用气氮调温系统实现火星表面昼夜温度模拟

王宇辰，杜 鹏，解 峥

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

火星是人类目前为止探测次数最多的行星。从1960年开始至今，人类已经实施了40余次火星探测任务，其中到达火星表面的探测器包括“海盗一号”“海盗二号”“勇气号”“机遇号”“好奇号”等[1]。火星表面大气压一般为600～1000 Pa，主要成分为CO2，表面温度-110～20 ℃，同时表面风速为0～15 m/s[2]，因此火星环境相比常规的航天器轨道环境更为复杂。历史上有多个火星探测器由于对环境认识不充分而在到达火星表面后失效或局部失效[3]。目前各宇航机构更倾向于在地面对火星探测器开展包括低气压、气体成分、温度、风速的综合环境试验，以达到修正航天器热模型、验证系统在极端环境下工作性能等目的。

为满足我国目前正在研制的火星车的试验需求，本文通过分析火星表面复杂热环境和NASA类似试验，结合气氮调温系统进行计算，实现火星表面瞬态热环境模拟。

1 火星表面热环境

火星自转1周用时约为24 h 37 min，与地球类似，昼夜变化使火星表面大气温度相应改变。由于火星大气层很薄，难以通过大气运动传递表面的热量，所以在1个火星昼夜内其表面温度变化较大。“海盗号”着陆器对其着陆点的大气温度进行了测量（见图1[4]）：2个着陆点的夏季平均温度为-60 ℃，昼夜温度变化约为50 ℃；冬季最低温度达-120 ℃，日温度变化达80 ℃。火星两极的整个冬季温度低于-123 ℃，使得火星大气环境中的主要成分CO2冻结成白色沉积物，形成极冠；极冠的季节性循环，使火星表面的总气压波动达30%[5]。

图1 “海盗号”着陆点大气温度日变化Fig. 1 Diurnal variation of atmospheric temperature at Viking’s landing site

火星巡视器发射前需要在地面经历充分的验证，这就要求在地面模拟火星表面的大气环境，其中火星表面随着昼夜快速变化的温度环境是极为重要的模拟要素。如“火星探路者”计划中的“旅居者号”探测器，在地面设计了专用试验装置来模拟昼夜火星环境，包括火星表面温度、星表气体温度，图2[6]所示为火星漫游车展开时，在昼夜瞬态温度工况下的测试热响应。

图2 火星环境温度模拟曲线Fig. 2 The simulation of Mars ambient temperature

2 火星表面热环境模拟系统

火星表面热环境需要模拟较大温度范围的低压环境，这无法通过常规的环模设备实现，气氮调温系统采用液氮、气氮调温结合电加热器的方式实现温度调节，可以满足试验需求[7]。通过气氮调温系统来实现火星表面热环境模拟的原理如图3所示，系统的主要部件包括氮气压缩机、换热器、气体调节器、加热电炉和热沉等。

压缩机为气氮调温系统提供气体循环的动力，高温高压氮气从压缩机出口进入换热器，与来自热沉出口的低温低压氮气进行热交换。换热器一方面可使回到压缩机的低压气体温度得到回升，防止低温氮气进入压缩机造成设备损坏；另一方面可回收大量的冷量，以减少系统需要补充的液氮用量。从换热器出来的高压低温气体进入气体调节器，与补充进来的少量液氮混合，形成低于目标温度的低温气体，再经过各路电炉的调温进入热沉，可为空间环境模拟器真空容器提供150～350 K范围内可调节的环境温度。

图3 气氮调温系统Fig. 3 The gas nitrogen thermostat system

火星环境模拟热试验时，空间环境模拟器容器内部通过压力控制系统维持在火星极限压力150 Pa和1400 Pa的低压环境，为了防止CO2分子在低温工况时凝结在热沉上，在试验中用氮气代替CO2气体。氮气为分子结构对称的双原子气体，无发射和吸收辐射的能力，为热辐射的透明体，因此其与热沉之间的换热以对流换热为主。采用热电偶测量氮气环境温度，为了减少与热沉之间的辐射换热对热电偶测量精度的影响，在热电偶热结点上贴敷镀铝膜，以降低其发射率，并在热电偶外围罩装聚四氟乙烯圆柱筒，如图4所示。在试件周围距离每个舱板中心0.2 m处各布置1个这样的气体温度测量传感器，以准确测量容器内的环境温度。

图4 热电偶测量气体温度Fig. 4 Temperature measurement of gas by thermocouple

气氮调温系统中，气体调节器通过液氮补充阀的开度来实现其出口的温度控制，是系统内唯一的降温装置；电炉通过调节加热功率控制热沉进口处的温度，可以控制进入热沉的气体温度，事实上形成了如图5所示通过气体调节器和电炉进行二级温度控制的能量传递链。

图5 气氮调温系统能量传递链Fig. 5 The energy transfer chain of the gaseous nitrogen thermostat system

