CN103482087A

CN103482087A - 一种适用于火星着陆器的热控制装置

Info

Publication number: CN103482087A
Application number: CN201310349995.8A
Authority: CN
Inventors: 李聪航; 姚正平; 江世臣; 盛松
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-08-12
Also published as: CN103482087B

Abstract

本发明提供了一种适用于火星着陆器的热控制装置，包括：第一热开关、第二热开关、第三热开关、第四热开关、电子设备模块、隔热垫、底板、散热面、侧板、第一支架、驱动机构、气凝胶隔热毡、太阳阵、光学传感器、第二支架和相变储能装置。本发明采用相变储能装置和热开关相结合的方法，利用相变材料在白天吸收储存的太阳能解决电子设备模块在夜间的保温问题，利用热开关的可变热导特性解决电子设备模块在白天的散热问题，避免使用同位素热源和流体回路等复杂装置，并减少热控分系统对火星着陆器电能的占用，为火星着陆器的长期探测提供了条件。

Description

一种适用于火星着陆器的热控制装置

技术领域

本发明涉及一种热控制装置，具体地，涉及一种适用于火星着陆器的热控制装置。

背景技术

与近地空间的航天器相比，火星探测器在整个运行过程中，尤其在着陆探测阶段，要经受更复杂恶劣的火星表面热环境考验。传统的航天器与外部自由空间环境的热交换方式仅有单一的辐射热交换，而火星着陆器直接暴露在火星地表面，由于火星表面存在CO₂大气、恶劣的沙尘暴、2～20m/s的风速，温度变化范围-130℃～+30℃，受火星表面热环境的影响，着陆器与火星表面的热交换方式包括对流换热、辐射换热以及与火星表面的导热等多种方式。作为重要支持服务分系统之一的热控系统需要在温度变化剧烈、存在多种换热方式的热环境以及电能、重量等资源异常有限的条件下，确保火星着陆器内的所有仪器设备均保持在合适的温度范围。然而，在有气体对流的环境下，传统航天器多层隔热组件的隔热效果明显下降，多层已不适用于火星着陆器的热控，因此，如何保证温度要求较高的电子设备在夜间的温度水平是火星着陆器热控的关键问题。

目前，国外成功的火星着陆器主要采用同位素热源或电加热方式以保持电子设备在夜间的温度。同位素热源在整个运行过程中都会产生热量，为防止电子设备在白天过热，需采用基于流量控制的流体回路进行散热，这不仅增加了热控分系统的复杂程度和重量，同位素热源还存在核安全问题。如果采用电加热器进行补偿加热，则会占用较多的电能。

应用于航天器热控的相变储能装置，具有无运动部件、可靠性高、不耗电的特点，适用于具有周期性脉冲式热源的设备和部件。其工作原理是将相变材料放置在被控设备与外部环境之间，当相变材料与被控设备的界面温度升高到相变材料的熔点时，相变材料熔化并吸收与熔化潜热相当的热量，使界面温度保持在熔点温度附近；当界面温度由于内部或外部原因而下降时，相变材料凝固并放出潜热，维持界面温度基本不变。如果能够把相变储能装置应用于火星着陆器的热控，直接利用太阳能保证电子设备在夜间的温度水平，不仅可以避免使用同位素热源和流体回路等复杂装置，还可以减少热控分系统对重量和能源等宝贵资源的占用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于火星着陆器的热控制装置。

根据本发明的一个方面，提供一种适用于火星着陆器的热控制装置，包括：第一热开关1、第二热开关2、第三热开关3、第四热开关4、电子设备模块5、隔热垫6、底板7、散热面8、侧板9、第一支架10、驱动机构11、气凝胶隔热毡12、太阳阵13、光学传感器14、第二支架15和相变储能装置16，散热面8与底板7连接，侧板9与散热面8连接，相变储能装置16与侧板9连接，电子设备模块5底部通过隔热垫6与底板7连接，电子设备模块5的两侧边分别通过第三热开关3和第四热开关4连接至散热面8，且电子设备模块5上部通过第一热开关1和第二热开关2与相变储能装置16连接；第一支架10、驱动机构11和第二支架15依次连接，且第一支架10与侧板9连接，太阳阵13与第二支架15连接，光学传感器14设置在太阳阵13上端，驱动机构11根据光学传感器14的太阳光照感应控制第二支架15带动太阳阵13沿水平方向180度转动；气凝胶隔热毡12连接至太阳阵13底部。

