反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题

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1、2015年11月北京航空航天大学学报November2015第4l卷第11期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．11http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0719反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题宋馨+，张有为，刘自军(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：获得航天器在轨飞行过程中的外热流数据对于研究热控涂层在轨退化规律、各种空间因素对热控产品的影响以及航天器姿轨控发动机羽流热效

2、应都有非常重要的意义，然而直接测量热流存在很多困难，因此可以通过求解导热反问题得到满足一定精度的结果．首先，通过研究利用航天器设备在轨遥测温度值反演出航天器在轨瞬态外热流的导热反问题方法，建立了反演航天器在轨瞬态外热流的数学模型，采用共轭梯度法求解导热反问题并从物理概念角度改进了共轭梯度法的迭代过程以增加其抗不适定性；然后构造了两组能够代表目前大多数地球轨道航天器以及深空探测航天器在轨吸收外热流变化的数值试验对共轭梯度法的反演效果进行了检验．除阶跃变化位置以外反演值与真实值的最大相对偏差为2．9％，反演效果非常好；对于阶跃变化位置的吸收外热流在对反演结果进行分析处理后也能够得到较好的反演

3、结果．关键词：航天器；热流；辐射；导热反问题；共轭梯度法中图分类号：V216．5+3文献标识码：A文章编号：1001-5965(2015)11—2061—06获得航天器在轨飞行过程中的外热流数据对于研究热控涂层在轨退化规律、各种空间因素对热控产品的影响以及航天器姿轨控发动机羽流热效应都有非常重要的意义，然而中国航天领域在这方面做的工作非常少，主要原因是由于在航天器上安装测量外热流的热流计装置进行直接测量存在很多困难，并且要消耗宝贵的重量、空间、功率等航天器资源．因此可以利用反问题方法来克服直接测量的困难，得到满足一定精度要求的结果．反问题方法是根据可观测的量值反演系统变化规律或参数影响规

4、律的数学物理方法，航空航天领域中在导弹制导⋯、火箭推进系统故障旧1等方面已经得到良好的应用．导热反问题是反问题方法研究的一个分支，一般是利用研究对象的测量温度，通过一定反演算法计算得到热物性参数、边界条件等未知量．程文龙等"刮提出了卫星热分析模型不确定参数进行分层修正的反问题模型并取得了非常好的反演结果；杨沪宁和钟奇¨。建立了基于蒙特卡罗法反演修正航天器热模型参数的反问题模型；张镜洋等∽o研究了基于蒙特卡罗法的小卫星瞬态热分析模型参数分层修正方法；张中礼等研究了由内壁面温度反演火箭外壁热流的导热反问题。川；Lin和Chen等¨4。分别求解了平行板通道和肋片的导热反问题；Huang等。1“

5、“1求解了三维的热传导反问题；薛奇天和杨海天等求解了多宗量的热传导反问题¨2。“。，得到了较满意的结果；王登刚等¨副研究了非线性二维稳态导热反问题的数值求解方法；范春利等¨钊求解热传导反问题，识别试件内壁的缺陷．收稿日期：2014—11．18；录用日期：2015-02-25；网络出版时间：2015-04．0219：37网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150402．1937．013．htmlt通讯作者：宋馨(1986一)，女，陕西汉中人，工程师，songxin0110@163．corn，主要研究方向为航天器热控制技术．Bl用格式：宋馨

6、．张有为．刘自军．反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题1)]．北京航空航天大学学报，2015，41(11)：2061—2066．SongX，ZhangYW，LiuZJ．InverseheatconductionproblemfortransientexternalheattluxinversionofspacecraftonorbitlJ]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(11)：2061-2066(inChinese)．2062北京航空航天大学学报2015年本文采用导热反问题方法，利用现有的航

7、天器在轨遥测温度数据，通过反演计算就能够得到满足一定精度要求的航天器在轨外热流数据．由于导热反问题的不适定性及非线性，使导热反问题的求解远比导热正问题复杂．反演航天器在轨外热流的导热反问题需要在边界条件中引入表征辐射热流的4次方非线性项，大大增加了求解的难度，目前国内外还缺乏这方面的研究工作．本文研究了利用航天器设备在轨遥测温度值反演出航天器在轨瞬态外热流的导热反问题方法．首先推导了反演航天器在轨外热流的导热反问题数学模型，采用共轭