3 火星表面热环境温度模拟方法

火星表面温度随时间变化，热环境温度模拟时期望的目标温度曲线如图6所示，其中：红色曲线是150 Pa环境下的高温曲线，在日出前到达最低温度-92 ℃，随即快速上升到最高温度5 ℃，然后温度下行，日落进入黑夜后降温速度变缓；黑色曲线为1400 Pa环境下的低温曲线，与150 Pa环境下的温度曲线趋势一致，按照最低温度-105 ℃—快速上升—高温-30 ℃缓和—快速下行—慢速下行的几个阶段变化。

图6 火星表面热环境模拟目标温度曲线Fig. 6 The target temperature curves of Mars ambient temperature simulation

由于容器内气体和壁面存在对流换热，试验区气体温度和热沉之间存在一定的温度差；同时为了配合火星车及其他试验设备，须对试验过程中的特定时刻温度进行实时控制，因此需要消除由于气体存在热容而导致的控制时间差。

在模拟火星昼夜环境时，首先需要对目标气体温度所对应的热沉温度进行计算。试验过程中，系统环境为150 Pa和1400 Pa的低气压，气体为连续介质流动[8]，热沉与容器壁面之间通过容器内的稀薄气体自然对流和热辐射进行换热，在热沉外侧装有不锈钢板制成的防辐射屏，热沉向壁面的辐射传热约为

式中：Ts为热沉温度，试验过程中最低为-120 ℃；Tb为容器壁边界温度，试验过程中基本为常温20 ℃；Tf为防辐射屏温度。计算得出辐射漏热最大为7.42 W/m2，相比于对流传热，可以忽略。

试验区气体与热沉的换热为

式中Ta为气体温度，试验中通过热电偶进行测量。

对于气体温度测点，有：

式中CV为试验区气相空间的平均比热容。

对流换热系数可以使用对流换热准则式进行计算，但常规的准则式集中针对常压和高压流体，同时气体温度测点的等效热容也难以确定，故只能通过实际测得的试验数据进行计算。

整理式(2)、式(3)可以得到：

试验过程中，可以测得空气测点和各路热沉温度点的温度。通过前期的调试，获得至少1个周期的试验数据，取6个气体温度测量点的测温平均值和所有热沉温度的平均值代入式(4)进行拟合计算，得到不同压力下各项系数的数值，如表1所示。

表1 不同传热环境下的传热拟合系数Table 1 Fitting coefficients in different heat transfer environments

从表1中各项数据可以看出，不同真空度下辐射传热系数基本一致，主要差异来自于因为真空度变化带来的气体自然对流传热变化，1400 Pa下自然对流换热强度大概是150 Pa下的3倍。将换热系数及瞬态工况目标曲线离散化后代回式(4)，即为关于每一时刻的热沉温度的4次方程，计算出不同目标气体温度对应的理想热沉温度，可形成定时温度控制表单，分阶段对气体调节器出口和热沉进口进行温度设置，并进行试验测试，最终试验效果如图7所示。

图7 空间环境模拟器内昼夜气体温度模拟效果Fig. 7 Diurnal gas temperature simulation by the environmental simulator

由图7可见，实测气体温度与目标温度曲线吻合较好，进一步分析二者的差值发现，如图8所示，大部分情况下实测温度与目标温度间的差值小于5 ℃，最大温差小于10 ℃，不同周期内的温度偏差较大的时刻在快速升降温阶段。对比理想热沉温度发现，在快速升温阶段，热沉实际温度要比理想温度有一定的滞后，因为由式(4)计算出的升降温转变时刻理想热沉温度会有一个突变，即离散化求解式(4)时左侧正负变化使得最终解构成的曲线不连续，需要在温度快速变化区进一步细化设置来消除。

图8 实测气体温度与目标曲线温差Fig. 8 Temperature difference of gas between measured and target value

为了进一步验证曲线的重复性，对3个周期内对应时刻的温度进行比较，求其标准差

结果如图9所示，低温曲线不同周期内对应时刻的标准差小于1 ℃，高温曲线不同周期内对应时刻的标准差小于0.2 ℃，说明温度曲线具有良好的重复性，对试验温度的波动不敏感，具备充分验证温度环境的条件。

图9 不同周期对应时刻温度标准差Fig. 9 Standard deviation at the corresponding time in different cycles

4 结束语

为了在地面模拟环境中达到修正火星探测器热模型，验证探测器在火星极端昼夜温度变化环境下的工作能力等目的，需要对容器内低压环境下的气体温度变化进行实时监控。本文介绍了气氮调温系统的原理，以及实现火星表面热环境温度模拟的方法。试验结果表明，该系统可实现在150 Pa和1400 Pa低气压下火星昼夜温度环境随时间变化的瞬态工况模拟，试验过程中气体温度与目标温度最大相差不超过10 ℃，而且多个周期的重复性良好。

随着火星探测器相关试验的开展，火星表面昼夜温度模拟技术也将得到进一步的应用，为我国火星探测技术提供服务。