一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法及系統(tǒng)，所述方法包括：（1）計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值；（2）計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值；（3）計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值；（4）根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值；（5）在衛(wèi)星的至少一表面設(shè)置加熱器，并且通過程控直流穩(wěn)壓電源輸出一電流加載于所述加熱器，同時根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬。
【專利說明】一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說，是一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前熱平衡試驗根據(jù)試驗狀態(tài)可以分為:穩(wěn)態(tài)熱平衡試驗和瞬變熱平衡試驗。所述穩(wěn)態(tài)熱平衡試驗是在軌道周期積分平均外熱流模擬和恒定內(nèi)熱源工作模式下，在模擬空間真空、低溫環(huán)境中，試驗對象溫度由初始溫度分布變化至趨于穩(wěn)定的平衡溫度分布的試驗。所述瞬變熱流模擬是更接近于衛(wèi)星飛行軌道的真實空間軌道外熱流環(huán)境和瞬態(tài)工作模式下的驗證試驗，其能夠獲得衛(wèi)星有關(guān)組件的實際在軌工作過程中的瞬態(tài)溫度變化的最高溫度和最低溫度，以及溫度瞬態(tài)變化情況。在熱平衡試驗過程中，必須進(jìn)行外熱流模擬，而根據(jù)外熱流模擬形式又可以分為:太陽燈模擬加熱模擬試驗、紅外輻射加熱模擬試驗以及吸收熱流模擬試驗。所述太陽燈模擬試驗是指在真空熱器內(nèi)，利用太陽模擬器與運(yùn)動模擬器，模擬衛(wèi)星在軌不同飛行姿態(tài)下的太陽照射工況，該方法具有直觀、真實、數(shù)據(jù)可靠以及精度高等特點(diǎn)。所述吸收熱流模擬試驗?zāi)軌蛴行У啬M瞬態(tài)情況。所述紅外輻射加熱模擬試驗由于輻射加熱時間滯后性原因，不宜模擬瞬態(tài)情況。
[0003]在衛(wèi)星的熱平衡試驗時，所述穩(wěn)態(tài)熱流模擬的應(yīng)用比較廣泛，但是所述穩(wěn)態(tài)熱流模擬并非是衛(wèi)星在軌運(yùn)行的真實工作狀態(tài)，而是一種近似和簡化的情況。這種近似和簡化雖然可以獲取衛(wèi)星溫度大致的范圍，但是無法反映衛(wèi)星上的各儀器因受外熱流或內(nèi)熱源的影響所產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度變化情況，因此無法確定各儀器在軌所處的高溫、低溫兩個溫度極值，無法判讀儀器的溫度能否滿足指標(biāo)要求。
[0004]另外，在上述太陽燈模擬試驗中所使用的太陽燈雖然比較真實，但是其存在設(shè)備體積龐大、技術(shù)較復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等情況，因此實現(xiàn)瞬態(tài)熱平衡模擬比較困難。而在上述紅外輻射加熱模擬試驗中所使用的紅外籠或紅外燈陣等，加熱時間滯后性較大，其輔助設(shè)備容易對衛(wèi)星表面產(chǎn)生較大的輻射遮擋影響，且模擬加熱偏差和不均勻性較大，實現(xiàn)瞬態(tài)外熱流模擬比較困難，且模擬誤差要大。
[0005]同時，隨著小微型衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星內(nèi)部熱功耗小，衛(wèi)星溫度受外部環(huán)境變化影響大，熱平衡試驗需要真實模擬衛(wèi)星在軌的瞬態(tài)熱環(huán)境變化，因此對實現(xiàn)模擬瞬態(tài)熱平衡的需求顯得日益突出。有鑒于此，亟需提供一種瞬態(tài)熱平衡試驗方法及系統(tǒng)以解決上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法，其能夠在大小有限的真空試驗容器內(nèi)模擬衛(wèi)星在軌的外熱流瞬態(tài)變化情況，從而獲得衛(wèi)星在軌的真實溫度數(shù)據(jù)，驗證熱設(shè)計的正確性和準(zhǔn)確性。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法，包括以下步驟:(1)計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值；(2)計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值；(3)計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值；(4)根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值；(5)在衛(wèi)星的至少一表面設(shè)置加熱器，并且通過程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流加載于所述加熱器，同時根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬。
