载人运输飞船多模式和姿态的外热流

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1、2011年2YJ中国空间科学技术25第1期ChineseSpaceScienceandTechnology载人运输飞船多模式和姿态的外热流卢威黄家荣钟奇(中国空间技术研究院，北京100094)摘要在理论分析的基础上，建立了飞船外热流分析模型，解算出不同飞行姿态和模式下的外热流，分析得到外热流变化规律，得出极端外热流工况。分析结果表明：当姿态为三轴稳定时，外热流随受晒因子增大而增加；由三轴稳定转为偏航机动后外热流突然减小，且随受晒因子增大而减小。关键词外热流飞行模式飞行姿态交会对接载人飞船DoI：10

2、．3780／j．issn．1000-758X．2011．01．0041引言载人运输飞船的主要功能是实现交会对接和天地往返，除了通过自主飞行实现与空间实验室对接并且将航天员和有效载荷运送到空间实验室外，停靠后还将与空间实验室进行联合飞行，最终将航天员和有效载荷运送至地面。今后，它还可能作为大型空间站的救生艇，将具有更长的联合飞行时间Ⅲ。交会对接和停靠飞行使得载人运输15l船的飞行姿态具有多样性，因而导致轨道外热流变化复杂，给飞船的热设计和热分析造成困难，极端外热流工况难于确定。航天器热控工程中，外热流

3、分析既是热分析工作之一，也是求解整个航天器温度场分布的重要外部热边界条件，更是选择极端工况的依据【2_3]。外热流分析工作贯穿于载人航天器热控系统研制的全过程，从系统方案设计阶段开始，就需要进行轨道参数计算和外热流计算以提供热设计的环境参数。热试验的外热流边界条件也需要根据外热流的分析结果来确定。本文对载人运输飞船的外热流进行了分析，计算得到飞船外表面吸收的轨道外热流，并得出飞船在不同飞行模式和姿态下的外热流变化规律，确定了载人运输飞船在整个飞行剖面内的极端外热流工况。2输人状态2．1轨道和姿态载人

4、运输飞船飞行在轨道高度约330km、轨道倾角约42。的圆形轨道上。约定飞船船体坐标系如图1所示，飞船在轨自主飞行的初始姿态为三轴稳定对地定向，+X轴为飞行方向，+Z轴指向地心，X轴、Z轴在轨道面内，0一XYZ坐标系满足右手螺旋法则，运输飞船的飞行方案为：在除与空间实验室对接和撤离外的其他时间内，当太阳入射角的绝对值大于30。时，飞船进行对日偏航机动飞行(包括自主飞行和停靠飞行)。通常，载人运输飞船具有以下飞行模式和飞行姿态：1)自主飞行，飞船姿态为三轴稳定对地定向，飞船+Z轴指向地心，+X轴为飞行方

5、向l收稿n期I2010—04-12．收修改稿ft期l2010-05-1426中国空间科学技术2011年2月2)自主飞行，飞船姿态为对日偏航机动，飞船+Z轴指向地心，+X轴追踪太阳，偏航角在轨实时变化；3)停靠飞行，飞船与空间实验室的组合体飞行姿态为三轴稳定对地定向，飞船+Z轴指向地心，飞船一X轴为组合体的飞行方向；4)停靠飞行，飞船与空间实验室的组合体飞行姿态为对日偏航机动，飞船+Z轴指向地心，飞船一X轴追踪太阳，偏航角在轨实时变化。2．2飞船外表面状态载人运输飞船由轨道舱、返回舱和推进舱三舱组成。

6、轨道舱的整个舱体外表面和推进舱的部分舱体外表面包覆多层隔热材料，多层隔热组件外表面再包覆一层防原子氧复合膜。返回舱外表面全部喷涂热控涂层。推进舱外部装有圆柱形体装式热图1飞船轨道和姿态Fig．1Orbitandattitudeofspacecraft控辐射器，辐射器外表面喷涂低太阳吸收率、高红外发射率的KS—Z白漆涂层。推进舱底部安装有高温隔热屏，用来隔绝发动机羽流对舱内设备温度的影响。3理论分析飞船太阳入射角为太阳光与飞船轨道面的夹角，用卢表示。在地心赤道坐标系中，p角可以依据球面三角关系求出，如

7、图2所示。卢=arcsinl-cosisin艿0+sinicos各esin(an一蛳)](1)式中i为轨道倾角；知为升交点赤经；幻为太阳赤经[o，360。]；岛为太阳赤纬[一23．5。，23．5。]。太阳赤经和赤纬的大小由季节和日期决定。依据轨道条件，由公式(1)得到太阳入射角口的变化范围在[一min(90。，i+23．5。)，min(90。，i+23．5。)]。已知运输飞船轨道倾角i=42。，很明显，飞船太阳入射角口范围是(一65．5。，65．5。)。受晒因子反映了飞船在轨道上受太阳照射的程度，受

8、晒因子越大，日照区域越大。对圆形轨道而言，太阳入射角卢与受晒因子r．之间的关系为a嫩os--