嫦娥五号轻量化泵驱单相流体回路热总线设计及实现

宁献文，徐侃，王玉莹，蒋凡

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

嫦娥五号任务是中国复杂程度最高、技术跨度最大的航天系统工程，探测器系统设计面临任务模式复杂、关键环节难度大和资源受限3个方面的挑战[1]，使得热控系统设计也面临很大的技术挑战[2]，尤其是轻量化设计技术方面。

嫦娥五号探测器系统由着陆器、上升器、轨道器和返回器组成，其中着陆器与上升器共同组成着陆上升组合体，主要完成着陆下降、月面无人自动采样、月面起飞等任务[1]，其热控设计面临月面高温环境(110～140 ℃)下无人自动采样任务过程中设备的热收集、热传输与热排散等挑战，需要新型轻量化高适应能力主动热控技术予以解决。

泵驱单相流体回路技术作为一种具有很大潜力的主动热控技术，具有结构简单、布置灵活、鲁棒性高以及可继承性好等优点，能够显著提升航天器热控系统的适应能力，已经成功应用在航天飞机、国际空间站以及“神舟”飞船等大型航天器热控系统中，有效解决了这些航天器的热控难题[3-12]。此外，美国火星巡视系列探测任务也都利用泵驱单相流体回路作为系统级热管理的手段，实现了良好的在轨应用效果[13-18]。中国实践十号返回式卫星[19]、实践二十号大型通信卫星也针对各自任务需求与特点，采用泵驱单相流体回路技术解决了相应的热控技术难题。

鉴于此，在借鉴国内外相关领域热控技术基础上，针对嫦娥五号着陆上升组合体面临的热控技术挑战及资源受限难题，首次在月球无人探测航天器领域提出一种轻量化泵驱单相流体回路热总线及设计方法，其将固定辐射散热面、消耗型散热装置水升华器构建为一套组合式热沉，以实现探测器整体热量/热沉的总线收集、跨器调度传输及动态重组排散。

1 月面无人自动采样任务热控挑战

着陆上升组合体月面无人自动采样任务示意见图1，上升器位于着陆器顶部，钻取、表取采样装置均布置在着陆器上，两者采集的月壤样品存放至上升器密封封装装置中，而后上升器携带样品从月面起飞，与轨返组合体对接后，将样品转移到返回器上，由轨返组合体携带月壤样品返回地球[1]。

图1 嫦娥五号着陆上升组合体月面工作示意图

根据嫦娥五号月面无人自动采样任务剖面和探测器整体构型，着陆器与上升器主要面临2方面热管理技术挑战[2,20]：

1) 根据热分析预示，月昼正午月面环境温度将达110～140 ℃，由于上升器对着陆器的遮挡(图1)，使得着陆器自身缺乏有效散热通道，导致月面采样、上升器月面起飞过程中存在短期大热耗热排散困难。

2) 探测器全任务周期内，热环境变化范围大、工作模式复杂，不同任务阶段热排散负荷变化峰谷比超过7∶1，需协同考虑各任务阶段探测器散热与保温之间的矛盾。

2 轻量化泵驱单相流体回路方案

2.1 流体回路热总线方案

针对嫦娥五号月面无人自动采样任务热控技术挑战，提出一种“轻量化泵驱单相流体回路热总线+消耗型水升华散热”的热控系统概念，构建出如图2所示的轻量化泵驱单相流体回路热总线，以实现着陆器与上升器系统热量收集与热排散的综合管理。

鉴于深空探测航天器对重量资源限制更加严格，对嫦娥五号轻量化泵驱单相流体回路热总线在结构与功能配置上进行了优化，取消了温控阀与专用冷板等设备，系统主要由流体回路驱动模块(包括集成泵阀组件与泵控制器)、流阻调节阀、流体回路分离模块、工质排放阀及预埋管路辐射器、连接管路等组成，同时耦合了水升华热沉模块，系统流程示意见图2。

不同任务阶段，组合体需要排散的电子设备热量在250～450 W，选取着陆器3处、上升器1处共4个区域布置结构板式固定辐射器(面积合计3.7 m2)作为主热沉，消耗型热排散装置水升华器作为辅助热沉。设计中将电子设备、辐射器与水升华器均串联耦合至流体回路热总线中，构建为一套基于热总线的热排散系统，其中固定辐射器与水升华器共同构成一套组合式热沉。

月地、环月与落月阶段仅使用辐射器主热沉排散组合体废热。月面工作段，使用组合式热沉协同解决月面高温环境下短期大热耗散热难题。为尽量减少携水量，结合设备工作温度55 ℃需求，嫦娥五号首次使用一种高温水升华器，其工作模式为：当水升华换热器a入口处流体回路温度T1高于设定阈值上限时，启动水升华热沉进行辅助散热；月面起飞任务准备开始时，强制联合开启水升华换热器a、b辅助热沉，尽量降低组合体温度水平，提供最优的起飞温度保障条件。

此外，在轻量化技术方面，除优化流体回路热总线结构功能配置、主要功能部件轻小型化高集成以及选用高性能轻质材料等手段外，还在系统上采用着陆器、上升器两器间热控功能复用来进一步优化热控系统重量和功耗，即采用如下2个特殊设计：

1) 为最大程度优化探测器质量分布其组合体喷流的减阻防热机，除部分管路外，将流体回路热总线设备中泵、阀、控制单元等都布置在着陆器上，着陆器与上升器之间配置2个回路分离模块，用于上升器月面起飞时热总线的分离重构。

2) 采用火工驱动的电爆阀增加流体回路工质排放功能，月面起飞前利用其排空上升器流体回路管路内工质，以尽量减轻上升器月面起飞时刻质量。

图2 着陆上升组合体流体回路热总线示意图

2.2 流体回路热总线关键性能技术指标

根据嫦娥五号月面无人自动采样任务需求，流体回路热总线系统重量、功率、流量、压头、分离力等关键性能技术指标见表1。

2.3 主要功能部件轻量化设计

嫦娥五号流体回路热总线主要功能部件在设计中采用了单机轻小型化高集成和结构热控一体化等轻量化手段，使流体回路热总线在热控系统重量占比降至20%以下。本文重点介绍流体回路驱动模块、分离模块与结构热控一体化预埋管路辐射器。对于比较成熟的流阻调节阀、工质排放阀不再论述。

表1 嫦娥五号流体回路关键性能技术指标

2.3.1 流体回路驱动模块

流体回路驱动模块包括集成泵阀组件和泵控制器。集成泵阀组件(图3)的功能通过泵及各种阀门对流体工质在热总线内的循环流动进行调控，是流体回路热总线最核心的功能部件，其包括2台机械泵(主备份各1台)、1个自控阀(实现机械泵自主切换)、1个补偿器(对流体回路高低温变化时工质容积的变化以及自然泄漏损失的工质进行补偿)、1个过滤器、2个压力传感器及相关管路(配置见图2)。

图4为嫦娥五号研发的离心式机械泵，能在(100±20) L/h流量下产生不小于75 kPa的驱动能力，采用工质自润滑的陶瓷球轴承。为提高可靠性，每台离心泵单独配置控制器实现供电及控制。

图3 嫦娥五号集成泵阀组件

图4 嫦娥五号机械泵

2.3.2 流体回路分离模块

流体回路分离模块用于着陆器、上升器两器之间热总线的分离重构，上升器月面起飞前维持密封功能，确保回路正常运行，月面起飞时能够断开，保证着陆器、上升器顺利分离重构。

嫦娥五号流体回路分离模块在设计上选择机械自适应式分离形式，与两器之间的连接解锁装置采用一体化复用设计，即利用其压紧状态实现密封功能，起飞时随连接解锁装置解锁释放预紧力，实现有效分离。

图5给出了流体回路分离模块组成示意，主要由密封端、分离端、密封圈等组成，在密封设计上采用特殊的“侧面+端面”形式，既可以在断开前有效保证密封功能，又能在断开时尽量减小分离过程中的阻力。

图5 嫦娥五号流体回路分离机构组成

2.3.3 结构热控一体化辐射器

为实现轻质化设计，嫦娥五号设计使用一种结构热控一体化辐射器，即利用蜂窝板内预埋流体回路管路实现结构热控一体化设计，图6给出了上升器辐射器设计结果，其采用流体回路预埋管路与热管耦合式结构，且流体回路管路还需要穿越上升器倾斜顶面，在着陆上升组合体热控系统4个一体化辐射器中，工艺实现最困难、技术状态最复杂。

