CN111924134B - 一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，属于深空探测任务穿透式探测器热控设计技术领域。该缓冲隔热结构包括：穿透器壳体，载荷，板弹簧，所述穿透器壳体内部开设有安装腔，所述安装腔与穿透器壳体的外部之间设有相连通用的间隙；穿透器壳体为载荷及板弹簧提供支撑，穿透器侵入地外天体的低温土壤后，穿透器壳体与低温土壤直接接触。本发明提供的用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构以较小的体积和重量代价，尽可能减小穿透器内部载荷与壳体间的漏热，可同时满足缓冲防护和隔热保温要求，以确保内部载荷在极低温环境中能正常可靠工作。
Description
技术领域
本发明涉及深空探测任务穿透式探测器热控设计技术领域，更具体的说是涉及一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构。
背景技术
穿透式探测器(penetrator，以下简称穿透器)是一种地外天体原位探测的有效手段，其借鉴侵彻弹的相关技术，采用硬着陆方式高速侵入天体表层土壤一定深度，并保护内部探测仪器在极高过载条件下的存活以开展科学探测。穿透器尤其适于在软着陆探测器难以到达的区域开展天体表层及次表层就位探测，其成本低，应用灵活，具有独特的优势。针对月球、火星、木卫二等地外天体探测，国际上陆续提出过多项穿透器任务，诸如Mars-96、DS-2、Lunar-A、Moon-LITE、Polar Night、Akon等，但遗憾的是，大部分穿透器任务仍处于概念研究或可行性论证阶段，少数进入工程研制的任务也由于不同原因，迄今还没有任何一项任务取得完全成功。
穿透器高速侵入地外天体表面时，撞击过程中将产生巨大的冲击，瞬时冲击过载可达上万g(g＝9.8m/s2)甚至更高。此外，穿透器有可能工作于地外天体的极低温度环境中，如月球极地永久阴影区、木卫二冰层下……温度可低至-100℃～-200℃左右。穿透器壳体被低温土壤介质覆盖后将处于不利的低温热传导环境中，内部仪器设备的热控制将面临更苛刻的要求。因此，极高过载与极端低温的耦合，再加上穿透器自身体积、重量、能源等可用资源的严苛约束，给穿透器的热控设计带来了严峻的挑战。而由于穿透器所面临的环境条件以及资源约束的特殊性，航天器热控制的常规手段往往并不适用于穿透器，目前仍缺乏针对穿透器过载防护和漏热控制的缓冲隔热有效方案，以满足穿透器在极端力、热条件下的存活。
发明内容
本发明针对地外天体穿透器在侵彻及探测过程中面临的极高过载及低端低温条件，提出一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，以较小的体积和重量代价，尽可能减小穿透器内部载荷与壳体间的漏热，可同时满足缓冲防护和隔热保温要求，以确保内部载荷在极低温环境中能正常可靠工作。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，包括：穿透器壳体，所述穿透器壳体内部开设有安装腔，所述安装腔与穿透器壳体的外部之间设有相连通用的间隙；载荷，所述载荷为对天体表层及次表层就位探测的仪器设备，所述载荷设置在所述安装腔内；板弹簧，所述板弹簧安装在载荷上，用于将载荷与安装腔的侧壁相分离；辐射隔热层，所述辐射隔热层安装在安装腔的内表面和/或载荷的外表面。
进一步的，所述穿透器壳体的一端设有用于侵彻天体表层土壤的锥形部。
进一步的，对所述安装腔的内表面和/或载荷的外表面进行抛光处理。
进一步的，对所述安装腔的内表面和/或载荷的外表面进行镀金处理。
进一步的，所述板弹簧采用碳纤维复合材料或玻纤复合材料制成。
进一步的，所述板弹簧呈拱形，所述板弹簧包括拱形端和支脚端，所述拱形端固定连接在载荷上，所述支脚端抵靠在安装腔的内表面。
进一步的，所述辐射隔热层为金属镀层或多层隔热材料。
进一步的，所述辐射隔热层的厚度为1mm-5mm。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明采用的板弹簧缓冲隔热结构可同时解决穿透器内部载荷在极高过载下的缓冲防护问题以及极低温下的隔热保温问题，依靠材料优选和结构设计，实现方式简洁可靠。初步仿真结果表明，板弹簧若采用碳纤维材料，在内外温差接近200℃的情况下，可将单个板弹簧的传导漏热控制在0.5W以内。
附图说明
图1是本发明的一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构的结构示意图；
图中标记：1-穿透器壳体，2-载荷，3-辐射隔热层，4-板弹簧。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1:
如图1所示，一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，包括：穿透器壳体1，载荷2，板弹簧4，所述穿透器壳体1内部开设有安装腔，所述安装腔与穿透器壳体1的外部之间设有相连通用的间隙；穿透器壳体1为载荷2及板弹簧4提供支撑，穿透器侵入地外天体的低温土壤后，穿透器壳体1与低温土壤直接接触。
