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月球表面极端环境下的航天器热平衡分析研究1

月球表面极端环境下的航天器热平衡分析研究

摘要

月球表面极端环境对航天器的热平衡系统提出了严峻挑战。本研究系统分析了月

球表面的热环境特征，包括极端温差、真空辐射和月尘影响等因素，建立了航天器热平

衡数学模型，并提出了创新的热控制技术方案。研究采用理论分析、数值模拟和实验验

证相结合的方法，开发了适用于月球环境的热平衡分析软件系统。结果表明，所提出的

热控制方案能够有效维持航天器在月球表面极端环境下的热平衡，关键部件温度波动

控制在±5℃范围内。本研究为我国月球探测工程提供了重要的技术支撑，对深空探测

航天器的热设计具有指导意义。

关键词：月球环境；航天器；热平衡；热控制；数值模拟

1引言

1.1研究背景与意义

随着我国探月工程的深入推进，月球表面极端环境下的航天器生存与工作能力成

为关键技术瓶颈。月球表面温度变化剧烈，白昼可达127℃，夜晚降至183℃，这种极端

温差对航天器的热平衡系统提出了前所未有的挑战。热平衡系统作为航天器的生命线，

直接关系到电子设备的工作可靠性、能源系统的效率以及整个任务的成败。目前，我国

在月球探测领域已取得显著成就，但针对长期驻留月球表面的航天器热平衡问题仍需

深入研究。

月球探测具有重大的科学价值和战略意义。根据《国家航天发展”十四五”规划》，我

国将实施月球科研站计划，这要求航天器能够在月球表面长期稳定工作。热平衡分析作

为航天器设计的基础环节，其研究水平直接决定了月球探测任务的可行性和经济性。因

此，开展月球表面极端环境下的航天器热平衡分析研究，不仅具有理论创新价值，更能

为工程实践提供关键技术支撑。

1.2国内外研究现状

国外在月球热环境研究方面起步较早。美国阿波罗计划期间就开展了大量月球热

环境测量工作，积累了宝贵数据。近年来，NASA的”月球勘测轨道器”(LRO)和”月球

大气与尘埃环境探测器”(LADEE)等任务进一步深化了对月球热环境的认识。欧洲航天

局(ESA)的”月球着陆器”项目也开发了先进的热控制系统。这些研究表明，月球表面的

热辐射特性、月尘的热影响以及真空环境下的热传导机制是影响航天器热平衡的关键因

素。

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国内研究方面，嫦娥系列探测器成功实现了月球软着陆和巡视勘察，积累了宝贵的

工程经验。中国科学院、哈尔滨工业大学等机构在航天器热控制领域开展了深入研究，

开发了多种新型热控材料和器件。然而，针对月球表面长期驻留的航天器热平衡问题，

现有研究仍存在不足，特别是在极端温度循环下的热控系统可靠性、月尘对热控涂层的

影响等方面需要进一步突破。

1.3研究目标与内容

本研究旨在建立完善的月球表面极端环境下航天器热平衡分析方法体系，突破关

键技术瓶颈，为我国月球科研站建设提供技术支撑。具体研究目标包括：1)精确表征

月球表面热环境特征；2)建立航天器热平衡数学模型；3)开发高效热控制技术方案；4)

构建热平衡分析仿真平台；5)提出工程应用解决方案。

研究内容涵盖月球热环境测量与建模、航天器热平衡机理分析、新型热控材料与器

件研发、热控制系统集成优化等多个方面。通过理论分析、数值模拟和实验验证相结合

的方法，系统解决月球表面极端环境下的航天器热平衡问题，为深空探测任务提供技术

储备。

2月球表面极端环境特征分析

2.1月球表面温度场分布

月球表面温度场呈现显著的时空变化特征。根据月球勘测轨道器(LRO)的Diviner

辐射计测量数据，月球赤道地区白昼最高温度可达390K(约117℃)，夜晚最低温度降至

90K(约183℃)，昼夜温差超过300℃。这种极端温度变化主要源于月球缺乏大气层保温，

以及长达14个地球日的白昼和黑夜交替。

温度分布还受地形地貌影响显著。永久阴影坑(PSR)内的温度可低至40K(约

233℃)，成为太阳系中最冷的自然环境之一。相反，阳光直射的陨石坑边缘温度可能

超过400K。这种复杂的热环境分布要求航天器热设计必须考虑具体着陆点的地形特征。

研究表明，月球两极地区的热环境相对稳定，适合长期驻留任务，但阴影区的低温环境

也带来了特殊挑战。

2.2月球表面热辐射特性

月球表面的热辐