月面采样相机的热设计与热分析

陈 阳，薛淑艳，宁献文，苏 生，韩 璐，王耀兵



月面采样相机的热设计与热分析

陈 阳，薛淑艳，宁献文，苏 生，韩 璐，王耀兵

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

月面采样相机安装于月球无人采样返回探测器的机械臂上，其质量小，热耗较大，长期工作在高温环境中，故温度水平成为影响相机能否正常工作的重要因素，须予以分析。文章根据相机工作模式和机械臂的姿态运动特性，构建出适应机械臂运动的热分析模型，提出几种实现相机高温散热的方法，通过对比分析，分别确定了基于OSR涂层和白漆的热控方案，并推演了散热窗口的临界模型，为后续器外设备热设计提供借鉴思路。

月表采样；相机；热设计；热分析

0 引言

月球无人采样返回探测器采用机械臂进行月表样品的采集。为便于路径规划和监视，机械臂上安装了远摄相机和近摄相机，负责监视月表的地形地貌、表取采样机械臂[1]的工作状态、月样倾泻过程、初级封装容器填充等情况，为采样器向初级封装容器内准确倾泻月样、采样器准确夹持初级封装容器、采样器将初级封装容器准确放入密封装置提供参考。

远摄和近摄相机属于器外运动机构，受月面环境影响，长期工作在70℃以上的高温环境中，相机的温度水平直接影响其成像质量，对月面机械臂执行采样任务至关重要。

国外航天器器外运动部件，如欧空局遥感卫星ERS-1上的支撑旋转机构[2]，俄罗斯“流行-3”卫星上应用的微波辐射计MTVZA等，均采用隔热设计，设置常规二次表面镜（OSR）或白漆散热面，并通过喷涂黑漆等方式降低运动部件本体的温度梯度。

苏联的“Lunokhod”月球车上的全景相机[3]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。美国的“火星漫游者”火星车桅杆上的导航、全景相机在夜晚无保温措施，在清晨工作前采用电加热器将电子线路从-95℃加热到-55℃。

我国的“玉兔号”月球车上的导航相机[4]和全景相机在顶面设计了OSR作为散热面，并采用避暑姿态，利用桅杆运动至外热流较小的区域，来降低相机的温度水平。探月二期着陆器顶面的地形地貌相机[5-6]，在顶部布置OSR作为散热面，并借助相机转动装置在设备开机前先将相机转动到外热流最小、散热条件最好的位置。

本文通过对几种相机热控方案的对比分析，提出了适应月面高温环境的月面采样相机的热设计方案，并分析推导了设备散热面优化选择的临界模型，可为其他高温条件下设备散热问题提供借鉴。

1 相机热控设计特点和难点分析

月面采样相机中的远摄相机为单目，近摄相机为双目，如图1所示。其热控设计的特点和难点如下：

(a) 远摄相机

(b) 近摄相机

图1 远摄相机和近摄相机构型示意

Fig. 1 Telephoto camera (a) and close-up camera (b)

1）由于相机在月面工作，外热流环境较为恶劣。在月面采样阶段，远摄相机与月表距离约为65～89mm，近摄相机与月表距离约为12～40mm。

2）相机单件质量较小，开机时，内部热耗会骤然加大。近摄相机单侧电路板功耗约为2W；远摄相机单侧功耗分别为CMOS端7W、FPGA2.8W。近摄相机开机时的热耗与质量比约为14.9W/kg；远摄相机开机时的热耗与质量比接近5W/kg，单位质量热耗值均大于探月二期的全景相机和导航相机等。

3）相机随机械臂运动姿态变化多。月表取样机械臂在月面工作阶段，会经历压紧以及在采样中间点、采样点、放样中间点、泻样点、密封封装点等[1]不同位置和各位置之间的运动过程，外热流变化非常复杂，且需要根据采样点的不同，满足不同姿态下采样的能力。

