中文核心期刊

中国科技核心期刊

中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊

中国高校百佳科技期刊

中国宇航学会深空探测技术专业委员会会刊

高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

“天问一号”火星环绕器推进管路热控设计与分析

张玉花,杨金,盛松,印兴峰,徐亮

张玉花, 杨金, 盛松, 印兴峰, 徐亮. “天问一号”火星环绕器推进管路热控设计与分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
引用本文: 张玉花, 杨金, 盛松, 印兴峰, 徐亮. “天问一号”火星环绕器推进管路热控设计与分析[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
ZHANG Yuhua, YANG Jin, SHENG Song, YIN Xingfeng, XU Liang. Research on the thermal design of the propulsion pipeline on the Tianwen-1 Mars Orbiter[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
Citation: ZHANG Yuhua, YANG Jin, SHENG Song, YIN Xingfeng, XU Liang. Research on the thermal design of the propulsion pipeline on the Tianwen-1 Mars Orbiter[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086

“天问一号”火星环绕器推进管路热控设计与分析

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
基金项目:中国火星探测工程资助项目
详细信息
    作者简介:

    (1968− ),女,研究员,主要研究方向:探月与深空探测器设计。通讯地址:上海市闵行区元江路3888号(201109)电话:(021)24180070E-mail:564786470 @qq.com

  • ● The thermal control method for the propulsion pipeline of the Mars Orbiter is proposed. ● The analysis shows that solar radiation has a great influence on the external pipeline. ● The number of layers has great influence on the external pipeline.
  • 中图分类号:V47

Research on the thermal design of the propulsion pipeline on the Tianwen-1 Mars Orbiter

  • 摘要:针对火星探测器空间环境特点和热控设计难点,提出了一种适用于火星环绕器的推进管路热控设计方法,通过采用优化的加热功率、合适的多层层数和适宜的加热器分区实现地火空间复杂外热流下的管路控温。将该方法在“天问一号”火星环绕器推进管路设计中进行分析与验证,对影响热控设计的因素如舱内外环境温度变化、管路是否有工质、是否受太阳照射、包覆多层层数以及加热功率等进行了分析。研究表明,该方法具有高度环境适应性,在环绕器飞行全过程及变轨条件下均能适应。未来需重点关注管路加热功率的设计和舱外多层包覆层数的影响,舱外管路受阳光照射影响大,设计时应尽量避免阳光照射。以上研究结果可为后续深空探测推进管路热控设计提供一定的参考。
    Highlights
    ● The thermal control method for the propulsion pipeline of the Mars Orbiter is proposed. ● The analysis shows that solar radiation has a great influence on the external pipeline. ● The number of layers has great influence on the external pipeline.
  • 图 1管路局部布局图

    Fig. 1The partial layout of the pipe

    图 2探测器舱内管路热控包覆状态与舱外管路热控包覆状态

    Fig. 2The thermal control multilayer coating state of the detector in the cabin and out of the cabin

    图 3管路加热器占空比

    Fig. 3The power ratio of the heater on the pipe

    图 4探测器管路试验温度与在轨温度比较

    Fig. 4The comparison of the test and on-orbit temperature of the pipe

    图 5推进管路测点2#位置

    Fig. 5The position of the temperature point 2 # on the pipe

    图 6推进管路测点2#温度曲线

    Fig. 6The temperature curve of the point 2# on the pipe

    图 7舱外管路热控包覆10层与舱外管路热控包覆20层

    Fig. 7The thermal control multilayer coating state of the detector in the cabin and out of the cabin

