發(fā)布時(shí)間：2020-05-06 13:14

【摘要】：衛(wèi)星是人類探索宇宙空間的主要工具。準(zhǔn)確高效的計(jì)算出在軌變熱環(huán)境下衛(wèi)星的瞬態(tài)溫度場分布是進(jìn)行衛(wèi)星熱控分析與設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié),也是進(jìn)行衛(wèi)星紅外仿真的關(guān)鍵步驟。如今商業(yè)航天蓬勃發(fā)展,微納衛(wèi)星逐漸成為新型主流衛(wèi)星產(chǎn)品,對(duì)于這些新型衛(wèi)星來講更加迫切需要進(jìn)行精準(zhǔn)熱分析。但是目前階段成熟的熱分析軟件大多為國外團(tuán)隊(duì)研發(fā),對(duì)復(fù)雜模型的求解精度較低,用于衛(wèi)星熱分析的國產(chǎn)軟件更是十分的匱乏。本文通過基于Fortran自編程的方式開展繞地飛行衛(wèi)星熱分析與紅外仿真軟件的研制工作,并使用自編衛(wèi)星熱分析軟件對(duì)在軌變熱環(huán)境下某繞地衛(wèi)星的軌道熱環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算。首先對(duì)衛(wèi)星熱分析理論進(jìn)行簡要介紹,衛(wèi)星的熱分析計(jì)算主要包括軌道參數(shù)計(jì)算,空間外熱流計(jì)算和溫度計(jì)算三方面。在衛(wèi)星質(zhì)心軌道坐標(biāo)系下建立了簡單快速求解太陽向量、地球向量的仿真模型,對(duì)姿態(tài)變化和遮擋判斷方法進(jìn)行了介紹,在此基礎(chǔ)上完成了空間外熱流的推導(dǎo);對(duì)求解三維模型溫度場的有限體積法進(jìn)行了推導(dǎo)并對(duì)邊界條件進(jìn)行了統(tǒng)一化處理。對(duì)考慮自身發(fā)射與背景反射的紅外輻射特性的求解方法進(jìn)行了推導(dǎo)。使用Fortran語言完成了自編衛(wèi)星熱分析軟件的主體程序編程并通過可視化編程實(shí)現(xiàn)了自編軟件的封裝工作。自編衛(wèi)星熱分析軟件可實(shí)現(xiàn)求解在任意日期、任意在軌位置、任意橢圓軌道參數(shù)下任意幾何構(gòu)型繞地衛(wèi)星的外熱流、整星溫度場以及紅外輻射特性。在求解計(jì)算過程中可以綜合考慮空間外熱流、環(huán)境輻射、目標(biāo)自身的輻射發(fā)射以及部件之間的輻射遮擋的影響。使用商業(yè)軟件Fluent對(duì)自編衛(wèi)星熱分析軟件的導(dǎo)熱部分及輻射遮擋判斷進(jìn)行了正確性驗(yàn)證,自編軟件的計(jì)算結(jié)果與Fluent驗(yàn)證結(jié)果基本保持一致;進(jìn)行真空低溫條件下的多體系統(tǒng)輻射導(dǎo)熱耦合換熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與自編軟件計(jì)算結(jié)果誤差基本保持在3K以內(nèi)。使用自編衛(wèi)星熱分析軟件對(duì)一橢圓軌道近地衛(wèi)星的軌道熱環(huán)境進(jìn)行了仿真計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析與討論。衛(wèi)星外表面接收外熱流情況具有顯著的周期性且受姿態(tài)影響較大,太陽輻射占比最大、地球紅外次之、地球反照占比最小。衛(wèi)星的整星溫度場主要受空間外熱流與衛(wèi)星內(nèi)部熱源的影響。衛(wèi)星在近紅外波段(3-5μm)的輻射力比遠(yuǎn)紅外波段(8-12μm)的輻射力低一個(gè)數(shù)量級(jí),進(jìn)行衛(wèi)星紅外仿真時(shí)不可忽略衛(wèi)星對(duì)背景的反射輻射。對(duì)某衛(wèi)星進(jìn)行了變軌道參數(shù)熱分析計(jì)算,從變軌道參數(shù)分析結(jié)果中可以看出軌道參數(shù)是衛(wèi)星在軌瞬時(shí)最高/低溫度的重要影響因素之一。對(duì)衛(wèi)星的典型熱物性參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,從敏感性分析結(jié)果可看出整星溫度對(duì)衛(wèi)星表面涂層的敏感度很大。
【圖文】：

圖 2-1 太陽輻射光譜分布可劃分為紫外線、可見光與紅外線，其劃分標(biāo)準(zhǔn)如表 2-1 所外輻射占比太陽總輻射的比率雖說很小但對(duì)衛(wèi)星外表面的在進(jìn)行衛(wèi)星熱控涂層研制及選取時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)。表 2-1 太陽光劃分標(biāo)準(zhǔn)太陽光 波長范圍紫外線 ＜0.3~0.38μm可見光 0.38~0.76μm紅外線 ＞0.7~0.78μm紅外輻射及地球反照輻射紅外輻射與地球反照輻射展開研究時(shí)要將地球與周圍大氣統(tǒng)，這一整體系統(tǒng)的能量來源是太陽輻射。被地球-大氣系為熱量后以長波輻射方式進(jìn)入宇宙空間的部分稱為地球紅氣系統(tǒng)反射進(jìn)入宇宙空間的太陽輻射稱為地球反照輻射。表面形貌變化、季節(jié)變化、晝夜變化等因素會(huì)對(duì)地球紅外輻

熱傳導(dǎo)：是指溫差存在于不同的物體之間或者同一個(gè)物體的不同部分之發(fā)生的溫度由高溫向低溫進(jìn)行傳遞的現(xiàn)象[54]。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間不能將其當(dāng)個(gè)簡單的等溫體處理，，而是存在一定的溫度梯度。使用傅里葉定律求解導(dǎo)熱問其表達(dá)式為[54]：ndTqdx 熱輻射：物體的溫度高于 0K 時(shí)會(huì)向外發(fā)射電磁波，一個(gè)物體發(fā)射的電磁其他物體吸收并轉(zhuǎn)換為熱能的過程稱為熱輻射[54]。使用斯蒂芬-玻爾茲曼方程射問題進(jìn)行求解，其表達(dá)式為[54]：4 41 12 1 2q A X (T T)（2）衛(wèi)星的熱平衡計(jì)算衛(wèi)星的溫度場受到環(huán)境和自身兩個(gè)因素的影響，這兩個(gè)因素共同確定某衛(wèi)星的溫度。依據(jù)能量守恒列出衛(wèi)星在空間環(huán)境中的熱平衡關(guān)系，即單位時(shí)間出衛(wèi)星系統(tǒng)的能量等于進(jìn)入衛(wèi)星系統(tǒng)的能量與衛(wèi)星系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量之和出表達(dá)式如公式 2-3 所示[55]。在軌繞地運(yùn)行衛(wèi)星的熱平衡示意圖如圖 2-2 所示
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V444.3;TP311.52

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1 C.羅塞蒂,賀張;利用衛(wèi)星的全球通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)方案[J];世界導(dǎo)彈與航天;1988年07期

2 朱文耀,黃s

本文編號(hào)：2651319