祝融号火星车纳米气凝胶隔热装置设计及应用

2022-04-26薛淑艳贾阳张冰强向艳超戴承浩王雪郑凯

航空学报 2022年3期

薛淑艳，贾阳，张冰强，向艳超，戴承浩，王雪，郑凯

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

火星探测是人类对未知太空探索的热点之一，具有十分重要的意义。2021年5月15日中国首辆火星车——“祝融号”登陆火星表面，并开展了火星表面巡视探测。火星表面恶劣的低温大气环境为火星车的热控设计带来巨大挑战。火星表面温度在极区夜晚低至-128 ℃，在赤道中午回升至28 ℃，平均温度约为-53 ℃。同时祝融号火星车没有核源，仅依靠太阳能电池片将太阳能转化为电能，保证电子设备的正常工作，可用于舱内电子设备低温补偿的电功率非常有限。为保证火星车舱内的电子设备处于容许温度范围，迫切需要一种被动、高效的隔热措施。

火星周围还存在着稀薄及干冷的大气，其主要成分为占比95.3vol%的CO，还包括少量的N、Ar、O、CO、HO等。火星表面的平均大气压约为700 Pa，且随海拔高度不同有很大变化，如在最低的盆地处大气压力可达900 Pa，而在海拔最高处则仅为100 Pa。由于火星表面存在大气环境，气体的导热和对流换热方式直接影响着火星车热控隔热材料的选择。基于真空环境的抑制辐射换热的多层隔热组件隔热性能大幅下降。当环境压力增大到1 000 Pa时，多层隔热组件的有效热导率增大到0.047 W/(m·K)。

纳米气凝胶是一种超轻、隔热性能优异且适应大气环境的超级隔热材料。“旅居者”漫游车的电子元件保温箱(WEB)结构板采用环氧玻璃，内部充满25～32 mm的20 kg/m的二氧化硅气凝胶，导热率在火星大气环境(1 000 Pa，CO，24 ℃)下约为0.016 3 W/(m·K)。由于气凝胶是半透明的，因此在气凝胶中间放置一层5 μm 厚的镀金聚酰亚胺膜以隔离辐射漏热。“机遇号”和“勇气号”采用的是一种性能更优的0～25 mm渗碳气凝胶，导热率在火星大气环境(1 000 Pa，CO，0 ℃)下约为0.012 W/(m·K)。

纳米气凝胶的缺点就是质脆、易碎，容易产生多余物，机械性能差，需要进行封装以适应主动段及着陆段的力学冲击。“旅居者”漫游车使用平板-桁架结合的形式进行封装，封装结构包括一组E-glass/epoxy结构单元，每个小单元中都填充有低密度固体气凝胶。“机遇号”和“勇气号”则采用腔式面板-桁架结构，大幅改善了气凝胶的机械性能和可操作性。

虽然美国火星车已完成低密度纳米气凝胶工程上的成功应用，但公开文献报道中只有简单结构介绍及测试数据，无详细应用细节。中国鲜见低密度纳米气凝胶材料的工程应用实例报道。艾素芬等和航天特种材料及工艺技术研究所成功制备了密度小于30 kg/m的工程尺度上的低密度纳米气凝胶材料，但要完成低密度纳米气凝胶隔热材料在祝融号火星车的工程应用，还需结合火星车的任务特点及保温需求，解决以下难题：① 纳米气凝胶隔热材料的封装方式，解决多余物控制、与结构一体化安装、充排气控制等难题；② 纳米气凝胶隔热装置环境适应性验证。

本文针对“祝融号”火星车任务特点及保温需求，提出一种能适应真空和火星大气环境的新型、高效、轻质纳米气凝胶隔热装置设计方法，采用在真空和火星大气环境中导热率极低的纳米气凝胶隔热材料，通过封装方式设计解决辐射漏热隔离、力学性能增强、多余物控制、快速泄复压等工程应用难题，并对平板型试验件进行热性能测试及环境适应性试验验证。