4）温度和质量指标要求较高。远摄相机温度指标为-20～90℃（工作），-40～100℃（存储）；质量不超过100g。近摄相机温度指标为0～110℃（工作），-35～135℃（存储），且需要在月面110℃的高温环境下长期工作，其高温指标较之探月二期的着陆缓冲机构等设备的更为严酷。

5）控温加热回路数量受限。为避免电缆对运动的影响，近摄相机的功率、信号电缆只能通过其他机械臂产品内部穿出，而1个控温回路至少需要测温加热4个通道，因此受安装空间的限制，控温加热回路数量有限。

2 热控设计方案

相机热控设计需要采取光、机、电、热一体化设计，充分合理地利用热控资源，且需采取主动和被动热控措施相结合的方式。

2.1 外热流分析

在航天器的热设计中，外热流分析既是热分析的重要工作，也是温度场计算的基础，为航天器高低温工况热控设计提供依据[7]。月面采样相机在飞行过程中主要经历奔月、环月和月面工作阶段。其中，奔月、环月段相机不开机，外热流较小；月面工作阶段红外热流较大。

由文献[8-9]可知，月昼时间月球表面温度较高，最高温度发生在正午，夜晚温度缓慢下降，至黎明达到最低。相机工作期间属于月昼温度较高的时间段，红外热流极大。在机械臂采样和放样姿态下，近摄和远摄相机各个面的到达外热流密度统计如表1所示。

表1 相机到达外热流密度

2.2 热控设计方案

2.2.1 散热窗口方案选择

在采样和放样姿态下，远摄相机-面的外热流均较小。镜头朝向月面，-面受月面红外辐射最小，因此选取-面为散热面。经计算，-面面积占整个相机焦面箱表面积不到21%，本文针对不同散热面大小和散热面涂层选择，对比分析了远摄相机的6种热控设计方案，如表2所示。

采样时，近摄相机距月面更近，为便于辨识相机内部散热通道和隔绝月面红外辐射两者之间的关系，设置6种热控设计方案（如表3所示）。

远摄和近摄相机的热控方案示意可参见图2。

表2 远摄相机6种热控方案汇总

表3 近摄相机6种热控方案汇总

(a) 远摄相机

(b) 近摄相机

图2 相机不同热控方案示意

Fig. 2 Different thermal control designs for the cameras

2.2.2 隔热设计

由于光学设计的原因，相机遮光罩表面为黑色阳极化处理。远摄相机镜头与焦面箱之间设置隔热垫。近摄相机本体与镜头部分采用一体化设计，相机内部是真空非封闭腔体，利用多层材料良好的隔热性能防止镜头与本体之间的辐射传热。

除散热面外，2台相机壳体表面均包覆多层隔热组件，多层面膜为高透明导电镀铝二次表面镜。2台相机与机械臂本体采用聚酰亚胺隔热垫隔热。

2.2.3 导热设计

为加强内部发热电路板与散热面的热耦合关系，在近摄相机的电路板与L型安装支架间设置导热条，L型安装支架与壳体散热面之间填充导热填料，形成电路板→L型安装支架→相机壳体散热面的散热途径。这类似于国内激光通信器[10-11]等大功率密度光学器件的散热设计方案。

2.2.4 低温补偿设计

环月阴影段飞行时，为保证相机温度始终高于存储温度的下限，在远摄相机焦面箱侧面和近摄相机±侧面粘贴加热器及热敏电阻，2台相机共用1个主动加热控制回路，根据热敏电阻温度信号进行闭环控制。

2.3 适应机械臂运动模式的热仿真

针对相机的光学、机械和电子设备结构，根据几何等效和热等效的原则进行一定的简化和假设，采用Thermal Desktop软件建立了远摄和近摄相机的热模型，如图3所示。

图3 相机热分析模型

机械臂在月面工作阶段，外热流变化复杂，热分析计算中，单个工况采用瞬态工况进行计算，根据机械臂运动模式和相机开机模式，选取机械臂典型位置，设置单次采样周期的路径，如图4所示。瞬态外热流随时间的变化采用位置1→位置4的外热流周期循环的过程，两个位置之间的运动过程采用前一个位置来近似实现。多次循环后，温度会达到周期平衡。

