基于卫星在轨温度预示热控涂层性能退化的方法

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1、ao中国空间科学技术2015年12月————=———一一塑!竺竺!竺兰望皇竺呈兰竺!竺望!竺皇呈垒!竺!垒呈呈!皇矍兰篁!塑基于卫星在轨温度预示热控涂层性能退化的方法宋馨张有为刘自军斯东波(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要介绍了一种利用卫星在轨温度数据预示热控涂层在轨性能退化情况的方法，建立并推导了适用于研究热控涂层随整数年变化规律的数学模型，该模型利用卫星设备的温度曲线通过反演计算得到设备表面热控涂层的退化数据。为检验本文数学模型的计算效果，构造了一组数值试验，结果表明本文数学模型的计算数据与真实值非常接近，说明本文建立的数学模型能够很好地根据卫星在轨温度计算出热控涂

2、层在轨退化数据。关键词热控涂层；性能退化；数值模拟；在轨数据反演；卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．06．0051引言热控涂层在卫星热控制领域得到了非常广泛的应用，热控涂层的两个重要热辐射性能参数太阳吸收比和发射率决定了暴露于空间环境中卫星表面的温度水平。由于卫星在轨运行期间会受到原子氧、紫外线、带电粒子等空间辐射的作用使热控涂层的性能发生退化，主要表现为太阳吸收比增大‘1

3、，导致卫星温度升高，影响卫星的正常运行和在轨安全。因此，研究卫星热控涂层性能的退化规律，对于卫星在轨安全运行和卫星热控设计都非常重要。NASA通过在轨飞行试验和地面模拟试验研究

4、了热控涂层性能退化规律浯31；我国在“东方红二号”卫星上对热控涂层(OSR)的在轨性能退化情况进行了测试[4]；文献[5—7]中研制了一套空间辐射环境模拟试验系统，对常用热控涂层的性能退化进行了大量试验研究；文献[8]对热控涂层性能退化的机理进行了理论研究。由于在卫星上搭载热控涂层监视装置所消耗的资源代价非常大，目前的热控涂层性能退化研究工作仍然以地面试验和理论分析为主。热控涂层性能的退化会直接反映到卫星温度水平的变化上，而我国发射的各类卫星在轨飞行过程中又积累了大量温度数据，因此可选取不同时间卫星在轨温度数据并通过计算比较得到热控涂层性能退化规德。本文从一维传热问题出发，探讨了基于卫

5、星在轨温度数据通过反演计算研究热控涂层在轨性能退化情况的方法，并通过模拟算例对计算效果进行了验证。2数学模型2．1一维传热方程本文研究的为一维传热问题，研究对象为安装在某人造地球卫星上的一台设备，设备的特征尺寸为L，在z一0处为绝热边界，在z—L处与宇宙空间辐射换热，一维瞬态传热方程为收稿日期：2015-0201。收修改稿日期：2015—06—01!!!i笙!!旦主垦奎囹登兰堇查—————————————————-生L—oTk一且．垫(1)十●一＼1，arpkCDk越‘挚l：o(2)跏l，：oAk警l—gk—EkO'“lk(3)^k—f—gk一“7式中。表示时间；下标k表示研究对象；T

6、。，A。、Pk、c业分别为研究对象的温度、导热系数、密度、比热容；Ek为研究对象与宇宙空间换热表面的发射率；d为斯特芬一波尔兹曼常数；qk为研究对象与宇宙空间换热表面的吸收外热流值，q。一q。(r)为时间的函数，包括吸收的太阳辐射、地球的红外辐射以及地球反照的太阳辐射，即：qk—akE。+￡kEe+OtkEr(4)式中crk为研究对象与宇宙空间换热表面的太阳吸收比；E、Ee、E，分别为太阳辐射强度、地球红外辐射强度以及地球反照的太阳辐射强度。2．2热控涂层性能退化计算公式推导为研究热控涂层在轨性能退化，总体思路是从某时刻r，开始，截取r，～r。+△r时段的研究对象在轨温度变化曲线，反演

7、得到这段时间内研究对象的吸收外热流q。，然后由式(4)计算得到钒，下面对式(4)中各项进行逐个分析：1)q。为研究对象与宇宙空间换热表面的吸收外热流值，在已知研究对象在轨温度变化曲线的情况下，采用导热反问题方法由研究对象的温度曲线反演得到，为已知量，导热反问题反演过程将在第2．3节中给出。2)E，为太阳辐射强度，对于给定的轨道及轨道位置，太阳辐射强度的量值有成熟的公式可以计算得到，太阳辐射与研究对象受照表面的角度关系也能由卫星轨道与太阳辐射的位置关系计算得到，为已知量。3)E为地球红外辐射强度，与大气温度、地表温度、地形地貌等很多因素有关，地球红外辐射的测量及计算非常困难，为未知量。4

8、)E。为地球反照的太阳辐射强度，与地表热辐射特性、海洋湖泊分布、大气传输和散射特性等很多因素有关，地球反照的太阳辐射强度的测量及计算非常困难，为未知量。5)e。为研究对象与宇宙空间换热表面的发射率，已有热控涂层性能退化研究工作表明，热控涂层在轨性能退化主要表现为太阳吸收比的变化，￡k退化很小可视为不变[1]，因此￡。可以在卫星发射前通过地面试验测量得到，为已知量。通过分析看到，式(4)中除了钒这个未知量外，还有地球红外辐射强度E和地球反照的太阳