模拟火星大气环境对典型柔性结构热防护特性的影响

尚 坤，李 猛，刘东岳

（中国航天员科研训练中心 人因工程重点实验室，北京 100094）

0 引言

当前航天员出舱活动所经历的空间环境主要为近地轨道空间环境，包括高真空、宇宙冷黑背景辐射、太阳辐射、地球反照和红外辐射等空间热环境。其中，在300 km高度的轨道上，大气压力低于10-5Pa[1]；宇宙微波背景辐射相当于温度约3 K的黑体；太阳辐射与地球红外辐射等影响则与航天器的运行轨道位置和姿态密切相关[2]。

随着未来的载人空间探索向更远的深空发展，行星、小行星等登陆活动面临更加复杂的热环境条件。作为最为重要的地外行星探测目的地之一，火星具有稀薄的大气层，表面平均气压约0.7～0.9 kPa，其中二氧化碳为最主要的成分，占95.32%。火星表面白天温度可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均温度约-57℃[1]。由于存在稀薄大气，火星表面的热传递方式更为多样化，气体对流和传导换热将会产生显著效果。尽管与月面环境相比，火星环境温度变化相对温和，但热防护问题仍需引起足够的重视[3]。

在航天任务设计中，热防护结构除了要求具有良好的隔热效果，还受到发射载荷的质量和体积约束，尤其是针对舱外航天服、充气式折叠展开结构与机构等应用，热防护结构的柔性特征显得尤为重要。柔性热防护结构通常包括多层隔热材料（multi-layer insulation, MLI）、高性能纤维类材料、橡塑类材料等[4]。本研究选用舱外手套作为柔性热防护结构的典型代表，主要出于以下3个方面的考虑：从研究需求来看，舱外手套比表面积大，热防护问题突出，在以往的出舱活动中曾出现过因为航天员手冷而提前终止出舱任务的情形[5]；从研究方法来看，舱外手套结构复杂，应采用具有通用性和适应性强的方法；从研究条件来看，选取几何尺度较小的手套结构，便于在小型试验设备中开展模拟试验。

本文将以近地轨道热环境作为参照，通过模型分析与试验方法讨论火星大气环境对舱外手套所代表的柔性热防护结构的影响。考虑到冷工况下舱外手套的热防护问题更为突出，研究主要基于2种任务背景下的极端冷工况开展。

1 模型分析

对舱外手套在近地轨道空间的高真空冷环境和火星表面的低真空冷环境工况下的漏热情况进行仿真分析。构建舱外手套的几何模型，利用热分析软件FEMAP/TMG对舱外手套的温度场进行计算，网格划分采用FEMAP，边界条件设定及求解使用TMG的 Advanced模块和Thermal模块，如参见图1。

图1 舱外手套几何结构及网格划分Fig.1 Geometry and mesh generation of the EVA glove

舱外手套各部位均为多层结构，可用热阻串并联公式计算手套各部位的当量导热系数[6]。不同几何特征的多层结构的当量导热系数计算公式如下：

式中：λ、h、r分别表示多层结构的当量导热系数、总厚度和内径；λi、hi、ri(i=1, 2)分别表示各层结构的导热系数、厚度和内径，参考文献[7-8]的测量值。表1为计算得到的舱外手套各部位的当量导热系数。

表1 舱外手套的当量导热系数分布Table 1 Distribution of equivalent thermal conductivity in the EVA glove

仿真计算结果表明：在近地轨道空间的极端冷环境中，热沉温度取3 K，手套内部加热功率为8.5 W时，可以维持手套内表面平均温度15.9℃，此时外表面平均温度为-37.2℃；在火星表面的极端冷环境中，热沉温度取150 K，当手套内部加热功率为18.1 W时，可以维持手套内表面平均温度16.0℃，此时外表面平均温度为-15.3℃。火星表面环境下舱外手套表面温度分布的仿真见图2。与近地轨道高真空环境工况相比，火星低真空环境下舱外手套的漏热量增加超过1倍，热防护能力明显下降。

图2 火星表面环境下舱外手套表面温度分布仿真Fig.2 Temperature distribution on the inner and outer surface of the EVA glove

2 试验设计

2.1 试验内容

模拟近地轨道出舱任务和火星登陆任务所面临的空间热环境，对舱外手套的热防护性能进行试验评估，主要包括：

1）热平衡试验：模拟不同任务的空间热环境，借鉴暖体假人的试验评估方法[9]，通过调节内置于舱外手套的假手的发热功率，使手套内侧（假手表面）温度维持在设定温度，直至达到热平衡。其中，满足以下条件时，判定舱外手套已达到热平衡状态：1 h内舱外手套外表面测点平均温度波动不超过±1℃；1 h内假手表面测点平均皮温的波动不超过±0.5℃。依据文献[10]，航天员手部平均皮温的舒适水平为28.9℃，正常操作工效水平的最低温度为15.6℃。

2）漏热评估试验：在热平衡试验中，对舱内除手套部位的管路和工装采取隔热措施仍无法避免试验系统境漏热。因此，结合1）中各任务工况设计对比试验，开展系统漏热的测量，在热平衡条件下实现对系统漏热的评估和对手套真实漏热的修正。

