熱控涂層參數(shù)對衛(wèi)星輻射特性的影響

楊 明,鄭海燕

(1.解放軍電子工程學院安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室,安徽合肥 230037;2.中國人民解放軍96634部隊,江西南昌 330200;3.安徽淮北工業(yè)學校,安徽淮北 235000)

0 引言

衛(wèi)星觀測主要依賴光學探測系統(tǒng)對空間飛行衛(wèi)星的探測、發(fā)現(xiàn)和跟蹤。衛(wèi)星的可見光輻射主要取決于反射的太陽輻射,而紅外輻射與其溫度緊密相關,由于衛(wèi)星表面一般都有熱控涂層,所以研究衛(wèi)星輻射特性,必須考慮熱控涂層的影響。文獻[1～4]分別計算了衛(wèi)星的溫度和紅外輻射。從計算結果來看,衛(wèi)星在空間軌道飛行時,輻射特性不明顯。為提高目標探測精度,應當發(fā)展衛(wèi)星的多光譜輻射特性研究。本文分析了衛(wèi)星紅外和可見光輻射的計算方法,研究熱控涂層參數(shù)改變對在軌飛行衛(wèi)星表面溫度和輻射的影響。

1 熱控涂層的溫度

熱控涂層是專門用于調(diào)整固體表面熱輻射性質(zhì),從而達到對物體溫度控制目的的表面材料。航天器在太空飛行時,要將內(nèi)部產(chǎn)生的熱和吸收的空間外熱流排散出去,使航天器的溫度達到一個合適范圍。航天器單位面積輻射散熱量大小主要由涂覆在其外表面上的熱控涂層的熱輻射性質(zhì)所決定[5]。

在建立航天器表面?zhèn)鳠崮Ｐ蜁r,假設內(nèi)部發(fā)熱元件在航天器內(nèi)表面的輻射照度E為均勻的。采用內(nèi)節(jié)點區(qū)域離散法,將衛(wèi)星表面計算區(qū)域劃分為多個微元控制體,每個控制體在艙體厚度方向也劃分兩層。同一控制體內(nèi)各物性參數(shù)均勻,如圖1所示。

圖1 微元控制體示意圖

對圖1(b)中所示的節(jié)點i的內(nèi)、外兩個控制體分別建立節(jié)點平衡方程為:式中,T0 i、T1i分別表示節(jié)點i的內(nèi)外控制體溫度;Ei,j和D 0i,0j為節(jié)點i、j內(nèi)表面的輻射換熱系數(shù)和傳導系數(shù);λ、δ、c、m分別為衛(wèi)星艙體表面鋁層的導熱系數(shù)、厚度、比熱容、控制體的質(zhì)量;ε1為涂層發(fā)射率;q為節(jié)點吸收的外熱流密度,該熱流由太陽輻射、地球輻射、地球反照輻射組成[6],計算公式為:

式中,α0、α1分別為熱控涂層可見光和紅外吸收率,α1=ε1;qs、qe分別為太陽常數(shù)和地球紅外輻射熱流密度,qs=1353W/m2、qe=220W/m2;ρ為地球的太陽反射率;θ為面元的外法線與太陽入射方向的夾角;φs、φe分別為地球反照角系數(shù)和地球輻射角系數(shù)。

2 衛(wèi)星輻射特性的計算模型

衛(wèi)星輻射由自身輻射和反射的太陽輻射、地球輻射和地球反照輻射構成。在確定衛(wèi)星表面溫度分布后,將衛(wèi)星看成一個朗伯發(fā)射體來計算衛(wèi)星自身輻射,衛(wèi)星反射輻射則按照漫反射理論計算。衛(wèi)星表面面元的光譜輻射出射度可以表示為:

反射可見光譜輻射可表示為:

在可見光波段,地球輻射能量近似為0。

反射紅外光譜輻射可表示為:

E1λ、E2λ和E3λ分別表示衛(wèi)星表面的太陽輻射照度、地球反照輻射照度和地球輻射照度。則衛(wèi)星的可見光輻射出射度Msun和紅外輻射出射度Minfra分別為:

太陽是距離地球最近的恒星,太陽半徑rs≈6.96×105km,地球與太陽的平均距離1AU≈1.5×108km。由于日地距離非常遠,可認為日地距離是不變的[7],因此由能量守恒定律有:

式中,Msλ為太陽光譜輻射出射度;Esλ為太陽在地球大氣層外的光譜輻照度。若太陽可等效成溫度為5762K的黑體,則由普朗克黑體輻射定律可以得到太陽直接照射衛(wèi)星上的光譜輻射照度為:

