自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng)級熱性能表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及航天器熱控制領(lǐng)域的熱分析方法，特別涉及一種自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng) 級熱性能表征方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)熱控技術(shù)是通過自整定方式調(diào)節(jié)熱控特性的主動熱控技術(shù)，基于自適應(yīng)熱 控技術(shù)構(gòu)建的高適應(yīng)熱控系統(tǒng)可滿足任務(wù)機(jī)動、深空探測、空間攻防等復(fù)雜任務(wù)航天器的 高適應(yīng)熱控需求，具有廣泛的工程應(yīng)用背景。
[0003] 由于航天器熱控系統(tǒng)采用分析驅(qū)動設(shè)計的研制模式、基于熱控技術(shù)構(gòu)建熱控方案 管理航天器的能量流，因此熱性能仿真分析過程中需要對自適應(yīng)熱控技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級熱性 能表征，以支持高適應(yīng)熱控系統(tǒng)設(shè)計。
[0004] 傳統(tǒng)被動熱控為主、主動熱控為輔的熱控體系中，被動熱控技術(shù)熱控特性固定，僅 通過簡單的熱性能參數(shù)即可表征產(chǎn)品的系統(tǒng)級熱性能；而主動熱控技術(shù)僅作為熱控系統(tǒng)裕 度設(shè)計或冗余設(shè)計手段，只關(guān)注其基本功能，與整星進(jìn)行熱耦合設(shè)計時，通常采用功能等效 的近似處理方法進(jìn)行系統(tǒng)級熱性能表征。高適應(yīng)熱控體系中，自適應(yīng)熱控技術(shù)作為熱控系 統(tǒng)的主要技術(shù)手段，需要關(guān)注詳細(xì)的熱控性能，一方面，無法通過簡單的熱性能參數(shù)表征產(chǎn) 品的系統(tǒng)級熱性能；另一方面，功能等效的近似處理方法無法進(jìn)行精細(xì)化熱設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了支持高適應(yīng)熱控系統(tǒng)設(shè)計，本發(fā)明提供一種自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng)級熱性能表 征方法，該方法將自適應(yīng)熱控過程數(shù)學(xué)描述為航天器熱網(wǎng)絡(luò)模型溫度求解條件參數(shù)的動態(tài) 更新過程，通過在熱分析流程溫度求解條件參數(shù)計算環(huán)節(jié)設(shè)置溫度-參數(shù)的動態(tài)反饋機(jī)制 實現(xiàn)航天器熱分析流程與自適應(yīng)熱控過程的耦合，進(jìn)而通過動態(tài)熱分析方法對自適應(yīng)熱控 過程進(jìn)行詳細(xì)描述，實現(xiàn)自適應(yīng)熱控技術(shù)的系統(tǒng)級熱性能表征。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng)級熱性能表征方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :熱網(wǎng)絡(luò)模型創(chuàng)建
[0009] 根據(jù)衛(wèi)星熱數(shù)學(xué)模型建模規(guī)范創(chuàng)建熱分析模型；設(shè)置自適應(yīng)熱控技術(shù)熱控特性與 溫度的邏輯關(guān)系；
[0010] 步驟2 :設(shè)置初始條件、邊界條件
[0011] 初始條件為衛(wèi)星的初始溫度狀態(tài)，邊界條件為衛(wèi)星運行所處的冷黑空間；
[0012] 步驟3 :設(shè)置求解時間
[0013] 對于穩(wěn)態(tài)問題，通常設(shè)置求解時間為軌道周期的整數(shù)倍，以保證衛(wèi)星達(dá)到熱平衡 狀態(tài)；對于瞬態(tài)問題，則設(shè)置求解時間為所關(guān)注的時間段，以研究衛(wèi)星的瞬態(tài)熱性能；
[0014] 步驟4 :確定數(shù)值型溫度求解條件參數(shù)當(dāng)前值
[0015] 根據(jù)自適應(yīng)熱控技術(shù)熱控特性與溫度的邏輯關(guān)系，基于上一時間節(jié)點溫度狀態(tài)， 確定數(shù)值型溫度求解條件參數(shù)當(dāng)前值，即輻射類自適應(yīng)熱控技術(shù)的當(dāng)前熱控特性；
[0016] 步驟5 :確定函數(shù)型溫度求解條件參數(shù)當(dāng)前值
