“罗塞塔”彗星探测器热控系统分析

吕建伟　刘欣　杨勇（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

“罗塞塔”彗星探测器热控系统分析

吕建伟刘欣杨勇（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

“罗塞塔”彗星探测计划开始于1993年，是欧洲航天局（ESA）地平线-2000-奠基石（Horizon 2000 cornerstone）计划下的探测任务。“罗塞塔”探测器于2004年3月2日由阿里安-5运载火箭从法属圭亚那库鲁发射场发射升空。在飞行了7.1×109km之后，于2014年进入“楚留莫夫-格拉西门克”(Churyumov- Gerasimenko)彗星轨道。2014年11月13日00︰05，“罗塞塔”探测器释放的“菲莱”着陆器成功登陆彗星。目前，各项科学探测工作正在开展中。这是人类有航天史以来探测器首次在彗星上软着陆，对研究彗星的起源、彗星和星际物质的关系及太阳系起源具有重要意义。

“罗塞塔”彗星探测器具有飞行跨度远、空间飞行时间长、任务形式复杂多样的特点，通过对“罗塞塔”彗星探测器热控系统进行分析，可为未来深空探测航天器先进热控设计的研究提供了一种可供借鉴的技术路线。

整装待发的“罗塞塔”探测器

1　“罗塞塔”彗星探测器简介

“罗塞塔”探测器包括轨道器和着陆器两部分，总质量约3t，其中轨道器总质量2900kg，干质量1230kg；着陆器总质量100kg，干质量27kg。“罗塞塔”探测器将近一半的质量都是携带的推进剂，其主体是一个2.8m×2.1m×2.0m的结构体。

探测器两侧装有一对长14m的太阳电池翼，每个太阳电池翼有32m2的受光面积，可提供850W功率。为了实现高精度的姿态控制，除1台主发动机之外，“罗塞塔”探测器上还安装了24台小型姿控发动机，每台可以提供约10N的推力。它还安装有直径2.2m的X频段高增益通信天线和S频段低增益天线。“罗塞塔”探测器上一共搭载了11台用于各方面科学研究的设备。

在“罗塞塔”探测器飞往彗星的任务轨迹图中，横轴代表“罗塞塔”探测器在空间飞行过程中的任务天数，纵轴代表距离，分别以太阳、地球和火星为参照，给出了“罗塞塔”探测器任务天数与参照物的距离关系。图中的任务轨迹表明，由于目前的火箭运载能力有限，“罗塞塔”探测器需要多次借力，把“罗塞塔”与彗星相会点选在了彗星距离太阳6.72×108km的轨道最远处，这一相会处距离地球5×108km。之后，“罗塞塔”在这一高度的轨道上围绕彗星运转，与彗星共同度过17个月。双方在此期间不断向太阳靠近，直至彗星到达距离太阳最近轨道处时，它的探测寿命也随即终结。

“罗塞塔”探测器飞往彗星的任务轨迹

2　“罗塞塔”探测器热控系统设计分析

在传统航天器热设计的过程中，首先开展了轨道周期的极端高温工况分析，以确定保持设备在最高限制温度下辐射器排散的峰值热量；其次开展了轨道周期的极端低温工况分析，以确定保持设备最低允许温度的加热功率需求。

“罗塞塔”探测器的任务要求与一般的航天器运行不同，它的特点是：执行任务需经历10年以上长期追赶彗星的飞行，在任务期间，与太阳距离跨度大，从0.9AU～5.25AU，冷热环境变化很大，任务形式复杂，设备工作模式多样。该探测器所有设备温度必须满足其工作或存储温度范围要求，这给热控系统设计带来了巨大的挑战。

热控工况分析

为满足“罗塞塔”探测器较强空间环境适应能力的要求，针对整个任务阶段热包络内的典型工况开展了热分析，最后根据热分析的情况，提出了适合“罗塞塔”探测器任务需求的热控方案。

（1）近彗星模式（高温工况）

“罗塞塔”探测器近彗星模式处于整个任务的最后阶段。探测器进入绕彗星轨道后在以下3个因素作用下，形成了任务期内极端高温的工况：①全部有效的科学载荷、平台的电子设备等启动运行工作，热耗增加；②在空间粒子、辐射等环境的作用下，辐射器表面的热辐射特性发生退化，导致热排散能力减小；③近彗星模式为“罗塞塔”探测器运行到近日点1.4AU～1.0AU之间，太阳外热流影响显著。