    图 8不同多层层数温度比较

    Fig. 8The comparison of the temperature under different number of layers

    图 9起飞过程管路温度曲线

    Fig. 9The temperature curve of the pipe in the process of the rocket take off

    表 1推进管路温度统计

    Table 1The temperature of the pipe

    推进管路测点 指标/℃ 指标/℃ 温度/℃ 温度/℃ 指标
    名称 下限 上限 下限 上限 符合性
    X氧管壁温度2 –5 60 21.2 34.3 符合
    Z氧管壁温度1 –5 60 21.9 28.9 符合
    Z氧管壁温度2 –5 60 15.0 20.4 符合
    Z氧管壁温度1 –5 60 15.7 21.2 符合
    Z氧管壁温度2 –5 60 9.9 15.7 符合
    X燃管壁温度1 –5 60 3.8 13.7 符合
    X燃管壁温度2 –5 60 5.0 10.6 符合
    Z燃管壁温度1 –5 60 12.5 23.3 符合
    Z燃管壁温度2 –5 60 35.3 40.6 符合
    Z燃管壁温度1 –5 60 17.0 21.9 符合
    Z燃管壁温度2 –5 60 13.7 17.7 符合
    氧化电动气阀测温 –5 60 13.7 18.4 符合
    燃料电动气阀测温 –5 60 15.0 21.9 符合
    Z燃管壁温度3 –5 60 2.5 5.5 符合
    Z氧管壁温度3 –5 60 31.8 40.1 符合
    Z燃管壁温度3 –5 60 9.3 19.0 符合
    X氧管壁温度3 –5 60 0.5 3.2 符合
    X氧管壁温度4 –5 60 19.0 23.3 符合
    X燃管壁温度3 –5 60 0.7 5.0 符合
    X燃管壁温度4 –5 60 17.0 20.4 符合
    自锁阀LVg9温度 –5 60 17.0 19.7 符合
    自锁阀LVg10温度 –5 60 17.7 19.7 符合
    加排MLVg4温度 –5 60 24.1 28.9 符合
    加排MLVg3温度 –5 60 23.3 27.2 符合
    单向DVg1温度 –5 60 8.1 9.3 符合
    单向DVg2温度 –5 60 7.5 8.7 符合
    加排MLVg5外壁温度 –5 60 23.3 25.6 符合
    下载: 导出CSV

    表 2推进管路加热器占空比统计

    Table 2The power ratio of the heater on the pipe

    飞行
    时间
    管路加
    热器1
    管路加
    热器2
    管路加
    热器3
    管路加
    热器4
    管路加
    热器5
    管路加
    热器6
    2020.07.25 0.75 0.59 0.50 0.66 0.53 0.67
    2020.08.15 0.90 0.75 0.50 0.79 0.42 0.71
    2020.09.01 0.81 0.71 0.52 0.73 0.48 0.68
    2020.09.15 0.87 0.73 0.52 0.74 0.55 0.82
    占空比
    增量
    0.12 0.14 0.02 0.08 0.02 0.15
    下载: 导出CSV

    表 3推进管路测温2的温度变化

    Table 3The temperature of the point 2# on the pipe

    项目 时间 温度/℃ 升温
    速率/(℃·h–1
    推进管路2
    测温
    2020.07.30.09:00 19.1
    2020.07.30.16:00 35.3 2.3
    2020.07.31.03:30 47.1 1.0
    下载: 导出CSV

    表 4不同管径特性比较

    Table 4The characteristic of different pipe diameters

    项目 管径Φ6 管径Φ8 管径Φ14
    管路加热功率/(W·m–1 1.00 1.00 1.80
    起飞过程升温速率/(℃·min–1 0.33 0.25 –0.18
    加热器占空比 0.45 0.25 0.18
    下载: 导出CSV
  • [1] PARIS A D, DUDIK B A, FISHER M L. Thermal control of the Mars science laboratory spacecraft propellant lines—design architecture and analytical modeling[C]//AIAA 2011-5117. AIAA: Portland, 2011.
    [2] BHANDARI P, BIRUR G, PAUKEN M, et al. Mars science laboratory thermal control architecture[C]//35th International Conference on Environmental Systems (ICES) Rome. [S. l]: Italy , 2005.
    [3] NOVAK K S, PHILLIPS C J, BIRUR G C, et al. Development of a thermal control architecture for the Mars exploration rovers[C]// Space Technology and Applications International Forum-STAIF 2003. Jet Propulsion Laboratory: California, 2003.
    [4] SHAUGHNESSY B M. Development of the thermal design for the beagle 2 Mars lander[C]//International Conference On Environmental Systems. USA: SAE International , 2004.
    [5] 孙泽洲,饶炜,贾阳,等. “天问一号”火星探测器关键任务系统设计[J]. 空间控制技术与应用,2021,47(5):9-16.doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.05.002

