微納衛(wèi)星熱平衡試驗熱流計布點優(yōu)化方法

房紅軍 徐志明 寧東坡 蔡超凡

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

采用紅外加熱籠和熱流計進行外熱流模擬是衛(wèi)星熱平衡試驗中吸收熱流模擬的主要手段，因其具有操作靈活、簡單可靠的特點而在微納衛(wèi)星領(lǐng)域廣泛使用，但這種方法也同時存在各加熱區(qū)相互干擾、熱流均勻性差、對復(fù)雜外形航天器適應(yīng)性差等問題[1]。相較于大衛(wèi)星，微納衛(wèi)星本體尺寸小，星表敏感器、天線、遮光罩等組件對星體遮擋嚴(yán)重，在熱平衡試驗中準(zhǔn)確模擬外熱流更為困難。文獻[2]中以加熱片作為外熱流模擬的基準(zhǔn)，試驗測得紅外加熱籠-熱流計的外熱流模擬方法誤差平均在22.3%，并認為由安裝背景溫度引起的熱流計測量偏差是導(dǎo)致外熱流模擬誤差的主要原因。文獻[3]在航天服熱平衡試驗中，不再使用熱流計閉環(huán)控制紅外加熱籠功率，而是建立航天服的外熱流施加分析模型，迭代計算航天服表面分區(qū)吸收外熱流與空間外熱流的差異，以確定準(zhǔn)確的紅外籠電功率，從而減少外熱流模擬誤差。文獻[4]基于聯(lián)合熱數(shù)學(xué)模型全面分析了希望一號微納衛(wèi)星的熱平衡試驗誤差，典型艙板上的到達熱流不均勻度達27.3%，因熱流計布置不恰當(dāng)?shù)仍驅(qū)е略囼灉囟认噍^理想結(jié)果的偏離可達10 ℃以上。文獻[5]中提出了使用紅外籠補償邊和防輻射屏，以改進紅外籠加熱區(qū)之間的熱干擾，從而減少模擬誤差。

目前，微納衛(wèi)星熱平衡試驗中仍以熱流計作為控制外熱流施加的可靠手段，但以往的試驗實施過程中，較少有衛(wèi)星針對性地考慮由外熱流不均勻性及熱流計布點不合理引起的誤差。為進一步提高微納衛(wèi)星熱平衡試驗外熱流模擬的準(zhǔn)確性，本文基于虛擬熱試驗對熱平衡試驗設(shè)計流程進行優(yōu)化，采用模擬外熱流的分布數(shù)據(jù)優(yōu)化熱流計布點位置，進而降低外熱流模擬誤差，從而提高微納衛(wèi)星熱平衡試驗的準(zhǔn)確性和有效性。

1 熱平衡試驗外熱流模擬誤差分析

(1)

式中：ε為熱流計所在星體表面的紅外發(fā)射率；σ為斯特潘-波爾茲曼常數(shù)；αe和εe分別為熱流計敏感面的紅外吸收率和紅外發(fā)射率，在紅外輻射頻段可認為它們是相等的。

圖1 基于紅外加熱籠的外熱流模擬過程示意Fig.1 Schematic diagram of external heat flux simulation process based on infrared heating cage

圖2 基于紅外加熱籠的外熱流模擬控制過程示意Fig.2 Schematic diagram of external heat flux simulation control process based on infrared heating cage

分析試驗系統(tǒng)配置及控制過程可知，試驗?zāi)M外熱流誤差包含3個部分：①熱流計絕熱安裝假設(shè)引起的誤差；②熱流密度均勻假設(shè)引起的誤差；③試驗控制及測量引起的誤差。對于熱流計的外表面，由于其尺寸較小，忽略其表面的熱流不均勻性，則其熱流平衡關(guān)系為

(2)

式中：Te為熱流計實際溫度。

(3)

(4)

(5)

根據(jù)式(3)和式(5)，模擬外熱流密度誤差為

(6)

令ΔT表示熱流計實際控制誤差，即

ΔT=Tob-Te

(7)

將式(7)帶入式(6)，最終模擬外熱流密度誤差表示為式(8)，等號右側(cè)最后一項為熱流計測量不確定度的二階以上項。

(8)

在式(8)等號右側(cè)，第1項為熱流計非絕熱安裝引起的誤差，來自艙板對熱流計的輻射導(dǎo)熱及傳導(dǎo)導(dǎo)熱，當(dāng)熱流計安裝位置的艙板溫度較高時，該誤差比較明顯[2]。實踐表明：該項誤差可以通過安裝在多層位置、懸掛安裝、增加多層隔熱材料、增加補償片等方式減小。必要的時候，可以進行背景標(biāo)定，并有針對性地在控制環(huán)節(jié)予以補償。第2項為熱流計測量及控制不準(zhǔn)確引起的誤差，一般情況下，只要試驗設(shè)計得當(dāng)，熱流計的實際控制結(jié)果與目標(biāo)值偏差很小，該項誤差可以忽略。第3項即由于散熱面上熱流不均且熱流計布置不合理引起的誤差，本文主要對此進行優(yōu)化。

