空间相机热平衡试验温度预测方法改进及应用

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1、2013年2月第1期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology45空间相机热平衡试验温度预测方法改进及应用石进峰1’2吴清文1黄勇1杨献伟1(1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033)(2中国科学院研究生院，北京100049)摘要为实现对航天器热平衡试验平衡温度的预测，建立了热平衡温度预测的方程式，对影响预测结果的各参数进行了分析。首先，由节点网络法推导出平衡温度表达式，介绍了其基于非线性最小二乘法的求解过程，建立了平衡温度的迭代方程；其次，结合大量的试验数据，对影响迭代结果的3个因素进行了统

2、计分析，并最终确定了各因素的合理取值范围；最后，利用温度预测程序对某空间相机热平衡试验中低温工况的平衡温度进行了预测，并与试验结束后的结果进行了对比。结果表明，预测温度与试验数据的误差为±1℃(在3％之内)，满足精度要求，对热平衡温度准确的预测有效的缩短了试验时间，节省试验费用。关键词节点网络法热平衡试验温度预测非线性最小二乘法空间相机DOI：10．3780／i．issn．1000758X．2013．01。0071引言目前的航天器热平衡试验～般采用稳定实验法，即将试验进行到试验工况基本达到稳定。因航天器本身的热容量大，内部传热差，航天器与周围环境的

3、换热热阻较大，所以其热平衡试验时间一般从几十小时到数百小时。1。2一。在热平衡试验中，结束试验时监测点的温度变化要非常小，否则试验所得的温度数据与真实值之问将有较大的偏差口。3一。不同的温度平衡判据对应的试验时间有较大的差异L4j，目前国内常用的热平衡试验标准中稳定性判据：监测点温度波动值在连续4h内不超过0．5。C或温度单调变化不超过0．1：C；而美军标MIDSTD-1540C中明确规定，当具有最大热时间常数的组件温度与由试验外推确定的稳态值相差小于3C，且其温度变化率小于1。C／h，则认为达到了稳定温度[2J。基于温度外推技术的应用，国外的热平

4、衡判据较多为温度瞬时变化不超过0．5～1℃／h。。⋯。由于热平衡试验时间长，且一次试验往往要进行多个工况的试验，所以试验费用是相当昂贵的。如果可以对监测点的平衡温度进行准确预测，通过合理的预测结果提前结束试验，而不再以稳定判据的标准来判断试验平衡与否，则可以有效减少试验时间从而节省试验费用。文献[4]详细说明了利用比差法进行温度预测的原理和计算过程，其缺点是误差较大、且预测点温度的稳定变化须小于20℃。文献[6]介绍了通过建立星载仪器温度的双层集总参数模型来预测热平衡温度，其优点是可以对变工况的试验进行温度预测，但文中并没有给出便于计算的分析过程。

5、文献[7]通过简化分析得到了具有周期热源变化的卫星温度平衡表达式，该表达式与具有恒定热源的相同，但物理意义不同，统一的热平衡温度表达式的建立为温度预测提供了理论基础。文献[8]介绍了预测热平衡围家霞大工程资助课题收稿F1期：2012-0605。收修改稿日期：2012-0712!!史垦窒!里型兰垫查!!!!生!旦温度的不稳定法，其原理是节点网络的温度平衡式，文中最后的预测结果并没有与试验平衡温度相对比，且对影响迭代结果的各个因素只是做了定性的探讨。文献E9]用理论计算对比了进行温度预测的各种算法的精确度。本文利用节点网络法推导热平衡温度表达式，并详细

6、介绍平衡温度表达式基于非线性最小二乘法的迭代求解过程，统计分析得到影响迭代结果各因素的合理取值范围，从而实现对热平衡试验平衡温度预测方法的改进，利用改进后的预测方法编程实现对空间相机热平衡试验平衡温度的预测。对极紫外相机低温工况的热平衡温度进行预测，试验表明预测结果与试验数据吻合较好。2基本原理(1)节点网络法在航天器热计算中，将航天器按分析要求划分成若干大小不同的单元体，单元体的几何中心称为节点。节点的温度和热物性代表了整个单元体内的平均温度和平均热物性，且p用节点问的网络关系代替单元间的传导、对流和辐射关系，称为节点网络法。根据能量平衡原理：在

7、单位时问内，周围环境流人单元体的热量与单元体本身产生的热量之和应等于单元体流人环境的热量与单元体内能变化之和口。。由以上的节点网络关系得到航天器的热网络方程，节点i，r时刻的热量平衡方程为：c：专≥一∑D，(TJ—T：)+∑R3iG(FF)+Q：(1)式中D，为节点i与节点j问的传导系数；R，为节点i与节点歹问的辐射系数；C：为节点i的比热容；Q。为节点i的内热源和所受外热流；仃为斯忒藩常数，为5．67×108W／(m2·K1)；T。、T，为节点i、歹在z-时刻的温度。如果物体的平衡温度经过一段时问后接近某一稳定值并不随时问变化，称为稳态热平衡温度

8、，此时物体的内能变化为零。则试验平衡时有：0一∑D，(Tj～Ti)+52,R，仃(TJW1)+Q。(2)由于航天器上的仪器