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1、第5卷第1期光学精密工程Vol.5,No.11997年2月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGFebruary,1997阳光直射对外遮光罩辐射加热的分析与计算赵立新(中国科学院长春光学精密机械研究所,长春130022)摘要以概率论的基本原理为依据,分析和计算了阳光直射对空间光学遥感器的外遮光罩的辐射加热,其中包括不同轨道位置处飞船船体对阳光的遮挡和阳光从外遮光罩开口处斜入射到其内腔的情况,避免了二次曲面投影的复杂运算。关键词:随机模拟;外遮光罩;宇宙飞船;辐射换热1引言外遮光罩的温度状态直接影响着空间光学遥感器的
2、第一光学表面——光学窗口,使之产生温度梯度,进而影响成像质量和分辨率,因此,有必要对外遮光罩进行详细的热计算,其中包括阳光直射对外遮光罩的辐射加热。宇宙飞船外表面主要是由一系列的二次曲面组成的,其中一些曲面相交的轮廓线十分复杂。这些二次曲面对阳光的遮挡随轨道位置的不同而改变。如果用通常的几何投影法来计算阳光直射对外遮光罩的辐射加热,则各曲面和相交轮廓线的投影相互重叠,边缘切线的确定[1]和数学表达式极为繁琐,在实际Fig.1Theradiativecalculationmodelofthesunlighttothe工程计算中难于应用。本
3、文采用了outerbaffle一种新的计算方法——随机模拟国家自然科学基金资助项目收稿日期:1995年12月8日1期赵立新:阳光直射对外遮光罩辐射加热的分析与计算29法,使计算过程大为简化,热计算模型如图1所示:2阳光直射对外遮光罩的辐射加热的分析2.1太阳辐射太阳发出的辐射在整个光谱范围内,其强度是不均匀的。当与太阳的距离一定时,可以把照在行星或航天器上的太阳能量流视为一个常数。太阳黑子、耀班的活动会引起谱线的较大的[2]变化,例如宇宙射线、射线、X射线及无线电波的变化,但对总能量影响很小。通常用太阳常数来描述地球大气层上界的太阳
4、辐射强度。太阳常数的数值是指在日地平均距离处,地球大气层上界垂直于太阳光线的单位面积上、单位时间内接收到的太阳辐射能2[3]量。本文计算取太阳常数为1352W/m。2.2外遮光罩受晒情况分析外遮光罩位于飞船的第一象限,接受阳光直接照射的能量与下列因素有关:飞船船体的遮挡、进入地球阴影区、轨道位置、阳光与飞船轨道面的夹角、外遮光罩的结构和涂层等。为了减少外遮光罩的向阳面和背阳面的温度差,进而减小光学窗口的非轴对称温度梯度,外遮光罩的外表面涂了对阳光吸收能力较低的白色涂料,其吸收发射比为0.13/0.93。外遮光罩的内表面涂黑漆,并有多级挡
5、光环。飞船在轨7天,太阳光线与飞船轨道面的夹角为±20°,其中相机照像区间的轨道夹角为-15.89°～11.21°。飞船每转一周,由于轨道摄动,太阳光与轨道面夹角增加约0.3°。阳光与轨道面的夹角对外遮光罩和窗口的热状态有直接关系,这就需要确定一个典型的太阳光与轨道面的夹角,进而计算出一个轨道周期内若干位置的空间外热流,然后可用插值法确定任意位置的外热流。考虑到冗余设计和光学窗口的热惯性,在计算时一律取-15°,作为典型的太阳光与轨道面的夹角。此角度比照像期间的平均阳光轨道面夹角要小(绝对值大),这就在计算中加大了外遮光罩的温度差,进而
6、增加了设计的保险系数。由于太阳能电池板向外伸展,离飞船的中轴线较远,即使在极限的情况下,太阳能电池板里端与外遮光罩上任一点的连线与轨道面的夹角都大于15°,所以,在太阳光线与飞船轨道面的夹角为-15°的情况下,在任何轨道位置处,太阳能电池板都不会遮挡射向外遮光罩的太阳光线(忽略太阳能电池板的伸展连杆的遮挡效应)。外遮光罩受阳直接照射与轨道位置的关系如下:1)在地球阴影区,外遮光罩不受阳光照射,这段时间约为整个轨道周期的61.2%;2)当外遮光罩刚离开阴影区时,飞船地心连线与阳光夹角小于-90°,阳光不受飞船的任何遮挡,直接照射到外遮光罩
7、上,同时还有一部分阳光从外遮光罩的开口处斜入射到外遮光罩内腔;3)在飞船飞过地心连线与阳光夹角90°点,向会日点飞行的过程中,飞船船体对阳光的遮档效果越来越显著。在会日点处,外遮光罩由于轨道舱的遮挡而不受日晒;4)当飞船由会日点向地心连线与阳光夹角90°点飞行的过程中,飞船船体对阳光的遮挡效果越来越小,直到到达地心连线与阳光夹角90°点,阳光再次直接照射到外遮光罩上,所不同的是由于外遮光罩在飞船的前部,在这一过程中飞船的遮挡的平均效果要比位置3)的要大;5)在飞船从地心连线与阳光夹角90°点到进入阴影区的过程中,外遮光罩受晒情30光学精
8、密工程5卷况与位置2)的相仿,只不过外遮光罩的受晒部位的角度转过了约150°。3阳光直射对外遮光罩的辐射加热的计算思路采用随机模拟法计算外遮光罩的阳光直射加热,计算思路如下:1)选取如图2所示的坐标系。x轴