2 應(yīng)用虛擬熱試驗的熱流計布點優(yōu)化方法

采用Thermal DeskTop/SindaFluint熱仿真軟件進行虛擬熱平衡試驗建模和仿真，計算后可獲取模型中各節(jié)點的熱容、溫度和凈熱流等數(shù)據(jù)，但無法給出各散熱面的外熱流數(shù)據(jù)，可采用如下方法進行計算。

對于散熱面上的節(jié)點i，與其發(fā)生輻射熱交換的紅外籠或星外部件上的節(jié)點為j，則根據(jù)輻射換熱計算的杰伯哈特(Gebhart)法[1]，在第n個時間步長，由j節(jié)點發(fā)出并被節(jié)點i吸收的熱流為

(9)

據(jù)此，散熱面節(jié)點i在試驗工況m中吸收的熱流密度周期平均值為

(10)

式中：P為紅外籠和星外部件模型中向節(jié)點i輻射熱流的節(jié)點總數(shù)；Nt為總的時間步數(shù)；Ai為節(jié)點i的面積。

(11)

注：虛框中表示優(yōu)化流程。

3 仿真驗證

建立如圖4所示的六面體微納衛(wèi)星模型，除-Y側(cè)體裝翼外，衛(wèi)星在各表面均開設(shè)有散熱面；衛(wèi)星-Y側(cè)體裝翼伸出衛(wèi)星本體，對衛(wèi)星±X側(cè)板散熱面有較強的紅外熱流影響；衛(wèi)星+Z側(cè)安裝有天線、相機遮光罩等，-Z側(cè)安裝有對接環(huán)、星外設(shè)備，這些對其附近的散熱面同樣有較強的紅外熱流影響。

圖4 微納衛(wèi)星熱分析模型Fig.4 Thermal analysis model of micro-nano satellite

建立虛擬熱平衡試驗?zāi)Ｐ?，如圖5所示。對于衛(wèi)星各表面，共設(shè)置8個加熱分區(qū)(其中±X側(cè)各自設(shè)置2個加熱區(qū))，各加熱區(qū)采用1～2個熱流計對紅外籠帶條的功率進行比例-積分控制；在各加熱區(qū)之間增設(shè)輻射擋板，以減小加熱分區(qū)之間的影響。

設(shè)置低溫模式、高溫模式和正常模式共3個虛擬熱試驗工況，對其進行瞬態(tài)仿真。采用本文提出的方法分析各散熱面上的外熱流分布并計算多工況平均值，以-X散熱面1為例，優(yōu)化前3個工況散熱面上的吸收熱流分布情況如圖6所示。

歸一化平均計算后，得到熱流分布如圖7所示，分析各節(jié)點處的熱流密度數(shù)值，向平均值(即數(shù)值1)處調(diào)整熱流計位置，完成熱流計位置優(yōu)化。

圖5 虛擬熱試驗仿真模型Fig.5 Simulation model for virtual thermal test

圖6 3個不同熱試驗工況中-X散熱面1吸收熱流分布Fig.6 Absorbed heat flux distribution on -X radiation surface 1 in three different thermal test cases

圖7 -X散熱面1的歸一化平均熱流分布Fig.7 Normalized average heat flux distribution on -X radiation surface 1

對其他散熱面采用同樣的方法分析優(yōu)化，最終結(jié)果如表1所示。經(jīng)過3輪優(yōu)化，3個試驗工況中衛(wèi)星各表面的外熱流模擬誤差均方根由優(yōu)化前的9.2%降低為3.2%；其中，優(yōu)化前-X散熱面1的外熱流模擬綜合誤差最大達到了18.5%，優(yōu)化后降低為5.5%，優(yōu)化效果明顯。

表1 熱平衡試驗外熱流模擬誤差優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計Table 1 Statistics of optimization results of external heat flux simulation error in thermal balance test

4 結(jié)論

本文對微納衛(wèi)星熱平衡試驗外熱流模擬誤差進行分析，基于虛擬熱試驗提出微納衛(wèi)星熱平衡試驗熱流計布點優(yōu)化方法，并對其進行仿真檢驗，結(jié)果如下。

(1)微納衛(wèi)星熱平衡試驗采用紅外籠和熱流計進行穩(wěn)態(tài)外熱流模擬時，誤差主要包括熱流計非絕熱安裝誤差、熱流計測量誤差、散熱面上熱流分布不均勻?qū)е碌恼`差及其他由試驗系統(tǒng)引起的誤差，其中熱流分布不均勻?qū)е碌恼`差可以通過調(diào)整熱流計位置來降低。

(2)基于虛擬熱試驗，在熱平衡試驗設(shè)計階段可根據(jù)計算得到的熱流分布優(yōu)化熱流計布點而降低外熱流模擬誤差。針對本文中仿真算例的3個熱平衡試驗工況，衛(wèi)星各表面的外熱流模擬誤差均方根由9.2%降低至3.2%。

本文提出的方法可以定量分析微納衛(wèi)星熱平衡試驗中模擬外熱流誤差并進行優(yōu)化，可以有效地提高外熱流模擬準(zhǔn)確度，對其他復(fù)雜外形航天器的熱平衡試驗設(shè)計也有參考意義。