大型或复杂构形辐射等效热平衡试验方法

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1、2010年4月第2期中国空间科学技术Chine—se——S——pa——c—e—ScienceandTechnology3l大型或复杂构形辐射等效热平衡试验方法钟奇刘自军范庆梅(中国空间技术研究院，北京100094)摘要对于大型或复杂构形不能参加的不完整状态热平衡试验，提出并证明了使试验等效完整状态的必要条件，即补偿两种状态下参试部位吸收的辐射热流之差。为验证这种等效方法的充分性，利用两种热分析软件对一个构造算例的多种状态进行了数值试验，结果表明方法可行。关键词热设计热辐射等效热平衡试验数值试验航天器1引言热平衡试验是航天器热设计的重要验证手段，轨道外热流

2、(以下简称外热流)是试验中需要模拟的非常重要的第二类边界条件。传统的航天器或部件热平衡试验的思路是尽量准确模拟外热流，通过试验直接预示给定工况下在轨温度情况，进而验证、评估热设计，这类准确模拟外热流的热平衡试验是对热设计的最直接检验。但是，对于含有大型或复杂构形部件的航天器，要进行这类准确模拟外热流的热平衡试验往往存在很大的困难：一种情况是真空容器无法容纳大型构形，构形无法与航天器本体或其他部件一起进行试验，对于整星或其他部件的热影响因而不能直接体现，太阳翼、各种形状的大型天线等都属于此类构形；第二种情况是构形能置入真空容器，但因为几何形状的复杂，用红外

3、热流模拟手段无法准确模拟它吸收的外热流，它的热影响同样不能准确体现，多数弧形或网状天线都属于这类部件。对于第二种情况，通常有两种解决途径：一是仍使用红外热流模拟手段，但不追求模拟热流与在轨状态完全吻合，而是根据试验状态将在轨模型改造为试验状态热模型，并将试验附加设施、实际施加热流都予以体现，通过试验状态热模型分析结果与试验数据的比较来修正热模型，并将修正得出的可用于在轨热模型的参数用于在轨状态的预示。这种直接验证分析、间接验证设计的方法，在国外已经应用较多【1_43；第二种解决途径是用太阳模拟器模拟外热流，一定程度上能避免其他热流模拟方法的不足，但往往也

4、会因为支架的引入、太阳光源运动不能精确模拟、光源的光谱特性偏差等因素，使得热流模拟的准确度降低，特别是对于低轨航天器，一般很难同时模拟地球反照和地球红外辐射热流。因此，即使使用太阳模拟器模拟外热流，一般也需要与热分析结合来验证设计，与途径一类似。本文研究第一种情况，即在构形不参加试验的情况下，如何使得参加试验部分的温度仍能与完整状态的试验温度接近，即希望不带构形试验仍能等效有构形时的情况。若能做到这一点，对于通过试验直接验证热设计意义重大。然而，何为等效，如何等效，有哪些应用条件，诸多问题都需要研究。收稿日期：2009-05—25。收修改稿日期：2009

5、—08-26中国空间科学技术2010年4月2等效热平衡试验方法研究现状在2000年以前，国内对于大型或复杂构形不参加航天器系统级热平衡试验的相关问题研究不多，在实践中逐渐形成的一种做法是：太阳翼不参加或仅部分参加整星(器)热平衡试验，但这种做法对整星(器)的热影响并未经过评估。文献E5]意识到了这个问题，并以“神舟”飞船为对象进行了分析，分析表明飞船辐射器吸收的太阳翼红外辐射热流约为吸收轨道外热流的9％左右，也就是说，若不考虑太阳翼存在时其红外辐射，太阳翼不参加试验会使辐射器上模拟的总热流比实际情况少8％左右。自此之后，“神舟”飞船热平衡试验中，都将这部

6、分热流补偿到辐射器的模拟外热流中。文献[61进一步改进了转动太阳翼的红外热流的计算方法，并证明在计算中将太阳翼固定于任意方位都可以做到在热流上与翼板转动的情形等效；在一定的温度范围内，将翼板固定于任意温度时都存在等效方位。不过，这两篇文献中都只考虑了太阳翼的一次红外加热，未考虑多次的反射、吸收效应，更未注意到船体表面发出、又被太阳翼反射的红外辐射部分，在太阳翼不参加试验时其实也应补偿。近年的某些卫星热平衡试验意识到了前一个缺陷并予以纠正，但第二个缺陷仍旧存在。此后，高轨的箱式卫星的整星热平衡试验中，通常认为星表散热面吸收的来自太阳翼的红外加热是15W／m

7、2，并在试验中进行了补偿，近年的校核计算表明，这一数值是基本恰当的。近年我国研制的某卫星有一个星外设备安装在一个尺寸较大的抛物面天线附近，天线与该设备间有较强的辐射传热，但因为天线外热流的模拟难度，该设备的热平衡试验中无法引入天线，因此也遇到了天线的热影响如何体现的问题。研制人员采用了一种比较巧妙的方法来计算天线对设备的红外加热：通过设置一种特殊的计算状态得到设备的温度，由此可反推天线存在时的红外加热。我国研制的另一颗带有大型网状天线的卫星的整星热平衡试验同样运用了这种方法，分析表明，天线对散热面的红外辐射热流与散热面吸收的外热流之比甚至达到了6：4，意

8、味着在天线不参与试验的情况下，如果不补偿天线的红外热流，热流模拟将有巨大偏差。不