绕月与月面探测热环境及影响因素研究

陈建新，马巨印，张冰强，张 熇，宋 馨

（1.北京空间飞行器总体设计部；2.空间热控技术北京市重点实验室：北京100094）

0 引言

航天器散热面的热设计主要依据其所处热环境接收的太阳辐射和红外热流密度。月球探测器需经历环月和月面2种工作热环境。地球轨道外热流的数据已非常成熟，而环月轨道外热流的研究相对较少，国内仅在几颗环月探测器任务中采集了特定环月轨道的外热流数据[1]。着陆月球表面探测器的外热流研究也相对缺乏。月面红外热流值与太阳热流相当，常规散热用选择性涂层无法抵御红外热流，若探测器散热面朝向强红外热流方向，将导致任务失败，印度“月船一号”探测器的超温故障即是典型案例。月面地形复杂，特别是月球背面多山、多口坑，导致月面红外会对探测器形成不同视角的外热流，因此月面红外热流探测需要考虑地形因素。Racca[2]、徐向华等[3]、任德鹏等[4]、陈建新等[5]开展了月表温度模拟计算研究，但均未考虑复杂月面地形对探测器的影响，特殊场合可能存在较大误差。

此外，月尘在月面活动和静电的作用下会沾染到热控涂层上，影响探测器对热环境的适应性，这点也需要重点考虑。月球重力场仅为地球的1/6左右，流体类热控产品设计应考虑微重力的影响。

为求在月面探测器热控设计中综合考虑上述影响因素，本文对环月轨道、平坦月面和复杂地形的热环境及其影响因素进行了定性及定量分析。

1 环月轨道热环境分析

环月轨道主要面临太阳照射，月球红外和反照，以及空间冷背景环境。太阳热流分析已经成熟，红外热流计算的难点在于明确月面温度与月里纬度的关系，通过研究获得月面温度分布特征数据，在环月轨道中针对月球表面设置相应参数，以计算出太阳和月球红外到达航天器各表面的热流。

一般以六面体[5]作为航天器典型状态，假定六面体姿态为三轴稳定，飞行方向定义为+x、+z对月；取轨道典型状态为圆轨道，高度15 km、倾角为90°；β角（太阳矢量方向与航天器轨道面的夹角）选取0°和30°。六面体航天器各表面的到达热流密度详见图1，太阳热流包括太阳直射热流和月面反射太阳热流，红外热流主要为月球红外热流。可以看出，航天器飞行方向上的±x面和背月-z面，向阳时太阳到达热流密度为1414 W/m2，背阳时为0，波动很大；侧向±y面热流稳定；对月+z面红外热流密度波动也达1400 W/m2，背月面无红外到达热流，其他侧y面到达红外热流密度比对月面的小。

轨道周期平均吸收外热流是月球探测器辐射散热面的重要设计依据，与探测器表面状态有关。以典型表面——玻璃二次表面镜（OSR）为例，一般取其太阳吸收比为0.19、红外发射率为0.79[6]。同样以六面体航天器为研究对象。β=0°时，各表面的轨道周期平均吸收热流密度中，对月+z面的最大，达到351W/m2，其中红外热流占97%；±x面为200 W/m2左右，±y面为150 W/m2左右；背月-z面最小，仅83 W/m2，主要是因为其无月球红外热流。

到达探测器各表面的红外热流与轨道高度密切相关：随着轨道高度的增大，月面对探测器各表面的视角系数变小，则使各表面接收到的月球红外热流减小。

β角的变化影响了±y侧面的光照和月面视角，β角增大导致-y面受照太阳热流迅速增大，其周期平均吸收外热流密度逐渐增大，β=30°时达到210 W/m2，增大60 W/m2，β=60°时达到240 W/m2；其他面的热流略微减小。反之，β角减小导致+y面的吸收外热流增大。

2 月面探测器热环境常规分析

2.1 月面温度环境基本规律

月球表面为高真空状态，无大气遮挡，太阳直照月面，月面温度与当地太阳高度角和表面状态密切相关。从宏观来看，月面温度与经度近似成余弦关系。根据国外观测结果，月球赤道的表面温度分布与到日下点角度的关系如图2[7]所示，月面昼夜温度在-180～120℃之间剧烈变化。而且不仅仅赤道平面内，在到日下点的各个方向上，都认为有类似的温度分布。因此月面温度与经度、纬度都相关，红外辐射热流也随不同经度与纬度而变。另外，1 个月球日为29.53 个地球日[8]，月昼和月夜分别约为14.8个地球日，因此月面温度变化缓慢。

