嫦娥三号任务圆满成功的标志是:探测器安全着陆月面,巡视器成功转移到月面并行驶,着陆器、巡视器完成互拍并获得图像,即“落下去、走起来”。而探测器安全落月后面临的最大难关,就是如何经受住月球昼夜极端温差的考验而“存活”下来。
月球表面白昼时温度高达约120摄氏度,黑夜时低至约零下180摄氏度,尤其是月面上的昼、夜时长分别为地球时间14天左右。为了在极端环境下顺利完成任务,必须保证月球车在长时间极端温度条件下能够正常工作。
为适应极端温差,设计人员在热控方面做了一些特殊设计。比如,月球车热控分系统利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素核源,可耐受零下180至零上120摄氏度的极限温度。工作时的舱内温度可以控制在零下20至零上50摄氏度之间。
“这好比,如果冬天屋里比较冷,就盖被子和生炉子;夏天天热的时候,就开空调。”嫦娥三号探测器系统总设计师孙泽洲介绍,着陆器和巡视器外面都包有多层隔热组件,如同日常生活中的被子,把机器整个给包起来。但这被子并不普通,而是双向隔热的,热量不能往里传,也不能往外漏。
所谓炉子,就是指安装在探测器里发热用的同位素核源。它可以持续往外放热,整个月夜着陆器和巡视器都靠它来提供热量。但是,这个炉子传热还是需要控制的,需要热的时候传,不需要的时候不能传。
到了月昼的时候比较热,月面温度高达约120摄氏度,这个时候就需要给探测器开空调。可是,在高温下,空调机器工作时产生的热量怎么散出去?
“在地面可以用冷却剂来散热,而在月面就只能用辐射方式散热。我们在探测器上设计了几个特殊的散热面,这样就可以在月昼的时候把热量传出去。散热面的朝向、面积、表面特性都是经过专门的计算和设计,能适应落月以后的高温环境。”孙泽洲说。
据介绍,在热控系统设计时,白昼散热和月夜保温需要结合起来考虑,可变导热管的安装很好地解决了这个问题。在嫦娥三号探测器的整个地月转移、环月、落月过程中,可变导热管都是工作的。这个过程中,为防止月球红外普照等因素引起的高温,可通过可变导热管把热量从设备传到散热面排散出去。而到了月夜,又可以把散热通道断开,同位素核源打开,从而满足保温要求。
进入月夜,着陆器和巡视器全部断电,进入休眠模式,完全靠同位素核源来提供热量。“快要进入月夜时,巡视器就把桅杆收起来。同时,它的一个正太阳翼也收拢,像被子一样盖在舱上,然后就全部断电。经过一个月夜(相当于地球14天)后,巡视器通过唤醒电路,把电池接通并继续工作。着陆器过月夜的原理大概也是这样的。”专家说,“其实,能平稳度过一个月夜我们就相当于达到满分了。”