“新视野”探测器的热控系统分析与启示

余群 （中国运载火箭技术研究院研发中心）



“新视野”探测器的热控系统分析与启示

余群 （中国运载火箭技术研究院研发中心）

为了满足探测任务要求，“新视野”（New Horizon）探测器首次采用了双层“保温瓶”式热控设计，改进了防寒能力，以适应冥王星和柯伊伯带极度寒冷环境。此外，外太阳系的深空环境无法利用太阳电池帆板来提供电能，飞船上安装了一套由美国能源部提供的放射性同位素热电发生器（RTG）来提供电能，其余热可实现设备的加热控温。放射性同位素热源主动热控为主，多层隔热组件等被动热控为辅的热控设计有效保障了“新视野”探测器各设备温度水平。

1 “新视野”探测器简介

“新视野”探测器是美国航空航天局（NASA）“新疆域计划”的第一次中级别太空探测任务， 2006年1月19日发射升空，飞向冥王星。

“新视野”采用箱式结构，宽度约2.5m，加装燃料之后总质量达到465kg，安装了16个小推力肼燃料火箭推进器，加装了77kg的肼燃料，用于飞行途中的定向、轨道修正和飞越冥王星后改变航向，继续飞往柯伊伯带天体。

“新视野”共携带了7台质量为30kg的科学仪器。其中光学设备有3台，分别是：远程勘测成像仪（LORRI）、可见-红外成像光谱仪（Ralph）、紫外成像光谱仪（Alice），分别拍摄可见光、红外和紫外图片。另外4台仪器分别是：太阳风测量仪（SWAP）、无线电科学实验仪（REX）、能量粒子谱仪（PEPSSI）、学生尘埃计数器（SDC），分别用于测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。

2 “新视野”热控系统分析

“新视野”热设计

“新视野”探测器的热设计主要包括放射性同位素热电发生器、多层隔热组件及设备/结构采光孔的自然漏热。该探测器热控设计采用“保温瓶”方式来平衡内部耗能和自然产生的漏热。探测器主体用热包覆材料包裹，以防止整个系统中的最大热量损失。另外，此探测器的热控设计还综合考虑了火箭发动机组件（REA）及热包覆层的漏热损失。

当温度超过25℃时，该热设计可回收放射性同位素热电发生器产生的余热，且打开热百叶窗以排散热耗。未经内部探测器总线耗散的功率将通过两块外部并联板耗散。推进系统元件受探测器总线热约束，通过与结构之间的热连接可保持在适宜温度。

由于“新视野”的设计特点，因此需要开展加热器控制。这些需求包括扩展的任务周期、漫长的单程光时、有限的可用功率以及不同的任务形态。扩展的任务周期需采取冗余设计，摒弃机械开关的使用。4.5光时飞行里，探测器上的能量管理与地面阶段能量管理截然相反，整个任务分成科学数据采集、标称接地期以及休眠模式。不同的工作模式，功率需求不同。比如：在巡航阶段，不需要和地面保持联系，且此时只有少量元器件耗能。这一阶段，关键是加热器控制的简洁化。在科学采集阶段，关键是保持加热系统不自动关闭。超载时，功率分配单元（PDU）将会检测到一个较低电压，使飞行器处于低电压感应（LVS）状态，该状态的直接反应即是关闭放射性同位素热电发生器（RTG）上所有非临界电力负载。

“保温瓶”设计允许加热系统从温度控制方式变换为电平管理。“新视野”上设计了加热系统，目的是为了维持内部功率耗散不变。当外部环境一定时，热包络内的功率耗散和包络内的温度存在直接关系。当接近上载目标时，通过调整开关控制专用的冗余链路（2.5W、5W、10W、20W及3个30W加热器），加热系统控制软件可维持总线功耗水平。这些加热器为低温工况下的驱动元件，位于构成火箭发动机组件的火箭发动机模块（REMs）周围。加热器回路由串并联加热器组合组成，因此，任何一个加热器（开或关）失效都不会改变回路的耗散。探测器上没有温度控制型加热器。当测量团队需要且功率和热量允许的情况下，也可使用净化加热器。当两跟踪器同时关闭时，需启动包含其余加热器的星体跟踪器组件。