[0008]作為可選的技術(shù)方案，步驟(2)中進(jìn)一步包括步驟:根據(jù)預(yù)設(shè)太陽能帆板外熱流值和預(yù)設(shè)工況瞬態(tài)衛(wèi)星總熱功耗值計算太陽能帆板的瞬態(tài)溫度；
根據(jù)太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射可見性位置關(guān)系，計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)；
根據(jù)所述瞬態(tài)溫度和所述輻射交換系數(shù)獲取太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流。
[0009]作為可選的技術(shù)方案，在步驟(5)中，所述加熱器設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的散熱面區(qū)域或隔熱組件外層。
[0010]作為可選的技術(shù)方案，在所述加熱器上設(shè)置一熱控涂層。
[0011]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗系統(tǒng)，包括:一第一外熱流模擬加熱功率獲取模塊，用于計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值；
一第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊，用于計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值；
一第三外熱流模擬加熱功率獲取模塊，用于計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值；
一外熱流模擬加熱總功率值獲取模塊，分別與所述第一外熱流模擬加熱功率獲取模塊、第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊以及第三外熱流模擬加熱功率獲取模塊相連，用于根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值；
一輻射耦合傳熱模塊，與所述外熱流模擬加熱總功率值獲取模塊相連，用于根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值對設(shè)置在衛(wèi)星的至少一表面的加熱器進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬，其中通過程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流加載于所述加熱器。
[0012]作為可選的技術(shù)方案，所述第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊進(jìn)一步包括:一瞬態(tài)溫度計算單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)太陽能帆板外熱流值和預(yù)設(shè)工況瞬態(tài)衛(wèi)星總熱功耗值計算太陽能帆板的瞬態(tài)溫度；
一輻射交換系數(shù)計算單元，用于根據(jù)太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射可見性位置關(guān)系計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)；
一輻射加熱熱流獲取單元，分別與所述瞬態(tài)溫度計算單元和所述輻射交換系數(shù)計算單元相連，用于根據(jù)所述瞬態(tài)溫度和所述輻射交換系數(shù)獲取太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流。
[0013]作為可選的技術(shù)方案，所述加熱器設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的散熱面區(qū)域或隔熱組件外層。
[0014]作為可選的技術(shù)方案，在所述加熱器上設(shè)置一熱控涂層。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，(I)能夠通過模擬衛(wèi)星在軌的空間軌道外熱流瞬態(tài)變化和設(shè)置衛(wèi)星上的儀器設(shè)備的瞬態(tài)工作模式，獲得衛(wèi)星在軌的真實溫度數(shù)據(jù)，以驗證熱設(shè)計的正確性和準(zhǔn)確性。(2)本發(fā)明不需要在衛(wèi)星周圍設(shè)置支架，也不需要在衛(wèi)星表面安裝熱流計，避免對衛(wèi)星表面產(chǎn)生輻射遮擋。(3)本發(fā)明適用于低熱流密度加熱模擬，如陰影區(qū)外熱流模擬等。