热开关热管在月面探测光学设备中的应用

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1.中国空间技术研究院 总体部，北京 100094 2.空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094 3.中国科学院 西安光学精密机械研究所，西安 710119

月昼期间，月面日下点最高温度约120℃;而月夜期间，月表温度很快降低至-180℃左右，且持续340 h[1]。同时，在嫦娥三号探测器的设备月夜保温过程中，无电能可用。设备的月昼高温散热和月夜保温是月球探测的关键技术之一。“玉兔”巡视器上活动式相机利用耦合设计思路作为解决长月夜保温和月昼散热问题的方法[2]，而设备与散热面间的变热导特性也是解决散热和保温矛盾的有效途径之一，即使设备在高温时向散热面传热，且在低温时与散热面隔热。对于基于月球表面的光学设备，在解决其保温和散热问题时还应考虑嫦娥三号探测任务的以下特点：

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1)月球表面昼夜温差达300℃，热量的传输、排散和截留控制措施应避免使用活动部件，以提高可靠性。

2)在月夜无电能资源的情况下，热量的传输、排散和截留控制措施不应消耗电能；

3)热量的集散应适应设备舱内安装要求[3]，即与散热面间大于400 mm的距离约束。

热开关是一种开关装置，它通过驱动力调节导热路径通断，从而起到导热和绝热的作用[4]。常见的热开关(如机械热开关)是通过温度改变时引起的材料(金属、石蜡等)变形、气体膨胀等产生的驱动力的作用下促使机械部件的运动，从而实现传热路径的接通或断开[5]。热开关活动面的存在使得开关可靠性有所降低，如美国“月球勘测者”曾出现热开关导热面接通后粘接而断不开的现象[6]。另外，热开关适用于热源和散热面距离相对较近的情况。中国空间技术研究院开展了石蜡驱动型相变热开关的在轨试验[7]，在轨实测“开关比”能够到达12以上[8]。但国内已有的热开关技术难以直接用于解决嫦娥三号着陆器月基光学望远镜长距离热量传输、热量高效排散和低温可靠截留问题。

本文对月面探测光学设备的月昼散热和月夜保温进行研究，利用热管工质的汽、液、固相变特性，来控制设备热量的传输、排散，以及存留，并总结嫦娥三号月基光学望远镜热控的研制和飞行经验，以期为中国今后的行星表面探测器热控设计提供参考。

1 热开关热管应用概述

1.1 设计思路

图1给出了嫦娥三号着陆器月基光学望远镜热控方案的示意。月昼工作时，月基光学望远镜探测所产生的7 W热耗通过1根热开关热管收集，并传递至散热面排散。月夜来临时，随着温度逐渐降低至热开关热管的凝固点以下，热管中的工质开始凝固。热管中的工质凝固时，月基光学望远镜与散热面间的漏热仅为500 mm长铝管和凝固后的工质产生的漏热。月夜期间，通过着陆器系统的同位素热源和两相流体回路系统构成的月夜保温系统[9]，以辐射热传递方式给予设备热量，热开关热管断开后该热量得以存留，从而实现了设备的月夜保温。

为满足数据采集系统多节点、传输速率高、组网范围大等需求[6],采用RS-485总线进行数据传输,其逻辑电平的高低通过差分线之间的压差表示,总线接口由平衡驱动器和差分接收器两部分组成,提高总线驱动能力的同时提高了总线抗共模干扰的能力,保证了数据传输的可靠性。

1.2 热开关热管

为了能够控制热管，必须修正热管蒸发过程、蒸气流向冷凝段过程、冷凝过程和冷凝液回流过程中的一个或多个。综合考虑热管可靠性、传热能力和重力环境，本文所述热管的运行驱动力主要利用月面重力，采用冻结工质的方式来完全切断热管的运行。热管设计中，根据凝固点(工质选择主要因素之一)选择工质，确定热开关热管具备运行条件，并检验工质的传热极限检验。

热管运行须令最大毛细压差大于液体回流所需压降、蒸气流向冷凝段所需压降，以及重力压差，而最大传热量根据最大质量流量求得。最大压差和最大传热量可表示为：

如图6所示，夜昼转换过程中，辐射板受到的太阳辐射能量逐渐增加，热开关热管在高于凝固点时，热开关热管解冻。在太阳高度角达到20°时，热管蒸发段温度为-8℃，此时着陆器唤醒，热管顺利打开。热管热开关热管解冻后，其蒸发段与冷凝段温差小于10℃。解冻后，随着环境温度的逐渐上升，月基光学望远镜开始工作。在设计的高温工况下工作时，热管工作正常，蒸发段最高温度为23.5℃，满足设备的温度要求。

相对于在轨航天器使用较多的凝固点为-77.7℃的氨工质热管，热开关热管采用的工质为八氟环丁烷(C4F8)，其凝固点为-40.1℃，略高于月基光学望远镜-50℃的最低存储温度指标。热开关热管工作过程中，在凝固点附近热管内工质冻结，从而减少热管传热量来维持月夜时舱内设备的存储温度。

