航天器真空热试验用加热板的数值仿真

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1、第27卷第5期航天器环境工程2010年10月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING607航天器真空热试验用加热板的数值仿真纪欣言，裴一飞，刘国青，付仕明(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：文章针对加热板在航天器热试验中的传热特点，利用ThermalDesktop软件建立了加热板和空间模拟器热沉的热数学模型，分析了电热丝数量、加热板材料和液氮管路布置方式对加热板升、降温时间和温度分布的影响；建立了模拟星、加热板和热沉的热模型，分析了加热板和星表间距对模拟星表面温度的影响．根据分析研究结果

2、，提出了加热板设计及其在航天器热试验中的应用方法建议．关键词：航天器；加热板；热数学模型；真空热试验中图分类号：v416．5；v416．8文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)05-0607-04DoI：10．3969巧．issn．1673-1379．2010．05．013O引言空间外热流模拟是航天器热试验中的一项重要工作。随着我国航天技术的不断发展，特别是深空探测项目的开展，对航天器热试验的超低温实现、热流均匀性和准确性等方面提出了更高的要求。目前，国内常用的外热流模拟装置有红外加热笼、红外灯阵和薄膜电加热

3、器，技术比较成熟，但仍存在一些问题，如高、低热流难以同时兼顾，热流均匀性差等【l巧】。加热板具有热流均匀性好，热流值准确的优点，而且在加热板上增设低温回路，能满足低温模拟的需要。加热板在国外航天器热试验中已有应用【6】，但在国内的相关研究报道较少。加热板的设计主要是使加热板在真空和低温环境中，达到较高的板面温度均匀性和合理的高低温温度范围。本文所建立的加热板、热沉和模拟星的耦合传热数学模型，主要用于研究电热丝间距、材料和液氮管路布置方式对加热板温度水平的影响，以及加热板和星表间距对模拟星温度水平的影响。1加热板、热沉和模拟星

4、的物理模型加热板为面积600彻n2，厚30mm的立方体，由控制系统、加热元件电热丝、导热平板和冷却管路组成【71。加热元件与冷却管路的布置方式【8】如图l、图2所示。电热丝均匀埋在板中，冷却管路直接固定在加热板的背面，工质为液氮。图l电热丝的布置方式Fig．1Distributionoftheheaters低温管路燃糍溅獭憾强㈣㈣磷蹴獭峨髓谶喙)／／。,,／#。lE，。,tz。'／／。／／／，翰。／／⋯／I／／L蔼毪孙j戳‰溉嗡嗽唆峨戳骶翰憋瞪键硝獭凇制峨濑蛐憾谶避《毯强赣醯瀚l1蛾婚瓿礓

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7、4‰I悠毯l?璐盛《戳嗵氇氇氇《魁蛾《埝体出IA●戳强嫩镳臻畿油黝强戳堍峨壤黼撼图2冷却管路的布置Fig．2Distributionofthecoolingpipelines模拟星为长方体箱型结构，外形尺寸为600ram(x)x400mm(y)x300mm(z)，+y板内外表面均涂有黑漆，其余5个外表面包覆10个单元的多层隔热组件。加热板与模拟星一起放置在热沉中，加热板上表面正对模拟星+y板。收稿日期：2010．04．06；修回日期：2010．08．30基金项目：航天科技基金资助项目作者简介：纪欣言(1985一)，女，硕士研

8、究生，研究方向为航天器空间真空热环境工程；E-mail：wtsjtu@126．com。刘国青(1960-一)，男，研究员，研究方向为航天器空间真空热环境工程。同m㈣啉矿航天器环境工程第27卷2加热板、热沉和模拟星的热模型2．1仿真方法描述本文使用ThermalDesktop热分析软件进行仿真。首先建立加热板、热沉和模拟星的热节点网络模型，加热板冷却回路的流体网络模型，加热元件功率和冷却流量的控制模型；然后对加热板、热沉和模拟星进行耦合仿真‘91。2．2热节点网络模型的数学描述加热板的热网络模型是由针对每一个节点建立热平衡方程

9、所形成的，节点f的热平衡方程为(埘c，)。詈2；Gi,j(正一-)+(1)∑GR¨(14一巧)+Q，，_I’，、‘，，‘，式中：r为温度；(mcp)f为节点i的热容；Qi为节点i的内外热源；GiJ为节点i与节点／的线性热导，在加热板的建模中主要有导热、对流及传质3种线性热导：GR“为节点f与节点，之间的非线性热导一辐射热导。2．3流体网络模型的数学描述根据SINDA／FLUINT软件提供的条件，流体网络内的工质流动遵循一维流体动力学的基本规律，其连续方程、动量方程、能量方程分别为望+—o(p—／u2)：0(2)望+幽+鲨：o

10、(3)at8tax—apE+—a(pE—／u)+坐：0(4)8t敏、其中：P为密度；口为流速；P为压力；E为总内能。3仿真结果分析3．1电热丝数的影响分析为分析不同电热丝数对加热板的影响，分别选取了电热丝数为8、16、24、32、64根的加热板进行对比(电热丝均布、等功率)。以加热板上表面