我国月球探测器热控技术发展

向艳超 刘自军 宁献文 苗建印

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

月球探测是中国深空探测的开端，是飞向更远距离探测的第一步。从2004年至2020年的16年间，中国成功组织实施了月球探测三步走战略，发射了7颗探测器，圆满完成了“绕”、“落”、“回”无人月球探测目标[1]。在此过程中，开发了一批先进技术，取得了一批原创性成果，有力推动了中国航天技术的发展。航天器热控技术作为服务于航天器热环境控制的技术，在月球探测中，受需求拉动，先后开发了月球热模型、重力辅助两相流体回路技术、水升华器技术、同位素核热/电源技术等先进热控技术，不仅保障了月球探测任务顺利完成，而且推动了热控技术的发展[2-4]。

月球探测器热控技术是基于近地轨道航天器热控技术、结合月球热环境特点及探测器特殊使命发展形成的。近地轨道航天器热控设计中常用的热控涂层、槽道热管、多层隔热组件及电加热器等在月球探测器热控中仍然发挥着基础性重要作用，且在探月工程中其使用条件得到进一步拓展、应用设计原则进一步规范，比如F46镀银二次表面镜热控涂层使用温度范围由-196～+100 ℃扩展到-196～+145 ℃，大面积F46镀银二次表面镜低温收缩效应控制设计等。探月工程中开发的新热控技术是对我国航天器热控技术体系的补充和发展。

本文论述了我国在探月工程中开发的新型热控技术及其应用情况；结合月球后续探测任务，探讨了热控技术发展的趋势，展望了后续月球探测任务中热控技术发展方向。

1 月球探测中的热控技术发展

1.1 探月一期工程热控技术发展

嫦娥一号探测器是我国首颗月球探测器，月球热环境的准确识别与合理应对成为探月一期工程中热控分系统的工作重点和难点。针对月球强红外辐照热环境及探测器极轨轨道的任务特点，热控分系统在准确识别月球红外辐射模型的基础上，采用槽道热管进行整星等温化设计，有效解决了外热流不稳定导致的整星散热面布局困难及散热面散热能力波动大造成的困难等。

1)月球热模型

月球红外热流的分析是进行月球探测器热设计的基础。由于月球周围不存在大气层，且月壤导热系数低，导致不同经纬度上的月面温度分别差异大，故不能像地球那样简化为温度均匀的球体，需要描述不同经纬度点的温度分布。在嫦娥一号任务研制过程中，通过不断改进与完善，最终建立了月球表面温度分布模型，详见式(1)所示[5]。

(1)

式中:S为太阳常数，单位为W/m2；ρ为月球对太阳的平均反射率；ε为月球红外发射率；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；φ为距离日下点的经度，单位为(°)；φ为距离日下点的纬度，单位为(°)；T为月球表面温度，单位为K；C为拟合常数。

利用上述温度表达式，即可获得月球表面的温度，进而获取月球的红外辐射强度。该模型经过嫦娥一号至嫦娥五号探测器在轨飞行验证，在轨飞行数据与地面热分析预示数据一致性良好。月球热模型为探测器热控分系统设计奠定了坚实基础。

2)相变材料复合热管传热蓄热技术

月球红外辐射强度高，波动幅度大，对探测器尤其是散热面的影响大，造成散热面温度波动剧烈。这种温度波动将影响嫦娥一号上关键载荷设备CCD相机探测器的探测效果，需要采取措施进行温度波动的消峰处理。

相变材料作为一种大比热容材料，通常被作为蓄热材料使用，但相变材料的热导率一般都比较小，扩热速度慢，如何将热量快速传递给相变材料、促使相变材料快速吸收是使用好相变材料的关键。

在嫦娥一号任务中，为平抑CCD相机探测器的温度波动，开发了将相变材料与槽道热管复合技术，研制了相变材料复合热管，使其不仅具备热管的良好导热性能，而且具备相变材料的蓄热功能。相变材料复合热管构形如图1所示，其中右侧图的中间孔作为热管使用，充装氨工质；两侧作为相变材料腔体，充装正十二烷，整个结构一体化成型，确保相变材料与槽道热管换热良好[6]。在轨飞行结果表明该设计是成功的。