地球等效成溫度為293K的黑體[5],它的表面輻射遵守朗伯定律。由黑體輻射定律求得地球表面的光譜輻射出射度為:

地球輻射在衛(wèi)星表面的光譜輻照度為:

地球對太陽輻射的反射可認為是地表均勻的漫反射,由此在計算地球反射太陽輻射時可將地球當作二次光源來處理。地球對太陽輻射的平均反射率為30%,由此通過同計算地球輻射時同樣的方法,可得到地球反射的太陽輻射在衛(wèi)星上的輻照度為:

3 計算結果及分析

假定某一圓形軌道、六面體結構的三軸穩(wěn)定低軌衛(wèi)星,衛(wèi)星軌道半徑為6653km,軌道傾角iθ=60°,衛(wèi)星運行周期為5400s。太陽直射地球赤道,初始時刻定為會日點,在第一個周期內(nèi)衛(wèi)星進、出地球陰影區(qū)的時刻分別為1890s和3510s。衛(wèi)星各點的初始溫度都為300K。以對地面為例,熱控涂層的可見光吸收率和紅外發(fā)射率取表1所列出的三組數(shù)據(jù)。分別計算不同參數(shù)下對地面的可見光和紅外輻射。圖2表示空間環(huán)境(太陽、地球)在衛(wèi)星對地面上的輻射照度,在地球陰影區(qū)只有地球輻射照度,約210W/m2。

表1 熱控涂層參數(shù)

圖2 空間環(huán)境在衛(wèi)星對地面上的輻射照度

圖3為衛(wèi)星表面溫度變化曲線:(a)列出了從初始時刻起,對地面的溫度變化曲線,總體上經(jīng)過5～7個周期的運行后,溫度已成周期性變化;(b)為溫度穩(wěn)定后周期變化曲線,選擇了第8個周期,即運行時間為43200～48600s。從圖中可以看出溫度變化幅度不是很大,基本都在6～8K之間。同時,參數(shù)a相對b、c而言,最先達到平衡,且平衡溫度也最高,b稍低,c的平衡溫度最低。

圖3 衛(wèi)星表面溫度變化曲線

圖4列出了衛(wèi)星溫度穩(wěn)定后對地面的可見光輻射出射度(波段為0.28～0.83μm),參數(shù)a的可見光輻射最小,參數(shù)b、c基本相同。這是由于衛(wèi)星的可見光輻射基本上都是反射太陽光輻射,參數(shù)a的可見光反射率最小,參數(shù)b、c的可見光反射率相等,所以出現(xiàn)圖中的結果。在地球陰影區(qū)既接收不到太陽直接輻射,也沒有地球反照的太陽輻射,所以可見光輻射為0。

圖5為對地面在8～14μm波段的紅外輻射出射度,變化趨勢基本與溫度變化趨勢相同,這是由于地球對衛(wèi)星對地面的角系數(shù)在衛(wèi)星飛行過程中不變,故對地面接收到的地球輻射不變。圖示一段時間參數(shù)a的紅外輻射低于參數(shù)b,這是由于該短時間內(nèi)參數(shù)a、b對地面的溫度都比較低、自身紅外輻射較小,而參數(shù)b的紅外反射率比參數(shù)a高、反射的地球紅外輻射較高。

4 結束語

衛(wèi)星對地面的輻射特性是陸基、?；涂栈怆娞綔y的主要探測對象。結合圖4、5可以看出,在不同參數(shù)條件下,對地面可見光輻射小的紅外輻射較大,紅外輻射小的可見光較大。所以如何選擇合理、優(yōu)化的熱控涂層參數(shù)來提高探測和識別的精度,是衛(wèi)星在熱控設計中必須考慮的問題?！?/p>

[1] 薛豐廷,湯心溢.空間目標瞬態(tài)溫度特性研究[J].激光與紅外,2008,38(8):223-225.

[2] 孫鳳賢,夏新林,劉順隆.航天器溫度場的蒙特卡羅法計算[J].哈爾濱工程大學學報,2001,22(5):10-12.

[3] 韓玉閣,宣益民.衛(wèi)星的紅外輻射特性研究[J].紅外與激光工程,2005,34(1):34-37.

[4] 沈國土,楊寶成,蔡繼光,等.衛(wèi)星紅外輻射場理論模擬[J].中國空間科學技術,2005,4(2):6-10.

[5] 侯增祺,胡金剛.航天器熱控制技術[M].北京:中國科學技術出版社,2007.

[6] 閔桂榮.衛(wèi)星熱控制技術[M].北京:中國宇航出版社,1991.

[7] 舒銳,周彥平,陶坤宇.空間目標紅外輻射特性研究[J].光學技術,2006,32(2):196-199.