利用月面重力作为热管驱动力则需要考虑探测器倾斜的影响。如图2所示，为了克服探测器月面可能存在的±15°倾斜带来的逆重力影响，热开关热管蒸发段具有15°倾角，当设备倾斜15°以内，月面重力辅助回流角不小于0°，使热管可适应微重力、月球重力及设备的倾斜。

由图5可知，昼夜转换过程中，热开关热管在低于凝固点时冻结，热开关热管冻结后，热管漏热大幅减小。在热管凝结过程中，热管过渡段、冷凝段下部和冷凝段中部均出现等温平台，可见工质在上述部位均有凝结。随着热管的逐步冻结，设备向舱外的漏热量逐渐减少，蒸发段温度迅速升高，而冷凝段温度迅速下降。在长达5个地球日的模拟月夜试验中，热管安装面温度最终平衡为-42.1℃，整个热管完全凝固状态，从而保证了月基光学望远镜月夜-60℃的存储温度指标。

2 地面试验结果

2.1 热开关热管开关性能

热开关热管的工作状态受月基光学望远镜周围辐射板、舱盖机构、-Y太阳翼和-Y两相流体回路等因素影响较大。因此在嫦娥三号着陆器整器初样热平衡试验中进行了热开关热管月夜断开、月昼解冻和月昼工作试验。试验中，除热开关热管重力辅助为地球重力外，其余热控状态与在轨状态一致。

有研究者认为《苏北女人》中的女主角令人想起女娲补天的神话故事，我非常赞同。女娲的两个伟大创举是造人和补天。柳采莲一生养育了四个孩子，两次到石宕里采石、筑屋补屋，恰与之形成对应关系。养育孩子就是“造人”的隐喻，采石、筑屋可以视作“补天”的隐喻。在远古神话中，“四极废，九州裂，天不兼覆，地不周载，火爁焱而不灭，水浩洋而不息，于是女娲炼无色石以补苍天”[3]284。柳采莲们的行为是否可看作对现代性的“爁焱”大火造成的“天”之“裂隙”的象征性补救呢？

（1）大数据的特点。信息爆炸是当下大数据时代感受最为直接，也是最为突出的时代特点，具体来说可以概括为数据量大、类型繁多、价值密度低、速度快和时效高。

表1 热开关热管打开和断开性能测试结果Table 1 Results of HPTS on-off performance test

2.2 热开关热管工作性能

地面试验测试了热开关热管在不同温度、倾角下的工作性能，其中蒸发段与地面夹角分别设置为1°和5°，用于模拟探测器在月面的不同倾斜。不同温度和倾角下，热开关热管传热量均设置为(14.5±0.5) W。如图4所示，随着温度的升高，热管蒸发段和冷凝段的传热温差逐渐减小，在7℃时，热管传热温差最大，最大为3.9℃。另外，蒸发段与地面夹角从1°升高到5°，传热温差有所降低。这是由于重力辅助的增大，热管的传热能力有所增强。

2018年8月3日，辽宁省沈阳市沈北新区发生一例非洲猪瘟疫情，经过中国卫生与流行病学中心确认，该疫情为我国首次发生的非洲猪瘟疫情。疫情发生后，农业农村部根据《非洲猪瘟疫情应急预案》启动了二级应急响应，采取了封锁、扑杀、无害化处理以及消毒等措施，禁止所有生猪、易感动物和产品运入或流出封锁区，同时沈阳市全面禁止生猪向外调运。在各部门配合下，此次疫情得到很好的控制，没有发生大面积的传播感染。但是因为非洲猪瘟一直以来都被我国列为一类动物疫病，是重点防控的外来病，近年一直在俄罗斯和东欧国家传播，我国有必要对该动物疫病进行研究。

测试结果如表1和图3所示，热开关热管在工质凝固点附近的热导比为33，断开后蒸发段与冷凝段的热阻大于33℃/W。

2.3 设备的地面热平衡验证

地面测试时，通过测试热导比判断热管打开和断开性能，热导比定义为打开状态下的热导与闭合状态下的热导之比。试验方案如下：蒸发段和过渡段均做绝热处理，仅冷凝段散热。在相同的蒸发段温度条件下，测试热管打开和断开状态下的漏热量和温差，从而获得热阻和热导比。其中，蒸发段控温为Tv，热管打开时冷凝段温度为Tc-on，热管断开时冷凝段温度为Tc-off。两种状态下蒸发段的控温功率分别为Qon和Qoff，由此可得热开关热管断开和低温工作时的热导比：

热开关热管开关设计性能为：在月球表面1/6g状态下，冷凝段安装面与水平面夹角为5°、35°时，热管在[ 8℃，23℃]下传热能力大于10 W，在[23℃，45℃]下传热能力大于15 W。而热管断开后，蒸发段温度在高于凝固点时，蒸发段末端到冷凝段起始端间的热阻大于33 ℃/W。

式中：ΔPcmax为最大毛细压差；ΔPl为液态工质回流所需压降；ΔPv为气态工质流向冷凝段所需压降；ΔPg为重力压差；mmax为最大质量流量；L为气化潜热；l为热管长度；ρl为工质的液相密度；σl表面张力；μl工质的液相动力粘度；K为管芯渗透率；A管芯横截面积；re为管芯毛细孔有效半径；φ为热管与水平面的夹角。