    SUNZ Z,RAO W,JIA Y,et al. Key mission system design of Tianwen-1 Mars probe[J]. Aerospace Control and Application,2021,47(5):9-16.doi:10.3969/j.issn.1674-1579.2021.05.002
    [6] 朱新波,谢攀,徐亮,等. “天问一号”火星环绕器总体设计综述[J]. 航天返回与遥感,2021,42(3):1-12.

    ZHU X B,XIE P,XU L,et al. Summary of the overall design of Mars orbiter of Tianwen-1[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2021,42(3):1-12.
    [7] 杨金,朱新波,印兴峰,等. 航天器帆板温度受火星热流的影响分析[J]. 南京航空航天大学学报,2021,53(4):578-582.doi:10.16356/j.1005-2615.2021.04.011

    YANG J,ZHU X B,YIN X F,et al. Effects of the Mars flux on the solar panel temperature of the spacecraft[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2021,53(4):578-582.doi:10.16356/j.1005-2615.2021.04.011
    [8] 薛淑艳,贾阳,张冰强,等. 祝融号火星车纳米气凝胶隔热装置设计及应用[J]. 航空学报,2022,43(3):626586.

    XUE S Y,JIA Y,ZHANG B Q,et al. Design of nano-aerogel thermal issulation device and its application in Zhurong Mars Rover[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2022,43(3):626586.
    [9] MENG Q Y,WANG D,WANG X D. High Resolution Imaging Camera (HiRIC) on China’s first Mars exploration Tianwen-1 mission[J]. Space Science Reviews,2021,217:42.doi:10.1007/s11214-021-00823-w
    [10] YEN A S,MING D W,VANIMAN D T. Multiple stages of aqueous alteration along fractures in mudstone and sandstone strata in Gale Crater,Mars[J]. Earth and Planetary Science Letters,2017,4(37):186-198.
    [11] PIMENTA M,HUOT J P,DALY E. A model for Mars radiation environment characterization[J]. IEEE Transactions On Nuclear Science,2005,52(6):12.
    [12] 侯增祺, 胡金刚. 航天器热控制技术[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2007.

