小卫星瞬态热分析模型修正方法

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1、中国空间科学技术Ch—i—neseSpaceScienceandTechnology2013年8月第4期小卫星瞬态热分析模型修正方法张镜洋1’2常海萍1王立国2(1南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016)(2南京航空航天大学高新技术研究院，南京210016)摘要为解决参数分类和构建最小误差目标函数中瞬态温度时域过程的表达问题，分别定义了瞬态温度时均量和波动量对修正参数敏感度和分析值与试验值间瞬态温度均方差。利用蒙特卡洛混合方法对敏感参数进行分层修正的结果表明，修正前后瞬态温度分析值与试验值间

2、误差由8％～16％降低至5％以下，分析值的时均量及波动量均有明显改善，且该结果被修正中未使用的试验数据所验证。这说明了修正中瞬态温度描述方式对改善瞬态热分析精度有效，蒙特卡洛混合法分层修正合理可行。关键词瞬态热分析蒙特卡洛方法分层修正小卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．04．0041引言热分析在校核卫星热控系统设计、预计卫星在轨温度、定位热控在轨故障等方面都起着至关重要的作用。但受到建模中传热参数输入值与实际工程值存在偏差的影响，热分析温度结果的准确性难以把握，因

3、而诸多学者对热试验数据修正热分析模型参数的方法进行了广泛研究。在稳态热分析模型修正方法研究中，文献[1—3]对最小二乘法、半经验一试凑法及统计回归法等进行了理论研究和试验，但这些方法因修正参数项不完整、修正结果取决于人为因素或耗时过长等缺点修正效果不理想。对解决反演问题具有突出效果的蒙特卡洛方法被引人该项问题的研究中，参考文献E4]应用蒙特卡洛方法对航天器稳态热分析模型进行修正，研究结果表明，该方法可有效提高模型参数的完整性和修正效率。而参考文献[5—6]研究了随机和有向蒙特卡洛法的模型修正效果，结果

4、表明蒙特卡洛法单步修正在提高仿真精度的同时，还存在不能同时获得多参数最优值的问题。在此基础上，参考文献[7—8]对多参数分层修正方法进行了研究，结果显示该措施比单步修正可进一步降低多参数输入值与工程值间的误差。随着低热惯性小卫星的迅猛发展和其瞬态热平衡试验技术的逐渐普及，利用瞬态试验数据提高瞬态温度场分析精度的新需求被提出凹]。但该方面的研究较为匮乏，以往稳态模型修正研究中瞬态数据平均化的处理方法[6’8]，又不能发挥其对瞬态温度波动特性的修正作用。要充分发掘蒙特卡洛反演修正方法对提高瞬态热分析精度的

5、潜力，关键要解决参数分类和构建目标函数时，瞬态温度时域过程的描述及其分析值与试验值差异的评价方法问题。本文以某型微小卫星为对象，采用蒙特卡洛混合法对瞬态热分析模型参数进行分层修正。参数分类时，定义时均量和波动量描述瞬态温度时域过程。构建目标函数时，定义瞬态温度均方差反映瞬态温度分析值与试验值问的误差。通过修正前后瞬态温度分析值与试验值间误差变化和时域曲线的比较，验证该措施对瞬态温度波动特性修正的有效性和修正方法的合理性。收稿日期：2012-09—24。收修改稿日期：201211232013年8月中国空

6、问科学技术参数集合及敏感性分类本文采用的瞬态热分析模型修正方案主要分为两大步：第一步，参数按敏感度进行敏感性分类；第二步，按敏感性分类进行分层修正。本节主要对参数分类方法进行阐述。2．1修正参数集合某型微小卫星为500km太阳同步轨道。热分析模型中主要输入热参数按照类型可以划分为3类：涂层热光学参数、当量导热参数、比热容参数，与稳态模型修正时不同的是引入了对瞬态温度场有影响的比热容参数。各分类参数及其理论值和变化范围如表1所示。表1修正参数集合!!!：!垒!!!翌!!!!!!竺!!!!!i旦里￡!!!

7、翌!!!!!一编号类型名称变化范围理论值ab涂层热光学C参数de聚酰亚胺单面镀金膜太阳电池阵F46镀铝二次表面镜$781白漆铝黑色阳极化仉／e^：0．16／0．08～O．21／o．03口；／“：0．6／1．0～0．7／o．5吼／￡^：0．3／0．75～O．4／0．5e^：0．88～0．92“：0．88～0．92O．19／O．050．66／o．820．38／0．650．9O．92．2修正参数分类以往的研究表明，如果直接对上述参数进行修正，得到反演误差面的峰值往往有很多个，所有修正参数不能同时达到最佳值∞

8、。6]，因而首先按温度场对参数变化的敏感度来对参数分类，即敏感性分类口。8]，详细流程如图1所示。在参数取值范围内，利用蒙特卡洛法对参数采用均匀概率模型进行抽样，将每次抽样参数值作为输入代入I—deas／TMG软件计算温度场，在其卫星内部设备的内外能量交换面处取12个关键点作为监测点(其编号为1～12)，抽样结束后统计各监测点温度对各修正参数的敏感度，敏感度使用斯皮尔曼(SpearmanC)等级相关系数^表示，其定义如下[1⋯：图1参数分类流程Fig．1