即围栏与太阳翼隔离了动力下降过程中和着陆冲击中可能诱发的月尘影响,且巡视器月面移动激起的月尘对相机OSR也基本无影响。

4 结束语

本文针对月面环境特点,提出了月面活动式相机的热控设计方法,通过分析计算及在轨数据验证,得出以下几点结论:

1)月昼极端高温环境下,相机采用间歇性工作模式及寻求最佳散热姿态,有效地降低相机起始温度,在轨避暑时降温达15℃以上。

2)月夜长期无电能的极端低温环境,利用相机活动特性建立起的相机与系统热耦合,解决了相机长月夜的保温问题,节省了单独使用同位素热源所带来的高额成本。

3)由于着陆前围栏对活动式相机起保护作用,相机在第一个月昼内,OSR光学属性基本未发生退化。

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(编辑:车晓玲)

Thermal design and on-orbit thermal analysis onYuTurover movable cameras

ZHANG Bingqiang1,2,*,XIANG Yanchao1,2,CHEN Jianxin1,2,SONG xin1,2,MA Juyin1,2
1.BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094,China 2.BeijingKeyLaboratoryofSpaceThermalControlTechnology,Beijing100094,China

In the brutal temperature environment in Sinus Iridium with the range between-180℃to+90℃,it needs to solve camera heat dissipation during lunar daytime and heat preservation in moonlit night without electric energy supply under the complex rotation ofYuTuRover mast.Besides,the uncertainty of lunar dust still results in risks to thermal design.In order to solve the extreme high temperature problem in daytime,the mast rotates to an optimal position for heat dissipation and avoids the camera being too hot,and the proportion of power on and off is optimized.In extremely low temperature at night,the thermal coupling state of the camera and the rover has been changed;the mast is folded into the fence to keep warm by means of heat preservation systems.Based on the analysis of the cause of dust subsidence,the max sun elevation angle for working is restricted to avoid risks by dust.According to the thermal analysis results and in-orbit results,it can be confirmed that the highest temperature decreased 15 degrees by methods of finding optimal position and optimizing the proportion of power on and off.By folding the mast in moon night,cameras have safely undergone the cold night,therefore 4.5 W power generated by RHU has been saved.It indicates that the coupling method between thermal control and posture adjustment can be used to solve the high-low temperature problem of movable cameras on the planet'surface rover,and reduce the rover power demand for RHU.It could provide thermal design reference for the follow-on celestial body surface explorations.

YuTuRover;navigation cameras;panorama cameras;thermal design;on-orbit thermal analysis;lunar dust

V476.4

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0001

2015-04-09;

:2015-09-01;录用日期:2015-09-28;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-04-19 14:15:17

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1415.001.html

*

:张冰强(1985-),男,硕士,工程师,zbq07@mails.tsinghua.edu.cn,主要研究方向为航天器热控制

张冰强,向艳超,陈建新,等.“玉兔”巡视器活动式相机热设计及在轨分析[J].中国空间科学技术,2016,36(2): 58-65.ZHANGBQ,XIANGYC,CHENJX,etal.Thermaldesignandon-orbitthermalanalysisonYuTurover movablecameras[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):58-65(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn