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小卫星动态传热特性分析与热控设计方法研究

作　者: 张镜洋
导　师: 常海萍
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 工程热物理
关键词: 小卫星热控设计动态传热瞬态热平衡试验瞬态热分析模型修正
分类号: V474
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

小卫星技术以其短研制周期、低成本、低风险的优势，成为当今航天领域研究的热点，随着卫星小型化的发展，传统的热控制技术受到了极大挑战，小卫星的低热惯性势必带来热的不稳定性。在传统卫星热控稳态设计、分析、试验的基础上，对小卫星动态传热机制、瞬态温度分析方法和瞬态试验技术进行研究，将有益于促进小卫星热控技术的发展。本文以此为背景，重点研究了以下内容：建立小卫星双层集总参数模型，在得到温度时均量解析解基础上，利用傅里叶变换法求解温度波动量解析解，并探讨了解析解与数值解的一致性。类比阻尼振荡系统，应用传递函分析的方法，对表征温度与热流波动量间幅值传递关系的幅值特性和相位传递关系的相位特性变化规律进行了分析。以此为基础提出了小卫星“最佳温度动态范围”热控设计方法。在某型微小卫星设计轨道高低温工况下,对其被动热控系统进行了设计。根据“最佳温度动态范围”热控设计方法，通过设计参数匹配计算和热控方式设计，得到了符合设计要求的热控设计方案，为该方法的应用提供例证。数值仿真对比研究了符合与两种不符合“最佳温度动态范围”的热控设计，说明其设计方法的正确性。在该方法的指导下提出“适度隔热-周体散热”热控布局设计理念，相对传统“整体隔热-集中散热”热控设计布局，在可靠性和重量上新型布局都有明显优势。针对稳态标定热流计导致红外加热笼模拟瞬态外热流误差大的问题，采用热流计瞬态标定的方法，并引入瞬态参数识别和控制技术，提高红外加热笼模拟平缓变化外热流的精度，采用开环输出功率调节的方法，来改善热流大幅突升或突降时的热流模拟精度。在某型微小卫星瞬态热平衡试验应用中，改进方法有效的提高了瞬态热流模拟精度。对某型微小卫星符合与不符合“最佳温度动态范围”的热控设计，进行了瞬态热平衡试验，对比试验结果验证“最佳温度动态范围”热控设计方法的正确性。卫星在轨温度遥测量与热分析和试验结果一致，为本文提出的热控设计方法和新型热控布局设计理念的合理可行,提供了有利证据。在建立瞬态热分析模型修正参数集合的基础上，以瞬态热平衡试验高温工况数据为标准，采用蒙特卡洛混合方法对某型微小卫星瞬态热分析模型进行分层修正，建立瞬态温度误差评价方法，对修正效果进行评价，并讨论了比热容参数的修正对瞬态热分析模型修正准确性的影响。通过低温、特殊工况下修正前后模型瞬态温度误差比较，以及修正后模型在热真空试验、在轨动态温度预计中的应用效果，说明修正方法的有效性。本文的研究为小卫星热控设计方法提供新思路，为提高瞬态热分析精度提供了新方法，为小卫星的瞬态热试验提供新的试验手段。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-16
注释表  16-17
第一章绪论  17-33
  1.1 研究背景和意义  17-19
  1.2 卫星热控制技术现状  19-29
    1.2.1 地球轨道卫星热环境  19-20
    1.2.2 卫星热控方式  20-25
    1.2.3 卫星热控设计  25-27
    1.2.4 卫星热分析  27-28
    1.2.5 卫星热平衡试验技术  28-29
  1.3 小卫星热控研究现状  29-31
  1.4 本文主要研究内容  31-33
第二章小卫星动态传热特性理论分析  33-51
  2.1 模型建立  33-35
    2.1.1 小卫星被动热控构成  33-34
    2.1.2 双层集总参数模型建立  34-35
  2.2 空间热流动态变化分析  35-39
    2.2.1 太阳辐射  35-36
    2.2.2 地球红外辐射  36
    2.2.3 地球阳光反照  36-38
    2.2.4 空间热流工况分析  38-39
  2.3 内部结点温度的解析解  39-44
    2.3.1 时均量热平衡方程解析解与波动量热平衡方程  39-40
    2.3.2 “热激励-温度响应”波动量热平衡方程  40-42
    2.3.3 波动量热平衡方程的解析解  42-43
    2.3.4 波动量热平衡方程的解析解分析  43-44
  2.4 数值验证  44-48
    2.4.1 数值方法  44-46
    2.4.2 对比方法  46
    2.4.3 数值解与解析解比较分析  46-48
  2.5 “最佳温度动态范围”热控设计方法  48-49
  2.6 小结  49-51
第三章某型微小卫星热控设计与数值仿真  51-74
  3.1 热控设计任务  51-56
