中新網(wǎng)11月5日電 題:有效調(diào)節(jié)“嫦娥”的體溫
特約記者 黃琦
每當(dāng)人們?cè)谠乱寡鐾癖P樣的月亮,心里聯(lián)想到的是桂花樹、玉兔等美好的神話傳說。其實(shí),真實(shí)月球是個(gè)極為荒蕪的世界,其周圍無大氣,因此月球上溫差很大,在太陽的照射下,滿月時(shí)玉盤中央的溫度最高溫度近130℃,而此時(shí)月球的背面,最低溫度在零下180℃。與火星相比,月球的熱環(huán)境更為惡劣。為了保證嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在月球軌道安全運(yùn)行,衛(wèi)星熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員精心進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施,完成了整星熱控制,呈現(xiàn)在衛(wèi)星外表的金燦燦、銀閃閃的美麗衣裳就是熱控設(shè)計(jì)一個(gè)重要組成部分,相當(dāng)于是一套能調(diào)節(jié)衛(wèi)星體溫的“空調(diào)服”。
如何做這套“空調(diào)服”呢?熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件是對(duì)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星包括整個(gè)使命歷程的熱環(huán)境的了解和掌握。為此,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們?nèi)娣治隽嗽虑虻臒岘h(huán)境,并構(gòu)建了月球熱模型。該衛(wèi)星熱控系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師邵興國說,月球太陽光照面和陰影面溫差最大超過300℃,沿軌道繞月飛行的嫦娥一號(hào)衛(wèi)星受到月球紅外輻射強(qiáng)度的最大值相當(dāng)于太陽輻射強(qiáng)度,最小值幾乎等于0,這就是月球環(huán)境的特點(diǎn)。而且在未來的一年中,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星還要隨月球經(jīng)歷2次月食,將持續(xù)約300分鐘見不到陽光。面對(duì)劇烈波動(dòng)的月球紅外熱流環(huán)境,面對(duì)月食超長的地球陰影時(shí)間,這些都對(duì)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的熱控系統(tǒng)提出了了挑戰(zhàn)。
在真空環(huán)境中,熱量只能通過熱傳導(dǎo)、熱輻射的方式進(jìn)行傳遞,被衛(wèi)星吸收的來自太陽、月亮熱能,和衛(wèi)星內(nèi)部各儀器工作產(chǎn)生的廢熱最終通過熱輻射形式輻射到外空環(huán)境中。為了有效調(diào)節(jié)“嫦娥”的體溫,設(shè)計(jì)人員對(duì)星外表的狀態(tài)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì),主要使用了兩種材料:第一種最為常見,衛(wèi)星艙體外壁的大部分都被貼上了金燦燦的超級(jí)隔熱材料——多層隔熱組件。高溫時(shí)有隔熱效果;低溫時(shí),它保證衛(wèi)星“體溫”不至于急劇下降,算是衛(wèi)星的“棉襖”了。第二種材料像小鏡子,表面銀光閃閃,學(xué)名為光學(xué)太陽反射鏡(簡稱OSR),為衛(wèi)星的散熱面,它也被貼在衛(wèi)星的“體表”,不過“占領(lǐng)”的面積要比多層隔熱組件少些。這種材料能將90%的太陽輻射能量直接反射回太空,同時(shí)自身的熱輻射能力又很強(qiáng),從外部環(huán)境中吸收的的熱量和衛(wèi)星內(nèi)部熱量都會(huì)被一塊塊的OSR輻射出去,堪稱衛(wèi)星的“汗衫”。有保溫的“棉襖”和散熱的“汗衫”共同作用,最終使衛(wèi)星形成一個(gè)合適的溫度環(huán)境,為星上各設(shè)備正常工作提供了一個(gè)良好的熱環(huán)境。
衛(wèi)星熱控系統(tǒng)還采用了一種特殊的產(chǎn)品——熱管,其導(dǎo)熱性能是紫銅的200倍,換句話說假如有人拿著根長2~3米長的熱管一端,將另一端放入100℃沸水中,也就幾秒的功夫,手便會(huì)感覺出溫度在飛速上升而不能把持。衛(wèi)星上裝熱管,就是利用它將一個(gè)設(shè)備或者部位的熱量迅速傳遞到另外一個(gè)的設(shè)備上去。
