面向月球至火星任务的热真空设施升级与低温空间环境模拟研究

本刊推荐一项关于热真空(TVAC)设施升级的重要研究。该研究通过安装可拆卸低温遮阳罩(LN2冷却)，成功模拟近地轨道(100-150km)与行星表面极端环境(-187°C)。该系统冷却速率达-3~-5K/min，满足ISO 19683航天器认证标准，为月球至火星任务中的极端环境防护技术提供了关键地面验证平台。

　　

亮点

设计目标

为支持月球可持续驻留并迈向火星探索，月球至火星任务架构确定了五大关键技术缺口，包括月球尘埃耐受系统、月影期生存运维系统、高可靠性表面通信、火星推进系统及极端环境航空电子设备。

真空室

该气体与等离子体动力学实验室(GPDL)配备长3米、直径1.8米的真空舱（图1），采用多级泵组系统：机械增压泵(4985 m^-3/h^-1)与油旋片泵(7500 L/min)实现粗真空，4台瓦里安扩散泵(NHS-35)提供高真空环境。

数值分析 - 能量平衡模型

对于遮阳罩和测试平台，内部能量变化率等于净热传递量。液氮(LN₂)冷却遮阳罩以对流为主导，而遮阳罩与测试件之间的热交互则根据悬挂（辐射主导）或支撑（传导与辐射并存）方式差异显著。系统能量平衡方程由公式(1)至(4)定义。

安装与测试实验设计

图6(a)展示了实验布局，图6(b)为集成热遮阳罩前的设施压力曲线。通过滚轨系统将遮阳罩安全定位至真空舱内，遮阳罩通过液氮管道直连LN₂储罐，并利用低温球阀调控各部件流量。

案例A - 无负载未安装端板

结果如图7所示。实验启动时真空度为4.9×10^-5 Torr。A点处虽开始抽真空但未开启LN₂流；B点通过机械增压泵实现粗真空；当扩散泵达成高真空(4.9×10^-5 Torr)后（C点，阴影区起点）启动LN₂流，系统进入活跃冷却阶段。

结论

本研究评估了可拆卸热遮阳罩在1.8米直径×3米长圆柱真空舱中的性能。该液氮(LN₂)温控系统在高真空下经多场景测试，遮阳罩冷却速率达-2°C/min至-5°C/min，中央区域可稳定维持-161°C（112K），满足航天器设计认证的低温测试要求。