（2）远日点休眠模式（低温工况）

当“罗塞塔”探测器远离太阳4.5AU时，太阳电池无法获得足够的能量，从而进入深空休眠模式。在该模式下，除了运行必要的设备外，其他全部关闭，以减小自身能量消耗。在彗星绕日轨道的远日点，“罗塞塔”探测器与太阳的距离为5.25AU，此时到达探测器的太阳热流仅为距离1AU时的3.7%。“罗塞塔”探测器在远日点休眠工况下，为了确保仪器设备的最低温度要求，热控系统的主动加热所占功耗达到整个任务周期内最大值。

（3）飞行器唤醒模式（低温工况）

当“罗塞塔”探测器距离太阳4.6AU时，为了确保探测器上的设备从休眠状态到全部运行，需经历一段飞行器唤醒阶段的过渡期，即退出休眠模式。该阶段在准备退出休眠模式之前，部分加热器开始启动，使得探测器上的设备达到运行的最低温度要求。

（4）有效载荷初始运行模式（载荷低温运行工况）

当“罗塞塔”探测器距离太阳3.25AU时，达到彗星探测的目标区域，全部科学设备、平台的电子设备等开始运行。该阶段是有效载荷运行的低温工况，有效载荷处于最低允许工作的温度水平运行。

热控方案设计

根据上述热控工况分析情况，“罗塞塔”探测器的热控方案采用了主动热控措施和被动热控措施相结合的方案。由于探测器采用太阳电池为其提供电能，在低温工况下，受电能的限制，探测器进入休眠模式，降低消耗，同时采取多层隔热等措施尽量减少探测器系统的漏热，确保热控系统在远日点与供电能系统协调一致；在低温工况启动阶段，采用主动电加热的方式，确保设备达到最低允许温度；在高温工况下，采用可调节的百叶窗改变发射率，将舱内热量进行排散。此外，还采用热控涂层、高导热率扩热板、自动调温器、界面填充导热材料、热控胶带、粘合剂、低热导捆扎带等热控措施。

3　“罗塞塔”探测器热控关键技术分析

“罗塞塔”探测器的热控系统复杂，由多项主动热控措施和被动热控措施相互结合而组成。其中，对我们具有较大启发且关键的热控技术包括高性能多层隔热技术、可调百叶窗散热技术、主动电热调温技术。

“罗塞塔”探测器的热控方案

“罗塞塔”探测器多层隔热技术

高性能多层隔热技术

为了确保“罗塞塔”探测器在休眠阶段的最小漏热，基于传统的多层隔热技术，进行了创新改进，设计出高性能的多层隔热组件。在该探测器的外部，由分开的两组10层多层隔热材料包覆。

（1）外10层隔热材料

最外部的多层隔热材料是厚度33μm的镀碳聚酰亚胺膜；中间靠上的5层核心层是10μm的双面镀铝（VDA）聚酰亚胺薄膜，中间由2层涤纶编织网进行间隔，由芳纶线缝合；中间靠下的5层核心层是8μm聚脂薄膜，中间由单层涤纶编织网进行间隔，由芳纶线缝合；最底的核心层是33μm的双面镀铝（VDA）聚酰亚胺薄膜。

（2）内10层隔热材料

最上面的核心层是33μm的双面镀铝（VDA）聚酰亚胺薄膜；中间的9层核心层是8μm聚脂薄膜，中间由单层涤纶编织网进行间隔，由芳纶线缝合；最底的核心层是33μm的双面镀铝（VDA）聚酰亚胺薄膜。

通过以上多层隔热设计，可以满足“罗塞塔”探测器在深空休眠期间漏热最小化的需求。

可调百叶窗散热技术

可调百叶窗能为不同工况条件下的“罗塞塔”探测器提供散热。它通过调节覆盖在散热基面的可转叶片的角度来控制基面对外辐射的强度，达到控制航天器表面对外散热的效果。通过检测散热基板的温度对低发射率的叶片进行相应调整来控制基面对外散热量从而控制温度。随着散热基面的温度上升，驱动器收到信号感应并发生收缩，向均匀覆盖在散热基面上的低发射率叶片加载一个转矩，以增大可转叶片的旋转角度。当叶片向开启方向转动，辐射系统的当量发射率增大，从而使更多热量能够向外辐射；当温度降低时，将叶片转向闭合方向减小当量发射率，从而减少热量的向外辐射。因此，通过控制百叶窗的开度，可以达到控制内部设备温度的效果。

