典型卫星的表面热辐射特征研究杨帆

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1、传热传质学编号：143194PCPdTa?k(1)中国工程热物理学会学术会议论文典型卫星的表面热辐射特征研究杨帆宣益民韩玉阁（南京理工大学能源与动力工程学院，南京，210094）（Tel:025-8431548&Email:ymxuan@mail.njust.edu.cn）摘要：为了更深入的分析典型卫星的表面热辐射特性，需要建立更加精细的卫星热特性计算仿真模型。在基本的卫星热辐射计算模型的基础上，新模型考虑了卫星载荷的发热与散热、热控措施、太阳能帆板的姿态控制以及多部件之间的遮档与辐射换热，进一步扩展模型的适用性，完善了模型的功能

2、。以中巴资源卫星为仿真原型，计算了典型卫星在轨运行时的各部件表面温度分布和变化，考虑了自身辐射与反射辐射，计算并分析了卫星表而的红外热辐射特性。分析结果可为卫星红外测量与分类识别提供有效的支持依据。】关键字卫星；辐射特征；数值计算0引言随着各国航天事业的投入发展，空间对抗技术的探索已经成为目前越来越热门的重要课题。空间对抗技术包括空间目标监测、识别与打击等等。红外探测技术是一种常用的空间监测手段，而对目标表面红外热辐射特性的研究是解决红外探测与识别的前提。作为最重要的空间目标，卫星系统的热辐射特性分析，己经受到了广泛的重视。国内外

3、许多研究者开展了相关建模、仿真与分析的工作〔2】。然而，其建模工作一般只涉及到了卫星基本的部件，即本体和太阳帆板。卫星其他多数的部件常常被忽略不计。另一方面，卫星的姿态一般考虑为三轴稳定。然而事实上，卫星在轨运行屮，太阳帆板多釆取对日定向的动态姿态控制。因此，在模拟卫星在轨运行吋的热特性吋，需要考虑太阳帆板的摄动。本文在已有的卫星热辐射特征仿真模型基础上〔勺，考虑卫星不同类型部件的载荷热源，部件之间的导热与辐射换热，太阳帆板的对日定向姿态摄动等。扩展了计算仿真软件的功能,完成了卫星热特性计算仿真的精细建模。通过以屮巴资源卫星为典型

4、目标，建立卫星热辐射特性模型，并根据该卫星的轨道特性，研究其在轨运行时的温度变化与热辐射特性，分析不同类型的红外辐射特性差异，为卫星的分类识别提供依据。1计算模型1.1基本的计算模型1.1.1温度计算由于在空间环境屮，可以忽略对流换热，同时辐射换热通常可以等效为单元体附加源项,所以卫星星体及部件的温度的控制方程可以采用三维导热微分方程。以下是含热源项的三维直角坐标系下的控制方程〔叭其中，为材料的热容量，k为材料的热导率。P是材料的热源项，既可以表示由于材料自身发热产生的热源，又可以代表由于处于边界上的辐射换热等效而成的附加热源。而

5、求解卫星的离散温度方程，最重要的就是确定卫星表面的辐射边界条件。1.1.2辐射边界条件在卫星温度数值计算过程中，辐射边界条件往往作为源项附加至控制方程冈，式（1）中的源项P可以表示为：基金项目：总装备部预先研究项目P=(Qsd+Qsun+QEarth+Qe~S+Qcom~QEmitV(2)其中，是卫星部件自身的产热量，幺“”是部件表而接收到的来自a阳的辐射热流，QEarth是部件表面接收到的来自地球大气系统的辐射热流，Qe_s是部件表而接收到的地球反射太阳的辐射热流，QCom是部件表而接收到的其他部件自身发射或反射的辐射热流，0劭

6、〃是部件表而对空间环境的辐射热流，是计算单元体的体积。边界条件各个热流值都已经在文献屮有过较多的讨论，此处不再敷述⑶。1.1.3红外辐射特性的计算卫星表面的红外辐射特征是卫星在红外波段范围内的辐射通量，包括自身辐射与反射辐射两部分⑵，即：=E〕"+(3)其中，久八力是计算波段的起始波长和终止波长，Ef"是在波段内卫星表而自身发射的辐射，在计算得到卫星表而温度Z后，则可以通过普朗克函数计算并积分获得；Ej"是在波段内卫星表而反射的红外辐射，反射的红外辐射包括地球辐射、A阳辐射以及其他部件发射的红外辐射。卫星表面材料的红外发射率是影响

7、红外辐射特征的重要因素。如果材料的红外发射率很高，那么其红外辐射特征主要受表面温度影响；如果红外发射率很低，那么反射的红外辐射影响较大。1.2精细的计算模型利用以上方法，可以完成较简单的卫星模型的仿真模拟。为了更加精确的模拟较复杂的卫星模型，则需要考虑更多的细节。模型的完善工作主要包括以下几个方面。1.2.1有效载荷的发热卫星的载荷是搭载在卫星平台上最核心的功能部件，如相机、雷达、光电探测器等。载荷在工作时，会产生热量。为了保持载荷在一定的工作温度下，这部分热量通常会转移到卫星的散热而，并排放到太空环境屮。因此，如果卫星处于工作状

8、态，需要在散热面内加入载荷的热流。其载荷热流主要与散热血和载荷的温度相关，散热血一般设置在背阳血，从而不受太阳辐射热流，其载荷热流与散热面辐射热流的热平衡方程可以表示为⑹：m~Tr)IR=4r£r(T(T：-T；)(4)其中，几、Tr、儿分别是载荷