图4 热分析路径规划

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，以飞行过程和相机的工作模式为基础，计算了月面高温工作典型工况下的远摄和近摄相机温度水平，如表4所示。

表4 相机温度水平

从表4中可以看出：

1）方案2（+面喷漆，±、-面多层）中近摄相机壳体温度最低，月面采样平衡后，壳体最高温度为105.8℃。

2）对比发现，近摄相机侧面（+面）选择多层（方案2）比喷漆（方案3）的温度要低。

3）远摄相机-面面积相同的情况下，散热面粘贴OSR比喷涂白漆SR107-ZK的温度要低。

4）远摄相机-面面积由65mm×65mm扩大到80mm×90mm时，壳体最高温由95℃降低至81.5℃；由80mm×90mm扩大到90mm×120mm时，壳体最高温由81.5℃降低至78℃。

3 设备散热面设计优选评估

OSR二次表面镜等选择性涂层无法像反射太阳热流那样克服红外热流进行高效散热。以相机散热面为研究对象，其传热方程为

， (2)

式中：为太阳吸收率；为红外发射率；s为到达太阳热流；r为到达红外热流；i为内热耗；为斯忒藩-玻耳兹曼常量5.67×10-8；为散热面表面温度；为散热面面积。

在不考虑涂层退化情况下，OSR二次表面镜的吸收/发射比为0.17，SR107-ZK白漆为0.193。从式(2)中可以看出，相机散热面温度取决于太阳热源项、红外热流项以及内热源项的共同影响。而对于一定位置到达的太阳热流s和红外热流r是一定的，故相机温度主要取决于、和i的大小，吸收/发射比（/）越小越有利，越大越有利，但这两点有时不能兼顾，因此需要结合涂层的具体性质进行具体分析。

为推导出设备散热面窗口设计选用OSR或SR107-ZK涂层的临界模型，假设某设备到达的太阳热流s和红外热流r可通过外热流计算得到，以下标1、2分别代表OSR和SR107-ZK涂层，可得到它们的传热方程：

。 (4)

设内热耗的临界值为，则必然存在i=，使得1=2，即

继而可以得出

。 (6)

同理，可以求得2≥1的i范围为

。 (8)

式(6)推导出，也就是说，当i=时，2种涂层的散热效果相同。式(8)推导出散热面选择白漆SR107-ZK更有利于散热的i范围，对于各种热耗大小不同的设备，可通过判断i的范围来选择涂层。与设备本体到达的太阳热流有关，与红外热流无关。由式(8)可计算出本文中远摄和近摄相机的分别为4.5和7.9W，而它们的热耗值i分别为2和11.8W，因此，2台相机的散热面应采用不同的涂层。

4 结束语

结合月面高温环境的特点，比较了适合月面采样相机的几种热控设计方案，综合考虑了相机随机械臂运动、相机结构材料等诸多因素。热分析仿真结果表明，远摄采用-面白漆SR107-ZK涂层散热面（80mm×90mm）和近摄采用+面OSR涂层散热的方案可行，满足设计指标要求。

文中推演的散热窗口临界模型可为星外设备散热面的选择提供设计依据。该热控设计也可为其他月面工作的器外设备的热设计提供借鉴。

[1] 梁常春, 孙鹏飞, 王耀兵, 等. 行星采样柔性机械臂运动规划研究[J]. 深空探测学报, 2015(2): 27-33

LIANG C C, SUN P F, WANG Y B, et al. Motion planning of sampling flexible manipulator on planet[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2015(2): 27-33

[2] TALEGHANI B K. Efficient calculation of view factors to space and thermal analysis of large space truss structures[C]//AIAA 32ndAerospace Sciences Meeting, 1994. AIAA 94-0448: 12-23

