“高分四号”卫星相机在轨温度分析及热设计优化

随着空间相机分辨率日益提升,对光机主体等核心部组件的温度稳定性和均匀性要求也越来越高,地球静止轨道（GEO）空间外热流复杂且恶劣,实现相机高精度热设计挑战极大。针对"高分四号"卫星相机热设计的难点和特点,基于结构热控一体化的设计理念,采取了入光口热流屏蔽、间接辐射控温、散热面耦合等热控技术,实现了相机高精度控温;分析了相机入轨4年的温度数据及符合情况,验证了相机热设计的正确性,并根据在轨运行情况提出了热设计优化建议,为进一步提升地球静止轨道相机控温精度、降低热控资源提供支撑。      

月面载荷被动热控技术

由于月面温度环境变化幅度较大,月面载荷需要通过被动热控装置有效控制其与外部环境的换热量,使其本体温度维持在工作或储存温度范围内。文章分析了月面载荷与外部空间环境换热方式;论述了低当量发射率多层隔热组件设计与结构组成;讨论了月面载荷最外表面辐射屏ε和α_s特殊设计及对其表面辐射平衡温度影响;指出利用月壤恒温层及其特性,展开式外多层隔热组件可以在载荷所在月面处形成一个温度相对稳定的月面小环境,其平均温度与当地月壤恒温层温度相当。     

“玉兔”巡视器活动式相机热设计及在轨分析

月面虹湾地区的环境温度为-180~+90℃,需同时解决"玉兔"巡视器活动式相机在桅杆复杂活动下的月昼散热问题和月夜无电能供给下的保温问题;另外月尘的不确定性也给相机热设计带来了风险。因此,月昼极端高温下,转动桅杆为相机寻找最佳避暑姿态,并优化相机开关机时长比例,从而解决相机月昼散热问题。而在月夜极端低温下,则调整相机与巡视器的热耦合状态,将桅杆收拢至围栏内,借用巡视器月夜保温系统进行保温。此外,还对月尘在散热面上的沉降诱因进行分析,并采用限制工作太阳高度角应对月尘带来的风险。热分析和在轨实际数据比对结果表明,采用避暑姿态和间歇工作模式,月昼高温下相机工作温度最高可降低15℃;月夜桅杆收拢,相机温度不低于-26.1℃,相机安全度过月夜,并可节约4.5W同位素功率。文中热控与姿态相耦合的热控方法可解决行星表面巡视探测器活动式相机的高低温难题,降低了热设计的同位素资源,可为中国后续行星表面巡视探测器的热控设计做参考。     

考虑热物性变化的月壤温度数值模拟

探月设备的热分析设计依赖于真实有效的月面热环境信息。借助于ANSYS热分析模块,建立了月壤导热系数随密度和温度变化、热容随温度变化的变热物性月壤温度求解模型,分别计算了月面纬度为26°和赤道地区的月表温度,探讨了赤道地区浅层月壤的温度分布。其中,月表温度计算结果与实测数据良好的一致性表明计算模型和所用计算参数适用可靠;而通过修正月壤导热系数来提高计算结果与实测数据的吻合程度则部分展示了月壤温度计算理论;在探讨赤道地区浅层月壤的温度分布时,文章给出了不同时刻对应的月壤温度剖面和热流剖面,并适度分析了月壤内部热流和导热系数对月壤温度剖面的影响,这些为利用月壤的温度剖面规律进行探月设备的热控设计提供了理论支持。     

FY-3D卫星高光谱温室气体监测仪热控设计及在轨验证

FY-3D卫星高光谱温室气体监测结构布局紧凑，在较小尺寸空间内布置有8个镜头组件、12台电子设备和3台电机。内热源数量众多，光学镜头控温精度要求高，热控功耗及散热面资源紧张，使热控系统设计难度较大。基于热管理、辐射间接热控、辐射冷却及结构热控协同优化设计等多种思路对监测仪热控系统进行设计，有效解决热控难题。入轨后监测仪历经了多个工况模式切换，在轨温度数据表明，所有工况模式下各部组件温度都满足指标要求，且光学镜头温度稳定度较高，在正常工作模式下，干涉仪关键件最大温度波动在±0.15℃以内，其他光学镜头组件最大温度波动在±0.45℃以内，且无论整轨待机模式还是正常工作模式，基于热管理的2组电子设备散热系统都无需消耗热控功耗，实现了多热源复杂机制下高精度控温及节能热设计。      

单自由度太阳帆板极月轨道月球卫星的初步热分析与热设计

对国外极月轨道月球卫星的热设计进行了概述,并以一个极月轨道月球卫星为例,介绍了采用单自由度太阳帆板技术的某极月轨道月球卫星.针对该卫星,对其奔月飞行和在极月轨道上环月运行时的外热流与空间散热问题进行分析,根据分析结果,初步提出了该卫星的热设计方案,重点对有效载荷热控问题, ±y侧仪器设备的热控问题,以及热控百叶窗的应用技术等进行了描述.     