2.2 月面热仿真模型

月面有极强的红外辐射，月面探测器对附近月面环境的真实状态非常敏感；同时探测器着陆或者在月面移动时，探测器本身的存在也会改变附近月面温度及其红外辐射。

我们建立了包含月面月壤三维结构的热仿真分析模型[5]，并已应用于“嫦娥三号”和“嫦娥四号”月面巡视器的热控设计仿真。图3为月昼太阳照射“嫦娥四号”巡视器车体右侧时巡视器及月面温度场仿真分析云图。经月球正面和背面在轨运行数据验证，由该模型得到的巡视器温度预示值与在轨遥测值偏差小于±5℃，与常规环境卫星的预示精度相当。

图3 月面热数学模型在“嫦娥四号”巡视器热设计中的应用结果Fig.3 An application result of lunar thermal model in the thermal design of Chang’e-4

2.3 月面热流环境分析

以六面体作为航天器典型状态，分析月面探测器在月面各个方向的吸收外热流。假定六面体着陆于月球北半球，着陆区为平整月面，定义姿态为+x面朝月球北极、+z垂直指向月面，六面体底面距离月面约0.5 m。六面体表面假设为OSR，考虑月面污染后取其太阳吸收比为0.25、红外发射率为0.79。

当六面体探测器处于日下点即当地太阳高度角为90°时，背月-z面的吸收太阳热流为350 W/m2，无红外热流；±x、±y侧面仅有月面反射的微弱太阳热流，但是来自月面的红外热流很大，平均约520 W/m2；对月+z面的吸收外热流最大，达到844 W/m2，其中红外热流占98%。

我们分析了月球正午时，当探测器着陆区向北移动时，其各表面吸收热流密度与纬度的关系，详见图4。随着纬度增大，着陆区太阳高度角减小，月面温度及红外热流降低。由图4可以看到：探测器朝月球北的+x面和朝东、西的±y面主要受月球红外热流影响，其吸收外热流自然随之减小；朝南的向阳-x面的吸收外热流由于太阳直射而略有增大，后由于月球红外热流的减小得更多而减小。

图4 月球正午时六面体吸收热流密度与着陆区纬度的关系Fig.4 The relationship between the absorbed heat flux andthe latitudeof the landing region at moon noon

以探测器在北纬60°为例，朝北+x面吸收外热流为204 W/m2，朝东、西的±y面吸收外热流为270 W/m2，背月-z面吸收外热流为177 W/m2，对月+z面吸收外热流为604 W/m2，朝南-x面吸收外热流为585 W/m2。可见，在相同的散热温度下，朝北+x面和朝东、西的±y面具有较强排散内热耗的能力。

3 月面探测器热环境复杂影响因素分析

3.1 月面地形的影响分析

月表不是完全平整的，有月海和高地2种典型地形，月海一般具有圆形封闭的特点，为山脉所包围；高地一般高出月球水准面约2～3 km。月海和高地均覆盖有大大小小的石块和撞击坑，包括环形山、辐射纹以及与撞击坑有关的隆起构造。月海区域相对平坦，最大坡度约为17°，撞击坑内侧坡度很陡，外侧坡度则较缓，平均为5°左右。对于着陆和月面移动的探测器，需要考虑地形热效应对探测器的影响。

探测器一般选择对天面做散热面，并涂敷太阳吸收比较低的选择性涂层，因此，如果探测器位于倾斜坡面上，对天面与周围月面存在可见视角，月面红外将极大影响散热面的散热效率，必须在热模型的热流环境分析中予以考虑；同时对天面与太阳的夹角也发生了相应变化，向阳倾斜则热流增大，背阳倾斜则热流减小。以当地太阳高度角45°、向阳倾斜20°的坡面为例，基于前述的六面体模型，相对水平状态，倾斜后对天面吸收红外热流增加17 W/m2，吸收太阳热流增加71 W/m2。

