月面巡视器围栏设计及热分析研究

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1、第27卷第3期航天器环境工程2010，}：6门SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERlNG281月面巡视器围栏设计及热分析研究李成，刘自军，谭沧海，向艳超(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：文章首先对月面巡视器的基本构型及围栏的用途进行简要介绍，并通过热分析计算指出"-3前围栏设计的利弊。针对围栏所带来的月昼期间工作温度偏高的问题，提出了4种围栏构型方案，对这些方案进行了热分析研究和对比分析，从中选择出工程可行的最优方案，使得设备在月昼和月夜下的温度均满足设计指标要求。关键词：月面巡视器；围栏；热设计；有

2、限元法中图分类号：V476．3文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)03—0281-04DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2010．03．002O引言月面巡视器在月表着陆后，将经历十分恶劣的月球环境，包括分别长达14个地球日的月夜和14个地球日的月昼，月表的红外辐射热流变化很大。由于月球上为超高真空环境，再加上月面物质的热容量和热导率又很低，致使月球表面昼夜的温差很大。当白天太阳照射时月球赤道地区的月表温度高达1ll℃，夜里的月表温度可降至．171℃，长期处于阴影下的月球两极极端温度则可达．229℃【

3、l】。月面巡视器围栏主要用于月夜期间维持舱内及夹层内设备所需的温度条件，但又会影响月面巡视器在月昼时的散热，造成部分舱内设备的温度偏高。文章在简要分析围栏致使温度偏高的原因后，提出4种不同的改进围栏构型方案，通过对舱内温度的预示和对巡视器构型影响程度的分析，选择出工程上可行的最优方案，使得设备在月昼和月夜下的温度均满足设计指标要求。1巡视器构型简介图l和图2分别为巡视器在月夜、月昼的状态。巡视器本体采用箱板式结构，以项板为分界面将巡视器分成上下两部分。顶板下方是一个箱式结构；顶板上方为围栏，围栏也是一个箱式结构，由蛸侧板、士y侧板、底板和可

4、活动的+y太阳翼组成，各侧板的表面为散热面，为布置在围栏中的设备提供温控保障。对围栏来说，巡视器的顶板就是其底板。图1巡视器月夜休眠状态图Fig．1Dormantstanceoflunarroverinthelunarnight图2巡视器月昼工作状态图Fig．2Workingstanceoflunarroverinthelunarday巡视器两块太阳翼的结构和作用不同：+y太阳翼具有重复收拢、展开的能力，展开时收集太阳能，收拢时起到温度保持的作用；．y太阳翼展开后位置锁定，只起到采集太阳能的作用。巡视器月夜休眠期间桅杆保持收拢状态，+y太阳

5、翼收拢覆盖收稿日期：2009．12．11：修回日期：2010．04．13基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：李成(1985一)，男，从事航天器热控设计研究．E—mail：lcljia@gmail．corn。航天器环境工程第27卷在围栏上，如此设计目的是减小巡视器向深冷的月空排散热量。月昼期间，桅杆和+y太阳翼被打开，巡视器被唤醒并进行科学探测。2围栏设计及热分析对巡视器结构进行了初始设计，其中包括对围栏初始方案的设计。2．1围栏的特征尺寸图4顶板的太阳辐照被吸收的外热流密度分布围栏的蟛侧板高195mill，宽800mm，其内表Fig．4

6、Totalabsorbedexternalthermalfluxdistribution∞面为镀铝膜，外表面为F46膜；士y侧板高195mm，thetopboard长1240mm，其内表面为镀铝膜，外表面为F46膜【21。2．2热分析有限元模型热分析有限元模型如图3所示，计算中太阳辐照度选取为(14144-7)W／m2。由于月球为接近黑体的红外高发射体【3J，所以太阳辐照被吸收的外热流密度选定为l314W／m2。图5顶板温度分布Fig．5Temperaturedistributiononthetopboard2．5结果分析由于初始方案中已将

7、巡视器月夜期间漏热量降到最低，预示温度为1．9～5．5℃，与设计指标相比有很大的温度余量。月昼工作期间预示温度偏高，究其原因在于围栏对阳光的多次反射造成顶板(或底板)有效散热口：。，图3初始的有限元方案模型受阻，使顶板某些局部出现高温，整个散热面的温IFig．3nitialfiniteelementmodelfortherover“⋯’“⋯“／’、一“”⋯⋯⋯1“’“⋯⋯”、⋯⋯“2．3舱内设备温度要求度均匀性很差(温差一般在50℃左右)。从图4可以看到阳光的多次反射对外热流的影响：围栏内月夜时舱内设备储存温度设计指标要求：．y侧边角区域被

8、吸收的外热流密度高达270w／m2；-50～70℃；围栏内+y侧由于遮挡了太阳，被吸收的外热流密月昼时舱内设备工作温度设计指标要求：度仅为15w／m2。．20～55℃。2．4热分