反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题

获得航天器在轨飞行过程中的外热流数据对于研究热控涂层在轨退化规律、各种空间因素对热控产品的影响以及航天器姿轨控发动机羽流热效应都有非常重要的意义,然而直接测量热流存在很多困难,因此可以通过求解导热反问题得到满足一定精度的结果.首先,通过研究利用航天器设备在轨遥测温度值反演出航天器在轨瞬态外热流的导热反问题方法,建立了反演航天器在轨瞬态外热流的数学模型,采用共轭梯度法求解导热反问题并从物理概念角度改进了共轭梯度法的迭代过程以增加其抗不适定性;然后构造了两组能够代表目前大多数地球轨道航天器以及深空探测航天器在轨吸收外热流变化的数值试验对共轭梯度法的反演效果进行了检验.除阶跃变化位置以外反演值与真实值的最大相对偏差为2.9%,反演效果非常好;对于阶跃变化位置的吸收外热流在对反演结果进行分析处理后也能够得到较好的反演结果.      

热开关热管在月面探测光学设备中的应用

在月面-180~+90℃的极端高低温环境下,月面探测光学设备的月昼远距离散热和月夜保温矛盾异常突出。针对设备热耗的传输、排散,以及月夜生存时的热能存留问题,利用热管工质的汽、液、固相变特性,提出一种无源热开关热管作为设备和散热面间长距离传热手段,即依据设备温度指标选择具有合适凝固点和传热能力的工质,当月昼工作期间通过热管内工质两相传热实现热量的高效收集和传输,到月夜期间冻结热管内全部工质,完全切断热管与散热面间的两相传热,维持设备温度。地面试验和在轨飞行数据表明,热开关热管凝固点附近热导比达30以上。热管工作时,7℃时传热能力大于15W,传热温差小于4℃,且能够适应着陆器±15°的倾斜,确保了嫦娥三号着陆器月基光学望远镜在轨的高性能工作。     

天问一号火星进入舱热控系统设计与验证

天问一号火星进入舱携带祝融号火星车实施进入、下降、着陆过程,其热控系统设计主要面临地火转移外热流大幅变化、进入火星舱壁气动烧蚀长时高温、着陆发动机点火局部超高温等技术挑战。为此,综合采用隔热设计、等温化设计、主动控温设计等热控手段,针对外热流大幅变化应用了新型SAL-2热控涂层,为解决局部超高温问题研制了新型气凝胶热防护装置,完整构建了进入舱的高效可靠热控系统。飞行遥测数据表明,全飞行过程设备温度和热控功耗均优于指标要求,进入、下降、着陆过程工作设备温度范围5.0~40.3℃,整舱平均控温功耗不超过43W,验证了进入舱热控系统设计的有效性。     

月面高温下推力器可靠性试验

嫦娥五号着陆上升组合体落月后将经历月昼强红外辐射环境，由于推力器喷管导热影响，使推进剂管路与电磁阀面临高温环境，推进系统存在管路内氧化剂汽化和推力器性能下降甚至无法正常工作的问题，影响上升器月面起飞正常姿态控制。为了研究高温下推力器的工作性能，进行了高温下氟塑料阀芯与氧化剂相容性调研，提出了电磁阀和推力器可靠性增长及可靠性验证试验方法，分析了温度与电磁阀阀芯行程的关系，获取了高温环境下推力器的稳态及脉冲工作性能，在小子样条件下评估了推力器可靠性置信下限及月面起飞上升推进系统可靠度，通过月面高温排气及月面起飞上升姿态控制对研究结果进行了航天器在轨飞行验证，圆满完成了上升器月面起飞上升任务。所提出的研究方法及思路具有很好的工程适用性。     

嫦娥三号着陆区月表辐射特性测算

月球表面辐射特性研究是月球探索的一个重要领域,对于勘测月球表面形态及进行资源勘探等具有重要意义,但是目前在月球表面直接进行近距离测量的数据非常少.本文建立了基于嫦娥三号着陆器地形地貌相机和缓释电机在轨遥测数据研究月球表面辐射特性的方法,初步测算得到嫦娥三号着陆区月球表面的太阳辐射光谱反射率为0.105,发射率为0.866.所得结果能够为进一步空间探测任务提供原始测算数据,以降低设计难度及提高探测能力.      

月尘环境效应及地面模拟技术

介绍了月球尘的特点及其对探月活动的影响。在分析月球尘环境及其对月面探测器污染、磨损、阻塞、静电效应的基础上,对月球尘环境模拟技术、月球尘扬尘及其运动学和动力学规律、月球尘效应防护及试验评价方法等研究方向和重点提出了一些初步看法。针对研究内容的需求,梳理出一台完整的月球尘地面模拟试验设备应具备真空、温度、太阳风、太阳紫外、月球尘、月面电场、月面磁场等环境因素。在此基础上,设计了一种月球尘地面模拟试验装置方案,并对月球尘环境效应试验方法进行了初步讨论。为月球探测后期任务条件保障建设及相关研究工作提供参考。     

嫦娥三号着陆器有效载荷

嫦娥三号着陆器配置了地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、降落相机等四种科学探测有效载荷.介绍了有效载荷的科学探测任务、系统设计方案和系统组成,描述了各有效载荷的方案设计和主要技术指标等.      