(4)本發(fā)明能夠?qū)υO(shè)置在衛(wèi)星表面的加熱器進(jìn)行高精度功率輸出加載，以提升外熱流模擬的準(zhǔn)確度，同時配合程控直流穩(wěn)壓電源以優(yōu)化瞬態(tài)熱流模擬的實現(xiàn)。(5)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)替代太陽能帆板參加整星瞬態(tài)熱平衡試驗情況下，實現(xiàn)衛(wèi)星在軌外熱流瞬態(tài)變化及輻射耦合傳熱熱流等效模擬，以及衛(wèi)星上儀器設(shè)備的瞬態(tài)工作模式考核，從而節(jié)省試驗空間和成本。(6)本發(fā)明具有操作性強(qiáng)、費(fèi)用較低等特點(diǎn)，必將成為今后外熱流模擬的一種主要的輻射耦合傳熱等效模擬方法以及一種發(fā)展趨勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明一實施例中所述基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法的步驟流程圖。
[0017]圖2是本發(fā)明一實施例中所述基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗及其系統(tǒng)【具體實施方式】做詳細(xì)說明。
[0019]參見圖1所示，一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法，包括以下步驟:
步驟S110、計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值；步驟S120、計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值；步驟S130、計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值；步驟S140、根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值；步驟S150、在衛(wèi)星的至少一表面設(shè)置加熱器，并且通過程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流加載于所述加熱器，同時根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬。
[0020]以下將對上述步驟做詳細(xì)說明。
[0021]步驟SllO:計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值。
[0022]衛(wèi)星為一種航天器，衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時，相對于太陽、地球的位置及方向是在不斷變化的。因此，星體表面各部位接受到的太陽輻照、地球紅外輻射和地球反照熱流也是在變化的，即星體表面的空間軌道外熱流是隨著衛(wèi)星在軌飛行而不斷變化的。因此，采用瞬變熱流模擬方法進(jìn)行衛(wèi)星熱平衡試驗，比采用穩(wěn)態(tài)熱流模擬方法進(jìn)行衛(wèi)星熱平衡試驗，更接近衛(wèi)星在軌飛行的真實熱環(huán)境；同時，星上儀器根據(jù)在軌瞬態(tài)工作模式運(yùn)行，由此可以獲得衛(wèi)星的相關(guān)組件的最高溫度和最低溫度以及溫度的瞬時變化情況。
[0023]在本發(fā)明實施中，所述衛(wèi)星表面的數(shù)量為多個，下文的情況相同，而在其他實施例中，衛(wèi)星表面的數(shù)量不限于多個，也可以為一個。
[0024]根據(jù)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)模型信息、衛(wèi)星的軌道信息以及飛行姿態(tài)信息計算出衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以至獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值。
[0025]步驟S120:計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值。
[0026]在步驟S120中，進(jìn)一步包括可選步驟:
(a):根據(jù)預(yù)設(shè)太陽能帆板外熱流值和預(yù)設(shè)工況瞬態(tài)衛(wèi)星總熱功耗值計算太陽能帆板的瞬態(tài)溫度。
[0027]預(yù)設(shè)太陽能帆板外熱流的模擬加熱功率值是根據(jù)所述衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)模型而被確定的，并且可以通過專用軟件計算獲得。
[0028]太陽能帆板的功能是提供能源(此處為電能)給衛(wèi)星內(nèi)部的儀器，它通過將吸收的太陽能量部分轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星內(nèi)部的儀器工作所需的電能，其余在自身轉(zhuǎn)變?yōu)闊?；同時，考慮地球紅外輻射對帆板的加熱，可以獲得太陽能帆板在軌空間軌道外熱流。衛(wèi)星在軌空間真空低溫環(huán)境下，太陽能帆板所受空間軌道外熱流加熱、星體外表面所受空間軌道外熱流加熱，以及衛(wèi)星預(yù)設(shè)工作模式下內(nèi)熱源的釋放，根據(jù)整星(包括太陽能帆板)的傳熱模型(包括帆板與衛(wèi)星本體之間輻射耦合傳熱)，分析衛(wèi)星預(yù)設(shè)工況下太陽能帆板的瞬態(tài)溫度。