优选地，相变储能装置16上部外表面涂覆选择性吸收涂层；且相变储能装置16内部装有相变材料。

优选地，选择性吸收涂层为黑铬涂层。

优选地，相变材料为水合物、有机物或高分子材料。

优选地，相变材料为十四烷。

优选地，侧板9除散热面8区域外的外表面以及底板7的外表面均包覆有气凝胶隔热毡12。

优选地，电子设备模块5外表面、侧板9内表面以及相变储能装置16下部外表面均粘贴有低发射率镀金薄膜。

优选地，散热面8外表面喷涂有白漆。

优选地，第一支架10、第二支架15和驱动机构11的外表面均粘贴镀银Teflon膜。

优选地，还包括加热器，加热器与驱动机构11连接。

本发明装置采用相变储能装置和热开关相结合的方法，在白天，利用相变材料吸收并储存太阳能，同时利用热开关的可变热导特性实现电子设备模块与相变材料之间的热隔离、电子设备模块与散热面之间的热导通，以解决电子设备模块在白天的散热问题；在夜间，通过在相变储能装置外表面覆盖隔热层实现相变材料与外部空间的热隔离，利用热开关实现电子设备模块与相变材料之间的热导通、电子设备模块与散热面之间的热隔离，以解决电子设备模块在夜间的保温问题。

本发明利用相变材料在白天吸收并储存太阳能、在夜间释放储存的能量，实现对火星着陆器内部电子设备模块的温度控制，避免使用同位素热源和基于流量控制的流体回路等复杂装置，并减少热控分系统对火星着陆器电能的占用，为火星着陆器的长期探测提供了条件，具有广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明适用于火星着陆器的热控制装置的白天工作状态示意图；

图2为本发明适用于火星着陆器的热控制装置的夜间工作状态示意图；

图中：1为第一热开关，2为第二热开关，3为第三热开关，4为第四热开关，5为电子设备模块，6为隔热垫，7为底板，8为散热面，9为侧板，10为第一支架，11为驱动机构，12为气凝胶隔热毡，13为太阳阵，14为光学传感器，15为第二支架，16为相变储能装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图2，一种适用于火星着陆器的热控制装置，包括：第一热开关1、第二热开关2、第三热开关3、第四热开关4、电子设备模块5、隔热垫6、底板7、散热面8、侧板9、第一支架10、驱动机构11、气凝胶隔热毡12、太阳阵13、光学传感器14、第二支架15和相变储能装置16，散热面8与底板7连接，侧板9与散热面8连接，相变储能装置16与侧板9连接，电子设备模块5底部通过隔热垫6与底板7连接，电子设备模块5的两侧边分别通过第三热开关3和第四热开关4连接至散热面8，且电子设备模块5上部通过第一热开关1和第二热开关2与相变储能装置16连接；第一支架10、驱动机构11和第二支架15依次连接，且第一支架10与侧板9连接，太阳阵13与第二支架15连接，光学传感器14设置在太阳阵13上端，驱动机构11根据光学传感器14的太阳光照感应控制第二支架15带动太阳阵13沿水平方向180度转动；气凝胶隔热毡12连接至太阳阵13底部。

进一步地，相变储能装置16上部外表面涂覆选择性吸收涂层，具体的，选择性吸收涂层为选择性吸收的黑铬涂层，该涂层的太阳吸收率大于0.9，红外发射率小于0.1，高吸发比的涂层提高了相变材料吸收太阳能的效率。

进一步地，相变储能装置16内部装有相变材料，相变材料为水合物、有机物或高分子材料。本实施例的相变材料为十四烷（相变温度5.5℃，相变潜热226kJ/kg，比热2.07kJ/[kg·K]）。相变材料也可选择KCl—H₂O水合物（加添加物后相变温度调至5～15℃）、环戊烷（相变温度7.1℃）、十二醇-脂肪酸（相变温度9.3℃）等材料。

进一步地，侧板9除散热面8区域外的外表面以及底板7的外表面均包覆有气凝胶隔热毡12，散热面8外表面喷涂有白漆。

进一步地，电子设备模块5外表面、侧板9内表面以及相变储能装置16下部外表面均粘贴有低发射率镀金薄膜，以减少漏热。第一支架10、第二支架15和驱动机构11的外表面均粘贴镀银Teflon膜，以防止太阳直照时温度过高。