3）自然降温试验：模拟不同任务的空间热环境，通过内置于舱外手套的假手将手套内侧（假手表面）加热至平均温度达到设定温度后停止加热，观测手套内外各测点温度随时间的变化情况，评估手套本身的热防护性能。

2.2 系统设计

试验系统由空间环境模拟模块、手套内环境模拟模块、数据采集和传输模块以及舱外手套4部分组成。其中，空间环境模拟模块即真空环境模拟试验舱，用于模拟不同任务的压力、温度等外部环境；手套内环境模拟模块由暖体假手、压力控制组件、温度控制组件构成，用于模拟航天员手部发热和维持手套内工作压力环境；数据采集和传输模块由各类传感器、巡检仪、计算机等组成，实现系统温度、压力等数据的采集、传输和存储。

图3描述了试验系统的气液连接情况。

图3 试验系统气液连接示意Fig.3 The connection of gas and liquid systems

由图3可见试验系统中包含多种压力传感器：电阻规和电离规分别用于低真空和高真空环境下试验舱的真空度测量；2个压力变送器分别用于舱外手套内外压力的监测，以保证在整个试验进程中舱外手套处于正确的压力环境中；U型真空计用于准确测量不同气体在0～1 kPa范围内的压力值。

使用Pt100热电阻进行温度测量，在假手和舱外手套外表面对应位置布置温度测点，共28个，假手和手套表面各14个，分布情况如图4所示。测点布置完毕后，将假手戴入舱外手套，连接好假手与内环境模拟模块的数据和电源线后，将手套腕部与接口工装连接，密封面近似线接触。

图4 假手和舱外手套表面的温度测点分布Fig.4 Distribution of temperature sensors

2.3 主要环节的试验方案

1）空间热环境的模拟

近地轨道环境需要模拟高真空和冷黑背景。依据航天器热真空试验方法标准[11]，试验中要求真空度优于6.65×10-3Pa；以不高于100 K的热沉温度模拟空间3 K的冷黑环境效应[1]，使用液氮进行制冷。

火星大气环境模拟需构建低真空环境，在高真空环境基础上，向试验舱内通入少量氩气，建立700～900 Pa的压力环境；同样通过液氮对热沉制冷，使热沉温度维持在150 K左右，模拟火星大气环境的冷工况。使用氩气作为模拟火星大气的主要成分主要考虑到2方面因素：一方面二氧化碳气体会在液氮管路等深冷表面凝结固化，影响试验舱的压力控制，且容易造成设备和产品损伤[12-13]，而氩气具有较低的凝固点和沸点，可以避免此类现象；另一方面氩气与二氧化碳的相对分子质量（Ar和CO2分别为40和44）和热导率（标准大气压下，Ar和 CO2的热导率分别为 1.767×10-2W·m-1·K-1和 1.655×10-2W·m-1·K-1）接近[6]，且与常见气体相比，氩气的传热特性更为接近火星大气。

2）舱外手套内外环境的模拟

为真实模拟舱外手套的实际工作状态，通过内环境模拟模块实现手套工作压力和手部发热的模拟。其中，手套内部压力需要与外部环境压力相匹配，试验舱压发生变化时，动态调节内部压力使手套内外压差维持在合理的范围内。手部发热通过假手手指和手掌部位的2组电加热片实现。

3）系统漏热评估

用隔热材料在舱外手套外部进行包覆，以尽量减少测试过程中手套内部热量的外散，采用2.1节所述热平衡试验方法，以不同外部环境下假手的加热功率来评估试验系统漏热情况。在近地轨道环境试验中，使用平均单元层数超过50层的多层屏蔽隔热结构进行了包覆，结果显示包覆隔热效果较好。在火星大气环境试验中，在多层屏蔽隔热结构内部增加了平均厚度不小于1.5 cm的聚酰亚胺隔热层，以进一步增强包覆结构的绝热效果（参见图5）。

图5 用于系统漏热评估试验的绝热包覆Fig.5 Thermal insulation for system leakage heat evaluation

3 试验结果与讨论

3.1 试验概况

模拟火星大气环境热试验中，假手和手套上各测点的平均温度变化曲线如图6所示。平衡1表示假手平均温度在舒适温度附近的热平衡，此时假手测点平均温度为29.0℃，手套测点平均温度为-31.5℃；平衡2表示假手平均温度在工效允许最低温度附近的热平衡，此时假手测点平均温度为16.4℃，手套测点平均温度为-36.7℃。两个平衡状态之间有一个假手表面平均温度由舒适温度附近自然冷却至工效允许最低温度附近的无热源测试过程，用时约12 min。

图6 模拟火星大气环境试验中测点平均温度变化情况Fig.6 Mean temperatures at measuring points under simulated Martian thermal environment

3.2 平衡温度分布

图7为模拟火星大气环境试验中假手和手套平均温度达到热平衡情况下各测点的温度分布。

图7 模拟火星大气环境试验中各测点温度Fig.7 Temperatures at various measuring points in simulated Martian environment test