[0029]由于衛(wèi)星進(jìn)出陰影區(qū)以及衛(wèi)星姿態(tài)指向變化，造成星體表面空間軌道外熱流變化，以至使整星瞬態(tài)溫度發(fā)生變化，因此瞬態(tài)溫度可以為一變化值。
[0030](b):根據(jù)太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射可見性位置關(guān)系計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)。
[0031]在本發(fā)明實施例中，由于衛(wèi)星表面的數(shù)量為多個，太陽能帆板的數(shù)量為多個，每一太陽能帆板對衛(wèi)星的多個表面的位置關(guān)系不同，因此需要計算所有太陽能帆板對所述衛(wèi)星的多個表面的輻射交換系數(shù)。
[0032](C):根據(jù)所述太陽能帆板的瞬態(tài)溫度和所述太陽能帆板表面與衛(wèi)星表面之間的輻射交換系數(shù)獲取太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射傳熱熱流。
[0033]由于衛(wèi)星具有多個表面甚至同一個面上的不同位置處的表面熱輻射特性不同，因此需要分別處理，亦即計算所有太陽能帆板對衛(wèi)星各個表面的輻射加熱熱流。
[0034]通過對太陽能帆板的瞬態(tài)溫度以及太陽能帆板表面與星體各表面之間的輻射交換系數(shù)的計算，以獲得太陽能帆板對衛(wèi)星各個表面的輻射傳熱熱流，其中所述輻射傳熱熱流可以通過以下公式表示，G=Q.ε *A*F.(I\4-T24)，其中σ是玻爾茲曼常數(shù)，ε是太陽能帆板表面的紅外半球輻射率，F(xiàn)是太陽能帆板對衛(wèi)星表面的輻射交換系數(shù)，Tl是太陽能帆板的瞬態(tài)溫度，Τ2是衛(wèi)星表面的瞬態(tài)溫度，上標(biāo)4表示四次方，A是帆板面積。
[0035]通過上述步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)替代太陽能帆板參與整星熱平衡試驗，將太陽能帆板對衛(wèi)星表面的輻射傳熱熱流疊加至衛(wèi)星表面空間軌道外熱流模擬中一并模擬，而不需要帶帆板參加整星試驗，從而節(jié)省試驗空間和成本。
[0036]步驟S130:計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射傳熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值。
[0037]衛(wèi)星在軌空間低溫背景環(huán)境溫度接近4K，在4K的真實深冷空間環(huán)境下，空間環(huán)境對衛(wèi)星表面的背景輻射加熱量很小，可以近似忽略不計。而在地面空間環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)，其低溫?zé)岢帘尘皽囟冉咏?00K，此時熱沉對星體表面的輻射加熱量不可忽略，需要從外熱流模擬加載步驟中扣除真空試驗容器的熱沉背景對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流(即第三外熱流的模擬加熱功率值)，其中外熱流加載步驟是指通過精確控制程控直流穩(wěn)壓輸出一電流以控制實際加載到加熱器上的功率，在步驟S150中有詳細(xì)說明。
[0038]步驟S140:根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值。
[0039]即，模擬加熱總功率=第一外熱流的模擬加熱功率值+第二外熱流的模擬加熱功率值-第三外熱流的模擬加熱功率值。
[0040]衛(wèi)星在軌過程，衛(wèi)星表面的空間軌道外熱流是不斷變化的。在設(shè)定的熱平衡試驗工況下衛(wèi)星表面的外熱流一般以一個軌道時間為周期，周期性變化，或多個軌道周期時間的大周期變化。太陽能帆板對所述衛(wèi)星的多個表面的輻射加熱熱流隨太陽能帆板的溫度變化而變化的，即由太陽能帆板的空間軌道外熱流以及太陽能帆板和衛(wèi)星本體之間的輻射耦合傳熱過程決定的，也是周期變化的。而真空試驗容器的熱沉背景輻射加熱熱流對衛(wèi)星不同表面為一確定值。因此，外熱流模擬加熱總功率值也為周期性變化值，可以實現(xiàn)周期性瞬態(tài)模擬。
[0041]步驟S150:在衛(wèi)星的至少一表面設(shè)置加熱器，并且通過程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流加載于所述加熱器，根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬。