1 纳米气凝胶隔热装置设计

1.1 任务需求

根据火星表面低温、低气压、弱光照及大风的环境特点及无核热源的工程约束，火星车的隔热系统设计时采用纳米气凝胶代替传统的适用于真空环境的多层隔热组件，利用纳米气凝胶中的纳米级孔隙抑制气体对流，降低气体导热漏热。纳米气凝胶虽然具有极低的气态和固态热传导率，被认为是目前发现的隔热性能最好的固体材料，但其质脆、易碎、力学性能相对较差，火星车应用时需要对纳米气凝胶进行封装，即将其封装在力学性能满足要求的封装结构里面，并且要避免纳米气凝胶产生的多余物扩散泄漏。要实现纳米气凝胶在火星车上的工程应用需满足以下要求：① 真空和火星大气环境下具有良好隔热性能；② 封装结构要适应力学环境要求；③ 多余物控制；④ 具有排气功能，适应主动段及火星大气进入段的快速泄复压环境。

1.2 纳米气凝胶隔热装置设计方法

纳米气凝胶隔热装置结构形式如图1所示，由纳米气凝胶隔热板、层压玻璃板封装结构、缓冲材料、反射层及聚酰亚胺螺钉/螺母组成。将纳米气凝胶隔热板分两层、分区域放置在结构板、凹形封装结构、L形封装结构及T形封装结构形成的封闭腔体中，实现纳米气凝胶隔热板的封装；两层纳米气凝胶隔热板之间铺设反射层，减少红外辐射漏热；纳米气凝胶隔热板与封装结构之间的间隙填充缓冲材料，阻止纳米气凝胶隔热板产生的多余物外漏；通过胶粘固定于结构板上的螺钉及螺母实现凹形封装结构与结构板间的紧固。

图1 纳米气凝胶隔热装置示意图Fig.1 Schematic illustration of nano-aerogel thermal insulation device

1.2.1 隔热性能设计

纳米气凝胶隔热装置传热途径有4种：

1) 主导热传热途径：凹形封装结构→纳米气凝胶隔热板→结构板。

2) 封装结构导热漏热途径：凹形封装结构→L形封装结构→结构板。

3) 辐射漏热途径：凹形封装结构→红外透射穿过纳米气凝胶隔热板→结构板。

4) 紧固螺钉漏热途径：凹形封装结构→螺钉/螺母→结构板。

对于主导热传热途径，采用艾素芬等制备的超低密度纳米气凝胶隔热板作为隔热材料，1 400 Pa、CO气氛环境、25 ℃时厚度方向的热导率约为0.006 9 W/(m·K)，厚度14.5 mm，密度为29～30 kg/m，可根据设计需求机械加工成不同形状。

对于封装结构导热漏热途径，封装结构采用低热导率的层压玻璃板复合材料，厚度为0.4 mm，并将凹形封装结构设计为锯齿状，如图2 所示，在满足力学要求的前提下尽量减小凹形封装结构与L形封装结构间的胶结面积。

对于辐射漏热途径，纳米气凝胶隔热板具有红外透射特性，为隔离红外辐射漏热，两层隔热板间铺设一层低发射率的反射层，反射层材料选用25 μm双面镀金聚酰亚胺打孔膜，发射率为0.03。

对于紧固螺钉漏热途径，采用低热导率的聚酰亚胺螺钉/螺母。

图2 凹形封装结构Fig.2 Concave encapsulation structure

1.2.2 力学性能设计

采用盒盖式封装结构增强力学性能，由结构板、L形封装结构、凹形封装结构形成盒式封闭空间，T形封装结构位于盒式封闭空间内部，将封闭空间划分成适应纳米气凝胶隔热板尺寸的不同区域，并对纳米气凝胶隔热板进行左右移动限位。封装结构与结构板之间、封装结构之间的连接采用胶结方式。

采用聚酰亚胺螺钉/螺母用于封装结构的强化紧固。螺钉通过胶粘于结构板上，穿过不同区域纳米气凝胶隔热板间的空隙及凹形封装结构，通过拧紧螺母实现凹形封装结构与结构板间的强化紧固。