    HOU Z Q, HU J G. Spacecraft thermal control[M]. Beijing: Science Press, 2007.
  • [1] 张顺波, 任红宇, 靳春帅, 刘伟栋, 李春晖, 李勇.火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
    [2] 王森, 朱新波, 汪栋硕, 张旭光, 杨同智.火星环绕器全链路时间标定及发射日授时方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210091
    [3] 张玉花, 朱新波, 谢攀, 徐亮.火星环绕探测发展现状与趋势. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220008
    [4] 尹力, 叶乐佳, 邸凯昌, 刘斌, 孙小珠, 王长焕, 薄正.坡度变化率建模的低分辨率坡度补偿方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210161
    [5] 于登云, 邱家稳, 向艳超.深空极端热环境下热控材料研究现状与发展趋势. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210042
    [6] 尕永婧, 王浩苏, 张青松, 徐珊姝, 吴义田.垂直着陆过程推进剂流动行为特性及影响分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200012
    [7] 艾素芬, 向艳超, 雷尧飞, 薛淑艳, 沈宇新, 殷雷, 刘佳, 陈维强.火星车低密度纳米气凝胶隔热材料制备及性能研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200036
    [8] 石海平, 陈燕, 贾阳, 屈严, 刘治钢, 王文强, 彭松.太阳电池阵火星环境发电建模仿真. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200042
    [9] 韩意, 陈明, 段成林, 李翠兰.航天器太阳光压面积影响因素仿真分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190808010
    [10] 孔令高, 张爱兵, 田峥, 郑香脂, 王文静, 刘勇, 丁建京.自主火星探测高集成离子与中性粒子分析仪. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.005
    [11] 申智春, 林小艳, 程坤, 王海鹏.火星探测器器箭分离冲击响应影响分析与评价. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.012
    [12] 舒嵘, 徐卫明, 付中梁, 万雄, 袁汝俊.深空探测中的激光诱导击穿光谱探测仪. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.007
    [13] 解家春, 霍红磊, 苏著亭, 赵泽昊.核热推进技术发展综述. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.05.003
    [14] 李建军, 王大轶.摄动因素对火星环绕段轨道长期影响研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.012
    [15] 于正湜, 崔平远.行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.04.006
    [16] 饶炜, 孙泽洲, 孟林智, 王闯, 吉龙.火星着陆探测任务关键环节技术途径分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.004
    [17] 孟林智, 董捷, 许映乔, 王硕.无人火星取样返回任务关键环节分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.003
    [18] 杨懿, 金双根, 薛岩松.利用CRISM数据探测火星表面含水矿物及其演化. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.015
    [19] 贾巍, 倪家伟, 黄三玻, 宗魏, 肖杰, 王训春, 池卫英.火星尘埃对太阳电池阵的影响与电帘除尘研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.010
    [20] 徐青, 耿迅, 蓝朝祯, 邢帅.火星地形测绘研究综述. 深空探测学报(中英文),
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:35
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2021-09-16
  • 修回日期:2022-08-08
  • 网络出版日期:2023-03-02

“天问一号”火星环绕器推进管路热控设计与分析

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
    基金项目:中国火星探测工程资助项目
    作者简介:

    (1968− ),女,研究员,主要研究方向:探月与深空探测器设计。通讯地址:上海市闵行区元江路3888号(201109)电话:(021)24180070E-mail:564786470 @qq.com

  • ● The thermal control method for the propulsion pipeline of the Mars Orbiter is proposed. ● The analysis shows that solar radiation has a great influence on the external pipeline. ● The number of layers has great influence on the external pipeline.
  • 中图分类号:V47

摘要:针对火星探测器空间环境特点和热控设计难点,提出了一种适用于火星环绕器的推进管路热控设计方法,通过采用优化的加热功率、合适的多层层数和适宜的加热器分区实现地火空间复杂外热流下的管路控温。将该方法在“天问一号”火星环绕器推进管路设计中进行分析与验证,对影响热控设计的因素如舱内外环境温度变化、管路是否有工质、是否受太阳照射、包覆多层层数以及加热功率等进行了分析。研究表明,该方法具有高度环境适应性,在环绕器飞行全过程及变轨条件下均能适应。未来需重点关注管路加热功率的设计和舱外多层包覆层数的影响,舱外管路受阳光照射影响大,设计时应尽量避免阳光照射。以上研究结果可为后续深空探测推进管路热控设计提供一定的参考。

注释:
1) ● The thermal control method for the propulsion pipeline of the Mars Orbiter is proposed. ● The analysis shows that solar radiation has a great influence on the external pipeline. ● The number of layers has great influence on the external pipeline.

English Abstract

张玉花, 杨金, 盛松, 印兴峰, 徐亮. “天问一号”火星环绕器推进管路热控设计与分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
引用本文: 张玉花, 杨金, 盛松, 印兴峰, 徐亮. “天问一号”火星环绕器推进管路热控设计与分析[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
ZHANG Yuhua, YANG Jin, SHENG Song, YIN Xingfeng, XU Liang. Research on the thermal design of the propulsion pipeline on the Tianwen-1 Mars Orbiter[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
Citation: ZHANG Yuhua, YANG Jin, SHENG Song, YIN Xingfeng, XU Liang. Research on the thermal design of the propulsion pipeline on the Tianwen-1 Mars Orbiter[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
参考文献 (12)

返回顶部

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map