衛(wèi)星哪個(gè)部位套上“棉襖”,哪個(gè)部位只穿“汗衫”,哪些設(shè)備需要熱管導(dǎo)熱,都是很講究的。這些熱控材料的布局與衛(wèi)星的體內(nèi)的設(shè)備的位置密切相關(guān)。所有的設(shè)備不能被熱著,也不能被凍著,如電池,在低溫下其工作效能很受影響,其星內(nèi)部分被“棉襖”包裹了起來,形成了單獨(dú)的溫度控制空間,而且,在電池的周圍,還配上了加熱器,以保證它必須的溫度;而有的設(shè)備只能在低溫狀態(tài)下工作,如立體相機(jī)中的CCD,如果溫度過高,燥點(diǎn)過多將影響成像。所以,設(shè)計(jì)人員用一根熱管將CCD及周圍器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量引導(dǎo)到艙外,輻射出去,保證了其工作溫度的要求。
衛(wèi)星體內(nèi)還布置了160個(gè)測溫點(diǎn),如同一根根感溫神經(jīng)細(xì)胞一樣密切關(guān)注每臺(tái)設(shè)備的溫度,一旦發(fā)現(xiàn)溫度異常,加熱器馬上調(diào)節(jié)設(shè)備溫度。衛(wèi)星各個(gè)特殊部位采用的加熱器共有80路,由衛(wèi)星上計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理。
正常狀態(tài)下,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在距月球表面200公里高度的軌道上運(yùn)行,交替經(jīng)過月球的陽面、陰面。衛(wèi)星飛行在月球的陽面時(shí),在太陽的照射和月球紅外熱流共同影響下,衛(wèi)星朝陽面的溫度會(huì)迅速升高,衛(wèi)星的另一面溫度又會(huì)很低。按照衛(wèi)星任務(wù)安排,這樣的情況交替在衛(wèi)星的兩個(gè)面上重復(fù),熱控設(shè)計(jì)人員巧妙地設(shè)計(jì)了3根U型熱管貼在衛(wèi)星艙外艙板上,將一側(cè)的熱量快速傳遞到另一面,同時(shí)還利用“棉襖”的隔熱,“小鏡子”的散熱,使整星的熱控品質(zhì)有很大的提高。因此“嫦娥”雖然身臨“酷熱”“酷冷”天上宮闕,還是可以悠然自得的盡情“賞月”。
月有陰晴圓缺。月食相當(dāng)于衛(wèi)星長時(shí)間處在陰面。長時(shí)間伸手不見五指,又陰冷無比,“嫦娥”如何“過冬”?
據(jù)介紹,當(dāng)衛(wèi)星沒有太陽光照的情況下,衛(wèi)星熱控系統(tǒng)必須保障幾個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)正常工作:電源系統(tǒng)、GNC系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。如同人雖然進(jìn)入睡眠狀態(tài),其它器官處于睡眠模式,但血液循環(huán)正常,呼吸暢通。
月食狀態(tài)下,衛(wèi)星各分系統(tǒng)進(jìn)入最小能量消耗的特定工作模式下,盡量節(jié)省來源于電池能量。據(jù)介紹,衛(wèi)星電池容量近50Ah。如果一部普通手機(jī)電池容有1000mAh,待機(jī)時(shí)間為一周,那么,衛(wèi)星電池可供手機(jī)連續(xù)使用近一年,但維持衛(wèi)星正常工作的能量消耗遠(yuǎn)非手機(jī)可比,衛(wèi)星電池充滿后只能維持衛(wèi)星工作100多分鐘,長達(dá)300分鐘的月食如何度過成了任務(wù)設(shè)計(jì)道路上的“攔路虎”。在外無陽光溫暖、內(nèi)部補(bǔ)償加熱功率受到極大限制的條件下,就衛(wèi)星就如同進(jìn)入了寒冬,包括電池在內(nèi)的衛(wèi)星各設(shè)備溫度會(huì)急劇下降,在低溫條件下蓄電池的放電能力將大打折扣。
熱控設(shè)計(jì)合理地利用U型熱管技術(shù),因此減少的蓄電池外部的散熱面面積,既可確保電池高溫滿足要求,同時(shí)也保證了月食電池溫度滿足其可靠放電的條件。而且,在熱控系統(tǒng)還重點(diǎn)保證了GNC、推進(jìn)、數(shù)管等衛(wèi)星關(guān)鍵分系統(tǒng),使其繼續(xù)在軌道上平穩(wěn)運(yùn)行,確保衛(wèi)星度過月食期。