月面着陆器遮阳伞辅助热控方法散热性能分析

邹天琦，陈江平2,赵 亮2,王 帅,谢 鸣

(1.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

月面着陆器是月球探测任务中的重要组成部分，在月表的复杂热环境下执行探测任务，要求内部电子设备的工作温度不超过某特定温度，以确保设备的正常工作[1]，要求载人月球车必须具有自适应能力强的散热系统[2-3]，它是影响月球车整体性能、安全可靠的关键因素，对我国实现月球探测具有深远的意义[4-5]。自上世纪末，美国NASA在詹姆斯·韦伯太空红外观测望远镜中采用遮阳板作为辅助温控系统以来，美、俄等国家在空间飞行器上多次采用遮阳伞作为辅助热控装置抑制太阳对局部设备的辐照加热，但对于设备整体以及同时考虑太阳辐照加热抑制与空间辐射散热功能的遮阳伞温控装置缺乏研究。热控系统是月面着陆器的主要系统[6]，由于月面热环境温度变化明显，表面极限温度可达到400 K以上，此时月面着陆器散热面只能位于其顶面，但受太阳照射影响，散热能力受限，严重抑制了着陆器的整体性能。本文结合月面着陆器热环境以及太阳光辐照加热的特点，以提高月面着陆器散热能力为目标，提出一种用于月面着陆器遮阳伞辅助热控的方法，通过遮阳伞抑制太阳直射辐照加热的同时，着陆器上部散热面仍具备向空间散热的能力，保证元器件正常工作和宇航员的正常生活环境，从而增强航天器月面探测能力和驻留能力，增加月面着陆器的可靠性和安全性。采用该方法并与月面着陆器热控分析模型相结合，以阿波罗登月着陆器为对象，分析了无遮阳伞、固定型遮阳伞以及调节型遮阳伞这三类应用于月面着陆器的辅助热控装置的散热性能，获得了不同情况下月面着陆器散热能力随太阳高度角的变化关系。

1 数理模型及计算方法

月面着陆器遮阳伞辅助热控原理如图1所示。采用遮阳伞可以遮挡直射的太阳光，同时增大伞离开散热面距离，降低伞对散热面的立体角，从而减弱散热面朝向深冷空间排散热量的影响，在抑制太阳直射辐照加热的同时保障了月面着陆器的散热能力。其中月球表面吸收的热量主要为来自太阳的辐射，来自其它天体和天空的背景辐射可忽略，因此其接收到的热流密度为[7-8]

qma=am1Csinθ

(1)

式中qma——月球表面吸收到的热辐射热流；

am1——月球表面对太阳辐射的吸收率；

C——太阳常数；

θ——太阳高度角。

与月球表面接收到的太阳辐射热流密度相比，月球表面接受到的地球辐射热流密度和月壤导热热流密度可以忽略，则月球表面的辐射平衡温度Tm为[9-10]

(2)

式中εm——月球表面的发射率；

σ——黑体辐射常数。

当月面着陆器上部无遮阳伞时，着陆器表面热流密度为[11]

岸上的男子跳上船，船猛地向下一沉，摆渡人晃了晃，扶着船沿才没有摔倒。男子笑呵呵地问：“你叫什么名字？”他摇着桨，沉吟道：“谁谓河广？一苇杭之。”男子把耳朵凑过来，疑惑地问：“你说什么？”他淡淡一笑，重复道：“谁谓河广？一苇杭之。”男子说：“我问你叫什么名字。”他还是道：“谁谓河广，一苇杭之。”男子摇摇头，低声自言自语：“是装傻还是真疯？”男子又问：“你从哪里来？”他说：“远方。”男子不解，“远方是哪里？”他说：“远方就是远方。”

(3)

式中α2——着陆器表面涂层的吸收率；

ε2——着陆器表面涂层的发射率；

T2——着陆器表面的温度；

Ttk——太空当量辐照温度；

Q——着陆器需排散的热量。

当月面着陆器上部有遮阳伞时，其散热能力依据遮阳伞是否依据太阳高度角变化而不同，将太阳辐射热流视为均匀热流，遮阳伞表面视为均匀壁温[12]，当遮阳伞不可调节时，遮阳伞表面热流密度可表示为