图6 嫦娥五号上升器结构热控一体化辐射器

3 轻量化泵驱单相流体回路系统设计

根据流体回路结构功能配置和关键性能技术指标，需进一步开展流体回路系统详细设计。图7为设计流程，设计过程中用到的基础知识可参阅文献[4]。

图7 泵驱单相流体回路设计过程

3.1 系统设计

考虑到继承性，工质选择全氟三乙胺，管路材料选择铝合金，在此基础上开展系统参数迭代设计。系统参数主要包括流量、管路规格、系统阻力等。

在考虑热收集、热传输、热排散三方面约束条件下，流体回路系统体积流量应满足

qV≥Q/(ρcpΔTf)

(1)

式中：qV为系统体积流量，m3/s；Q为系统热排散量，W；ρ为工质密度，kg/m3；cp为工质比热容，J/(kg·K)；ΔTf为工质允许温升，K。

根据设备工作温度安全裕度，流体回路温升取8～12 ℃，根据式(1)可得系统流量应满足(100±20) L/h。综合考虑重量、经济性、工艺性、继承性等因素，管路规格选择内径为8 mm的铝合金管材，与全氟三乙胺工质完全相容。

基于流体回路系统流量、管路规格设计结果，进行流体力学分析[4]，得出流体回路流阻，其包括管路流阻(含沿程阻力和局部阻力)与设备流阻，经分析得回路系统流阻约75 kPa。

在上述系统参数设计结果基础上，开展流体回路热总线的热收集、热传输与热排散布局设计，从而得出系统能量流的传输过程(见图2)。然后建立流体回路流动与传热综合评价模型[21]，即

(2)

Nu=0.16(Re2/3-125)Pr1/3·

(3)

(4)

式中:Re为雷诺数；ρ为工质密度，kg/m3；u为管内平均流速,m/s；D为流动特征长度(取圆管直径)，m；μ为工质动力黏度，N·s/m2；Nu为努塞尔数；Pr为普朗特数；L为换热管道长度；μf、μw分别取流体平均温度时的工质黏性和管壁面温度时的工质黏性，两者可取一致；λ为导热系数，W/(m·K)。

根据式(2)～式(4)，计算得出管内流动的对流换热系数不小于1 200 W/(m2·K)，经整器仿真分析，能够满足传热性能要求。

3.2 工质排放设计

为提高起飞安全性与可靠性，同时减轻月面起飞时刻上升器质量，起飞前需将流体回路系统内工质排放至外部空间，并针对排放方式与时间开展设计。

流体回路工质排放采用电爆阀开启流体回路密封，将工质排放至月面高真空环境。排放过程是一个月面1/6g(g为重力加速度)、高真空条件下复杂管路内全氟三乙胺工质受控排放问题，涉及液体闪蒸与气液两相临界流动过程，流动特征分析与控制机制设计是其研究难点。

研究中构建了液体压力遽降时闪蒸波简化模型和气核高速气流剪切驱动气液两相环状流模型，用于流动特征分析和评估工质排放时间等特征参数[22-24]。然后基于邦德数(Bond Number)相似准则，提出一种地面等效工质排放验证方法，并据此研制出一套流体回路工质排放的1∶1地面等效验证装置(见图8)。通过以上理论分析结合地面实验，获取了工质排放时间、残余量数据，再结合任务飞行程序约束，最终确定工质排放时间为15 min。

图8 流体回路工质排放的1∶1地面等效验证装置

4 在轨工作性能结果及分析

嫦娥五号探测器于2020年11月24日4∶30发射，12月1日23∶10成功落月，12月3日23∶10月面起飞，圆满完成中国首次地外天体无人自动采样及月面起飞任务。全任务周期中，流体回路热总线工作正常，实际在轨性能与预期一致，确保了着陆上升组合体各个阶段温度水平均优于指标要求。

流体回路热总线关键性能实现结果见表2，其中热总线干重15 kg，集成泵阀组件重5.5 kg。在月面110～140 ℃高温环境下，实现了设备工作过程中不超过40 ℃的温度水平，流体回路管路沿程温差最大不超过7 ℃。

表2 流体回路热总线关键性能实现结果

4.1 流体回路热总线工作特性

流体回路热总线工作特性主要包括系统工作压力、发射入轨段启动、与高温水升华器耦合和工质排放4方面，下面分别予以分析。

4.1.1 系统工作压力性能

全周期任务中流体回路热总线一直使用主份泵，转速7 020～7 080 r/min，全程未启动备份泵。流体回路压力、泵控制器电压等遥测参数均处于正常范围内。

图9为集成泵阀组件进、出口压力，以及压差变化曲线，结果表明：工作状态下泵压头77.0～89.6 kPa，满足不小于75.0 kPa的要求；落月过程中机械泵关闭，落月成功后泵重新启动，泵转速、压力与压头等遥测参数重新恢复正常。由于流体回路为闭式系统，系统工作压力会随工质平均温度的升高而升高，因此着陆上升组合体落月后流体回路工作压力出现了相应升高。