进一步地，驱动机构11上安装加热器，以保证驱动机构11在工作前达到最低工作温度。

本发明的工作过程如下：

在火星白天，如图1所示，相变材料在相变温度T₀下吸收太阳能并通过潜热的方式储存，当相变材料全部熔化后，相变材料的温度开始上升，并通过显热的方式储存。开始阶段，第一热开关和第二热开关闭合，第三热开关和第四热开关断开。当电子设备模块的温度T大于T₁（T₀<T₁<T_h，其中T_h为电子设备模块的温度指标上限）时，第一热开关和第二热开关断开，使电子设备模块与相变储能装置之间由导热连接转变为隔热连接，以防止温度较高的相变材料将热量传给电子设备模块，并使相变材料吸收储存尽量多的太阳能；当电子设备模块的温度T进一步升高至T₂（T₁<T₂<T_h）时，第三热开关和第四热开关闭合，使电子设备模块与散热面之间由隔热连接转变为导热连接，实现电子设备模块的散热；当电子设备模块的温度T降至T₁时，第三热开关和第四热开关断开，使电子设备模块与散热面之间由导热连接转变为隔热连接，以防止电子设备模块的温度进一步快速下降。

到火星夜间，根据光学传感器的太阳光照感应，通过驱动机构驱使太阳阵沿水平方向转动180度，如图2所示。装于太阳阵下端的气凝胶隔热毡覆盖在相变储能装置上表面，以减小相变材料向外部环境的漏热，此外，气凝胶隔热毡在转动过程中可以除去白天附着在相变储能装置上表面的沙尘，以保证第二天相变储能装置吸收太阳能的效率。在火星夜里，当电子设备模块的温度T降至T₃（T_c<T₃<T₀，其中T_c为电子设备模块的温度指标下限）时，第一热开关和第二热开关闭合，使电子设备模块与相变储能装置之间由隔热连接转变为导热连接，相变材料将热量传给电子设备模块，当相变材料开始凝固时，相变材料在相变温度T₀下将热量传给电设备模块，实现电子设备模块的保温。

再到火星白天，根据光学传感器的太阳光照感应，通过驱动机构驱使太阳阵沿水平方向转动180度，如图1所示。如此一个火星昼夜周期，就能利用相变材料在白天吸收并储存太阳能、在夜间释放储存的能量，实现对火星着陆器内部温度要求较高的电子设备模块的温度控制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，包括：第一热开关（1）、第二热开关（2）、第三热开关（3）、第四热开关（4）、电子设备模块（5）、隔热垫（6）、底板（7）、散热面（8）、侧板（9）、第一支架（10）、驱动机构（11）、气凝胶隔热毡（12）、太阳阵（13）、光学传感器（14）、第二支架（15）和相变储能装置（16），所述散热面（8）与所述底板（7）连接，所述侧板（9）与所述散热面（8）连接，所述相变储能装置（16）与所述侧板（9）连接，所述电子设备模块（5）底部通过所述隔热垫（6）与所述底板（7）连接，所述电子设备模块（5）的两侧边分别通过所述第三热开关（3）和第四热开关（4）连接至所述散热面（8），且所述电子设备模块（5）上部通过所述第一热开关（1）和第二热开关（2）与所述相变储能装置（16）连接；所述第一支架（10）、驱动机构（11）和第二支架（15）依次连接，且所述第一支架（10）与所述侧板（9）连接，所述太阳阵（13）与所述第二支架（15）连接，所述光学传感器（14）设置在所述太阳阵（13）上端，所述驱动机构（11）根据所述光学传感器（14）的太阳光照感应控制所述第二支架（15）带动所述太阳阵（13）沿水平方向180度转动；所述气凝胶隔热毡（12）连接至所述太阳阵（13）底部。

2.根据权利要求1所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述相变储能装置（16）上部外表面涂覆选择性吸收涂层；且所述相变储能装置（16）内部装有相变材料。

3.根据权利要求2所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述选择性吸收涂层为黑铬涂层。

4.根据权利要求2所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述相变材料为水合物、有机物或高分子材料。

5.根据权利要求4所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述相变材料为十四烷。

6.根据权利要求1所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述侧板（9）除散热面（8）区域外的外表面以及底板（7）的外表面均包覆有气凝胶隔热毡（12）。

7.根据权利要求1所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述电子设备模块（5）外表面、侧板（9）内表面以及相变储能装置（16）下部外表面均粘贴有低发射率镀金薄膜。

8.根据权利要求1所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述散热面（8）外表面喷涂有白漆。

9.根据权利要求1所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，所述第一支架（10）、第二支架（15）和驱动机构（11）的外表面均粘贴镀银Teflon膜。

10.根据权利要求1所述的适用于火星着陆器的热控制装置，其特征在于，还包括加热器，所述加热器与所述驱动机构（11）连接。