[3] ULAME S, BIELE J, TROLLOPE E. How to survive Lunar night[J]. Planetary and Space Science, 2010, 58(14/15): 1985-1995

[4] 张冰强, 向艳超, 陈建新. “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

ZHANG B Q, XIANG Y C, CHEN J X. Thermal design and on-orbit thermal analysis on YuTu rover’ movable cameras[J].Chinese Space Science and Technology, 2016, 36(2): 58-65

[5] 刘自军, 向艳超, 斯东波, 等. 嫦娥三号探测器热控系统设计与验证[J]. 中国科学(技术科学), 2014, 44(4): 353-360

LIU Z J, XIANG Y C, SI D B, et al. Design and verification of thermal control system for Chang’e-3 probe[J]. Scientia

Sinica Technologica, 2014, 44(4): 353-360

[6] 宋馨, 张有为, 周向东, 等. 适用于月面高温环境的嫦娥三号地形地貌相机热设计[J]. 中国空间科学技术,2014, 34(6): 65-71

SONG X, ZHANG Y W, ZHOU X D, et al. Thermal control design for topography camera of Chang’e-3 under high temperature environment of lunarsurface[J]. Chinese Space Science and Technology, 2014, 34(6): 65-71

[7] 宁献文, 张加迅, 江海, 等. 倾斜轨道六面体卫星极端外热流解析模型[J]. 宇航学报, 2008, 29(3): 754-759

NING X W, ZHANG J X, JIANG H, et al. Extreme external heat flux analytical model for inclined-orbit hexahedral satellite[J]. Journal of Astronautics, 2008, 29(3): 754-759

[8] 徐向华, 梁新刚, 任建勋. 月球表面热环境数值分析[J]. 宇航学报, 2006, 27(2): 153-156

XU X H，LIANG X G, REN J X. Numerical analysis of thermal environment of lunar surface[J]. Journal of Astronautics, 2006, 27(2): 153-156

[9] 叶培建, 肖福根. 月球探测工程中的月球环境问题[J]. 航天器环境工程, 2006, 23(1): 1-11

YE P J, XIAO F G. Lunar environmental issues of lunar exploration project[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(1): 1-11

[10] 孟恒辉, 谭沧海, 耿利寅, 等. 激光通信终端主体热设计与热分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2013, 39(9): 1222-1227

MENG H H, TAN C H, GENG L Y, et al. Thermal control design and analysis for laser communication terminal[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(9): 1222-1227

[11] 刘百麟, 孟莉莉, 华诚生. GEO卫星红外地球敏感器热设计敏感性分析[J]. 航天器环境工程, 2013, 30(3): 240-244

LIU B L, MENG L L, HUA C S. Sensitivity analysis of thermal design of infrared earth sensor for GEO satellites[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(3): 240-244

（编辑：张艳艳）

Thermal design and thermal analysis for lunar surface sampling cameras

CHEN Yang, XUE Shuyan, NING Xianwen, SU Sheng, HAN Lu, WANG Yaobing

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

The lunar sampling cameras are installed on the robot arm of the lunar robotic sampling and return mission explorer. The cameras have a very small quality, but a very large heat rate. Both of the cameras required long-term work in high-temperature environment, thus the temperature level becomes an important factor to ensure normal work of the cameras. According to the working mode of the camera and the motion attitude of the manipulator, a thermal analysis model for adaptive motion is constructed, and several schemes to realize the high-temperature heat dissipation of the camera are presented. Through the comparative analysis, based on the OSR coating and white paint, the thermal control design of the cameras is determined, and the critical heat dissipation model of the cooling coating is selected. The research could provide reference for the thermal design of above deck equipment.

lunar surface sampling; camera; thermal design; thermal analysis

V476.4

A

1673-1379(2017)04-0364-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.004

陈阳（1986—），男，硕士学位，主要从事深空探测器热控设计及新系统研究工作。E-mail: y_chenfdl1006@163.com。

2017-01-03；

2017-07-14

国家重大科技专项工程