1.2.3 多余物控制

采用封装结构将纳米气凝胶隔热板封装在盒式封闭空间内，并在盒式空间内部间隙利用3 mm 厚的聚氨酯泡沫进行多孔迷宫过滤，以阻隔多余物，同时具有缓冲和透气功能。

1.2.4 排气设计

纳米气凝胶隔热装置需具充排气功能，避免飞行及试验过程中由于内外压差过大造成装置结构破坏。充排气设计如下：① 纳米气凝胶隔热板为多孔材料，具有透气性；② 反射层采用打孔膜；③ 缓冲材料为泡沫材料，具有透气性；④ 凹形封装结构上开设一定量的排气孔，排气孔密度为100 mm×100 mm范围内布置不少于2个排气孔，孔的直径为1 mm。

2 纳米气凝胶隔热装置性能验证

2.1 热性能验证

2.1.1 试验方法

纳米气凝胶隔热装置热性能试验参考全包覆型平板试件的热性能测试方法，采用在加热板及试件边缘增加防护板的方式减少边缘热损失。该方法获得的总导热系数为

(1)

式中：为平板试件的厚度；为热边界温度；为冷边界温度；为施加到纳米气凝胶隔热装置的热流，为加热板施加电功率减去护板、电缆等漏热功率；为平板试件的面积。

2.1.2 试验测试系统

热性能试验测试系统由真空容器、密封罐、抽真空系统、气体压力控制系统、温度测量系统、试验件控温系统、密封罐控温系统组成。试验件通过Kevlar纤维吊挂在密封罐的端盖上，见图3。

模拟真空环境时，气体压力控制系统的阀门关闭，通过抽真空系统将真空容器及密封罐内的压力控制在10Pa以下。模拟气氛环境时，关闭密封罐与抽真空系统连通的阀门，气体压力控制系统的阀门打开，将密封罐内稳定维持在设定的压力。模拟二氧化碳气氛时，通过密封罐控温系统将密封罐控制在-120 ℃以上，防止二氧化碳气体出现凝结。

图3 热性能试验测试系统Fig.3 Thermal performance test system

热性能测试过程如下：待密封罐内气体压力控制在工况设定压力后，试验件控温系统将试验件控温参考点温度控制在工况设定的温度，并达到稳定状态，记录稳态时试验件控温系统施加的电流，根据焦耳定律计算得到施加到试验件的电功率。温度测量系统记录稳态时试验件温度测量点的温度数据。根据护板及电缆的温度数据计算评估护板及电缆漏热功率，进而得出施加到纳米气凝胶隔热装置的热流，根据式(1)计算得到纳米气凝胶隔热装置的总导热系数。

2.1.3 试验件

试验件设计状态如图4所示，实物状态如图5 所示。2块纳米气凝胶隔热装置位于两侧，中间为加热板，加热板与待测纳米气凝胶隔热装置之间进行等间距控制，采用非接触辐射加热方式，避免直接接触加热时因材料低导热特性导致的温度不均匀问题。四周使用4块高强度低热导率纳米气凝胶护板控制边缘漏热，护板与纳米气凝胶隔热装置间使用低热导率的聚酰亚胺螺钉进行装配，并垫2 mm聚酰亚胺隔热垫。试验件通过低热导率的Kevlar纤维吊挂在空间模拟器内，加热板与护板之间在吊点处各垫一个4 mm厚的聚酰亚胺垫片，以减少吊挂装置引入的漏热影响。加热板、纳米气凝胶隔热装置封装结构侧(热边界)和结构半侧(冷边界)以及护板两侧均布置温度测点。为减小及评估电缆的漏热损失，电缆包覆多层隔热组件，并布置温度检测点。