图10 发射后7 h流体回路温度变化曲线

4.1.2 发射入轨段启动性能

图10为从发射后至在轨运行约7 h水升华换热器a入口处流体回路温度的瞬态变化曲线。发射过程中流体回路热总线不工作，机械泵处于关闭状态。太阳翼展开后，主份泵启动，热总线进入正常工作模式，即除泵转速、压力与压头等遥测参数正常外，热总线温度也快速达到预期稳定范围。

4.1.3 与高温水升华器耦合工作性能

图11为月面工作段水升华换热器a、b进出口处3个流体回路温度测点(ZTMR119、ZTMR120、ZTMR121)的变化曲线，水升华换热器a、b辅助热沉启动前，3个测点几乎没有温差，辅助热沉启动后，水升华换热器进出口温度测点之间及时出现温差，表明高温水升华器辅助热沉工作正常。

图11 月面工作段流体回路温度水平

根据在轨数据，水升华换热器a高于开启阈值27 ℃时启动，工作后一直未达到关闭阈值下限25 ℃，直至a、b开环联合工作。水升华换热器a、b散热量分别为200 W@27.7 ℃与216 W@21.2 ℃，联合工作期间散热量最大398 W@25.1 ℃，平均散热功率330 W，对应水工质消耗速率约为1.24×10-4kg/s。高温水升华器辅助热沉使探测器在月面110～140 ℃环境下系统温度降低了5～10 ℃，实现了预期散热目的，文献[25]对其月面工作特性进行了详细分析。

4.1.4 工质排放性能

图12给出了上升器月面起飞前流体回路工质排放过程中的压力变化曲线，从图中可以看出：在轨压力实测数据与地面1∶1等效验证结果趋势一致，工质排放8 min后，两者之间的误差小于5%，两者排放时间均设定为15 min(在轨13 min后无下传数据，12 min后压力值已不再变化)，从而可以判断流体回路月面工质排放达到预期，同时也验证了工质排放理论分析模型与地面等效验证方法的正确性、可信性。

图12 工质排放过程中压力变化曲线

4.2 流体回路热总线轻量化技术指标对比

嫦娥五号轻量化泵驱单相流体回路热总线技术为其在世界月球无人探测领域的首次应用，与之类似且参数相近是美国火星探路者号泵驱单相流体回路[4]，二者主要性能参数对比情况见表3。从对比结果可以看出：嫦娥五号泵驱单相流体回路热总线技术在轻量化指标方面优于美国火星探路者任务。

表3 流体回路主要性能对比

5 结 论

在借鉴国内外相关航天器热控设计技术基础上，结合月面无人自动采样任务需求，在月球无人探测航天器上首次提出一种轻量化泵驱单相流体回路热总线及设计方法，通过“结构板式固定辐射器+高温水升华器”构建的组合式热沉，实现了着陆器、上升器两器整体热量、热沉的综合管理以及在轨分离重构，使得嫦娥五号探测器在月面110～140 ℃环境下，设备工作过程中最高温度低于40 ℃，有力支撑了月面无人自动采样与上升起飞任务。地面结合在轨实现结果还可得到以下结论：

1) 轻量化泵驱单相流体回路热总线干重15 kg，占热控系统重量比例在20%以下，热排散能力达到30 W/kg，轻量化指标方面优于美国火星探路者。

2) 轻量化泵驱单相流体回路热总线在轨各项性能符合设计预期，流体回路管路沿程温差小于7 ℃，在轨工作特性均在地面热平衡试验包络之内。

3) 在轨分离重构过程中工质排放压力变化曲线与地面实验结果一致，排放后半程误差小于5%，表明理论分析模型与地面实验方法正确、可信。

嫦娥五号是中国第一个使用泵驱单相流体回路技术的深空探测任务，它的成功飞行表明：轻量化泵驱单相流体回路技术能够可靠地用于深空探测任务，可使航天器设计、总装、地面试验以及在轨飞行任务具有更好的灵活性与更强的健壮性，对其他类型航天器热控设计具有一定的指导与借鉴作用。