依据探测器总线使用的功率来设定内部热耗散值。然而，有一些子系统的电功率耗散是在热包络外的。这些组件包括推进系统的推力器及催化剂床，行波管放大器（TWTAs）和星体跟踪器组件。这些元件的一些功率耗散排出舱外，因此总线上的有效功率偏低。

“新视野”探测器热设计特征

每一个推进系统的推力器都有一个2W的催化剂床层加热器。使用该加热器可使催化剂床在推力器使用之间保持在125℃以上。推进系统模拟漏热情况，发现50%的功率被探测器吸收，另外50%在舱外反射掉。因此，其有效功率为1W。

行波管放大器传递时的耗能大约为30W，其中约12W以无线电频率能量的形式发射出去，其余的18W以热量的形式耗散到探测器内部。因此，行波管放大器的有效热耗即为耗散到探测器内的18W热量。

最后一个电和热耗散不同的产品就是星体跟踪器组件。星体跟踪器运行温度比探测器总线内温度低，因此其和探测器隔热安装。该组件具有一个外部辐射器来排散跟踪器的耗能。只有当跟踪器不运行时才启动其余的加热器。因此，星体跟踪器组件不往总线中注入热量，所以工况下其热贡献为0W。

探测器+Z和-Z方向存在两个外部分流板，用来耗散放射性同位素热电发生器产生的不用的电功率。两分流板一共带有16路加热回路，每一回路可耗散18W功率。第一和第二回路分开，在两分流板上都有加热元件。当只有少量的功率被分流时，该布置可维持每块板上都有少量的热功率。分流板上的加热器通过分路调节器单元（SRU）自主选择。

依据这些分流器是否被用作附加热源，分路调节器单元支持操纵装置选择分流器。这些操纵装置是由地面控制的，仅当任务中有效探测器功率减少且仅使用专用非分流加热器热控制软件无法维持舱内热环境时使用。

“新视野”热控方法

使用系统内的功率耗散，“新视野”探测器热控系统可维持探测器的总体温度。该设计概念和大多数探测器的设计概念一样。但“新视野”设计上的不同是放射性同位素热电发生器产生的有限功率要求加热器功耗最小化。系统温度随着功率增加，且表现出基于功率源位置的局部变化。探测器在进行热设计时，把较大耗散分配在电子器件周围，以使功率最终达到平衡。热设计中的重点关注项目就是推进系统，其限定工作温度在5～50℃之间。因考虑到推力器阀的温降，探测器总体温度的设计下限为20℃。

多层隔热组件的自然泄漏是该系统的最大漏热。在设计过程中，该漏热和系统总功率之间存在一个大的不确定关系。考虑到多层隔热组件漏热的不确定性，只有少许额外的漏热被用来支撑和保持系统温度仍在要求范围。由于当温度较高时，百叶窗动作可提供一个较大的有效散热面积，热端温度较小。放射性同位素热电发生器整个寿命周期内的预测功率约为191W。考虑包含舱外功率损失和要求的瞬态储存功率，有用功率约为135W。

“新视野”热控验证

通过热真空平衡试验可验证热控系统的正确操作。试验验证了探测器的最小功率需求低于可用值，且热控软件通过开关调节负载可维持一个恒定的功率水平。

试验测试结果表明120W可让探测器维持在接近室温，最小功率需求是107W。当催化剂床层加热器和行波管放大器打开或关闭时，热控软件对热耗散进行控制。12h周期内，耗散目标值保持恒定（120W）。瞬时平均值为探测器的平均内部耗散，由热控软件控制，每隔1s计算1次。总载荷为探测器产生的电功率。整个周期内的平均热耗控制在117.1W。

测试过程中，探测器中的多个组件都按真实飞行过程中的开关模式切换。热控软件计算探测器热耗散，且和预测值相比较。根据比较结果，可通过调节加热器面板开关，以采用不同的加热器系统补偿。