[0017] 根據(jù)自適應(yīng)熱控技術(shù)熱控特性與溫度的邏輯關(guān)系，基于上一時間節(jié)點溫度狀態(tài)， 確定函數(shù)型溫度求解條件參數(shù)當(dāng)前值，即對流和導(dǎo)熱類自適應(yīng)熱控技術(shù)的當(dāng)前熱控特性；
[0018] 步驟6 :當(dāng)前時間節(jié)點溫度計算
[0019] 上一時間節(jié)點溫度狀態(tài)與溫度求解條件參數(shù)已確定，根據(jù)時間步長求解當(dāng)前時間 節(jié)點溫度狀態(tài)；
[0020] 步驟7 :保存當(dāng)前時間節(jié)點溫度計算結(jié)果
[0021] 保存當(dāng)前時間節(jié)點溫度狀態(tài)，用于下一時間節(jié)點溫度求解；
[0022] 步驟8 :判定求解時間是否完成
[0023] 若求解時間未完成，則重復(fù)步驟4~步驟7,通過溫度求解條件參數(shù)動態(tài)更新的方 式對自適應(yīng)熱控技術(shù)進(jìn)行動態(tài)熱分析；若求解時間已完成，則執(zhí)行步驟9 ;
[0024] 步驟9 :結(jié)果分析
[0025] 分析自適應(yīng)熱控技術(shù)的系統(tǒng)級熱性能，或當(dāng)前熱控方案的整星熱性能。
[0026] 上述步驟1中，所采用的仿真分析軟件要求具備參數(shù)化熱分析能力以進(jìn)行溫度求 解條件參數(shù)的動態(tài)更新，要求具備可編程式的邏輯控制能力以定義溫度求解條件參數(shù)的更 新頻率，要求前處理與求解器之間為動態(tài)連接關(guān)系以實現(xiàn)數(shù)值型溫度求解條件參數(shù)的動態(tài) 更新。
[0027] 自適應(yīng)熱控技術(shù)熱控特性與溫度的邏輯關(guān)系可表示為理論解析式（如溫控閥開 度的控制算法）、試驗數(shù)據(jù)表（如發(fā)射率隨溫度的變化規(guī)律）等形式表征的函數(shù)關(guān)系。
[0028] 上述步驟4中，確定數(shù)值型溫度求解條件參數(shù)當(dāng)前值的過程是前處理與求解器之 間的不斷迭代計算過程，該過程將耗費大量求解時間，為了避免每個計算時間節(jié)點（秒級） 模型更改很小情況下就對數(shù)值型溫度求解條件參數(shù)進(jìn)行不必要的頻繁更新，通過對求解過 程添加控制邏輯的方式指定模型變化到達(dá)一定閥值才進(jìn)行參數(shù)更新，以最小化數(shù)值型溫度 求解條件參數(shù)總更新次數(shù)。
[0029] 所設(shè)定的模型更新閥值可以是所關(guān)注對象溫度變化大于某溫度值，或溫度計算時 間大于某時間長度等，具體參數(shù)設(shè)置量級由不同模型規(guī)模及工程計算時間與精度要求決 定。
[0030] 為了避免對無影響區(qū)域節(jié)點進(jìn)行無意義的重復(fù)計算，通過將熱分析模型各個封閉 的輻射換熱空間設(shè)定為一個輻射分析組的方式進(jìn)行輻射換熱關(guān)系針對性更新，以最小化數(shù) 值型溫度求解條件參數(shù)單次更新時間。
[0031] 上述步驟5中，確定函數(shù)型溫度求解條件參數(shù)當(dāng)前值的過程是求解器內(nèi)部的函數(shù) 運算過程，該過程求解時間可忽略不計，溫度求解過程中對函數(shù)型溫度求解條件參數(shù)進(jìn)行 實時更新。
[0032] 本發(fā)明將自適應(yīng)熱控過程數(shù)學(xué)描述為航天器熱網(wǎng)絡(luò)模型溫度求解條件參數(shù)的動 態(tài)更新過程，通過在熱分析流程溫度求解條件參數(shù)計算環(huán)節(jié)設(shè)置溫度-參數(shù)的動態(tài)反饋機(jī) 制實現(xiàn)航天器熱分析流程與自適應(yīng)熱控過程的耦合，進(jìn)而通過動態(tài)熱分析方法對自適應(yīng)熱 控過程進(jìn)行詳細(xì)描述，實現(xiàn)自適應(yīng)熱控技術(shù)的系統(tǒng)級熱性能表征。
[0033] 本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng)級熱性能表征方法，解決 了自適應(yīng)熱控技術(shù)無法通過簡單熱性能參數(shù)或功能等效近似處理方法真實表征系統(tǒng)級熱 性能的難題，填補(bǔ)了自適應(yīng)熱控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究空白。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明航天器熱分析流程；
[0035] 圖2是本發(fā)明自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng)級熱性能表征方法技術(shù)原理流程圖；