在“罗塞塔”探测器的±Y面上，设置了14块百叶窗，总散热面积为2.38m2。每块百叶窗设计有8对尺寸为5cm宽，18cm长的抛光铝叶栅。

根据热控系统的优化设计结果，“罗塞塔”探测器的百叶窗分为三类，每一类百叶窗具有各自的设置温度，分别为-9℃+5℃，-6℃+8℃，+1℃+15℃。在机构作用下，每一类百叶窗可实现14℃温度范围的叶片开度调节，可提供0.14～0.74的有效发射率范围，满足“罗塞塔”探测器的热控需求。

主动电热调温技术

为了保持“罗塞塔”在休眠期的设备最低温度，采用了主动电热调温技术，在休眠和唤醒等阶段，监控探测器内全部设备的温度状态，通过自动调温器驱动加热设备，使探测器的有效载荷、电子设备保持温度在允许的范围内。该系统主要由电加热器、自动调温器、温度敏感元件等组件组成。

“罗塞塔”在空间模拟器中的布置示意图

“罗塞塔”热平衡热控星吊装现场

热平衡试验状态中的热控星

4　“罗塞塔”探测器热控系统试验分析

“罗塞塔”探测器发射进入太空后，长期处于高真空、超低温背景和太阳外热流辐照等复杂空间环境下。为了验证热设计的正确性，保证探测器的长期可靠工作，在研制过程中先后开展了充分的热控星热平衡试验以及飞行星热平衡试验。

“罗塞塔”热控星热平衡试验

“罗塞塔”探测器的热平衡试验于2000年3月在荷兰的欧洲航天技术中心（ESTEC）空间模拟器中实施。“罗塞塔”热控星热平衡试验是验证系统热设计正确性、考核热控分系统能力的重要手段，试验中部分设备采用模拟设备代替。在14个百叶窗中，1个采用鉴定件，其余13个采用模拟件，多层隔热材料完全采用真实产品。模拟设备具体包括太阳电池、天线、着陆器。开展热试验的真空罐直径10m、高15m，可为全尺寸空间飞行器模拟空间环境。在整个试验中，包括了两个高温工况和两个低温工况。

“罗塞塔”飞行星热平衡试验

“罗塞塔”飞行星热平衡试验条件要求针对真实状态下的探测器及任务进行设计，目的是进一步验证“罗塞塔”整器的热设计以及热控传感器系统、主动热控组件单元等。与“罗塞塔”热控星不同，飞行星不再采用设备的模拟件代替真实件。

热平衡试验状态中的飞行星

5　结论

未来，我国在深空探测方面也会结合自身国情制定规划和需求。“罗塞塔”探测器作为人类首个到达彗星并释放着陆器的航天器，其热控设计具有一定的代表性，因此，对我国深空探测领域的预研和在研工作具有一定的启示作用。

1）对于执行深空探测的航天器而言，其热控系统设计是否合理、工作是否有效至关重要。

“罗塞塔”探测器到达彗星标志人类深空探测领域进入到一个新的阶段，而这次任务的成功也充分体现了热控系统的重要保障作用。结合我国自身深空探测的需求，从项目论证与预研阶段起，就应高度重视深空探测任务中航天器的热控设计工作。

2）基于传统的热控手段并结合深空探测航天器的热控应用，对多层隔热技术进行了创新改进，既减小了研制的风险，又提高了可靠性。

“罗塞塔”探测器依靠太阳电池提供能源，在远日点面临的主要问题是能源不足，无法为热控系统提供维持探测器设备最低温度要求的加热功耗。通过设计改进的高性能多层隔热组件，实现了“罗塞塔”探测器在长期深空休眠中最大程度的减小漏热，保障了探测器最后成功地唤醒。

3）在深空探测器的研制过程中，应该高度重视充分的试验验证对确保项目成功的重要性。

对于“罗塞塔”这类首次追踪、登陆彗星探测的全新飞行器而言，超长期任务要求其热控系统具有极高的可靠性。“罗塞塔”探测器进行了充分的热控星、飞行星两个阶段热试验，验证、考核了首发空间飞行器热设计的合理性，为其10年的正常运行提供了有力的保障。

Analysis of Rosetta Thermal Control System