Surface temperatures at the nearside of the Moon as a record of the radiation budget of Earth’s climate system

Understanding the balance between incoming radiation from the Sun and outgoing radiation from Earth is of critical importance in the study of climate change on Earth. As the only natural satellite of Earth, the Moon is a unique platform for the study of the disk-wide radiation budget of Earth. There are no complications from atmosphere, hydrosphere, or biosphere on the Moon. The nearside of the Moon allows for a focus on the solar radiation during its daytime, and on terrestrial radiation during its nighttime. Additionally, lunar regolith temperature is an amplifier of the terrestrial radiation signal because lunar temperature is proportional to the fourth square root of radiation as such is much more sensitive to the weak terrestrial radiation in nighttime than the strong solar radiation in daytime. Indeed, the long-term lunar surface temperature time series obtained inadvertently by the Heat Flow Experiment at the Apollo 15 landing site three decades ago may be the first important observation from deep space of both incoming and outgoing radiation of the terrestrial climate system. A revisit of the lunar surface temperature time series reveals distinct characteristics in lunar surface daytime and nighttime temperature variations, governed respectively by solar and terrestrial radiation.     

Instrument study of the Lunar Dust eXplorer (LDX) for a lunar lander mission

One of the highest-priority issues for a future human or robotic lunar exploration is the lunar dust. This problem should be studied in depth in order to develop an environment model for a future lunar exploration. A future ESA lunar lander mission requires the measurement of dust transport phenomena above the lunar surface. Here, we describe an instrument design concept to measure slow and fast moving charged lunar dust which is based on the principle of charge induction. LDX has a low mass and measures the speed and trajectory of individual dust particles with sizes below one micrometer. Furthermore, LDX has an impact ionization target to monitor the interplanetary dust background. The sensor consists of three planes of segmented grid electrodes and each electrode is connected to an individual charge sensitive amplifier. Numerical signals were computed using the Coulomb software package. The LDX sensitive area is approximately 400 cm². Our simulations reveal trajectory uncertainties of better than 2° with an absolute position accuracy of better than 2 mm.     

An ion analyzer for the lunar surface with E-parallel–B

We present a novel instrument concept to measure the energy and mass spectra of ions incident on the lunar surface, based on the E-parallel–B or Thomson-parabola device used extensively as a diagnostic in the plasma fusion community. The Apollo-era Suprathermal Ion Detector Experiment (SIDE) was the first instrument package to perform in-situ measurements of ions incident on the lunar surface. The ions can originate from a variety of sources, including the solar wind, the Earth’s magnetotail, and photoionization of the thin lunar atmosphere. The species and energy distribution of ions arriving at the lunar surface depend in a complicated and poorly-understood fashion on the phase of the lunar day, the position of the Moon with respect to the Earth, and on the local plasma environment.     

Preliminary Scientific Results of Chang'E-1 Lunar Orbiter: Based on Payloads Detection Data in the First Phase

Chang'E-1 lunar Orbiter was launched by Long March 3A rocket from Xichang Satel-lite Launch Center at 18:05BT(Beijing Time) Oct.24,2007.It is the first step of its ambitious three-stage moon program,a new milestone in the Chinese space exploration history.The primary science objectives of Chang'E-1 lunar orbiter are to obtain three-Dimension(3D) stereo images of the lunar surface,to analyze the distribution and abundance of elements on the surface,to investigate the thickness of lunar soil,evaluate helium-3 resources and other characteristics,and to detect the space environment around the moon.To achieve the above four mission objectives,eight sets of scientific instruments are chosen as the payloads of the lunar orbiter,including a CCD stereo camera(CCD),a Sagnac-based interferometer spectrometer(ⅡM),a Laser Altimeter(LAM),a Microwave Radiometer(MRM),a Gamma-Ray Spectrometer(GRS),an X-ray spectrometer(XRS),a High-Energy Particle Detector(HPD),and two Solar Wind Ion Detectors(SWID).The detected data of the payloads show that all payloads work well.This paper introduces the status of payloads in the first phase and preliminary scientific results.     

高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

高分辨率立体测绘相机的光学系统及探测器的温度稳定性影响测绘相机的测绘精度。针对透射式光学系统,采用多级外热流抑制技术,使星相机透镜的温度稳定性提高了6倍;针对反射式光学系统,采用间接辐射式控温等热控技术,使主镜、次镜的温度稳定性达到±0.3℃;针对大功率电荷耦合元件（CCD）,采用基于环路热管（LHP）的节能型控温技术,在满足温度指标的前提下使环路热管驱动功率的周期平均值由60 W降低至33.8 W,同时节省约40%的主冷凝器面积及质量;针对CMOS,采用两级温度波动抑制技术,使其温度稳定性达到±0.3℃。研究了地面热试验的方法,报告了测绘相机系统关键部组件在极端空间环境下的在轨数据,全面验证了热控设计方法的正确性。