[0036] 圖3是采用本發(fā)明進(jìn)行自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0038] 自適應(yīng)熱控技術(shù)是熱控特性不斷進(jìn)行自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整的過程控制技術(shù)，只有通過 對自適應(yīng)熱控過程的詳細(xì)描述才能表征其系統(tǒng)級熱性能，因此需要根據(jù)過程仿真技術(shù)建立 動態(tài)熱分析方案。
[0039] 基于動態(tài)熱分析方法的自適應(yīng)熱控技術(shù)系統(tǒng)級熱性能表征方法關(guān)鍵在于明確航 天器熱分析流程、識別自適應(yīng)熱控過程以及設(shè)計兩者的耦合方式。
[0040] 第一，航天器熱分析流程
[0041] 由于航天器構(gòu)型布局、內(nèi)功耗、外熱流的復(fù)雜性，航天器溫度場數(shù)值求解通常采用 基于有限差分的熱網(wǎng)絡(luò)模型法。根據(jù)能量守恒原理，航天器所吸收的外熱流、所產(chǎn)生的內(nèi)功 耗、以及通過輻射和傳導(dǎo)的換熱量之和等于航天器內(nèi)能變化。以常規(guī)只含輻射和導(dǎo)熱、不含 對流換熱方式的航天器為例，航天器節(jié)點j熱交換過程的熱網(wǎng)絡(luò)模型描述為：
[0042]
⑴
[0043] 式中：Qsj為節(jié)點j吸收的空間外熱流；Q w為節(jié)點j的內(nèi)功耗；R u為輻射傳熱系 數(shù)，表征結(jié)點i的輻射能量被節(jié)點j吸收的比例，是發(fā)射率及角系數(shù)的函數(shù)；Dy為節(jié)點i、 j之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；(me),為節(jié)點j的熱容；s為與節(jié)點j有輻射換熱關(guān)系的節(jié)點數(shù)；t為 與節(jié)點j有傳導(dǎo)換熱關(guān)系的節(jié)點數(shù)；T為溫度；τ為時間。
[0044] 由式⑴可見，通過代入外熱流Qs]、內(nèi)功耗Qw、福射傳熱系數(shù)R 1, Ρ熱傳導(dǎo)系數(shù)D1, Ρ 熱容（me) ,幾項溫度求解條件參數(shù)即可數(shù)值求解航天器溫度場。上述溫度求解條件參數(shù)主 要分為兩類：一類可以表示為時間或溫度的函數(shù)，包括內(nèi)功耗Q pj (時間的一元函數(shù)）、熱傳 導(dǎo)系數(shù)Dli,(溫度的零元或一元函數(shù)）和熱容（me) ,(時間和溫度的零元函數(shù)）；另一類不能 簡單表示為時間或溫度的函數(shù)，需要進(jìn)行數(shù)值求解，包括輻射傳熱系數(shù)Ru和外熱流Q s]。
[0045] 對應(yīng)航天器熱分析流程為：首先在建模階段創(chuàng)建熱網(wǎng)絡(luò)模型；然后通過前處理器 將可以表示為時間或溫度函數(shù)的溫度求解條件參數(shù)以函數(shù)形式編譯到求解器，對不能簡單 表示為時間或溫度函數(shù)的溫度求解條件參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，再以數(shù)值形式編譯到求解器； 再后通過求解器進(jìn)行溫度計算；最后通過后處理器進(jìn)行結(jié)果分析。如圖1實線部分所示。
[0046] 若求解過程中溫度求解條件參數(shù)隨時間或溫度變化而變化，則需要確定各參數(shù)的 當(dāng)前值才能進(jìn)行下一時間節(jié)點的溫度求解。對于以函數(shù)形式編譯到求解器的溫度求解條件 參數(shù)，可以在求解器內(nèi)部根據(jù)上一時間節(jié)點溫度狀態(tài)通過函數(shù)運算完成參數(shù)動態(tài)更新；對 于以數(shù)值形式編譯到求解器的溫度求解條件參數(shù)，則需要前處理器根據(jù)上一時間節(jié)點溫度 狀態(tài)重新進(jìn)行數(shù)值計算并加載到求解器，以完成參數(shù)動態(tài)更新。如圖1虛線部分所示。
[0047] 第二，自適應(yīng)熱控過程
[0048] 根據(jù)航天器空間熱交換形式，自適應(yīng)熱控技術(shù)主要分為輻射、對流和導(dǎo)熱三類。
[0049] 輻射類自適應(yīng)熱控技術(shù)主要指根據(jù)被控對象溫度水平對當(dāng)量發(fā)射率或空間姿態(tài) 進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的可變吸輻比熱控技術(shù)和展開調(diào)向式輻射器技術(shù)。輻射類自適應(yīng)熱控技術(shù) 的自適應(yīng)熱控過程為當(dāng)量發(fā)射率或空間姿態(tài)隨溫度的演變而動態(tài)變化進(jìn)而反饋控制溫度 的變化速率，導(dǎo)致溫度場求解過程中上一時間節(jié)點輻射換熱關(guān)系的計算結(jié)果（輻射傳熱系 數(shù)與外熱流）不能作為當(dāng)前時刻溫度計算的恒定輸入，要求進(jìn)行數(shù)值型溫度求解條件參數(shù) 動態(tài)更新。
[0050] 對流類