如果月面探测器着陆点周围有高度超过探测器散热面的山丘，也将影响探测器的热环境。如果山丘处于探测器和太阳入射方向之间，会遮挡光照，使探测器处于阴影区：遮挡时间较短时，与月食类似；遮挡时间为长期时，与月夜类似。如果探测器位于山丘的阳面，山丘受太阳照射后产生的红外热流将进入到探测器对天散热面和朝山丘的侧表面，山丘对探测器的红外影响与两者间距离相关，基于前述的六面体模型，以当地太阳高度角45°、太阳与山丘分别位于探测器正对两侧为例，分析山丘引起的探测器对天面和背阳面OSR 吸收红外热流增加量与探测器及山丘间的距离（L）和山丘高度（H）之比的关系（如图5所示），结果发现：对于高度一定的山丘，随着其与探测器间距离的增大，其对探测器表面的红外热流影响减小：当L/H＞5时，山丘对探测器对天面的红外热流影响可忽略，但使背阳面的红外热流增加约100 W/m2；当L/H＞20时，山丘对探测器所有面的红外热流影响均可忽略。

图5 山丘对探测器表面红外热流的影响Fig.5 The effect of the massif on the infrared heating on the spacecraft

3.2 月尘的影响分析

月尘是指覆盖在月球表面的月壤中粒径较小（直径小于1 mm）、较为松散、在一定的外力作用条件下会产生激扬的颗粒。着陆冲击、发动机羽流、月面活动人为因素、自然因素（静电效应）等均会导致月尘扬起并沉降在探测器表面。

月尘具有高太阳吸收比、低导热以及强吸附性等特性，对热控分系统的影响主要体现为月尘在散热面等热控涂层表面附着会引起散热表面太阳吸收比和红外发射率的增大。而探测器散热面和多层隔热组件外表面选用的都是低太阳吸收比、高红外发射率的热控涂层，因此月尘沉降对热控材料的影响主要是增大了其太阳辐射/吸收比。

软着陆冲击过程中引起的月尘激扬高度很小，由“嫦娥三号”软着陆实测数据可知，月尘扬起量对探测器温度的影响可忽略。月面巡视与采样激起的月尘与活动范围及速度有关，一般车轮行走造成的黏附起尘，行进速度较慢时扬尘高度和轮子直径基本一致，行进速度较快时月尘扬起很远；采样及转移过程中产生的月尘与采样方式、月尘容器密封性等相关，但总体相较而言，人的活动扬起的月尘更加剧烈—航天员走路以45°踢起的月尘可以飞达4 m 高、8 m 远[9]。

自然因素造成的扬尘是个小量，其对探测器的影响基本可以忽略。发动机羽流引起的月尘激扬主要发生在探测器的动力下降段，会影响到探测器表面。根据“嫦娥三号”着陆以后的温度实测数据分析，着陆过程中激起的月尘对探测器散热面造成的影响基本可以忽略，但是对舱外设备和着陆点其他探测器的影响不可忽略，特别是对具有低太阳吸收比涂层的设备，如舱外多层表面、测控天线表面等。

3.3 月表重力的影响分析

月球表面的重力加速度为1.62 m/s2，约为地球表面的1/6。同时，着陆区域月表地貌可能高低不平，月面极大概率倾斜角度在20°内，因此会对热管、流体回路等热控产品的正常工作、再启动产生影响。

对于普通槽道热管，由于逆重力工作能力较差，在重力环境中只能采用水平工作或蒸发端在下的重力辅助工作模式。月面低重力条件下运行时，同样需保证重力辅助驱动力和流动阻力满足稳定运行要求，还要考虑到月面着陆探测区可能出现的倾斜坡面的影响。

4 结束语

本文通过对三轴稳定姿态航天器在典型高度和β角的环月圆轨道的外热流数值变化规律进行研究，发现环月轨道的红外热流远大于地球轨道的，总吸收热流中，对月+z面的最大，其中的红外热流占比非常大；±x面、±y面依次减小，背月-z面的最小，约为83 W/m2，背月-z面具有较强的散热能力。

提出并采用复杂月面月壤三维热数学模型，成功应用在“嫦娥四号”探测器热控设计中，对六面体航天器在典型太阳方位和高度角下各表面的吸收热流进行计算。在此基础上，分析了月面崎岖地形对探测器表面吸收热流的影响：对高度一定的山丘，随着其与探测器间距离的增大，其对探测器表面的红外热流影响减小。最后定性分析了月尘和月表重力对热控设计的影响。

本文对月球环绕轨道、平坦月面和复杂地形的热环境及其影响的分析，可为国内外的月球及深空探测航天器的热控设计提供基础数据和有益指导。