(4)

(5)

当月面着陆器上部遮阳伞可调节时，遮阳伞表面热流密度可表示为

(6)

着陆器表面热流密度可表示为

(7)

式中ε11——遮阳伞上表面的发射率；

T1——遮阳伞上表面的温度；

ε12——遮阳伞下表面的发射率；

α12——遮阳伞下表面的吸收率；

x21——遮阳伞角系数；

εm——月球表面发射率；

ρm——月球表面反射率；

α11——遮阳伞上表面的吸收率；

β——遮阳因子。

为了比较散热能力变化，定义散热能力提高比为[13-14]

(8)

2 计算结果及分析

考虑到阿波罗登月着陆点选择在赤道附近纬度不大于30°的范围内，我国开展载人登月也会将登月着陆点首选在此区域，因此以阿波罗登月着陆器为例对无遮阳伞、固定型遮阳伞以及调节型遮阳伞这三类应用于月面着陆器的辅助热控装置的散热性能进行分析。

由于月球的自转，表面辐射平衡温度随时间周期性变化，周期为一个月球日。月球表面不同纬度地区的辐射平衡温度在一个月球日中的变化如图2所示[8]，可见在纬度不大于30°的范围内辐射平衡温度差别较小。以月球赤道处载人月面着陆器需排散1 500 W的热量(阿波罗着陆器的散热能力水平)为例进行分析。

图3显示出了遮阳伞表面温度随太阳高度角的变化，可看出可调节式遮阳伞的表面温度略微高于伞柄不可调节式遮阳伞的表面温度；图4显示出了散热能力随太阳高度角的变化关系，遮阳伞伞柄不可调节时，随太阳高度角增大，散热能力逐渐升高，最终和遮阳伞伞柄可调节时的散热能力相当,携带有可调节式遮阳伞的辐射器的散热能力明显优于携带有伞柄不可调节式遮阳伞的辐射器及无遮阳伞的辐射器的散热能力；图5显示出了散热能力提高比随太阳高度角的变化关系，当遮阳伞伞柄不可调节时，散热能力在太阳高度角较大时才逐渐提高，当遮阳伞伞柄可调节时，散热能力提高比随太阳高度角的增加而增大，并且散热能力提高比明显大于遮阳伞伞柄不可调节时的散热能力提高比。

无遮阳的散热量小于所需排散的热量；有遮阳伞时，当遮阳伞伞柄不可调节时，散热量随太阳高度角变化较大，当太阳高度角较大时，散热功率高于额定功率，满足要求，当太阳高度角较小时，散热功率低于额定功率，无法满足要求；当遮阳伞伞柄可调节时，遮阳伞散热功率大于所需额定功率，且散热功率随太阳高度角的变化而基本不变，为了使散热量与需排散的热量相等，可在设计的过程中减少辐射散热器的面积，辐射器的散热量与载人月面着陆器需排散的热量近似相等，不需要增加水升华器或可展开式辐射器。

3 结 论

结合月面着陆器热环境以及太阳光辐照加热的特点，以提高月面着陆器散热能力为目标，提出一种用于月面着陆器遮阳伞辅助热控的方法，通过遮阳伞抑制太阳直射辐照加热的同时，着陆器上部散热面仍具备向空间散热的能力，保证元器件正常工作和宇航员的正常生活环境，从而增强航天器月面探测能力和驻留能力，增加月面着陆器的可靠性和安全性。采用该方法并与月面着陆器热控分析模型相结合，以阿波罗登月着陆器为对象，分析了无遮阳伞、固定型遮阳伞以及调节型遮阳伞这三类应用于月面着陆器的辅助热控装置的散热性能，研究结果显示有、无遮阳伞辅助热控装置，散热性能相差300%，并且可调节型遮阳伞辅助热控装置可满足月面着陆器整个任务周期内的散热性能要求。