[0042]其中，所述加熱器可以設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的散熱面區(qū)域，以等效模擬在相應(yīng)位置的外熱流。在本發(fā)明實施例中，所述加熱器為一加熱片。在所述加熱片表面噴涂衛(wèi)星對應(yīng)區(qū)域所設(shè)計的熱控涂層。當(dāng)然，在所述加熱片上也可以采用等效紅外半球輻射率的代用涂層。所述代用涂層為地面熱平衡試驗的代用品，其成本較低，但其紅外輻射特性卻與實際熱控涂層基本一致。
[0043]另外，所述加熱器(例如加熱片)也可以設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的多層隔熱組件外層，以等效模擬相應(yīng)位置多層隔熱組件的外熱流。在多層隔熱組件的最外層薄膜(相當(dāng)于熱控涂層)的內(nèi)表面設(shè)置(例如通過粘貼方式)加熱片，以等效模擬在相應(yīng)位置多層隔熱組件外層的外熱流。
[0044]在本發(fā)明實施中，在衛(wèi)星的每一個表面上均設(shè)有加熱片。所述加熱片不僅可以設(shè)置在衛(wèi)星表面的散熱面區(qū)域，還可以設(shè)置在衛(wèi)星表面的多層隔熱組件外層。
[0045]通過精確控制程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流對衛(wèi)星表面的加熱器(即散熱面區(qū)域或多層隔熱組件外層的加熱片)進(jìn)行外熱流加熱模擬，并且根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值進(jìn)行加熱控制，以達(dá)到輻射耦合傳熱等效模擬。其中，所述輻射耦合傳熱除了包括衛(wèi)星各個表面所受到的外熱流，還包括兩部分耦合加熱熱流。一部分是根據(jù)整星(包括太陽能帆板)的傳熱模型(包括太陽能帆板與衛(wèi)星本體之間輻射耦合傳熱)，通過分析獲得衛(wèi)星預(yù)設(shè)工況下太陽能帆板的瞬態(tài)溫度；并且根據(jù)太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射可見性位置關(guān)系，計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)；由所述太陽能帆板的瞬態(tài)溫度和所述太陽能帆板與衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)獲取太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流。另一部分是根據(jù)計算的真空試驗容器低溫背景對衛(wèi)星表面的輻射交換系數(shù)，結(jié)合真空容器內(nèi)低溫?zé)岢帘尘皽囟?100K)，得到真空試驗容器內(nèi)低溫?zé)岢帘尘皩πl(wèi)星表面的輻射加熱熱流。
[0046]通過采用程控直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行遠(yuǎn)程電流控制具有以下優(yōu)點(diǎn):其一，能確保輸出電流精度控制誤差不超過±1% ;其二，采用電流控制可以忽略遠(yuǎn)距離導(dǎo)線傳輸造成的控制誤差，避免因采用電壓控制而造成遠(yuǎn)距離壓降所帶來的影響；其三，采用程控直流穩(wěn)壓電源能夠根據(jù)實際情況實時加載星體外表面的瞬態(tài)外熱流。
[0047]現(xiàn)有技術(shù)是通過紅外籠、紅外燈陣或太陽燈的輻照來實現(xiàn)外熱流加熱模擬，其具有延時性，控制的偏差和對表面加熱的不均勻性較大(一般在5%~?Ο%左右)，對于低熱流密度(<50W/m2)的模擬偏差則會更大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是通過程控直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行遠(yuǎn)程電流控制，以實現(xiàn)外熱流模擬，即通過實時控制輸出電流值的大小以獲得相應(yīng)所需的加熱功率值，由于其實時性強(qiáng)，因此本發(fā)明可以通過控制輸出電流隨時間的變化，實現(xiàn)外熱流隨時間的瞬態(tài)變化模擬，以體現(xiàn)本發(fā)明的瞬態(tài)特性。本發(fā)明不僅能夠?qū)υO(shè)置在衛(wèi)星表面的加熱器所產(chǎn)生的功率值進(jìn)行高精度控制，以提升外熱流模擬的準(zhǔn)確度，而且配合程控直流穩(wěn)壓電源能夠優(yōu)化瞬態(tài)熱流模擬的實現(xiàn)。
[0048]另外，在現(xiàn)有技術(shù)的紅外輻射加熱模擬中，需要將紅外籠或紅外燈陣通過支架設(shè)置在衛(wèi)星的周圍，并且在衛(wèi)星表面安裝熱流計，用于測量入射熱流，從而控制紅外籠等實際加載熱流。但是衛(wèi)星表面實際上需要直接面向真空試驗容器的熱沉(真空試驗容器內(nèi)壁)，若將紅外籠或紅外燈陣設(shè)置在衛(wèi)星的周圍，則會在一定程度上遮擋衛(wèi)星表面面向真空試驗容器的熱沉面積，以至與真實情況產(chǎn)生差別。而本發(fā)明能夠避免對衛(wèi)星表面產(chǎn)生遮擋，而電流控制精度高，對于低熱流模擬場合控制精度較高，尤其陰影區(qū)的低熱流模擬。其中上述低熱流模擬是指外熱流較小的情況，若外熱流較小則相應(yīng)的加載電流值也較小，因此本發(fā)明能夠?qū)υO(shè)置在衛(wèi)星表面的加熱器所產(chǎn)生的功率值進(jìn)行高精度控制，以提升外熱流模擬的準(zhǔn)確度。當(dāng)然，本發(fā)明不限于低熱流模擬試驗。
