舱外航天服热试验外热流模拟方法改进研究

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1、航天器环境工程第29卷第5期508SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2012年10月舱外航天服热试验外热流模拟方法改进研究王刘杰，黄伟芬，徐水红，周永康（中国航天员科研训练中心，北京100094）摘要：舱外航天服热平衡试验热流计算工作量大，有必要改进外热流模拟方法。文章提出用红外加热笼分类模拟舱外航天服包围面上外热流，并给出包围面外热流的概念，分析包围面上外热流，得出外热流模拟改进方法的关键措施，且用仿真方法验证了模拟方法的可行性。关键词：舱外航天服；热真空试验；外热流；红外加热笼中图分类号：V416.5文献标识码：A文章编号：1673

2、-1379(2012)05-0508-06DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2012.05.007[6]0引言离飞船时；空间最大热流情形是当舱外航天服和飞船位于太阳和地球连线上（图1(b)），而舱外航舱外航天服主要功能之一是环境热防护和内天服同时受到太阳直射、飞船的辐射和反射以及地部微环境温度控制，其热设计多采用被动热防护+[1]球的部分辐射和反照，且与飞船距离最小时。主动温控的组合方式。舱外航天服需要在地面进行严格的真空热试验（包括热平衡试验和热真空试[2]验）以测试、验证、评估热设计的正确性。2007年，“飞天”舱外航天服开展了真空热试[

3、3]验，其热平衡试验采用红外加热笼来模拟外热流，(a)最小外热流情况试验方法比较复杂，在试验中又要求计算航天服表[4-5]面吸收热流。由于舱外航天服外形复杂，其表面吸收热流的计算和模拟难度很大，而表面吸收热流的计算精度受限于航天服表面建模的准确性，用单一的红外加热笼模拟外热流必定存在一定的模拟偏(b)最大外热流情况差，因此如何有效地开展舱外航天服的真空热试验，图1最小外热流和最大外热流情况Fig.1Thehotcaseandthecoldcaseofouterheatflux提高模拟试验精度是本文重点研究的内容。2“飞天”舱外航天服热平衡试验外热流1空间外热流分析模

4、拟方法在高度为200～500km的近地轨道，舱外航天空间环境模拟试验中，外热流模拟方法包括入服吸收的外热流包括太阳辐照、地球辐射和反照、射热流模拟法、吸收热流模拟法以及组合模拟法[7]。飞船辐射和反射等热流。由于太阳、地球、飞船和美国“双子星座”舱外航天服真空热试验采用太阳舱外航天服的相对空间位置是变化的，因此外热流模拟器来模拟太阳辐照，用红外模拟设备来模拟红大小和分布不能确定。另外，外热流本身在轨道周外辐射[8]。期（约为90min）内也是变化的。“飞天”舱外航天服热平衡试验在KM6水平经分析，空间最小热流情形是当舱外航天服和舱中进行，采用红外加热笼模拟全部外热流

5、。红外飞船位于地球阴影区（图1(a)），而舱外航天服远加热笼为直径1250mm、高2323mm的圆柱形，————————————收稿日期：2012-03-30；修回日期：2012-04-19作者简介：王刘杰（1986—），男，硕士研究生，研究方向为载人航天环境模拟技术；E-mail:wangliujiemail@163.com。通信作者：黄伟芬，女，研究员，中国载人航天工程航天员系统副总师；E-mail:hwf_2006@sina.com。第5期王刘杰等：舱外航天服热试验外热流模拟方法改进研究509分为上、中、下3段，每段有12个加热区，顶部的外热流模拟方法。外热流

6、模拟方法改进思路为：有3个加热区，底部无加热区，如图2所示。舱外航天服的映射面取为圆柱面，将航天服的外热流映射为圆柱面的外热流（等效），因此热试验就变成该圆柱面上的外热流模拟，而舱外航天服在映射面模拟热流场内进行测试。图2用于舱外航天服热试验的红外加热笼Fig.2Infraredheatingcageusedforspacesuitthermalvacuumtest热平衡试验工况包括低温工况、高温工况、高温拉偏工况和均匀热流工况4种。低温工况试验采图3航天器的环境映射面Fig.3Mappingplanesforspacecraft’senvironment用无外热流

7、方法，直接用热沉（其温度<100K）模由于红外加热笼模拟的热流呈漫射特性，不能拟外部热环境。高温工况即为最大热流情形，需要直接模拟太阳辐照方向，因此试验中所模拟的情形将全部外热流转换为试验条件下的等效热流，用红难以做到与空间情况一致。为了减少试验中的模拟外加热笼模拟该等效热流。高温拉偏工况和均匀热误差，需要根据环境映射面理论和试验的实际情况流工况都是均匀热流。舱外航天服分为头部、四肢、提出更合理的试验方法，是本文研究的重点。背包等多个大部位，要保证各部位的试验吸收热流图4是根据环境映射理论建立的物体M辐射与空间吸收热流基本一致，最大偏差不大于15%。热流穿过虚线