地月「快遞」熱控難度有多大？解密嫦娥五號軌道器熱控三大關鍵

今天1時59分，在內蒙古四子王旗著陸場，隨著返回器著陸，嫦娥五號探測器奔月球之旅宣告圓滿結束。

本次探測中，嫦娥五號軌道器熱控系統研製任務由中國航天科技集團有限公司第八研究院（上海航天技術研究院）509所熱控團隊承擔。既要節約能源、輕裝上陣，又要應對好200餘個可能的高低溫熱環境、經受住最高1300℃的高溫考驗，509所熱控團隊克服重重困難，在熱控重量「瘦身」的同時，開創性採用錯峰補償控溫策略和二次熱防護複合系統，在大幅度節約重量和功率的同時做好熱控，為嫦娥五號奔月之旅保駕護航。

更輕才能飛更遠

為了克服地球引力飛向月球，採樣後再克服月球引力飛回地球，嫦娥五號必須輕裝上陣、節約能源，每一克重量和每一瓦能源都不能浪費，「減重」成了熱控設計師們面臨的第一道難題。「如何用最少的重量達到最優的效果？」熱控團隊主任設計師趙吉喆從項目開始就沒有停止思考這個問題。以往傳統的梯形結構熱管傳熱能力有限，重量重。設計團隊對熱管內部結構進行優化設計，新研了微結構熱管，不僅質量更輕，而且傳熱能力增加達130%。與此同時，團隊把原本厚度統一的多層隔熱組件改變成「量體裁衣」，讓每臺設備穿上厚薄不同的衣服，確保每臺設備體溫正常。團隊大膽創新，將散熱塗層厚度減薄30%，設計了更輕、更薄的柔性散熱面，通過採用一體化熱設計理念，使每臺設備與整器的熱設計高度耦合，大大降低了熱控設計的重量，相比以往熱控重量，從佔整器3%減少到1.3%。

高峰期熱功耗為0

副主任設計師張彧介紹：「在整個飛行階段，軌道器需歷經19個飛行階段、8種飛行姿態及5種不同的構型，飛行過程中要經歷極為惡劣的熱環境，長期經受太陽、月球和空間低溫的交替，引起軌道器外表面高低溫的劇烈變化，其溫度範圍可從攝氏零下二百多度變至上千度以上。」面對巨大的外熱流和內功耗劇烈變化，軌道器需要設計較大的散熱面以滿足高溫散熱需求，低溫時則需要消耗較多的電加熱功耗來保溫，採用傳統熱設計會佔用大量資源。通過大量的仿真、試驗，熱控團隊探索出一套錯峰補償的控溫策略。通過對在軌衛星海量運行數據的挖掘，團隊推斷出熱控塗層等材料參數的空間影響因素和性能變化規律，建立準確的溫度場在軌預測模型，摸準了每臺設備在軌溫度特性，團隊「對症下藥」，針對每臺設備提出熱控系統自主管理模式，實現熱控系統在近月制動、交會對接等關鍵階段的用電高峰期時加熱功耗為0的目標，確保整器有充足的能源完成關鍵任務。

防「燒傷」做好熱防護

為了更快更穩地飛到月球，嫦娥五號軌道器共配備了39臺發動機，分布在艙體的各個位置，發動機工作時溫度會升至1100~1300℃。「如果熱防護做不到位，軌道器就會被高溫『燒傷』」副主任設計師劉岡雲介紹。傳統的熱防護採用高溫材料進行設計，耐高溫材料密度大、重量重。通過多輪仿真和試驗，熱控團隊開創性地提出了二次熱防護複合系統。一方面採取高中低溫複合隔熱多層，層層將發動機1300℃高溫輻射影響降低到常溫狀態；另一方面，通過複合高溫隔熱屏將發動機輻射溫度由1300℃降低到200℃後，再根據不同設備的溫度需求，個性化定製，進行二次熱防護。創新採用的差異化熱設計大大降低了耐高溫材料的使用比例，將熱防護重量大幅下降約三成，為軌道器節約了寶貴的重量。

本次509所熱控團隊開創性採用的一體輕量化熱設計理念，錯峰補償控溫策略和二次熱防護複合系統，在大幅度節約重量和能源的同時做好熱控，不僅在本次任務中為嫦娥五號保駕護航，後續更有望應用於遙感、深空探測等領域，發揮更大作用。 新民晚報記者 葉薇