    3.1.1 热控设计对象  51-53
    3.1.2 设计温度要求  53-54
    3.1.3 空间热条件分析  54-56
  3.2 “最佳温度动态范围”热控设计  56-63
    3.2.1 热控设计条件分析  56
    3.2.2 “最佳温度动态范围”热控参数设计  56-58
    3.2.3 “最佳温度动态范围”热控方式设计  58-63
  3.3 “最佳温度动态范围”设计方法数值验证  63-69
    3.3.1 数值方法  63-65
    3.3.2 仿真模型  65-66
    3.3.3 “最佳温度动态范围”设计仿真结果分析  66-67
    3.3.4 符合与不符合“最佳温度动态范围”热控设计对比  67-69
  3.4 “整体隔热-集中散热”与“适度隔热-周体散热”布局对比  69-73
    3.4.1 两种布局设计理念  70-71
    3.4.2 两种布局性能对比  71-73
  3.5 小结  73-74
第四章瞬态外热流模拟方法研究  74-88
  4.1 红外加热笼模拟瞬态外热流方法分析  74-78
    4.1.1 模拟原理  74-76
    4.1.2 红外加热笼模拟瞬态外热流精度受限分析  76-78
  4.2 红外加热笼模拟瞬态外热流精度改进方法  78-81
    4.2.1 热流计瞬态标定方法  78-80
    4.2.2 开环输出功率调节方法  80-81
  4.3 某型微小卫星红外加热笼设计  81-84
    4.3.1 红外加热笼设计参数  81-82
    4.3.2 红外加热笼设计结构  82-83
    4.3.3 设计参数合理性  83-84
  4.4 改进方法的试验验证  84-86
    4.4.1 热流模拟误差定义  84-85
    4.4.2 试验测试瞬态热流与预期热流值比较  85-86
  4.5 小结  86-88
第五章瞬态热平衡试验及在轨遥测温度结果分析  88-104
  5.1 瞬态热平衡试验条件  88-96
    5.1.1 试验卫星状态  88-89
    5.1.2 卫星在真空模拟器中的安装  89-90
    5.1.3 真空模拟器环境  90-91
    5.1.4 试验边界条件  91-93
    5.1.5 温度测量  93-94
    5.1.6 试验链路  94-95
    5.1.7 试验流程  95-96
  5.2 试验工况  96
    5.2.1 试验工况定义  96
    5.2.2 试验工况稳定判据  96
  5.3 试验结果分析  96-99
  5.4 热控设计的在轨性能验证  99-102
    5.4.1 卫星在轨温度遥测量测试原理  99-101
    5.4.2 在轨测试结果分析  101-102
  5.5 小结  102-104
第六章瞬态热分析模型参数修正方法研究  104-118
  6.1 研究思路  104-105
  6.2 蒙特卡洛法参数敏感性分析  105-110
    6.2.1 修正参数集合  105
    6.2.2 参数敏感性分析  105-110
  6.3 混合方法分层修正敏感参数  110-114
    6.3.1 混合方法分层修正方法  110-111
    6.3.2 修正结果分析  111-113
    6.3.3 比热容参数对修正结果影响分析  113-114
  6.4 修正后模型有效性验证  114-117
    6.4.1 低温工况、特殊工况下修正后模型仿真结果  114
    6.4.2 修正后模型在热真空试验控温中应用  114-116
    6.4.3 修正后模型在某型卫星在轨动态温度预计中的应用  116-117
  6.5 小结  117-118
第七章总结和展望  118-122
  7.1 本文主要研究结论  118-120
    7.1.1 小卫星动态传热特性机理分析  118-119
    7.1.2 小卫星被动热控系统下的最佳动态温度范围设计  119
    7.1.3 小卫星瞬态热平衡试验模拟技术研究  119
    7.1.4 红外加热笼模拟瞬态外热流精度改进  119-120
    7.1.5 蒙特卡洛混合方法分层修正瞬态热分析模型  120
  7.2 本文创新点  120-121
  7.3 未来工作展望  121-122
参考文献  122-133
致谢  133-134
攻读博士学位期间发表的论文及研究情况  134-136
附录一到达外热流  136-137
附录二产品配套表  137-140
附录三卫星各工作模式下功率分布  140-141
附录四设备热控参数  141-142
附录五红外加热笼设计方法  142-146
附录六热电偶测点位置  146-150
附录七热敏电阻安装位置  150

小卫星动态传热特性分析与热控设计方法研究

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