[0049]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗系統(tǒng)，包括:一第一外熱流模擬加熱功率獲取模塊210、一第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊220、一第三外熱流模擬加熱功率獲取模塊230、一外熱流模擬加熱總功率值獲取模塊240和一福射稱合傳熱模塊250,如圖2所不。
[0050]其中，所述第一外熱流模擬加熱功率獲取模塊210，用于計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值。
[0051]所述第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊220，用于計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值。
[0052]所述第三外熱流模擬加熱功率獲取模塊230，用于計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值。
[0053]所述外熱流模擬加熱總功率值獲取模塊240，分別與所述第一外熱流模擬加熱功率獲取模塊210、所述第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊220以及所述第三外熱流模擬加熱功率獲取模塊230相連，用于根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值；
所述輻射耦合傳熱模塊250，與所述外熱流模擬加熱總功率值獲取模塊240相連，用于根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值對設(shè)置在衛(wèi)星的至少一表面的加熱器進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬，其中通過程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流加載于所述加熱器。
[0054]在本實施例中，所述第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊220可以包括以下可選組件:一瞬態(tài)溫度計算單元221、一輻射交換系數(shù)計算單元222和一輻射加熱熱流獲取單元223。其中，所述瞬態(tài)溫度計算單元221，用于根據(jù)預(yù)設(shè)太陽能帆板外熱流值和預(yù)設(shè)工況瞬態(tài)衛(wèi)星總熱功耗值計算太陽能帆板的瞬態(tài)溫度。所述輻射交換系數(shù)計算單元222，用于根據(jù)太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射可見性位置關(guān)系計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)。所述輻射加熱熱流獲取單元223，分別與所述瞬態(tài)溫度計算單元221和所述輻射交換系數(shù)計算單元222相連，用于根據(jù)所述瞬態(tài)溫度和所述輻射交換系數(shù)獲取太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射傳熱熱流。
[0055]另外，在本實施例中，所述加熱器(例如加熱片)不僅可以設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的散熱面區(qū)域，還可以設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的多層隔熱組件外層。通過精確控制程控直流穩(wěn)壓電源輸出的電流對設(shè)置在衛(wèi)星表面的加熱片進(jìn)行遠(yuǎn)程功率加載，并且根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值進(jìn)行加熱，以達(dá)到輻射耦合傳熱等效模擬。
[0056]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是通過程控直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行遠(yuǎn)程電流控制，以實現(xiàn)外熱流模擬，即通過實時地改變電流值大小以獲得相應(yīng)所需的功率值，由于其實時性高，因此本發(fā)明可以通過控制輸出電流隨時間的變化，實現(xiàn)外熱流隨時間的瞬態(tài)變化模擬，以體現(xiàn)本發(fā)明的瞬態(tài)特性。本發(fā)明不僅能夠?qū)υO(shè)置在衛(wèi)星表面的加熱器所產(chǎn)生的功率值進(jìn)行高精度控制，以提升外熱流模擬的準(zhǔn)確度，而且配合程控直流穩(wěn)壓電源能夠優(yōu)化瞬態(tài)熱流模擬的實現(xiàn)。