由图7可见，假手掌部温度相对均匀，手指部分差别较大，指根处温度较高，指尖处温度较低，拇指指根与指尖的温差最大，超过40℃。手套手掌部温度分布不均匀，指尖处温度也明显低于指根处。2种平衡状态对比，假手和手套上对应位置的温度差值中，中指指尖温差最大，超过65℃；拇指指尖温差最小，不到35℃。

导致上述温度分布现象的原因包括2方面：一方面，舱外手套不同部位的隔热设计存在差异，手套的多层隔热结构主要布置在掌腕部，手指部分的热防护相对单薄；另一方面，依据手的几何特征，可将手掌手背简化成平面，手指简化成圆柱面、指尖简化成半球面，由传热分析可知，隔热效率最高的为平面，其次为圆柱面，最低为球面[6]。此外，本次试验中假手除拇指外，其余手指均未能与手套指尖直接接触，存在一定的脱指量，假手指尖与手套指尖之间的空气层起到了一定的隔热作用，因此，拇指指尖相对其他手指表现出明显的热防护不足。

为进一步对比火星大气和近地轨道2类热试验环境下假手手部和舱外手套平衡温度分布的均匀性，将2种环境工况下手部和手套各温度测点的标准差整理至表2。

表2 手部和手套测点平衡温度标准差Table 2 Standard deviation of balance temperatures at hand and glove measurement points

可以发现：2种环境工况试验中手部标准差接近，说明通过假手热源控制使得温度分布均匀性受外部环境影响小；其中模拟火星大气环境热试验的手套标准差较小，说明在该试验环境中手套表面各测点温度偏差小，温度分布均匀性好。这在一定程度上说明，低真空环境下对流换热的存在使舱外手套各测点的温度趋于均匀化。

3.3 漏热功率分析

将模拟近地轨道环境和模拟火星大气环境下热平衡试验测试结果汇总于表3。其中，ΔT1为未采取包覆措施的情况下，热平衡状态手套测点和假手测点的平均温度的差值，相对应的假手加热功率为总加热功率Q；ΔT2为采取包覆措施的情况下，热平衡状态手套测点和假手测点的平均温度的差值，相对应的假手加热功率为系统名义漏热功率q。将差值(Q-q)定义为手套漏热下限值。

表3 热平衡试验结果汇总Table 3 Summary of the heat balance test results

表3数据表明，系统漏热评估试验中，尽管对舱外手套外部进行了隔热包覆，手套内外仍有大约15℃（对应近地轨道）或23℃（对应火星表面）的温差，说明测得的名义漏热功率q既包含了真实系统漏热q系统，也包含了少量通过手套和隔热包覆材料散出的热量。因此，手套真实漏热量介于手套漏热下限值与总加热功率之间。

为进一步估计舱外手套漏热量，假定手套在包覆隔热材料前后的总热阻R和真实系统漏热q系统保持不变，可以通过联立方程组

进行求解，得到手套漏热q手套=ΔT1/R。

表4给出了2种环境工况下手套漏热的试验和计算结果，可以发现：目标平衡温度为15.6℃时，计算结果偏大，尤其是火星表面工况的结果差距较大。计算误差可能来源于：手套接口热边界的简化、材料导热系数的取值偏大，以及计算中忽略了手套外表面稀薄气体的自然对流效应。

表4 不同环境工况下手套漏热对比Table 4 Comparison of glove heat leakage under different conditions

3.4 自然降温特性

表5给出了模拟火星大气和近地轨道2种环境工况下假手和手套各部位的平均温度变化速率。

表5 2 种试验工况平均温度变化速率对比Table 5 Comparison of average temperature variation rates under two test conditions(℃·h-1)

可以看出，在火星低真空热环境中，假手和舱外手套的温度变化非常快，即使在热沉温度（150 K左右）高于近地轨道环境热试验热沉温度（100 K以下）的情况下，降温速率依然相对更大，这也说明了火星大气环境下对热防护的要求更为严苛。

4 结论与展望

本文针对典型柔性热防护结构——舱外航天服手套，构建了其在近地空间和火星表面大气环境冷工况下的漏热分析模型，进行了手套漏热功率的分析，并探索性地开展了模拟火星大气环境下舱外手套的热防护试验研究。分析和试验结果显示，在模拟火星大气环境下，舱外手套热防护能力明显降低，漏热量超过10 W，指尖等局部热防护不足现象显著。

为适应火星大气环境下的出舱探测任务，需要重新开展柔性结构的热防护设计。当前的MLI在火星大气环境中热防护性能下降明显，需研制新型隔热材料和探索不同材料的复合运用方法；同时，应加强主动热防护措施，在能源和空间有限的条件下，实现热功率自适应和温度均匀性调节。

本文的研究：在模型方面，对稀薄气体传热进行了简化处理，利用当量导热系数描述柔性多层热防护结构的传热特性，忽略了外部环境中低重力条件下的自然对流特征；在试验方面，为简化操作对外部复杂空间环境因素的模拟中只选取了与热防护研究相关性最强的部分。后期可针对火星风暴、星尘、低重力等实际环境特征开展模拟和试验。