图1 相变材料复合热管

1.2 探月二期工程热控技术发展

在探月二期工程中，热控分系统的工作重点和难点是解决月夜保温，同时兼顾月昼散热需求。美国月球勘测者(Surveyor)探测器利用蓄电池组供电加热，成功度过了1个月夜；苏联月行器(Lunokhod)探测器利用同位素核源供热和密封舱内强迫对流传热技术，成功度过了10.5个月夜。在嫦娥三号任务中，热控分系统提出并研制了基于同位素热源供热+重力辅助两相流体回路无源可控传热的月夜保温系统，及基于可变热导热管的月昼可控热排散系统，成功实现了嫦娥三号探测器月面生存。截至2021年底，嫦娥探测器已成功度过96个月夜，且运行状态正常，成为国际上月面生存最长的探测器。在嫦娥三号任务中，热控分系统开发了重力辅助两相流体回路技术、可变热导热管技术及同位素热源/电源技术等热控新技术。

1)重力辅助两相流体回路技术

重力辅助两相流体回路的技术特点是在有重力场环境中，流体回路依靠热源的热驱动自主运行，实现远距离热量的传输，运行期间无需消耗电源。流体回路在结构上包括蒸发器组件、冷凝器、储液器、控制阀、管路等。冷凝器布置在需要热量的位置；蒸发器与同位素热源导热安装，以获取热量。月夜期间，控制阀接通，两相流体回路启动，将同位素热源的热能传递到需要热量的地方，为设备保温提供能量；月昼期间，控制阀断开，两相流体回路停止工作，同位素热源的热能以辐射散热的方式排散到外界空间，不增加探测器在月昼期间的散热负担。重力辅助两相流体回路原理见图2[7]。该项技术已成功应用到嫦娥三号着陆器、玉兔一号巡视器、嫦娥四号着陆器、玉兔二号巡视等4颗探测器上，单套流体回路可实现百瓦量级的热量传输，为探测器成功度过月夜奠定坚实基础，嫦娥三号探测器也是国际上首次在航天器上应用重力辅助热驱动两相流体回路技术的航天器。

图2 两相流体回路原理图

2)可变热导热管技术

可变热导热管是一种随热负荷变化而自主调节冷凝面积的大小，使热管蒸发段的温度保持基本恒定的热管，具有热开关的属性。在嫦娥三号任务中，可变热导热管用来解决着陆器月昼散热与月夜保温两种传热需求之间矛盾。月昼时，可变热导热管冷凝段打开，热量由热管蒸发段传递到冷凝段进行热量排散；月夜时，冷凝段被控制气体工质堵塞，热量无法传递到冷凝段，因此可减少设备舱的热量散失。嫦娥三号着陆器上使用的可变热导热管的主要性能指标见表1所示，产品实物照片见图3所示。

表1 可变热导热管主要性能指标

图3 可变热导热管实物照片

3)同位素核源热利用技术

根据同位素核源在航天器上的应用目的分为同位素核热源(RHU)和同位素核电源(RTG)。同位素核热源仅提供热量；同位素核电源既发电，又提供热量，两者兼顾。在嫦娥三号任务中，热控分系统成功组织研制并在轨验证了RHU技术，针对同位素核热源在月昼及月夜温度差别大导致的热膨胀匹配性等难题，研制了同位素核源随温度变化自适应封装结构，解决了月昼与月夜期间同位素热源结构热胀冷缩匹配性与核源快速换装难题，以及同位素热源热量管理与利用难题。图4为同位素热源结构示意图。在嫦娥三号任务中，同位素核热源的综合热利用率约78%[2]。

图4 同位素热源(RHU)结构

在嫦娥四号中，热控分系统成功组织研制并在轨验证了RTG技术，针对RTG热电联产过程中热量管理问题及RTG带核快速换装难题，成功研制了重力辅助两相流体回路平板蒸发器代替嫦娥四号中的笼式蒸发器，不仅改善了流体回路蒸发器与RTG之间界面换热质量，强化了两者之间的换热过程，而且简化了流体回路与RTG之间的机械接口，为RTG快速换装提供了便利。图5为RTG实物照片。在嫦娥四号任务中，受RTG温差发电器件工作温度限制，降低了RTG月夜期间的供热能力，RTG发电后的废热利用率为67%[8]。

图5 同位素温差电池(RTG)实物照片

1.3 探月三期工程热控设计发展

在探月三期工程中，热控分系统的工作重点和难点是解决月昼采样期间短期大功率热排散难题。为了实现任务目标，热控分系统使用了基于泵驱单相流体回路热总线的热控方案，同时开发了水升华消耗性散热技术，研制了水升华器产品，解决了短期大功率废热排散的难题[9]。