图4 热性能试验试验件示意图Fig.4 Schematic illustration of thermal performance test module

图5 热性能试验试验件Fig.5 Thermal performance test module

2.1.4 试验结果及分析

分别测试了试验件在真空环境、(1 400±50) Pa 二氧化碳气氛环境、(1 400±50) Pa 氮气气氛环境下-80 ℃、-40 ℃及25 ℃的热性能参数，试验测试结果如图6所示。随测试温度升高，纳米气凝胶隔热装置热导率增大。相同温度条件下，真空环境热导率最小，氮气环境热导率最大。纳米气凝胶隔热装置在1 400 Pa、二氧化碳气氛环境下，25 ℃时的热导率约为0.008 0 W/(m·K)。在相同条件下，纳米气凝胶隔热板的热导率约为0.006 9 W/(m·K)，封装结构的漏热导致纳米气凝胶隔热装置的热导率增大了约16%。

图6 热性能试验结果Fig.6 Results of thermal performance test

2.2 环境适应性验证

2.2.1 力学环境适应性验证

力学性能是纳米气凝胶隔热装置完成火星车工程应用的重要因素。按探测器经历的力学环境特点及量级，对纳米气凝胶隔热装置开展了冲击试验、随机与正弦振动试验，试验状态如图7所示。力学试验完成后对纳米气凝胶隔热装置封装结构外观进行了检查，发现封装结构完好，未发现异常。

图7 力学环境试验状态Fig.7 Mechanical environment test status

2.2.2 泄压环境适应性验证

为适应主动段外部压力骤降环境，对纳米气凝胶隔热装置进行了排气设计，为验证排气性能是否满足设计要求开展了泄压试验验证。纳米气凝胶隔热装置水平放置在空间环境模拟器内，空间环境模拟器内压力按长征五号运载火箭整流罩内压设计带的内压下限进行模拟，最大压降速率约为6.9 kPa/s，通过摄像设备观察纳米气凝胶隔热装置在泄压过程中外观变化情况。试验件状态见图8。

泄压试验中最大压降速率约为7.7 kPa/s。试验过程中，纳米气凝胶隔热装置的凹形封装结构出现明显鼓胀现象，压降速率越大，鼓胀现象越明显，待压力泄至10 Pa时恢复原状。试验完成后封装结构完好，未发现异常。

图8 泄压试验状态Fig.8 Pressure relief test status

2.3 环境适应性试验后热性能复测

在纳米气凝胶隔热装置经历力学环境试验及泄压试验后，开展了真空环境及二氧化碳气氛环境的热性能测试。环境试验前后热性能测试结果如表1所示，可见环境试验前后热导率没有明显变化，表明纳米气凝胶隔热装置的力学性能和排气性能均满足设计和任务需求。

表1 环境试验前后热性能测试结果

3 应用及在轨性能

3.1 纳米气凝胶隔热装置在火星车应用

火星车纳米气凝胶隔热装置由7块组成，分别位于火星车顶板、侧板、底板和鞍形件朝向舱内一侧，通过胶结的方式安装在火星车结构板和鞍形件上，如图9所示，每一块纳米气凝胶隔热装置根据结构板构型设计相应的形状及尺寸。在纳米气凝胶隔热装置表面粘贴一层低发射率单面镀金聚酰亚胺膜，减小火星车内高温设备与纳米气凝胶隔热装置的辐射换热。祝融号火星车整套纳米气凝胶隔热装置质量为5.95 kg，仅占火星车总质量的2.5%。

图9 火星车纳米气凝胶隔热装置布局Fig.9 Layout of nano-aerogel thermal insulation device on Mars rover

3.2 在轨性能

“祝融号”火星车自2021年5月15日实现火星表面软着陆后，已在火星表面成功完成90个火星日的科学探测任务，成功实现火星表面生存，正在进行拓展任务。在火星表面科学探测期间，火星车处于火星大气环境，安装有纳米气凝胶隔热装置的舱板内外侧温度变化曲线如图10所示，在火星表夜间无太阳外热流加热时，舱板内外两侧温差最大达53.8 ℃，舱内侧温度在-28 ℃以上，保证了舱内设备在零加热功率补偿下，温度仍处于允许的温度范围内。