星载大型旋转部件的热平衡试验方法

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1、航天器环境工程第30卷第3期280SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年6月星载大型旋转部件的热平衡试验方法耿利寅，彭方汉，王甜甜，李国强，孟恒辉，贾宏(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：星载大型旋转部件因其构型复杂和相对星体其他部分转动的特性，给热设计的验证带来诸多难题。文章以“海洋二号”卫星的微波散射计为例，分别采用通过地面试验直接获取在轨预示温度的直接验证方法，以及验证热分析模型、再由热分析模型预示在轨温度的间接验证方法进行热平衡试验。通过对试验结果、

2、热分析结果和在轨飞行结果的对比，验证了这2种试验方法正确、有效。关键词：旋转部件；微波散射计；热平衡试验中图分类号：V416文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)03—0280—06DoI：10．3969巧．issn．1673-1379．2013．03．0110引言热平衡试验的主要目的是验证航天器(或其部件)热设计的正确性。目前通行的做法是在热平衡试验中力求真实模拟试验对象在轨的外热流、工作模式及与航天器其他部分的遮挡关系等状态，从而直接获得试验对象在轨的预期温度【l‘2J。但上述方法在用于星

3、载大型旋转部件的热平衡试验时遇到相当大难度。从热控的角度概括来说，大型旋转部件的特点是：1)尺寸庞大、构型复杂，相对星体其他部分以一定的速度旋转，与星体其他部分的辐射耦合处于不问断的动态变化过程中；2)旋转部件与整星的所有能源传输和信息联络只能通过转动机构如滑环等进行，对传输通道有严格的限制。这些特点使得大型旋转部件的热平衡试验有多项区别于普通星载部件热平衡试验的特殊要求，如：对旋转部件不同部分、不同方向的外热流模拟困难，若采用非接触式的红外笼、红外灯等方式，难以对构型复杂、距离加热元件远近不一的多个表面外热

4、流进行准确模拟【341；而采用接触式的加热回路方式，又必须适应试验件持续转动的情况；受试验条件和其他约束条件的限制，很多情况下大型转动部件与星体其他部分的辐射耦合关系难以模拟，甚至试验中其转动状态也难以保持不变。本文针对上述大型星载旋转部件热平衡试验的特殊要求，提出了2种热平衡试验方法：1)通过地面试验直接获取在轨预示温度的直接验证方法；2)验证热分析模型、再由热分析模型预示在轨温度的间接验证方法。并以“海洋二号”卫星的微波散射计头部为例，通过对试验结果的分析及与在轨飞行数据的对比，验证了这2种试验方法的正确

5、性和有效性。1直接验证方法思路对于航天器及其部件的热平衡试验，目前国内采用最多的仍是直接验证方法。直接验证方法的基本思路是：在地面热平衡试验中，力求真实模拟试验件的在轨状态，包括其轨道外热流、与整星或其他部分的辐射耦合关系、工作模式及设备热耗等，在试验中直接获得在轨各工况下的温度分布，从而对其热设计结果进行评价。具体到大型旋转部件的热平衡试验，若采取直接验证的思路，首先，为保证真实模拟旋转部件与星体其他部分的辐射耦合关系，试验中试验件必须按在轨状态保持转动：其次，由于试验件持续转动，为真实模拟各部分吸收的外热

6、流，必须采取接触式的加热回路模拟外热流，而避免采用非接触式的红外笼、红外灯等方式，以保证对构型复杂、距离加热元件远近不一且持续转动的多个表面进行准确外热流模拟；第三，针对试验件的持续转动，其内部的温度测量必须进行专门收稿15t期：2013．03．13；修回15t期：2013-05．17作者简介：耿利寅(1974一)，男，高级工程师，主要从事航天器及其有效载荷的热设计工作。E-mail：gengliyin@126．com。第3期耿利寅等：星载大型旋转部件的热平衡试验方法281的考虑和设计。2间接验证方法思路随着

7、空间技术的快速发展，航天器构型日益复杂，直接验证方法越来越难以适应新的需求。近十几年来，对于大型复杂空间结构，欧美航天界逐渐放弃直接验证的思路，转而采用间接验证【5。7J。对于大型旋转载荷的间接验证方法，具体思路为：1)试验的首要目的是验证热分析模型的正确性而非直接预示在轨温度，为此，建立与试验状态一致的试验模型，其中旋转部件本身的模型直接采用轨道模型；2)旋转部件不装星，不模拟与星体之间的辐射耦合关系，试验中正常工作，但可以不转动；3)不模拟旋转部件的在轨外热流，而是根据模型验证的需要，设置至少高低2种外热

8、流工况，通过对比分析各工况试验结果与试验模型计算结果的一致性，验证热分析模型的正确性，必要时对热分析模型进行修正；4)将修正后的旋转部件热分析模型置于整星和轨道环境中，按在轨状态旋转并正常工作，对其在轨温度分布进行预示，从而对其热设计进行验证。3直接和间接热平衡试验方法示例以“海洋二号”卫星微波散射计探测头部为例，分别说明上述直接和间接验证思路的具体试验过程，并对2种试验方法进行对比分析。3．1散射