水的三相点压力约为610 Pa，在空间高真空环境下，固态的冰吸收热量后将不经过融化直接升华为气体，并在升华过程中吸收热量。水升华器根据这一特点，通过设计多孔板和给水腔的结构参数使工质水按照水→冰→气态水的过程发生相变，在此过程中带走热量。水升华器是具有短时大功耗设备理想的散热装置。图6给出了嫦娥五号探测器上使用的水升华器布局示意图，表2给出了水升华器的主要性能指标。

图6 水升华器应用布局示意图

表2 水升华器主要性能指标

1.4 热控技术发展小结

回顾探月工程中热控技术的发展历程，为了适应月球新的热环境条件，满足探测任务需求，热控分系统发展了热环境模型、无源可控热传输技术、热排散技术及热源技术等4类热控新技术，重点面向解决月面探测器的月昼散热与月夜保温问题，建立了月面探测器热控设计体系及其支撑热控产品，为月球探测器实现长期月面生存奠定了技术基础。表3汇总了月球探测中发展的新热控技术及其应用场合。

表3 月球探测中发展的热控技术

2 后续月球探测对热控技术发展的需求与展望

我国在完成月球探测三步走后，将开展月球极区探测，构建月球科研开发基础设施，形成长周期无人月球探测能力；在不远的将来，还将开展载人月球探测，进行长期有人驻留月球探测。

无论对于月球极区长期无人探测，还是有人长期驻留探测，热控分系统要解决的基本热控问题仍是月昼散热与月夜保温问题。对于月昼热排散需求，根据着陆位置纬度不同，受月面红外辐射影响导致月昼散热需求差别较大。对于着陆于低纬度地区的探测器，由于月面温度高(月球赤道附近月面温度>120 ℃)，月面红外辐射强度大，导致辐射器散热面只能朝天指向，且月昼期间辐射器的热排散效率低。如要提高辐射器热排散效率，可使用热泵等措施提高散热面的热排散温度。对于着陆于高纬度地区的探测器，月面温度低，月面红外辐射强度小，对辐射器的朝向及热排散能力影响小。对于月夜保温，无论着陆点在什么纬度，其热控需求基本一致，主要涉及保温用能源供给方式及热量可控传输方式。月夜保温用能源供给方式可选择核源(同位素热源/电源、核反应堆)或蓄电池组；热传输方式可选择重力辅助两相流体回路或泵驱流体回路，具体选择取决于月夜有无电功率提供。

展望未来月球探测，瞄准探测器全月面可达的目标，热控分系统应朝着构建一个资源消耗少、控温能力调节能力强的热控系统方向发展。围绕月面长期探测中月昼散热与月夜保温两个基本热控制问题，在已有技术(表3所示)的基础上，从月夜供热方式、热传输方式、月昼热排散方式三个方面分析热控技术发展新需求。在热量供给方面，建议进一步发展以温差发电、热光伏发电为代表的核热源热电转换技术，提高发电效率和热利用效率，使发电功率达到百瓦量级，实现小规模探测器月夜期间热控系统保温用热、电自足；发展小型核反应堆技术及以斯特林、布雷顿为代表的更高效的热电转换技术，为大型月面基地做准备；未来开发月面核聚变技术，实现月面资源原位利用。在热传输方面，在泵驱单相流体回路技术相对成熟的基础上，建议发展泵驱两相流体回路技术，提高系统运行稳定性和可靠性，实现热量可控传输。在热排散方面，在进一步提升水升华器等消耗性散热技术的基础上，建议发展热泵技术及耐高温低吸收、高发射涂层技术，提高系统热排散的能力和效率。

3 结束语

探月工程的成功实施，推动了我国航天器热控技术的长足发展，基本形成了针对月面探测器月昼散热、月夜保温相融合的热控技术体系。展望后续长期无人及有人驻留月球探测任务，建议进一步提升月夜期间的热-电联供能力和效率，发展大功率温差电池和小型核反应堆技术；提升月昼与月夜期间可控热传输能力，发展泵驱两相流体回路技术；提升月昼期间的辐射器热排散效率，发展热泵技术及低吸收、高发射涂层热控涂层技术。