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《中国科学技术大学》 2010年
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月球车热控关键问题研究及材料光谱性质的选择性调节

王海涛  
【摘要】: 从上世纪60年代美国和前苏联大规模开展月球探测活动开始,人类的航天科技和空间探测能力得到了非常巨大的发展,进入21世纪之后,由于月球是距离地球最近的天然星体,具有非常大的科学意义和开发价值,各主要航天大国又重新将注意力转向了月球,提出了多个月球探测计划,我国在《中国的航天》白皮书中也明确指出了要“开展以月球探测为主的深空探测预先研究”,开展的月球探测计划就是“嫦娥工程”。月球探测的一个重要环节是登月之后进行的月表探测,月球车就是执行月表探测的重要航天器之一,但月球表面的热环境非常恶劣,而且其月昼和月夜的持续时间都很长,各为14.5个地球日,所以需要月球车的热控和能源系统能够很好的完成散热、保温、能量供应等任务,在本文的第一部分工作中,针对影响月球车热控的一系列关键问题展开了研究。 针对月球表面热环境的特殊性,提出了一种采用多层材料围护结构对车内仪器进行保温和隔热,并辅以主动加热、可翻转辐射致冷表面、热管散热、热开关等热控措施的月球车热控系统设计方案。对多层材料围护结构在月夜期间的保温效果进行了模拟计算,结果表明当MLI材料有效导热系数为1.6×10-4W/m·K,厚度5mm,且蒙皮被严重污染导致发射率为0.8时,散热速率也仅为4.712W,即在一个完整的月夜中总散热量约1.640kWh,可利用蓄电池组储存的电能来补充。计算了月昼期间月球车的外部热负荷情况,并设计了辐射致冷表面和车体内主传热热管的基本参数,设计结果说明利用辐射致冷表面和热管相结合的方法是可以基本实现月球车在月昼期间的热控要求的。为验证月球车计算模型的合理性,并对MLI材料的极低导热系数提出实际证明,构建了可模拟月夜环境的低温高真空环境模拟平台,对比几组计算结果和实验数据后发现二者相对误差最大为1.7%,最小为0.86%,证明了计算模型的合理性;同时测量了由喷铝涤纶薄膜和尼龙网格布构成的MLI材料的有效导热系数,达到了1.456×10-4W/m·K,完全可以满足月球车热控的需要。 月昼期间月表的太阳能资源十分丰富,这里评估了采用高效率的砷化镓太阳能电池和锂离子二次蓄电池作为月球车能源子系统核心的可行性,与核能电池相比,这种能源系统的质量较小、发电效率较高,对热控系统的影响很小,且成本很低。随后针对月昼期间月球车外置设备的散热问题提出了一种解决方案,在需要散热的设备上方设置一个可以遮挡太阳直射的辐射致冷屏,并将设备内部发热量通过热管传至辐射致冷屏向外散出。对一些无法采用集中散热措施的外部设备,如微型驱动电机等,采用这种分散式散热装置可有效控制设备在月昼期间的温度。 月球表面浅层物质具有非常特殊的定向反射特性,使月表有效辐射表现出非漫射特性,在精确计算月球车外部热负荷时必须考虑这种特殊情况。建立模型计算了月表附近的一个单位面积平面上的月表有效辐照密度分布,并考虑了该平面自身的投射阴影,得到了该平面仰角、方位角、所处月表位置、高度对该表面受热的影响规律。 随着微电子技术的飞速发展,人们可以对材料的微观结构进行有目的的改变,从而调整材料在红外和可见光波段内的辐射性质,以达到改进材料发射、反射等性质的目的。在本文的第二部分中,针对周期微结构对材料辐射特性的影响展开了研究,首先计算了具有不同截面形状和结构参数的一维硅周期栅格结构的光谱法向反射率,研究了硅周期栅格中在特定波长位置出现零反射的基本规律,计算后发现通过一种简单的一维三角形周期栅格可以使结构的p偏振法向反射率分别在几个较宽的波段内具有非常低的平均值,达到减弱材料反射的目的。 利用化学方法制备微纳米结构是一种成本较低、加工规模更大的方法,而氧化锌是一种在可见光波段具有良好透过性的材料,接下来研究了一种利用溶胶凝胶法制备的二维氧化锌六角纳米晶柱阵列结构在450nm~1500nm波段内的光学性能,并分析了该晶柱阵列主要结构参数的影响。对实际样品的测量结果和理想模型的计算结果都表明,这种二维氧化锌晶柱阵列在参数合适的情况下,在450nm~1500nm波段内具有很高的光谱透过率和很低的光谱法向反射率,可作为良好的带通光耦合材料和减反射材料,并且可应用在较大的表面上。
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