最后，通过比较加热器功率面板和加热器当前读出，比较了该系统中使用的实际值和热控软件要求的加热器功率。加热器面板上功率和加热器当前读出非常接近。

软件控制和加热器工作曲线（竖线表示此处存在数据丢失）

探测器热真空试验验证了该探测器的热设计、热控制软件以及专用加热器释放需求功率的能力。

3 “新视野”热控关键技术

“新视野”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，其中的关键热控措施主要包括：多层隔热组件、自动化加热系统、放射性同位素热电发生器。

多层隔热组件

为了避免热量流失，“新视野”采用了类似保温瓶的热设计。探测器表面包覆着轻质金色的多层隔热材料，可用于留住工作中电子设备产生的热量以保持探测器温度适宜。电子设备产生的热量可使整个任务周期内，探测器都在10～30℃之间运行。

探测器外表面包裹着18层多层隔热材料组成。多层隔热组件由镀铝聚酯薄膜和聚酰亚胺薄膜组成，两薄膜之间以涤纶网状布填充，除了温度控制应用外，还可以保护探测器免受微碎片的撞击。

自动化加热系统

“新视野”复杂精密自动化加热系统可监测探测器内部的功率水平，以保证电子元件有足够的功率运行以保持安全温度。当比运行功率（约150W）低时，将触发探测器周围的小的加热器用以补足这些不足。当探测器接近地球和太阳，内部温度过高时，百叶窗将开启。

放射性同位素热电发生器

由于冥王星和柯伊伯带远离太阳，太阳辐射强度只是地球上的0.1%，太阳光要经过4个多小时长途跋涉才能来到冥王星。“新视野”所需的电力无法通过太阳能电池发电提供。为此，“新视野”探测器携带了一台放射性同位素温差发电机。

核能发电机位于“新视野”的尾部，内装10.9kg二氧化钚，其中的钚-238衰变时会释放出热量，通过温差发电提供稳定的电力。所有的探测设备都将依赖这台核能发电机供电，其产生的电力相当于一对100W灯泡。

核能发电机所用的燃料被封装在特制的球形防火陶瓷中，这种陶瓷有抗分解能力，不易与其他物质发生化学反应，而且外面的密封箱完全能经受住坠地撞击或空中爆炸的冲击。

放射性同位素热电发生器剖面示意图

4 启示

热控系统设计，保成功

卓越的热控系统设计是确保“新视野”探测器历时9年多的长期飞行后，任务仍然成功的关键，我们应该吸取其成功的热控系统设计经验。“新视野”探测器成功在距离冥王星1.25×104km的地方飞过，这个距离仅相当于地球与月球之间距离的1/30，这标志着人类初步完成了太阳系范围的标识工作。在这次任务中热控系统发挥了重要的保障作用。我们应加强先进热控设计方法的研究，积极谋划相关热控技术研究项目，预先开展关键技术攻关，为未来的领域拓展打下坚实基础。

主被动热控措施结合，是手段

多层隔热组件、自动化加热系统、放射性同位素热电发生器等先进主被动热控措施是实现“新视野”探测器长期深空运行的基本热控手段。“新视野”探测器使用放射性同位素热电发生器（RTG）产生的余热来保证舱内温度，且外部多层隔热组件具有足够的热阻，仅用内部电子元件耗散的热量就可维持探测器内部温度在5℃以上。当舱内温度超过25℃时，热百叶窗启动，可抑制在这一时刻（即内部耗散达到其最大设计水平）内部温度变得太高。我们应该进一步跟踪这些技术发展和设计思路，尽快开展高性能、高可靠热控技术研究，为我国航天深空探测领域提供相关技术储备。

热试验把关，提质量

在满足任务需求的情况下，尽量选用成熟的热控产品，加上严格的热试验把关，以保证“新视野”探测器质量、提升任务可靠性。“新视野”探测器热控系统的长期任务要求其具有极高的可靠性，因此，多层隔热组件、放射性同位素热电发生器等关键热控措施遵循首选成熟产品的原则。同时，对于“新视野”这类全新飞行器而言，要严格开展真空热平衡试验，验证、考核首发空间飞行器热设计、热控制软件以及专用加热器释放需求功率的能力及正确性。上述措施保证了探测器的整体质量，也提升了在任务执行过程中的可靠性。

Analysis and Revelation of Thermal Control System of New Horizons Rover