3 在轨情况

月基光学望远镜在落月后开始工作。在落月后第一个完整月球日的白昼工作期间，热开关热管正常工作，保证了设备温度不超过25℃。在经历月夜的严酷低温考验后，设备和热管均正常工作。图7给出了热开关热管在轨第1个月昼期间所有测控弧段内的温度曲线，月昼期间月基光学望远镜根据任务情况进行加断电。

2.3 处女蝇的收集时间探讨 无论是哪种方法收集处女蝇，时间的控制对处女蝇的收集都很重要。果蝇在接种以后，前期羽化的果蝇中雌果蝇数量较多，而羽化2～3批次后雄果蝇数量偏多。原因是当培养基中的营养成分减少，雌蝇的发育受到限制，雄蝇却发育正常。但是在杂交实验亲本选择时，一定要优先保证处女蝇(即雌蝇)的数量。因此，在果蝇接种后每隔1周要在培养基表面加入2～3滴营养液，以保证整个培养过程中雌蝇发育所需的营养，平衡雌雄蝇羽化的比例[4]。同时，也尽量根据果蝇的培养时间来收集处女蝇，确保杂交实验的成功。

2015年8月25日(第22个月球日)，着陆器在相对较低太阳高度角(12.1°)唤醒，唤醒后月基在蒸发段为-36.7℃时开始工作，加电后热管蒸发段温度逐渐上升至31.7℃，此时月基出现高温，热管处于过热状态且尚未打开。在重新进入测控弧段，太阳高度角为22°，月基蒸发段温度为-23.4℃时加电工作，加电后月基温度逐渐上升至-14.3℃，热管正常工作，如图8所示。

MWJ-2418智能门窗保温性能试验机的基本原理为标定热箱法测定传热系数，热箱内的电加热器散热量为总热量，将总热量减去热箱向环境空间的散热量和试件框的热损失，即为热箱热量通过试件向冷箱传递的热量.根据两侧传热量、两侧空气温度以及试件面积，便可求得传热系数K值.

针对热开关热管过热问题分析如下：根据热开关热管地面热平衡试验，热管在冻结过程中，工质大部分冻结在热管的过渡段和冷凝段。在月面工作中，热管若需正常工作，需建立从蒸发段到冷凝段的工质循环。在轨出现的热管过热问题，主要是由于着陆器在低太阳高度角(12°)开始唤醒，热管冷凝段受到的太阳辐射较小且辐射板温度也较低，月基工作时冷凝段的工质尚未解冻，无法建立工质循环，热管出现过热现象。地面试验过程中，着陆器在设计的标称太阳高度角(20°)唤醒工作并展开覆盖在热开关热管冷凝段的太阳翼，此时冷凝段的工质已经完全解冻，所以月基在工作时，热管顺利启动。另外，比对在轨月食前后(如图9所示)热开关热管的启动过程数据可以看出，大太阳高度角下(40°)，热管均能顺利启动。由此可见，利用工质冻结性能进行热导控制的热开关热管，在冻结过程中，大部分工质将凝固于冷凝段。热管在启动过程中，当冷凝段低于凝固点，热管将出现启动过热问题。若需要在冷凝段低于凝固点下工作的设备，使用热开关热管时，可考虑设计短期预热加热器或降低工质凝固点。

另外，在轨第22个月球日热开关热管的打开过程数据表明，热开关热管打开前后温差达53.8℃，热开关热管的开关效果明显。截至2017年4月16日，月基光学望远镜已在月面高效、可靠地工作了3年零4个月。

综上所述，热开关热管随着温度的变化自动实现开断，凝固点附近的热导比大于33。热开关热管打开时，7℃时的传热能力大于15 W，传热温差小于4℃，且能够适应月面重力和探测器倾斜的影响。热管断开时，蒸发段和冷凝段的热阻大于33℃/W。热管低温启动时，需关注热开关热管的低温启动问题。

2018年5月8日，美国总统特朗普单方面宣布退出《伊朗核协议》，并设置过渡期，分阶段、分批次启动对伊朗的制裁政策。虽然美国于2018年11月5日宣布给予中国180天临时豁免，但这种豁免具有局限性和不确定性。因此，了解和研究美国对伊朗能源制裁政策具有重要现实意义。

4 结束语

本文针对月面环境特点，提出了热开关热管解决月面工作光学设备高低温问题的热控设计方法，通过分析计算及在轨数据验证，得出以下几点结论：

1)针对月面环境特点，采用一种无源热开关热管，解决了月基光学望远镜月昼热量的收集、传输和月夜热量存留的矛盾，同时满足了热耦合开关的无源化和高可靠。

2)地面试验和在轨飞行数据表明：热开关热管很好地实现了开关功能，月基光学望远镜温度水平均优于指标要求。热开关热管具有良好的高温导热和低温阻断传热的特点，将会使其在未来的空间飞行器热控中广泛应用。

3)利用工质冻结性能进行热导控制的热开关热管，设计时关注低温启动时冷凝板的温度，避免低温启动出现设备过热超温现象。

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