[0057]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值； (2)計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值； (3)計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值； (4)根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值； (5)在衛(wèi)星的至少一表面設(shè)置加熱器，并且通過程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流加載于所述加熱器，同時根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法，其特征在于，步驟(2)中進(jìn)一步包括步驟: 根據(jù)預(yù)設(shè)太陽能帆板外熱流值和預(yù)設(shè)工況瞬態(tài)衛(wèi)星總熱功耗值計算太陽能帆板的瞬態(tài)溫度； 根據(jù)太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射可見性位置關(guān)系，計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)； 根據(jù)所述瞬態(tài)溫度和所述輻射交換系數(shù)獲取太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法，其特征在于，在步驟(5)中，所述加熱器設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的散熱面區(qū)域或隔熱組件外層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗方法，其特征在于，在所述加熱器上設(shè)置一熱控涂層。
5.一種基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一第一外熱流模擬加熱功率獲取模塊，用于計算衛(wèi)星在軌運(yùn)行時衛(wèi)星的至少一表面的空間軌道外熱流，以獲取一第一外熱流的模擬加熱功率值； 一第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊，用于計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第二外熱流的模擬加熱功率值； 一第三外熱流模擬加熱功率獲取模塊，用于計算真空試驗容器的熱沉對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流，以獲取一第三外熱流的模擬加熱功率值； 一外熱流模擬加熱總功率值獲取模塊，分別與所述第一外熱流模擬加熱功率獲取模塊、第二外熱流模擬加熱功率獲取模塊以及第三外熱流模擬加熱功率獲取模塊相連，用于根據(jù)所述第一外熱流的模擬加熱功率值、第二外熱流的模擬加熱功率值和第三外熱流的模擬加熱功率值，獲取一外熱流模擬加熱總功率值； 一輻射耦合傳熱模塊，與所述外熱流模擬加熱總功率值獲取模塊相連，用于根據(jù)所述外熱流模擬加熱總功率值對設(shè)置在衛(wèi)星的至少一表面的加熱器進(jìn)行加熱，以實現(xiàn)輻射耦合傳熱等效模擬，其中通過程控直流穩(wěn)壓電源所輸出的一電流加載于所述加熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述第二外熱流功率值獲取模塊進(jìn)一步包括: 一瞬態(tài)溫度計算單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)太陽能帆板外熱流值和預(yù)設(shè)工況瞬態(tài)衛(wèi)星總熱功耗值計算太陽能帆板的瞬態(tài)溫度； 一輻射交換系數(shù)計算單元，用于根據(jù)太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射可見性位置關(guān)系計算太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射交換系數(shù)； 一輻射加熱熱流獲取單元，分別與所述瞬態(tài)溫度計算單元和所述輻射交換系數(shù)計算單元相連，用于根據(jù)所述瞬態(tài)溫度和所述輻射交換系數(shù)獲取太陽能帆板對所述衛(wèi)星的至少一表面的輻射加熱熱流。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗系統(tǒng)，其特征在于， 所述加熱器設(shè)置在所述衛(wèi)星的至少一表面的散熱面區(qū)域或隔熱組件外層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于輻射耦合傳熱等效模擬的瞬態(tài)熱平衡試驗系統(tǒng)，其特征在于，在所述 加熱器上設(shè)置一熱控涂層。
【文檔編號】B64G7/00GK104071360SQ201410258051
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】蔣桂忠, 諸成, 王慧元, 張曉峰, 王建平, 林世峰 申請人:上海微小衛(wèi)星工程中心