所述载荷2为对天体表层及次表层就位探测的仪器设备，所述载荷2设置在所述安装腔内；载荷2是穿透器内部的仪器设备，是缓冲隔热结构的防护对象，需确保载荷2在高过载及低温环境中有效存活。
所述板弹簧4安装在载荷2上，用于将载荷2与安装腔的侧壁相分离；安装腔与载荷2之间的侧向间隙不小于8mm，两端间隙不小于20mm，其中，间隙均指的是单边间隙，两端的间隙之所以较大，是考虑到在穿透器侵入地外天体的低温土壤时的高过载需要较大的缓冲空间，因此，板弹簧4的厚度也需要相应的增大。
板弹簧4是缓冲隔热结构的核心部件，用螺钉与载荷2固定。板弹簧4采用高强度和低热导的复合材料，例如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料，弹簧片厚度不小于3mm。载荷2两端的板弹簧4为“十”字形，两个端面各安装1个。载荷2的侧面板弹簧4为“一”字形，安装两圈，每一圈两个板弹簧4之间间隔90°，共安装8个。
所述板弹簧4呈拱形，所述板弹簧4包括拱形端和支脚端，所述拱形端固定连接在载荷2上，所述支脚端抵靠在安装腔的内表面。
在满足过载防护对材料强度要求的前提下，若板弹簧4采用更低热导率的材料，或者板弹簧4与安装腔的接触面即支脚端安装有低导热垫片，所述低导热垫片采用碳纤维复合材料或玻纤复合材料制成，增加了一层隔热层，将进一步降低传导漏热。
辐射隔热层3，所述辐射隔热层3安装在安装腔的内表面和/或载荷2的外表面。辐射隔热层3可采用金属镀层，优选为镀金或镀银处理。在安装腔的内表面以及载荷2的外表面进行镀金属层。或者在安装腔的内表面和载荷2的外表面粘贴多层隔热材料(MLI)，所述辐射隔热层3的厚度为1mm-5mm，优选为厚度2mm左右。金属层和MLI具有极低的发射率，可减小载荷2与壳体之间的辐射换热。
在穿透器壳体1与内部载荷2之间采用板弹簧4支撑结构进行隔离。板弹簧4采用高强度、低导热的复合材料(如碳纤维复合材料、玻纤复合材料)，用螺钉固定于载荷2。穿透器高速侵入天体表层土壤时，瞬态冲击使板弹簧4发生一定形变，降低传递到内部载荷2的过载，从而起到缓冲作用。
侵彻过程结束后，板弹簧4恢复形变，载荷2与穿透器壳体1之间的空隙在太空环境下形成真空，两者之间的传热以热辐射为主，热传导的路径只有板弹簧4，而板弹簧4选用低导热材料，且与壳体接触面积小，可显著减小载荷2向壳体的漏热。
此外，为进一步减小两者间的辐射漏热，可对载荷2外表面以及安装腔的内表面进行抛光处理或者进行镀金处理，即减小热辐射表面的发射率。也可在载荷2外表面和安装腔的内表面粘贴多层隔热材料(MLI)，MLI在真空条件下具有非常好的隔热性能。
优选的，所述穿透器壳体1的一端设有用于侵彻天体表层土壤的锥形部。锥形部便于侵彻天体表层土壤，且能有效降低传递到内部载荷2的过载。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，其特征在于，包括：
穿透器壳体(1)，所述穿透器壳体(1)内部开设有安装腔，所述安装腔与穿透器壳体(1)的外部之间设有相连通用的间隙；
载荷(2)，所述载荷(2)为对天体表层及次表层就位探测的仪器设备，所述载荷(2)设置在所述安装腔内；
板弹簧(4)，所述板弹簧(4)安装在载荷(2)上，用于将载荷(2)与安装腔的侧壁相分离；
辐射隔热层(3)，所述辐射隔热层(3)安装在安装腔的内表面和/或载荷(2)的外表面；
所述板弹簧(4)采用碳纤维复合材料或玻纤复合材料制成；
所述板弹簧(4)的支脚端设有低导热垫片。
2.根据权利要求1所述的一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，其特征在于，所述穿透器壳体(1)的一端设有用于侵彻天体表层土壤的锥形部。
3.根据权利要求1所述的一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，其特征在于，对所述安装腔的内表面和/或载荷(2)的外表面进行抛光处理。
4.根据权利要求1所述的一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，其特征在于，对所述安装腔的内表面和/或载荷(2)的外表面进行镀金处理。
5.根据权利要求1所述的一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，其特征在于，所述板弹簧(4)呈拱形，所述板弹簧(4)包括拱形端和支脚端，所述拱形端固定连接在载荷(2)上，所述支脚端抵靠在安装腔的内表面。
6.根据权利要求1所述的一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，其特征在于，所述辐射隔热层(3)为金属镀层或多层隔热材料。
7.根据权利要求1所述的一种用于地外天体穿透式探测的缓冲隔热结构，其特征在于，所述辐射隔热层(3)的厚度为1mm-5mm。
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